JP2007267290A - Solid-state imaging device and driving method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子およびその駆動方法に関し、特にフォトダイオードから読み出した信号電荷を加算する技術に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device and a driving method thereof, and more particularly to a technique for adding signal charges read from a photodiode.
一般的な固体撮像素子であるCCDの構成模式図を図7に示す。図7(a)は全体の構成の概略を示す図であり、図7(b)は光電変換部であるフォトダイオードと垂直CCDの駆動ゲートとの配置関係を示す図であり、図7(c)はフォトダイオード上に配置されたカラーフィルタの配列の一例を示す図である。 FIG. 7 shows a schematic configuration diagram of a CCD which is a general solid-state imaging device. FIG. 7A is a diagram showing an outline of the entire configuration, and FIG. 7B is a diagram showing a positional relationship between a photodiode as a photoelectric conversion unit and a drive gate of a vertical CCD, and FIG. () Is a diagram showing an example of an arrangement of color filters arranged on a photodiode.
レンズ等(図示せず)によって集光された光は、行列状に配置された画素各々に設けられたフォトダイオード700に入射して、信号電荷に変換される。通常、フォトダイオード700からの電荷読み出しは行ごとに行われる。
Light collected by a lens or the like (not shown) enters a
信号電荷は、垂直CCD701内で順次転送されて水平CCD702に到達する。その後、信号電荷は、水平CCD702内で転送されて、増幅部であるアンプ703に到達する。そして、信号電荷は、アンプ703で増幅されて画素信号として出力される。
The signal charges are sequentially transferred in the
垂直CCD701には、転送チャネル上に絶縁膜を介して複数本のゲート704が垂直方向に配置されている。図7(b)に示すように、1つのフォトダイオード700に対して2本のゲートが設けられる。この2本のゲートのうちの一方は読み出し兼転送ゲートであり、他方は転送ゲートである。
In the
図7(b)に示す例では、印加される信号がそれぞれ異なる6本のゲートが周期的に並んでいる。図7(b)において、φV1、φV3、φV5に対応する3種類のゲートは読み出し兼転送ゲート、φV2、φV4、φV6に対応する3種類のゲートは転送ゲートである。読み出し兼転送ゲートに高電圧が印加されるとフォトダイオード700から信号電荷が読み出される。その後、φV1〜φV6に対応するゲートに異なるタイミングで信号が印加されて、図面の上方から下方に向かって電荷が移動する。
In the example shown in FIG. 7B, six gates having different applied signals are periodically arranged. In FIG. 7B, three types of gates corresponding to φV1, φV3, and φV5 are read / transfer gates, and three types of gates corresponding to φV2, φV4, and φV6 are transfer gates. When a high voltage is applied to the read / transfer gate, signal charges are read from the
また、図7(c)に示す配列は、Bayer配列と呼ばれる原色型カラーフィルタの配列である。Bayer配列では、2×2画素を一単位としてR、G、Bのフィルタが配列される。 Further, the array shown in FIG. 7C is an array of primary color filters called a Bayer array. In the Bayer arrangement, R, G, and B filters are arranged with 2 × 2 pixels as a unit.
固体撮像素子は、例えばデジタルスチルカメラに実装される。デジタルスチルカメラは、行ごとに信号電荷を読み出した後、各行から得られた画素信号を処理してカラー信号を得る。 The solid-state image sensor is mounted on, for example, a digital still camera. The digital still camera reads a signal charge for each row and then processes a pixel signal obtained from each row to obtain a color signal.
近年、デジタルスチルカメラなどに実装される固体撮像素子は画素数が非常に多くなってきている。また、近年、デジタルスチルカメラには、静止画撮影だけでなく動画撮影の機能も要求されている。動画撮影の機能は、例えば静止画撮影前のモニタモードで使用される。このように画素数が非常に多く、静止画撮影と動画撮影の機能を備えるデジタルスチルカメラには、動画撮影を行う際に垂直方向の見かけの画素数を減らす技術が一般的に採用されている。すなわち、デジタルスチルカメラは、静止画を撮影する場合には全画素(全フォトダイオード)から信号電荷を読み出し、動画撮影を行う際には、フレームレートを高くするために、全画素の中から一部の画素を間引いて信号電荷を読み出し、その読み出した信号電荷を加算して垂直方向の見かけの画素数を減らしている。 In recent years, the number of pixels of a solid-state imaging device mounted on a digital still camera or the like has been extremely increased. In recent years, digital still cameras are required not only for still image shooting but also for moving image shooting. The moving image shooting function is used, for example, in a monitor mode before shooting a still image. As described above, a technique for reducing the apparent number of pixels in the vertical direction is generally adopted for a digital still camera having a very large number of pixels and having a still image shooting function and a moving image shooting function. . In other words, a digital still camera reads signal charges from all pixels (all photodiodes) when shooting a still image, and when shooting a moving image, the digital still camera uses one of all pixels to increase the frame rate. The signal charges are read by thinning out the pixels of the portion, and the read signal charges are added to reduce the apparent number of pixels in the vertical direction.
さらに、近年では、複数の駆動モード、例えば30fpsのモードでの駆動と60fpsのモードでの駆動の両方とも実現できるデジタルスチルカメラが登場してきた。このように複数の駆動モードを実現できるデジタルスチルカメラでは、駆動モードに対応させて垂直方向の見かけの画素数を変えていることが多い。以下、この理由について簡単に説明する。 Furthermore, in recent years, digital still cameras that can realize a plurality of driving modes, for example, driving in a mode of 30 fps and driving in a mode of 60 fps have appeared. Thus, in a digital still camera that can realize a plurality of drive modes, the apparent number of pixels in the vertical direction is often changed in accordance with the drive mode. Hereinafter, this reason will be briefly described.
一般的には画像の解像度は高い方が良いが、30fpsもしくは60fpsあるいはそれ以上の高いフレームレートを確保するためには、多画素の固体撮像素子、特にCCDにおいては垂直方向の解像度を落とす必要がある。一方、動画の画像の解像度は、スルー画像として使用する場合は水平ライン数がQVGA相当の240Hライン程度、記録動画用として使用する場合は水平ライン数がVGA相当の480Hライン程度であるのが好ましいとされている。そのため、フレームレートの変化に応じて垂直方向の見かけの画素数を変化させている。また、垂直方向の見かけの画素数を減らすにあたって、上記した水平ライン数、フレームレート、および固体撮像素子の動作特性を考慮した上で設計がなされる。 In general, a higher image resolution is better, but in order to secure a high frame rate of 30 fps, 60 fps or more, it is necessary to reduce the vertical resolution in a multi-pixel solid-state image sensor, particularly a CCD. is there. On the other hand, the resolution of the moving image is preferably about 240H lines corresponding to QVGA when used as a through image, and about 480H lines corresponding to VGA when used for recording moving images. It is said that. Therefore, the apparent number of pixels in the vertical direction is changed according to the change in the frame rate. In order to reduce the apparent number of pixels in the vertical direction, the design is made in consideration of the number of horizontal lines, the frame rate, and the operating characteristics of the solid-state imaging device.
また、画素使用率が低いとスミアと呼ばれる偽信号およびモアレと呼ばれる偽信号が現れやすくなる。そこで、一般的に、画素使用率を高めるために、垂直方向の画素を間引くだけでなく画素加算を行う。すなわち、画素を間引くことのみで見かけの画素数を減らそうとすると画素使用率が低下するので、間引く画素数を減らす代わりに、読み出した垂直方向の信号電荷を加算することで、垂直方向の見かけの画素数を減らしている。 Further, when the pixel usage rate is low, a false signal called smear and a false signal called moire tend to appear. Therefore, in general, pixel addition is performed in addition to thinning out pixels in the vertical direction in order to increase the pixel usage rate. In other words, if you try to reduce the apparent number of pixels only by thinning out the pixels, the pixel usage rate will decrease, so instead of reducing the number of pixels to be thinned out, adding the read vertical signal charge will make the vertical direction apparent The number of pixels is reduced.
画素を加算する場合には、加算後の画像において偽色の発生を防ぐために画素重心が均等に並ぶように加算対象(読み出し対象)の画素を選択することが望ましい。図8に垂直方向の画素加算の一例を示す。図8(a)に示すように加算対象の画素を選択したほうが、図8(b)に示すように加算対象の画素を選択した場合よりも均等な画素重心分布となって偽色が発生しにくい。 In the case of adding pixels, it is desirable to select pixels to be added (reading targets) so that pixel centroids are evenly arranged in order to prevent generation of false colors in the added image. FIG. 8 shows an example of pixel addition in the vertical direction. When the pixel to be added is selected as shown in FIG. 8A, the pixel centroid distribution becomes more uniform than when the pixel to be added is selected as shown in FIG. 8B, and a false color is generated. Hateful.
また、信号電荷を加算すると、1画素あたりの出力感度が擬似的に高くなるという特徴がある。これは画素加算を行う場合と行わない場合とを比較すると、画素加算を行った方が同一出力を得るために要する露光時間を短くすることが可能となるからである。 Further, when the signal charge is added, the output sensitivity per pixel is increased in a pseudo manner. This is because comparing the case where pixel addition is performed with the case where pixel addition is not performed, the exposure time required for obtaining the same output can be shortened when pixel addition is performed.
デバイス設計にも関連するが、垂直方向の画素加算時にフォトダイオードから垂直CCDへ複数回に分けて信号電荷を読み出す構成の固体撮像素子が多い。このとき、上記のように感度が擬似的に高くなるため、加算対象画素の露光時間は全色系列間で一定時間に揃えることが望ましい。例えば、図7(c)に示すBayer配列の1単位の上側の行(Gb−B)を第1の色系列、下側の行(R−Gr)を第2の色系列とすると、これらの色系列間で露光時間に時間差があると、シャッタ速度に依存して色分光に違いが発生する。 Although related to device design, there are many solid-state imaging devices that are configured to read signal charges in multiple times from a photodiode to a vertical CCD when adding pixels in the vertical direction. At this time, since the sensitivity becomes pseudo-high as described above, it is desirable that the exposure time of the pixel to be added is set to a constant time between all color series. For example, if the upper row (Gb-B) of one unit of the Bayer array shown in FIG. 7C is the first color series and the lower row (R-Gr) is the second color series, these If there is a time difference in exposure time between the color series, a difference occurs in the color spectrum depending on the shutter speed.
これについて図9を用いて説明する。図9はシャッタタイミングと信号電荷読み出しタイミングとの関係を示した図であり、メカシャッタが閉じるタイミングと画素(フォトダイオード)から信号電荷を読み出すための信号がゲートに印加されるタイミングとの差が露光時間に当たる。図9(a)に示す低速度のシャッタ動作時には、露光時間が長いため、第1の色系列での露光時間と第2の色系列での露光時間との差は、露光時間そのものに対して小さいため問題にならないが、図9(b)に示す高速度のシャッタ動作時には露光時間そのものが短くなるため、色系列ごとの露光時間差が影響し、出力画像の色再現性の劣化を引き起こす。 This will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the shutter timing and the signal charge readout timing. The difference between the timing at which the mechanical shutter closes and the timing at which the signal for reading out the signal charge from the pixel (photodiode) is applied to the gate is the exposure. Hit the time. During the low-speed shutter operation shown in FIG. 9A, since the exposure time is long, the difference between the exposure time in the first color series and the exposure time in the second color series is relative to the exposure time itself. Although it is small, there is no problem, but since the exposure time itself is shortened during the high-speed shutter operation shown in FIG. 9B, the difference in the exposure time for each color series affects the color reproducibility of the output image.
読み出し時の特性を均一にする必要もあって、複数種類の読み出し兼転送ゲートを駆動させて全画素の露光時間を揃えることは実際には難しい面があり、従来は、加算対象画素の露光時間の総量を各色系列間で一定に揃えることで見かけ上の露光時間の均等化を行う技術が提案されていた(例えば、特許文献1参照。)。 Since it is necessary to make the characteristics at the time of readout uniform, it is actually difficult to drive the exposure time of all the pixels by driving multiple types of readout and transfer gates. There has been proposed a technique for equalizing the apparent exposure time by making the total amount of each of the color series uniform (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、昨今の微細化による開口部の縮小により、光の波長の関係でR画素の感度が他色画素に比べて低くなるという現象が起きており、色系列間の露光時間を一定に揃える方法では色分光に違いが発生するようになってきた。
本発明は、上記問題点に鑑み、垂直方向に画素加算を行う撮影モード(駆動モード)において、画素重心分布を均等に保ったまま露光時間に差をつけることにより、特定の色系列の画素の感度を向上させることが可能で、かつ高フレームレートを実現可能な固体撮像素子およびその駆動方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention provides a difference in exposure time while maintaining a uniform pixel centroid distribution in a shooting mode (drive mode) in which pixel addition is performed in the vertical direction. It is an object of the present invention to provide a solid-state imaging device capable of improving sensitivity and realizing a high frame rate and a driving method thereof.
本発明の請求項1記載の固体撮像素子は、それぞれ光電変換部を有し行列状に配置された複数の画素と、それらの画素上に配置される第1の色系列と第2の色系列が列方向に交互に配列されたカラーフィルタと、前記光電変換部で蓄積された信号電荷を読み出して転送する垂直CCDと、前記垂直CCDから転送された信号電荷を増幅部に転送する水平CCDと、を少なくとも備え、垂直方向に並ぶ前記第1および第2の色系列の各々の画素から信号電荷を間引いて読み出し、色系列ごとに前記垂直CCD内で加算する駆動モードを有する固体撮像素子であって、前記駆動モード時に信号電荷が読み出される読み出し対象の画素は、加算後の色系列ごとの画素重心が垂直方向に均等に並ぶように配置され、前記垂直CCDは、前記駆動モード時に信号電荷を読み出すゲートとして、他の系統とは独立して駆動可能な4種類以上のゲートを有す、ことを特徴とする。 A solid-state imaging device according to a first aspect of the present invention includes a plurality of pixels each having a photoelectric conversion unit and arranged in a matrix, and a first color series and a second color series arranged on the pixels. Are alternately arranged in the column direction, a vertical CCD that reads and transfers the signal charge accumulated in the photoelectric conversion unit, and a horizontal CCD that transfers the signal charge transferred from the vertical CCD to the amplification unit. , And a solid-state imaging device having a drive mode in which signal charges are read out from pixels in each of the first and second color series arranged in the vertical direction and added in the vertical CCD for each color series. The pixels to be read from which the signal charges are read out in the drive mode are arranged so that the pixel centroids for each color series after addition are evenly arranged in the vertical direction, and the vertical CCD is connected to the drive mode. To as a gate for reading out a signal charge, independently have a four or more gates can be driven to the other strains, it is characterized.
また、本発明の請求項2記載の固体撮像素子は、請求項1記載の固体撮像素子であって、前記第1および第2の色系列の各々の読み出し対象の画素は、繰り返し単位となる所定数の画素ごとに2つ以上ずつ配置されており、その繰り返し単位ごとに信号電荷の加算が行われるように、他の系統とは独立して駆動可能な4種類以上のゲートが設けられていることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the solid-state imaging device according to the first aspect, wherein each readout target pixel of the first and second color series is a predetermined repeating unit. Two or more gates are arranged for each number of pixels, and four or more types of gates that can be driven independently of other systems are provided so that signal charges are added for each repeating unit. It is characterized by that.
また、本発明の請求項3記載の固体撮像素子は、請求項1もしくは2のいずれかに記載の固体撮像素子であって、読み出し対象の画素は、互いに隣接しないよう配置されていることを特徴とする。 A solid-state imaging device according to claim 3 of the present invention is the solid-state imaging device according to claim 1 or 2, wherein the pixels to be read are arranged so as not to be adjacent to each other. And
また、本発明の請求項4記載の固体撮像素子は、請求項1ないし3のいずれかに記載の固体撮像素子であって、読み出し対象の画素の数が前記第1と第2の色系列との間で異なることを特徴とする。 A solid-state imaging device according to claim 4 of the present invention is the solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 3, wherein the number of pixels to be read is the first and second color series. It is characterized by differing between.
また、本発明の請求項5記載の固体撮像素子の駆動方法は、請求項1ないし4のいずれかに記載の固体撮像素子の駆動方法であって、前記駆動モード時に、露光開始から信号電荷を読み出すまでの時間が読み出し対象の画素の各々で異なるように信号電荷を読み出して、平均露光時間が前記第1と第2の色系列の読み出し対象の画素の間で異なるようにすることを特徴とする。 A solid-state image sensor driving method according to claim 5 of the present invention is the solid-state image sensor driving method according to any one of claims 1 to 4, wherein the signal charge is supplied from the start of exposure in the driving mode. The signal charge is read so that the time until reading is different for each pixel to be read, and the average exposure time is different between the pixels to be read for the first and second color series. To do.
また、本発明の請求項6記載の固体撮像素子の駆動方法は、請求項5記載の固体撮像素子の駆動方法であって、前記第1もしくは第2の色系列の少なくとも一方の色系列の読み出し対象の画素のうちから信号電荷を読み出す画素を選択することを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a method for driving a solid-state image pickup device according to the fifth aspect, wherein at least one of the first or second color series is read. A pixel from which signal charges are read out is selected from the target pixels.
本発明によれば、読み出しタイミングの制御により各読み出し対象の画素の露光時間を変えることができ、特定の色系列の画素の露光時間を長くすることにより感度を向上させることが可能で、かつ高フレームレートを実現できる。 According to the present invention, the exposure time of each pixel to be read can be changed by controlling the readout timing, and the sensitivity can be improved by increasing the exposure time of pixels of a specific color series. A frame rate can be realized.
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1における固体撮像素子の構成を説明するための模式図を図1に示す。図1(a)は光電変換部であるフォトダイオードと垂直CCDの駆動ゲートとの配置関係を示す図であり、図1(b)は垂直方向の加算対象画素(読み出し対象の画素)の配置を示す図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the configuration of the solid-state imaging element according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 1A is a diagram showing an arrangement relationship between a photodiode serving as a photoelectric conversion unit and a drive gate of a vertical CCD, and FIG. 1B shows an arrangement of pixels to be added (pixels to be read) in the vertical direction. FIG.
なお、本実施の形態1におけるフォトダイオードおよび垂直CCDは、図7に示したフォトダイオード700および垂直CCD701に対応しており、基本的な動作は上述の通りである。また、カラーフィルタの配列は図7(c)に示した配列と同様である。
The photodiode and the vertical CCD in the first embodiment correspond to the
すなわち、画素は行列状に配置されており、それらの画素上には第1の色系列と第2の色系列が列方向に交互に配列されたカラーフィルタが配置される。また、垂直CCDは、フォトダイオードで蓄積された信号電荷を読み出して水平CCDへ転送する。通常、フォトダイオードからの電荷読み出しは行ごとに行われる。水平CCDは、垂直CCDから転送された信号電荷を増幅部(アンプ)に転送する。アンプは、信号電荷を増幅して画素信号として出力する。また、当該固体撮像素子は、垂直方向に並ぶ第1および第2の色系列の各々の画素から信号電荷を間引いて読み出し、色系列ごとに垂直CCD内で加算する駆動モードを有する。 That is, the pixels are arranged in a matrix, and a color filter in which the first color series and the second color series are alternately arranged in the column direction is arranged on these pixels. The vertical CCD reads out the signal charge accumulated by the photodiode and transfers it to the horizontal CCD. Usually, charge reading from the photodiode is performed for each row. The horizontal CCD transfers the signal charge transferred from the vertical CCD to an amplifying unit (amplifier). The amplifier amplifies the signal charge and outputs it as a pixel signal. In addition, the solid-state imaging device has a drive mode in which signal charges are thinned out and read out from the pixels of the first and second color series arranged in the vertical direction and added in the vertical CCD for each color series.
図1(a)に示すように各画素にフォトダイオードが配置されており、フォトダイオードのそれぞれに読み出し兼転送ゲートと転送ゲートの2種類のゲートが配置されている。図1(a)において、φV1、φV3、φV5、φV1A、φV1C、φV3A、φV3Cに対応する7種類のゲートは読み出し兼転送ゲートであり、φV2、φV4、φV6に対応する3種類のゲートは転送ゲートである。 As shown in FIG. 1A, a photodiode is disposed in each pixel, and two types of gates, a read / transfer gate and a transfer gate, are disposed in each photodiode. In FIG. 1A, seven types of gates corresponding to φV1, φV3, φV5, φV1A, φV1C, φV3A, and φV3C are read / transfer gates, and three types of gates corresponding to φV2, φV4, and φV6 are transfer gates. It is.
本実施の形態1における固体撮像素子の垂直CCDは6相駆動であり、φV1A、φV1C、φV3A、φV3Cに対応する読み出し兼転送ゲートは他の系統と独立して駆動可能となっている。これらのφV1A、φV1C、φV3A、φV3Cに対応するゲートが、加算対象画素(読み出し対象の画素)であるフォトダイオードPD1〜PD4に対応して設けられている。図1(a)に示す構成において、12画素分を繰り返し単位として垂直方向の画素加算および垂直方向の間引き読み出しを行うことができる。 The vertical CCD of the solid-state imaging device in the first embodiment is 6-phase drive, and the read / transfer gate corresponding to φV1A, φV1C, φV3A, and φV3C can be driven independently of other systems. Gates corresponding to these φV1A, φV1C, φV3A, and φV3C are provided corresponding to the photodiodes PD1 to PD4 that are pixels to be added (pixels to be read). In the configuration shown in FIG. 1A, vertical pixel addition and vertical thinning readout can be performed using 12 pixels as a repeating unit.
また、図1(b)に示すように、加算対象画素PD1〜PD4は互いに隣接しないよう配置されており、かつ加算されるPD1、PD2の中点とPD3、PD4の中点との間の距離が等間隔となるように配置されている。すなわち、加算対象画素PD1〜PD4は、画素加算を行った後の画素重心が均等に並ぶように配置されている。 Further, as shown in FIG. 1B, the addition target pixels PD1 to PD4 are arranged so as not to be adjacent to each other, and the distance between the midpoint of PD1 and PD2 to be added and the midpoint of PD3 and PD4. Are arranged at equal intervals. That is, the addition target pixels PD1 to PD4 are arranged so that the pixel centroids after the pixel addition are arranged uniformly.
当該垂直CCDは、垂直方向の画素加算および垂直方向の間引き読み出し動作を行う駆動モード時には、同色系列であるPD1とPD2、および他の同色系列であるPD3とPD4からの信号電荷を垂直CCD内でそれぞれ加算した後、図面の上方から下方に向かってPD1とPD2の加算信号とPD3とPD4の加算信号を移動させる。このように、当該垂直CCDには、垂直に並ぶ12画素分の信号のうちから2つの信号を出力する、いわゆる垂直1/6間引き駆動方式(垂直方向の間引き率が1/6となる駆動方式)が採用されている。 In the vertical CCD, in the drive mode in which vertical pixel addition and vertical thinning readout operations are performed, signal charges from the same color series PD1 and PD2 and other same color series PD3 and PD4 are stored in the vertical CCD. After the addition, the addition signals of PD1 and PD2 and the addition signals of PD3 and PD4 are moved from the top to the bottom of the drawing. In this way, the vertical CCD outputs two signals out of the signals of 12 pixels arranged vertically, so-called vertical 1/6 thinning driving method (driving method in which the vertical thinning rate is 1/6) ) Is adopted.
図2に本実施の形態1における固体撮像素子の画素加算および間引き読み出し動作時のタイミングチャートを示す。例えば、時刻T1では、φV3〜φV6に対応するゲートには中間電圧(VMレベルの電圧)が印加されており信号電荷の蓄積領域となっている。また、残りのφV1、φV2に対応するゲートには低電圧(Lowレベルの電圧)が印加されておりバリア領域となっている。この状態で、φV3Aに対応するゲートに高電圧(Highレベルの電圧)を印加して第1の色系列であるPD1の信号電荷を読み出した後、φV1、φV3、φV2、φV4の順にゲートへの印加電圧レベルを制御して蓄積領域を移動させ、φV1、φV2、φV5、φV6に対応するゲートを蓄積領域、φV3、φV4に対応するゲートをバリア領域として、信号電荷を移動させる。この手順を繰り返すことで、間引き読み出し動作と蓄積領域の移動制御を行い、時刻T1からT3にかけて、PD1〜PD4の順に加算対象画素の読み出しと画素加算を行っている。 FIG. 2 shows a timing chart during pixel addition and thinning readout operations of the solid-state imaging device according to the first embodiment. For example, at time T1, an intermediate voltage (VM level voltage) is applied to the gates corresponding to φV3 to φV6, which is a signal charge accumulation region. Further, a low voltage (low level voltage) is applied to the gates corresponding to the remaining φV1 and φV2 to form a barrier region. In this state, a high voltage (high level voltage) is applied to the gate corresponding to φV3A to read the signal charge of PD1 which is the first color series, and then the signals to the gate in the order of φV1, φV3, φV2, and φV4 are read. The applied voltage level is controlled to move the storage region, and the signal charge is moved using the gates corresponding to φV1, φV2, φV5, and φV6 as the storage region and the gates corresponding to φV3 and φV4 as the barrier region. By repeating this procedure, the thinning-out readout operation and the movement control of the accumulation region are performed, and the addition target pixels are read out and added in the order of PD1 to PD4 from time T1 to time T3.
すなわち、図2に示すように、時刻T1においてφV3Aに対応するゲートに高電圧(Highレベルの電圧)が印加されてPD1から第1の色系列の信号電荷が読み出される。次に、時刻T2においてφV1A、φV1Cに対応するゲートに高電圧(Highレベルの電圧)が印加されてPD2から第1の色系列、PD3から第2の色系列の信号電荷が読み出される。次に、時刻T3においてφV3Cに対応するゲートに高電圧(Highレベルの電圧)が印加されてPD4から第2の色系列の信号電荷が読み出される。 That is, as shown in FIG. 2, a high voltage (high level voltage) is applied to the gate corresponding to φV3A at time T1, and the signal charges of the first color series are read from PD1. Next, at time T2, a high voltage (high level voltage) is applied to the gates corresponding to φV1A and φV1C, and the signal charges of the first color series are read from PD2 and the second color series are read from PD3. Next, at time T <b> 3, a high voltage (high level voltage) is applied to the gate corresponding to φV <b> 3 </ b> C, and the signal charges of the second color series are read from PD <b> 4.
PD1からの信号電荷は、φV3Aに対応するゲート下に読み出された後、垂直CCD内をφV4→φV5→φV6と転送された後、φV1Aに対応するゲート下に読み出されたPD2からの信号電荷と加算されて、さらに垂直CCD内で転送されていく。同様に、PD3からの信号電荷は、φV1Cに対応するゲート下に読み出された後、垂直CCD内をφV2→φV3→φV4→φV5→φV6→φV1→φV2と転送された後、φV3Cに対応するゲート下に読み出されたPD4からの信号電荷と加算されて、さらに垂直CCD内で転送されていく。 The signal charge from PD1 is read out under the gate corresponding to φV3A, then transferred in the vertical CCD from φV4 → φV5 → φV6, and then read out from the gate corresponding to φV1A from PD2. The charge is added and transferred in the vertical CCD. Similarly, after the signal charge from PD3 is read under the gate corresponding to φV1C, it is transferred in the vertical CCD from φV2 → φV3 → φV4 → φV5 → φV6 → φV1 → φV2, and then corresponds to φV3C. The signal charge from the PD 4 read out under the gate is added and further transferred in the vertical CCD.
このように、図1に示すゲート構成とすることで、当該垂直CCDは、1番目、2番目の読み出しで第1の色系列の信号電荷を2回、3番目、4番目の読み出しで第2の色系列の信号電荷を2回、計4回の読み出し動作を行う。 As described above, with the gate configuration shown in FIG. 1, the vertical CCD receives the signal charge of the first color series twice for the first and second readings, and the second for the third and fourth readings. The readout operation is performed four times for the signal charges of the color series.
上記したタイミングで画素加算および間引き読み出し動作を行うことにより、図2に示すように第1の色系列の平均露光時間(PD1+PD2)を短く、第2の色系列の平均露光時間(PD3+PD4)を長くすることができ、第2の色系列の感度を第1の色系列の感度よりも向上させることができる。さらに垂直方向の間引き読み出しおよび画素加算により高フレームレートを実現できる。 By performing pixel addition and decimation readout operations at the above timing, the average exposure time (PD1 + PD2) of the first color series is shortened and the average exposure time (PD3 + PD4) of the second color series is lengthened as shown in FIG. The sensitivity of the second color series can be improved more than the sensitivity of the first color series. Further, a high frame rate can be realized by thinning readout in the vertical direction and pixel addition.
なお、「加算対象画素の露光時間」とは、図9を用いて説明したように、メカシャッタが閉じるタイミングと加算対象画素(フォトダイオード)から信号電荷を読み出すための信号がゲートに印加されるタイミングとの差の時間である。また、「平均露光時間」とは、例えば、露光開始から時刻T1までの時間と、露光開始から時刻T2までの時間の平均値である。 As described with reference to FIG. 9, the “exposure time of the pixel to be added” refers to the timing at which the mechanical shutter is closed and the timing at which the signal for reading the signal charge from the pixel to be added (photodiode) is applied to the gate. And the difference time. The “average exposure time” is, for example, an average value of the time from the start of exposure to time T1 and the time from the start of exposure to time T2.
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2における固体撮像素子の構成を説明するための模式図を図3に示す。図3(a)は光電変換部であるフォトダイオードと垂直CCDの駆動ゲートとの配置関係を示す図であり、図3(b)は垂直方向の加算対象画素(読み出し対象の画素)の配置を示す図である。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the configuration of the solid-state imaging element according to Embodiment 2 of the present invention. FIG. 3A is a diagram showing the positional relationship between a photodiode as a photoelectric conversion unit and a drive gate of a vertical CCD, and FIG. 3B shows the layout of pixels to be added (pixels to be read) in the vertical direction. FIG.
本実施の形態2は、第2の色系列であるPD3、PD4の間に配置されたPD5からも信号電荷を読み出し、その信号電荷をPD3、PD4からの信号電荷と加算して出力している点が前述の実施の形態1と異なる。以下、この異なる点を中心に説明を行う。 In the second embodiment, the signal charge is read also from PD5 arranged between PD3 and PD4 which are the second color series, and the signal charge is added to the signal charge from PD3 and PD4 and outputted. This is different from the first embodiment described above. Hereinafter, this difference will be mainly described.
本実施の形態2における垂直CCDは、前述した実施の形態1と同様に6相駆動である。また、図3(a)に示すように、加算対象画素(読み出し対象の画素)であるPD3〜PD5は、互いに隣接しないように1つおきに配置されている。また、図3(b)に示すように、加算対象画素PD1〜PD5は、加算されるPD1、PD2の中点とPD3〜PD5の中点との間の距離が等間隔となるように配置されている。すなわち、前述した実施の形態1と同様に、加算対象画素(読み出し対象の画素)PD1〜PD5は、色系列ごとに画素加算を行った後の画素重心が均等に並ぶよう配置されている。また、本実施の形態2における垂直CCDには、PD5に対応して、他の系統と独立して駆動可能な読み出し兼転送ゲート(φV5Cに対応するゲート)が設けられている。図3(a)に示す構成において、実施の形態1と同様に、12画素分を繰り返し単位として垂直方向の画素加算および垂直方向の間引き読み出しを行うことができる。 The vertical CCD in the second embodiment is 6-phase drive as in the first embodiment. Further, as shown in FIG. 3A, every other PD3 to PD5 that are pixels to be added (pixels to be read) are arranged so as not to be adjacent to each other. Further, as shown in FIG. 3B, the addition target pixels PD1 to PD5 are arranged so that the distances between the midpoints of PD1 and PD2 to be added and the midpoints of PD3 to PD5 are equal. ing. That is, as in the first embodiment described above, the addition target pixels (read target pixels) PD1 to PD5 are arranged so that the pixel centroids after pixel addition for each color series are evenly arranged. Further, the vertical CCD in the second embodiment is provided with a read / transfer gate (gate corresponding to φV5C) that can be driven independently of other systems, corresponding to PD5. In the configuration shown in FIG. 3A, similarly to the first embodiment, vertical pixel addition and vertical thinning readout can be performed using 12 pixels as a repeating unit.
当該垂直CCDは、垂直方向の画素加算および垂直方向の間引き読み出し動作を行う駆動モード時には、同色系列であるPD1とPD2、および他の同色系列であるPD3〜PD5からの信号電荷を垂直CCD内でそれぞれ加算した後、図面の上方から下方に向かってPD1とPD2の加算信号とPD3〜PD5の加算信号を移動させる。このように、当該垂直CCDには、垂直に並ぶ12画素分の信号のうちから2つの信号を出力する、いわゆる垂直1/6間引き駆動方式が採用されている。 In the vertical CCD, in the drive mode in which vertical pixel addition and vertical thinning readout operations are performed, signal charges from the same color series PD1 and PD2 and the other same color series PD3 to PD5 are stored in the vertical CCD. After the addition, the addition signals PD1 and PD2 and the addition signals PD3 to PD5 are moved from the top to the bottom of the drawing. As described above, the vertical CCD employs a so-called vertical 1/6 thinning driving method that outputs two signals out of signals for 12 pixels arranged vertically.
図4に本実施の形態2における固体撮像素子の画素加算および間引き読み出し動作時のタイミングチャートを示す。例えば、時刻T1では、φV3〜φV6に対応するゲートには中間電圧(VMレベルの電圧)が印加されており信号電荷の蓄積領域となっている。また、残りのφV1、φV2に対応するゲートには低電圧(Lowレベルの電圧)が印加されておりバリア領域となっている。この状態で、φV3Aに対応するゲートに高電圧(Highレベルの電圧)を印加して第1の色系列であるPD1の信号電荷を読み出した後、φV1、φV3、φV2、φV4の順にゲートへの印加電圧レベルを制御して蓄積領域を移動させ、φV1、φV2、φV5、φV6に対応するゲートを蓄積領域、φV3、φV4に対応するゲートをバリア領域として、信号電荷を移動させる。この手順を繰り返すことで、間引き読み出し動作と蓄積領域の移動制御を行い、時刻T1からT4にかけて、PD1、PD2、PD3、PD5、PD4の順に加算対象画素の読み出しと画素加算を行っている。 FIG. 4 is a timing chart at the time of pixel addition and thinning readout operations of the solid-state imaging device according to the second embodiment. For example, at time T1, an intermediate voltage (VM level voltage) is applied to the gates corresponding to φV3 to φV6, which is a signal charge accumulation region. Further, a low voltage (low level voltage) is applied to the gates corresponding to the remaining φV1 and φV2 to form a barrier region. In this state, a high voltage (high level voltage) is applied to the gate corresponding to φV3A to read the signal charge of PD1 which is the first color series, and then the signals to the gate in the order of φV1, φV3, φV2, and φV4 are read. The applied voltage level is controlled to move the storage region, and the signal charge is moved using the gates corresponding to φV1, φV2, φV5, and φV6 as the storage region and the gates corresponding to φV3 and φV4 as the barrier region. By repeating this procedure, the thinning-out reading operation and the movement control of the accumulation area are performed, and the addition target pixel is read and added in the order of PD1, PD2, PD3, PD5, and PD4 from time T1 to time T4.
すなわち、図4に示すように、時刻T1においてφV3Aに対応するゲートに高電圧(Highレベルの電圧)が印加されてPD1から第1の色系列の信号電荷が読み出される。次に、時刻T2においてφV1A、φV1Cに対応するゲートに高電圧(Highレベルの電圧)が印加されてPD2から第1の色系列、PD3から第2の色系列の信号電荷が読み出される。次に、時刻T3においてφV5Cに対応するゲートに高電圧(Highレベルの電圧)が印加されてPD5から第2の色系列の信号電荷が読み出される。次に、時刻T4においてφV3Cに対応するゲートに高電圧(Highレベルの電圧)が印加されてPD4から第2の色系列の信号電荷が読み出される。 That is, as shown in FIG. 4, at time T1, a high voltage (high level voltage) is applied to the gate corresponding to φV3A, and the signal charges of the first color series are read from PD1. Next, at time T2, a high voltage (high level voltage) is applied to the gates corresponding to φV1A and φV1C, and the signal charges of the first color series are read from PD2 and the second color series are read from PD3. Next, at time T <b> 3, a high voltage (high level voltage) is applied to the gate corresponding to φV <b> 5 </ b> C, and the signal charges of the second color series are read from PD <b> 5. Next, at time T4, a high voltage (high level voltage) is applied to the gate corresponding to φV3C, and the signal charges of the second color series are read from PD4.
PD1からの信号電荷は、φV3Aに対応するゲート下に読み出された後、垂直CCD内をφV4→φV5→φV6と転送された後、φV1Aに対応するゲート下に読み出されたPD2からの信号電荷と加算されて、さらに垂直CCD内で転送されていく。同様に、PD3からの信号電荷は、φV1Cに対応するゲート下に読み出された後、垂直CCD内をφV2→φV3→φV4と転送された後、φV5Cに対応するゲート下に読み出されたPD5からの信号電荷と加算される。さらに、φV6→φV1→φV2と転送された後、φV3Cに対応するゲート下に読み出されたPD4からの信号電荷と加算されて、垂直CCD内で転送されていく。 The signal charge from PD1 is read out under the gate corresponding to φV3A, then transferred in the vertical CCD from φV4 → φV5 → φV6, and then read out from the gate corresponding to φV1A from PD2. The charge is added and transferred in the vertical CCD. Similarly, the signal charge from PD3 is read under the gate corresponding to φV1C, then transferred in the vertical CCD from φV2 → φV3 → φV4, and then read out under the gate corresponding to φV5C. Is added to the signal charge from. Further, after being transferred in the order of φV6 → φV1 → φV2, the signal charge from PD4 read out under the gate corresponding to φV3C is added and transferred in the vertical CCD.
このように、図3に示すゲート構成とすることで、当該垂直CCDは、1番目、2番目の読み出しで第1の色系列の信号電荷を2回、3番目、4番目、5番目の読み出しで第2の色系列の信号電荷を3回、計5回の読み出し動作を行う。 As described above, with the gate configuration shown in FIG. 3, the vertical CCD can read the first color series signal charge twice in the first and second readouts, the third, fourth, and fifth readouts. Thus, the signal charge of the second color series is read out three times, for a total of five times.
上記したタイミングで画素加算および間引き読み出し動作を行うことにより、図4に示すように第1の色系列の平均露光時間(PD1+PD2)を短く、第2の色系列の平均露光時間(PD3+PD4+PD5)を長くすることができ、第2の色系列の感度を第1の色系列の感度よりも向上させることができる。さらに垂直方向の間引き読み出しおよび画素加算により高フレームレートを実現できる。 By performing the pixel addition and thinning readout operation at the above timing, the average exposure time (PD1 + PD2) of the first color series is shortened and the average exposure time (PD3 + PD4 + PD5) of the second color series is lengthened as shown in FIG. The sensitivity of the second color series can be improved more than the sensitivity of the first color series. Further, a high frame rate can be realized by thinning readout in the vertical direction and pixel addition.
上記実施の形態1、2によれば、加算対象画素が互いに隣接しないように配置されているので、隣接するフォトダイオードのポテンシャルの影響を除去でき、フォトダイオードの出力レベルがKnee領域となっても使用することができ、広いダイナミックレンジを実現できる。 According to the first and second embodiments, since the pixels to be added are arranged so as not to be adjacent to each other, the influence of the potential of the adjacent photodiode can be removed, and the output level of the photodiode becomes the Knee region. It can be used and a wide dynamic range can be realized.
また、上記実施の形態1、2によれば、第2の色系列の信号量を第1の色系列の信号量よりも大きくすることができ、かつ露光時間の調節もできるので、相対感度の調節が可能となる。フォトダイオードの色感度の設定は製造プロセス等によって異なってくるため、例えば、RGBのうちRの感度が低くなるよう設定されたフォトダイオードが使用される場合、上記したように信号量を相対的に増加させることにより、色再現性を向上させることができる。 Further, according to the first and second embodiments, the signal amount of the second color series can be made larger than the signal amount of the first color series and the exposure time can be adjusted. Adjustment is possible. Since the setting of the color sensitivity of the photodiode varies depending on the manufacturing process or the like, for example, when a photodiode set to have a low R sensitivity among RGB is used, the signal amount is relatively set as described above. By increasing the color reproducibility, the color reproducibility can be improved.
なお、信号量を相対的に変化させるだけであれば、上記実施の形態1にて説明した構成において、PD1かPD2の一方のみから信号電荷を読み出すようにしてもよい。ただし、その場合全体の信号量が低下するため、感度は低下する。また、これとは反対に第1の色系列の信号量を第2の色系列の信号量よりも低下させることも可能であり、例えば、上記実施の形態1にて説明した構成において、PD3かPD4の一方のみから信号電荷を読み出すようにするか、上記実施の形態2にて説明した構成において、PD3〜PD5のうちのいずれか1つのみから信号電荷を読み出すようにすればよい。加算対象画素には独立して駆動可能なゲートを対応させているため、このような駆動も可能である。 If only the signal amount is relatively changed, the signal charge may be read from only one of PD1 and PD2 in the configuration described in the first embodiment. However, in this case, since the entire signal amount is reduced, the sensitivity is reduced. On the other hand, the signal amount of the first color series can be made lower than the signal amount of the second color series. For example, in the configuration described in the first embodiment, the PD3 The signal charge may be read from only one of the PDs 4 or the signal charge may be read from only one of PD3 to PD5 in the configuration described in the second embodiment. Such a drive is also possible because the addition target pixel is associated with a gate that can be driven independently.
(実施の形態3)
本発明の実施の形態3における固体撮像素子の構成を説明するための模式図を図5に示す。図5(a)は光電変換部であるフォトダイオードと垂直CCDの駆動ゲートとの配置関係を示す図であり、図5(b)は垂直方向の加算対象画素(読み出し対象の画素)の配置を示す図である。
(Embodiment 3)
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the configuration of the solid-state imaging element according to Embodiment 3 of the present invention. FIG. 5A is a diagram showing the arrangement relationship between the photodiodes as photoelectric conversion units and the drive gates of the vertical CCD, and FIG. 5B shows the arrangement of pixels to be added (pixels to be read) in the vertical direction. FIG.
なお、本実施の形態3におけるフォトダイオードおよび垂直CCDは、図7に示したフォトダイオード700および垂直CCD701に対応しており、基本的な動作は上述の通りである。また、カラーフィルタの配列は図7(c)に示した配列と同様である。
Note that the photodiode and the vertical CCD in the third embodiment correspond to the
すなわち、画素は行列状に配置されており、それらの画素上には第1の色系列と第2の色系列が列方向に交互に配列されたカラーフィルタが配置される。また、垂直CCDは、フォトダイオードで蓄積された信号電荷を読み出して水平CCDへ転送する。通常、フォトダイオードからの電荷読み出しは行ごとに行われる。水平CCDは、垂直CCDから転送された信号電荷を増幅部(アンプ)に転送する。アンプは、信号電荷を増幅して画素信号として出力する。また、当該固体撮像素子は、垂直方向に並ぶ第1および第2の色系列の各々の画素から信号電荷を間引いて読み出し、色系列ごとに垂直CCD内で加算する駆動モードを有する。 That is, the pixels are arranged in a matrix, and a color filter in which the first color series and the second color series are alternately arranged in the column direction is arranged on these pixels. The vertical CCD reads out the signal charge accumulated by the photodiode and transfers it to the horizontal CCD. Usually, charge reading from the photodiode is performed for each row. The horizontal CCD transfers the signal charge transferred from the vertical CCD to an amplifying unit (amplifier). The amplifier amplifies the signal charge and outputs it as a pixel signal. In addition, the solid-state imaging device has a drive mode in which signal charges are thinned out and read out from the pixels of the first and second color series arranged in the vertical direction and added in the vertical CCD for each color series.
図5(a)に示すように各画素にフォトダイオードが配置されている。図5(a)において、PD10〜PD16は加算対象画素(読み出し対象の画素)であり、互いに隣接しないよう配置されている。これらのフォトダイオードのうち、PD10〜P12は第1の色系列の画素に該当し、PD13〜P16は第2の色系列の画素に該当する。 As shown in FIG. 5A, a photodiode is disposed in each pixel. In FIG. 5A, PD10 to PD16 are pixels to be added (pixels to be read) and are arranged not to be adjacent to each other. Among these photodiodes, PD10 to P12 correspond to pixels of the first color series, and PD13 to P16 correspond to pixels of the second color series.
また、フォトダイオードのそれぞれに読み出し兼転送ゲートと転送ゲートの2種類のゲートが配置されている。図5(a)において、φV1、φV3、φV5、φV7、φV9、φV1A、φV1C、φV3A、φV3C、φV5C、φV7A、φV9Cに対応する12種類のゲートは読み出し兼転送ゲートであり、φV2、φV4、φV6、φ8、φ10に対応する5種類のゲートは転送ゲートである。 In addition, two types of gates, a read / transfer gate and a transfer gate, are arranged in each photodiode. In FIG. 5A, 12 types of gates corresponding to φV1, φV3, φV5, φV7, φV9, φV1A, φV1C, φV3A, φV3C, φV5C, φV7A, φV9C are read and transfer gates, and φV2, φV4, φV6 , Φ8, and φ10 correspond to the transfer gates.
本実施の形態3における固体撮像素子の垂直CCDは10相駆動であり、φV1A、φV1C、φV3A、φV3C、φV5C、φV7A、φV9Cに対応する読み出し兼転送ゲートは他の系統と独立して駆動可能となっている。第1の色系列のPD10〜P12には、φV3A、φV7A、φV1Aに対応するゲートが設けられており、第2の色系列のPD13〜P16には、φV1C、φV5C、φV9C、φV3Cに対応するゲートが設けられている。図5(a)に示す構成において、20画素分を繰り返し単位として垂直方向の画素加算および垂直方向の間引き読み出しを行うことができる。 The vertical CCD of the solid-state imaging device in the third embodiment is 10-phase drive, and the readout and transfer gates corresponding to φV1A, φV1C, φV3A, φV3C, φV5C, φV7A, and φV9C can be driven independently of other systems. It has become. Gates corresponding to φV3A, φV7A, and φV1A are provided in the first color series PD10 to P12, and gates corresponding to φV1C, φV5C, φV9C, and φV3C are provided in the second color series PD13 to P16. Is provided. In the configuration shown in FIG. 5A, vertical pixel addition and vertical thinning readout can be performed using 20 pixels as a repeating unit.
また、図5(b)に示すように、本実施の形態3においても、上記実施の形態1、2と同様に、第1の色系列の画素重心と第2の色系列の画素重心が均等に並ぶように加算対象画素PD10〜PD16は配置されている。 As shown in FIG. 5B, also in the third embodiment, the pixel centroid of the first color series and the pixel centroid of the second color series are equal, as in the first and second embodiments. The addition target pixels PD10 to PD16 are arranged so as to line up.
当該垂直CCDは、垂直方向の画素加算および垂直方向の間引き読み出し動作の駆動モード時には、同色系列であるPD10〜PD12、および他の同色系列であるPD13〜PD16からの信号電荷を垂直CCD内でそれぞれ加算した後、図面の上方から下方に向かってPD10〜PD12の加算信号とPD13〜PD16の加算信号を移動させる。このように、当該垂直CCDには、垂直に並ぶ20画素分の信号より2つの信号を出力する、いわゆる垂直1/10間引き駆動方式が採用されている。 In the vertical CCD, in the driving mode of vertical pixel addition and vertical thinning-out reading operation, the vertical CCD receives signal charges from the same color series PD10 to PD12 and other same color series PD13 to PD16 in the vertical CCD, respectively. After the addition, the addition signals of PD10 to PD12 and the addition signals of PD13 to PD16 are moved from the top to the bottom of the drawing. As described above, the vertical CCD employs a so-called vertical 1/10 thinning driving method in which two signals are output from signals of 20 pixels arranged vertically.
図6に本実施の形態3における固体撮像素子の画素加算および間引き読み出し動作時のタイミングチャートを示す。例えば、時刻T3では、φV1〜φV7に対応するゲートには中間電圧(VMレベルの電圧)が印加されており信号電荷の蓄積領域となっている。また、残りのφV8〜φV10に対応するゲートには低電圧(Lowレベルの電圧)が印加されておりバリア領域となっている。この状態で、例えば、φV1Cに対応するゲートに高電圧(Highレベルの電圧)を印加して第2の色系列であるPD13の信号電荷を読み出した後、φV8、φV1、φV9、φV2の順にゲートへの印加電圧レベルを制御して蓄積領域を移動させ、φV3〜φV9に対応するゲートを蓄積領域、φV10、φV1、φV2に対応するゲートをバリア領域として、信号電荷を移動させる。この手順を繰り返すことで、間引き読み出し動作と蓄積領域の移動制御を行い、時刻T1からT6にかけて、PD10〜PD16の順に加算対象画素の読み出しと画素加算を行っている。 FIG. 6 shows a timing chart at the time of pixel addition and thinning readout operations of the solid-state imaging device according to the third embodiment. For example, at time T3, an intermediate voltage (VM level voltage) is applied to the gates corresponding to φV1 to φV7, which is a signal charge accumulation region. Further, a low voltage (low level voltage) is applied to the gates corresponding to the remaining φV8 to φV10 to form a barrier region. In this state, for example, after applying a high voltage (high level voltage) to the gate corresponding to φV1C and reading the signal charge of the PD13 which is the second color series, the gates in the order of φV8, φV1, φV9, φV2 The storage region is moved by controlling the voltage level applied to the gate, and the signal charge is moved using the gate corresponding to φV3 to φV9 as the storage region and the gates corresponding to φV10, φV1, and φV2 as the barrier region. By repeating this procedure, the thinning readout operation and the movement control of the accumulation area are performed, and the addition target pixel is read out and pixel addition is performed in the order of PD10 to PD16 from time T1 to time T6.
すなわち、図6に示すように、時刻T1においてφV3Aに対応するゲートに高電圧(Highレベルの電圧)が印加されてPD10から第1の色系列の信号電荷が読み出される。次に、時刻T2においてφV7Aに対応するゲートに高電圧(Highレベルの電圧)が印加されてPD11から第1の色系列の信号電荷が読み出される。次に、時刻T3においてφV1A、φV1Cに対応するゲートに高電圧(Highレベルの電圧)が印加されてPD12から第1の色系列、PD13から第2の色系列の信号電荷が読み出される。次に、時刻T4においてφV5Cに対応するゲートに高電圧(Highレベルの電圧)が印加されてPD14から第2の色系列の信号電荷が読み出される。次に、時刻T5においてφV9Cに対応するゲートに高電圧(Highレベルの電圧)が印加されてPD15から第2の色系列の信号電荷が読み出される。次に、時刻T6においてφV3Cに対応するゲートに高電圧(Highレベルの電圧)が印加されてPD16から第2の色系列の信号電荷が読み出される。 That is, as shown in FIG. 6, a high voltage (high level voltage) is applied to the gate corresponding to φV3A at time T1, and the signal charges of the first color series are read out from the PD10. Next, at time T2, a high voltage (high level voltage) is applied to the gate corresponding to φV7A, and the signal charges of the first color series are read out from the PD11. Next, at time T3, a high voltage (high level voltage) is applied to the gates corresponding to φV1A and φV1C, and the signal charges of the first color series and the second color series are read from PD12. Next, at time T <b> 4, a high voltage (high level voltage) is applied to the gate corresponding to φV <b> 5 </ b> C, and the signal charges of the second color series are read from the PD 14. Next, at time T <b> 5, a high voltage (high level voltage) is applied to the gate corresponding to φV <b> 9 </ b> C, and the signal charges of the second color series are read from the PD 15. Next, at time T <b> 6, a high voltage (high level voltage) is applied to the gate corresponding to φV <b> 3 </ b> C, and the signal charges of the second color series are read from the PD 16.
PD10からの信号電荷は、φV3Aに対応するゲート下に読み出された後、垂直CCD内をφV4→φV5→φV6と転送された後、φV7Aに対応するゲート下に読み出されたPD11からの信号電荷と加算される。その後、垂直CCD内をφV8→φV9→φV10と転送された後、φV1Aに対応するゲート下に読み出されたPD12からの信号電荷と加算され、さらに垂直CCD内で転送されていく。同様に、PD13からの信号電荷は、φV1Cに対応するゲート下に読み出された後、垂直CCD内をφV2→φV3→φV4と転送された後、φV5Cに対応するゲート下に読み出されたPD14からの信号電荷と加算される。その後、垂直CCD内をφV6→φV7→φV8と転送された後、φV9Cに対応するゲート下に読み出されたPD15からの信号電荷と加算さる。その後、垂直CCD内をφV10→φV1→φV2と転送された後、φV3Cに対応するゲート下に読み出されたPD16からの信号電荷と加算されて、さらに垂直CCD内で転送されていく。 The signal charge from the PD 10 is read out under the gate corresponding to φV3A, then transferred in the vertical CCD from φV4 → φV5 → φV6, and then read out under the gate corresponding to φV7A. It is added to the charge. Thereafter, after being transferred in the vertical CCD in the order of φV8 → φV9 → φV10, the signal charge from the PD 12 read out under the gate corresponding to φV1A is added, and further transferred in the vertical CCD. Similarly, the signal charge from the PD 13 is read under the gate corresponding to φV1C, then transferred in the vertical CCD from φV2 → φV3 → φV4, and then read out under the gate corresponding to φV5C. Is added to the signal charge from. Then, after being transferred in the vertical CCD as φV6 → φV7 → φV8, the signal charge from the PD 15 read out under the gate corresponding to φV9C is added. Thereafter, after being transferred in the vertical CCD in the order of φV10 → φV1 → φV2, the signal charge from the PD 16 read out under the gate corresponding to φV3C is added and further transferred in the vertical CCD.
このように、図5に示すゲート構成とすることで、当該垂直CCDは、1番目、2番目、3番目の読み出しで第1の色系列の信号電荷を3回、4番目、5番目、6番目、7番目の読み出しで第2の色系列の信号電荷を4回、計7回の読み出し動作を行う。 As described above, with the gate configuration shown in FIG. 5, the vertical CCD receives the signal charges of the first color series three times in the first, second, and third readouts, the fourth, the fifth, and the sixth. In the seventh and seventh readings, the signal charges of the second color series are read four times, for a total of seven reading operations.
上記したタイミングで画素加算および間引き読み出し動作を行うことにより、図6に示すように第1の色系列の平均露光時間(PD10+PD11+PD12)を短く、第2の色系列の平均露光時間(PD13+PD14+PD15+PD16)を長くすることができ、第2の色系列の感度を第1の色系列の感度よりも向上させることができる。さらに垂直方向の間引き読み出しおよび画素加算により高フレームレートを実現できる。 By performing the pixel addition and decimation readout operation at the above timing, the average exposure time (PD10 + PD11 + PD12) of the first color series is shortened and the average exposure time (PD13 + PD14 + PD15 + PD16) of the second color series is lengthened as shown in FIG. The sensitivity of the second color series can be improved more than the sensitivity of the first color series. Further, a high frame rate can be realized by thinning readout in the vertical direction and pixel addition.
本実施の形態3によれば、第2の色系列の信号量を第1の色系列の信号量よりも大きくすることができ、かつ露光時間の調節もできるので、相対感度の調節が可能となる。フォトダイオードの色感度の設定は製造プロセス等によって異なってくるため、例えば、RGBのうちRの感度が低くなるよう設定されたフォトダイオードが使用される場合、上記したように信号量を相対的に増加させることにより、色再現性を向上させることができる。 According to the third embodiment, the signal amount of the second color series can be made larger than the signal amount of the first color series, and the exposure time can be adjusted, so that the relative sensitivity can be adjusted. Become. Since the setting of the color sensitivity of the photodiode varies depending on the manufacturing process or the like, for example, when a photodiode set to have a low R sensitivity among RGB is used, the signal amount is relatively set as described above. By increasing the color reproducibility, the color reproducibility can be improved.
また、本実施の形態3においても、加算対象画素のうちから実際に信号電荷を読み出す画素を選択できるようにすれば、各色系列の平均露光時間を変えつつ、画素の加算比率を自由に切り替えることができる。例えば、PD10〜16のうち、PD11、PD13、PD16からの信号電荷の読み出しを行わないようにすれば、第1の色系列であるPD10とPD12の加算信号と第2の色系列であるPD14とPD15の加算信号の出力を得ることができる。また、PD14、PD12、PD16からの信号電荷の読み出しを行わないようにすれば、第1の色系列であるPD10とPD11の加算信号と第2の色系列であるPD13とPD15の加算信号の出力を得ることができる。 Also in the third embodiment, if the pixel that actually reads the signal charge can be selected from the addition target pixels, the pixel addition ratio can be freely switched while changing the average exposure time of each color series. Can do. For example, if signal charges are not read out from PD11, PD13, and PD16 among PD10 to PD16, the addition signal of PD10 and PD12, which is the first color series, and PD14, which is the second color series, The output of the addition signal of PD15 can be obtained. Further, if signal charges are not read out from PD14, PD12, and PD16, output signals of the first color series PD10 and PD11 and the second color series PD13 and PD15 are output. Can be obtained.
また、本実施の形態3によれば、加算対象画素が互いに隣接しないように配置されているので、隣接するフォトダイオードのポテンシャルの影響を除去でき、フォトダイオードの出力レベルがKnee領域となっても使用することができ、広いダイナミックレンジを実現できる。 Further, according to the third embodiment, since the addition target pixels are arranged so as not to be adjacent to each other, the influence of the potential of the adjacent photodiode can be removed, and even if the output level of the photodiode becomes the Knee region. It can be used and a wide dynamic range can be realized.
なお、上記実施の形態1〜3では6相駆動の垂直CCDと10相駆動の垂直CCDを例に説明を行ったが、これに限定されるものではなく、間引き読み出し動作時に独立して駆動できるゲートが4種類以上ある多相駆動の垂直CCDを備えた固体撮像素子に適用できる。 In the first to third embodiments, the description has been given by taking the 6-phase drive vertical CCD and the 10-phase drive vertical CCD as examples. However, the present invention is not limited to this, and can be driven independently during the thinning readout operation. The present invention can be applied to a solid-state imaging device including a multi-phase driven vertical CCD having four or more types of gates.
また、上記実施の形態1〜3においては、原色系カラーフィルタ配列のBayer配列を例にとって説明したが、補色系カラーフィルタ配列であってもよい。 In the first to third embodiments, the Bayer array of the primary color filter array has been described as an example. However, a complementary color filter array may be used.
本発明にかかる固体撮像素子およびその駆動方法によれば、露光時間に差をつけて特定の色系列の画素の感度を向上させることが可能となるので、静止画撮像および動画撮像機能を有する撮像装置に適用すると好適である。 According to the solid-state imaging device and the driving method thereof according to the present invention, it is possible to improve the sensitivity of pixels of a specific color series with a difference in exposure time. It is preferable to apply to an apparatus.
700 フォトダイオード
701 垂直CCD
702 水平CCD
703 アンプ
704 ゲート
700
702 Horizontal CCD
703
Claims (6)
前記駆動モード時に信号電荷が読み出される読み出し対象の画素は、加算後の色系列ごとの画素重心が垂直方向に均等に並ぶように配置され、前記垂直CCDは、前記駆動モード時に信号電荷を読み出すゲートとして、他の系統とは独立して駆動可能な4種類以上のゲートを有す、
ことを特徴とする固体撮像素子。 A plurality of pixels each having a photoelectric conversion unit and arranged in a matrix, and a color filter in which a first color series and a second color series arranged on the pixels are alternately arranged in the column direction; The first CCD and the vertical CCD for reading and transferring the signal charges accumulated in the photoelectric conversion unit and a horizontal CCD for transferring the signal charges transferred from the vertical CCD to the amplification unit and arranged in the vertical direction A solid-state imaging device having a driving mode in which signal charges are thinned out and read out from each pixel of the second color series and added in the vertical CCD for each color series,
Pixels to be read from which signal charges are read out in the drive mode are arranged so that pixel centroids for each color series after addition are evenly arranged in the vertical direction, and the vertical CCD is a gate for reading out signal charges in the drive mode. As for having four or more types of gates that can be driven independently of other systems,
A solid-state imaging device.
6. The method of driving a solid-state imaging device according to claim 5, wherein a pixel from which signal charges are read is selected from pixels to be read out of at least one of the first or second color series.
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