JP2008227255A - Electronic device having charge detection amplifier - Google Patents

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眞司 宇家
Toshiaki Hayakawa
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To aim at gaining both of high charge detection sensitivity and a large amount of signal charge handling by a solid-state image pickup element, or the like. <P>SOLUTION: An electronic device having a charge detection amplifier outputting a signal corresponding to the amount of signal charge from an amplifier includes: a first charge detection amplifier 16 that outputs a signal corresponding to the amount of signal charge and transfers the signal charge after signal output to a poststage (FD section 12) completely; and a second charge detection amplifier 21 that has a difference in sensitivity to the first charge detection amplifier 16 and outputs a signal corresponding to the amount of signal charge completely transmitted to the poststage 12. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は電荷検出アンプ付き電子装置に係り、特に、出力信号のダイナミックレンジを拡大するのに好適な電荷検出アンプ付き電子装置に関する。   The present invention relates to an electronic device with a charge detection amplifier, and more particularly to an electronic device with a charge detection amplifier suitable for expanding the dynamic range of an output signal.

CCDイメージセンサやCMOSイメージセンサ等の電子装置には、各画素(光電変換素子)が被写体からの受光量に応じて蓄積した信号電荷を検出する電荷検出部と、この電荷検出部が検出した信号電荷量を電圧値信号に変換するアンプとが設けられる。   In an electronic device such as a CCD image sensor or a CMOS image sensor, each pixel (photoelectric conversion element) detects a signal charge accumulated according to the amount of light received from a subject, and a signal detected by the charge detection unit An amplifier for converting the charge amount into a voltage value signal is provided.

例えば、通常のCCDイメージセンサでは、下記の非特許文献1などに記載されているように、水平電荷転送路(HCCD)の出力端部に電荷検出部としてフローティング・ディフュージョン(FD)部が設けられ、このFD部に2段ソースフォロアアンプが出力アンプとして設けられ、フローティング・ディフュージョン・アンプ(FDA)と呼ばれている。   For example, in a normal CCD image sensor, a floating diffusion (FD) part is provided as a charge detection part at the output end of a horizontal charge transfer path (HCCD) as described in Non-Patent Document 1 below. In this FD section, a two-stage source follower amplifier is provided as an output amplifier, which is called a floating diffusion amplifier (FDA).

CMOSイメージセンサの場合には、各画素毎に電荷検出用トランジスタと、このトランジスタの出力に接続された出力アンプ用トランジスタとが設けられたり、イメージセンサの受光領域周辺部にこれらトランジスタが設けられたりする。   In the case of a CMOS image sensor, a charge detection transistor and an output amplifier transistor connected to the output of this transistor are provided for each pixel, or these transistors are provided in the periphery of the light receiving area of the image sensor. To do.

フローティング・ディフュージョン・アンプは、構造は単純であるが、電圧値信号に変換された信号電荷はドレインに捨てられてしまい、再利用できない。つまり、信号電荷に対して破壊的に撮像画像信号を読み出す点が特徴である。また、リセットゲートの駆動振幅によって、取り扱える入力電圧振幅が限定される為、電荷検出感度を向上させると、入力信号電荷に対するダイナミックレンジが減少してしまうという問題が挙げられる。   Although the floating diffusion amplifier has a simple structure, the signal charge converted into a voltage value signal is discarded in the drain and cannot be reused. That is, the feature is that the captured image signal is read destructively with respect to the signal charge. Further, since the input voltage amplitude that can be handled is limited by the drive amplitude of the reset gate, there is a problem that if the charge detection sensitivity is improved, the dynamic range for the input signal charge is reduced.

これに対し、信号電荷を破壊しないで撮像画像信号を読み出すことができるフローティング・ゲート・アンプ(FGA)も非特許文献1に紹介されている。このフローティング・ゲート・アンプは、信号電荷に応じた電圧値信号(撮像画像信号)を信号電荷を破壊せずに検出し、検出後の信号電荷を後段に完全転送する構成になっている。   On the other hand, Non-Patent Document 1 also introduces a floating gate amplifier (FGA) that can read a captured image signal without destroying signal charges. This floating gate amplifier is configured to detect a voltage value signal (captured image signal) corresponding to the signal charge without destroying the signal charge, and to completely transfer the detected signal charge to the subsequent stage.

このため、下記の特許文献1記載の従来技術では、電荷検出部を電荷転送方向に2つ設け、前段の電荷検出部で検出した信号を用いて、後段の電荷検出部で検出した出力用撮像画像信号をフィードフォワード制御し、S/Nの向上を図っている。   For this reason, in the prior art described in Patent Document 1 below, two charge detection units are provided in the charge transfer direction, and output imaging detected by the subsequent charge detection unit using a signal detected by the previous charge detection unit. The image signal is feedforward controlled to improve S / N.

信号電荷を非破壊で検出する他の方法として、非特許文献2記載のフローティング・サーフェス電荷検出器や、それを改良した特許文献2記載の検出器がある。   As other methods for nondestructively detecting the signal charge, there are a floating surface charge detector described in Non-Patent Document 2 and a detector described in Patent Document 2 which is an improved version thereof.

このフローティング・サーフェス電荷検出器は、あまりに高い電荷検出感度(100〜200μV/電子)を有する為、入力信号電荷の最大値が低減してしまうという問題がある。   Since this floating surface charge detector has an extremely high charge detection sensitivity (100 to 200 μV / electron), there is a problem that the maximum value of the input signal charge is reduced.

特開平5−75928号公報JP-A-5-75928 特許第3375389号公報Japanese Patent No. 3375389 書籍「CCDの基礎」エレクトロニクス文庫、塚本哲男著、オーム社発行、116〜122頁Book "Basics of CCD" Electronics Bunko, written by Tetsuo Tsukamoto, published by Ohmsha, pages 116-122 1988年「International Conference on Solid State Device and Materials(Extended Abstracts)」pp.355-3581988 “International Conference on Solid State Device and Materials (Extended Abstracts)” pp.355-358

信号電荷量に応じた電圧値信号を読み出す出力アンプとして、電荷非破壊型で完全転送型の「フローティング・ゲート・アンプ」「フローフィング・サーフェス・アンプ」「改良型のフローフィング・サーフェス・アンプ」と、電荷破壊型の「フローティング・ディフュージョン・アンプ」について説明したが、いずれの出力アンプを採用しても一長一短があり、画素サイズの微細化が進んだ近年の固体撮像素子では、高い電荷検出感度と高い信号電荷取扱量(ダイナミックレンジ)を両立させることが難しいという問題がある。   Non-destructive and complete transfer type "floating gate amplifier", "floating surface amplifier", and "improved floating surface amplifier" as output amplifiers that read voltage value signals according to the amount of signal charge However, the charge breakdown type “floating diffusion amplifier” has been explained. However, even if any output amplifier is used, there are advantages and disadvantages, and in recent solid-state image sensors with a finer pixel size, high charge detection sensitivity There is a problem that it is difficult to achieve both a high signal charge handling amount (dynamic range).

本発明の目的は、高い電荷検出感度と高い信号電荷取扱量の両立を図ることができる電荷検出アンプ付き電子装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide an electronic device with a charge detection amplifier that can achieve both high charge detection sensitivity and a high signal charge handling amount.

本発明の電荷検出アンプ付き電子装置は、信号電荷の電荷量に応じた信号をアンプから出力する電荷検出アンプ付き電子装置において、前記信号電荷の電荷量に応じた信号を出力すると共に該信号を出力した後の前記信号電荷を後段に完全転送する第1電荷検出アンプと、該第1電荷検出アンプとの間で感度差を有し前記後段に完全転送されてきた信号電荷の電荷量に応じた信号を出力する第2電荷検出アンプとを備えることを特徴とする。   The electronic device with a charge detection amplifier according to the present invention is an electronic device with a charge detection amplifier that outputs a signal according to the charge amount of the signal charge from the amplifier, and outputs a signal according to the charge amount of the signal charge and outputs the signal. The first charge detection amplifier that completely transfers the signal charge after output to the subsequent stage and the charge amount of the signal charge that has been completely transferred to the subsequent stage having a sensitivity difference between the first charge detection amplifier and the first charge detection amplifier And a second charge detection amplifier that outputs the received signal.

本発明の電荷検出アンプ付き電子装置は、前記感度差を設定あるいは選択する手段を備えることを特徴とする。   The electronic device with a charge detection amplifier according to the present invention includes means for setting or selecting the sensitivity difference.

本発明の電荷検出アンプ付き電子装置の前記第1電荷検出アンプが、「フローティング・ゲート・アンプ」「フローティング・サーフェス・アンプ」「フローティング・ウェル・アンプ」のいずれかであり、前記第2電荷検出アンプが、「フローティング・ゲート・アンプ」「フローティング・サーフェス・アンプ」「フローティング・ディフュージョン・アンプ」のいずれかであることを特徴とする。   The first charge detection amplifier of the electronic device with a charge detection amplifier according to the present invention is any one of a “floating gate amplifier”, a “floating surface amplifier”, and a “floating well amplifier”, and the second charge detection amplifier The amplifier is one of a “floating gate amplifier”, a “floating surface amplifier”, and a “floating diffusion amplifier”.

本発明の電荷検出アンプ付き電子装置が固体撮像素子であり、前記信号電荷が、該固体撮像素子に設けられた光電変換素子が受光量に応じて蓄積した信号電荷であることを特徴とする。   The electronic device with a charge detection amplifier according to the present invention is a solid-state image sensor, and the signal charge is a signal charge accumulated by a photoelectric conversion element provided in the solid-state image sensor in accordance with the amount of received light.

本発明の出力アンプ付き電子装置は、前記固体撮像素子が複数の信号電荷出力部を有し、各信号電荷出力部毎に前記第1電荷検出アンプ及び前記第2電荷検出アンプが設けられたことを特徴とする。   In the electronic device with an output amplifier according to the present invention, the solid-state imaging device has a plurality of signal charge output units, and the first charge detection amplifier and the second charge detection amplifier are provided for each signal charge output unit. It is characterized by.

本発明のデジタルカメラは、上記記載の固体撮像素子と、該固体撮像素子の前記第1電荷検出アンプ,第2電荷検出アンプの夫々から出力される感度の異なる撮像画像信号を合成する制御手段とを備えることを特徴とする。   The digital camera of the present invention includes the solid-state imaging device described above, and a control unit that synthesizes captured image signals having different sensitivities output from the first charge detection amplifier and the second charge detection amplifier of the solid-state imaging device, respectively. It is characterized by providing.

本発明のデジタルカメラの前記制御手段は、保存している前記第1電荷検出アンプと前記第2電荷検出アンプの性能情報に基づき前記合成する撮像画像信号を信号補正することを特徴とする。   The control means of the digital camera of the present invention is characterized in that the captured image signal to be synthesized is signal-corrected based on the stored performance information of the first charge detection amplifier and the second charge detection amplifier.

本発明によれば、感度差のある第1電荷検出アンプと第2電荷検出アンプとにより同一信号電荷から夫々信号を得る構成としたため、両信号を合成することでダイナミックレンジの広い信号を得ることができると共に、信号電荷の検出感度を高くすることが可能となる。   According to the present invention, since the first charge detection amplifier and the second charge detection amplifier having a difference in sensitivity obtain signals from the same signal charge, a signal having a wide dynamic range can be obtained by combining both signals. In addition, the signal charge detection sensitivity can be increased.

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施形態に係るCCD型固体撮像素子の説明図である。このCCD型固体撮像素子1は、半導体基板2の表面部に正方格子配列された複数のフォトダイオード(光電変換素子)3と、各フォトダイオード列に隣接して設けられた複数の垂直電荷転送路(VCCD)4と、各垂直電荷転送路の端部に沿って設けられた水平電荷転送路5とを備える。   FIG. 1 is an explanatory diagram of a CCD type solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention. The CCD solid-state imaging device 1 includes a plurality of photodiodes (photoelectric conversion elements) 3 arranged in a square lattice on the surface portion of a semiconductor substrate 2 and a plurality of vertical charge transfer paths provided adjacent to each photodiode row. (VCCD) 4 and a horizontal charge transfer path 5 provided along the end of each vertical charge transfer path.

尚、図1ではインターライントランスファー型CCDを図示しているが、他の形式のCCD、例えばフルフレームトランスファー型,フレームトランスファー型でも良い。また、各フォトダイオード3が正方格子配列されたCCDを図示しているが、奇数行のフォトダイオードに対して偶数行のフォトダイオードが1/2ピッチずらして配置された所謂ハニカム画素配列のCCDでも良い。   Although FIG. 1 shows an interline transfer type CCD, other types of CCDs such as a full frame transfer type and a frame transfer type may be used. In addition, a CCD in which each photodiode 3 is arranged in a square lattice is shown, but a so-called honeycomb pixel array CCD in which even-numbered photodiodes are shifted by 1/2 pitch with respect to odd-numbered photodiodes is also shown. good.

本実施形態の固体撮像素子1では、水平電荷転送路5の出力端部側に第1電荷検出部としてのフローティング・ゲート11が設けられ、その後段に、第2電荷検出部としてのフローティング・ディフュージョン(FD)部12が設けられ、その後段に、リセットゲート13が設けられている。   In the solid-state imaging device 1 of the present embodiment, a floating gate 11 as a first charge detection unit is provided on the output end side of the horizontal charge transfer path 5, and a floating diffusion as a second charge detection unit is provided at the subsequent stage. An (FD) portion 12 is provided, and a reset gate 13 is provided at the subsequent stage.

フローティング・ゲート11には、フローティング・ゲート電位の制御端子15が接続されると共に、周知の2段ソースフォロア・アンプ16が接続され、この2段ソースフォロア・アンプ16の出力端子17から、各フォトダイオード3で検出された撮像画像信号が出力される。   A floating gate potential control terminal 15 is connected to the floating gate 11, and a well-known two-stage source follower amplifier 16 is connected. A captured image signal detected by the diode 3 is output.

フローティング・ディフュージョン(FD)部12には、周知の2段ソースフォロア・アンプ21が接続され、この2段ソースフォロア・アンプ21の出力端子22から、各フォトダイオード3で検出された撮像画像信号が出力される。   A well-known two-stage source follower amplifier 21 is connected to the floating diffusion (FD) unit 12, and a captured image signal detected by each photodiode 3 is output from an output terminal 22 of the two-stage source follower amplifier 21. Is output.

図2は、図1に示すCCD型固体撮像素子1を搭載したデジタルカメラの機能ブロック図である。このデジタルカメラ30には、デジタルカメラを統括制御すると共に画像信号処理を行うシステム制御部31と、システム制御部31からの指示を受けて動作するタイミングジェネレータ32と、タイミングジェネレータ32からのタイミング信号で図1に示すCCD型固体撮像素子1を駆動するCCDドライバ33とを備える。   FIG. 2 is a functional block diagram of a digital camera equipped with the CCD solid-state imaging device 1 shown in FIG. The digital camera 30 includes a system control unit 31 that performs overall control of the digital camera and performs image signal processing, a timing generator 32 that operates in response to an instruction from the system control unit 31, and a timing signal from the timing generator 32. And a CCD driver 33 for driving the CCD type solid-state imaging device 1 shown in FIG.

デジタルカメラ30はまた、システム制御部31と外部入出力端子との間のインタフェースを行うインタフェース部35と、CCD型固体撮像素子1で撮像した動画データを外部出力するインタフェース部36と、外部の図示しない記録メディアとの間の制御を行うインタフェース部37と、システム制御部31が使用するシステム用メモリ38と、CCD型固体撮像素子1から出力された撮像画像信号を記憶する信号用メモリ39とを備える。   The digital camera 30 also includes an interface unit 35 that performs an interface between the system control unit 31 and an external input / output terminal, an interface unit 36 that externally outputs moving image data captured by the CCD solid-state imaging device 1, and an external illustration. An interface unit 37 that performs control with a recording medium that is not to be recorded, a system memory 38 that is used by the system control unit 31, and a signal memory 39 that stores a captured image signal output from the CCD solid-state imaging device 1. Prepare.

このデジタルカメラ30は更に、入力端が図1で説明したCCD型固体撮像素子1の出力端子17に接続されたサンプルホールド回路41と、サンプルホールド回路41の出力を取り込んで利得制御を行うゲインコントロールアンプ42と、アンプ42の出力アナログ信号をデジタル信号に変換してメモリ39に出力するアナログデジタル変換器43と、入力端が図1で説明したCCD型固体撮像素子1の出力端子22に接続されたサンプルホールド回路46と、サンプルホールド回路46の出力を取り込んで利得制御を行うゲインコントロールアンプ47と、アンプ47の出力アナログ信号をデジタル信号に変換してメモリ39に出力するアナログデジタル変換器48とを備える。   The digital camera 30 further includes a sample hold circuit 41 whose input end is connected to the output terminal 17 of the CCD type solid-state imaging device 1 described with reference to FIG. 1, and a gain control that takes the output of the sample hold circuit 41 and performs gain control. An amplifier 42, an analog / digital converter 43 that converts an analog signal output from the amplifier 42 into a digital signal and outputs the digital signal to the memory 39, and an input terminal is connected to the output terminal 22 of the CCD solid-state imaging device 1 described with reference to FIG. A sample-and-hold circuit 46, a gain control amplifier 47 that takes in the output of the sample-and-hold circuit 46 and performs gain control, and an analog-to-digital converter 48 that converts the output analog signal of the amplifier 47 into a digital signal and outputs it to the memory 39; Is provided.

次に、上述したCCD型固体撮像素子1とデジタルカメラ30の動作について説明する。   Next, operations of the above-described CCD type solid-state imaging device 1 and digital camera 30 will be described.

CCD型固体撮像素子1に被写体からの光が入射すると、各フォトダイオード3は夫々受光量に応じた信号電荷を蓄積する。この信号電荷は、垂直電荷転送路4に読み出されて水平電荷転送路5に転送され、次に水平電荷転送路5によって出力端部側に転送される。   When light from a subject enters the CCD solid-state imaging device 1, each photodiode 3 accumulates signal charges corresponding to the amount of received light. This signal charge is read to the vertical charge transfer path 4 and transferred to the horizontal charge transfer path 5, and then transferred to the output end side by the horizontal charge transfer path 5.

水平電荷転送路5の出力端部側に転送されてきた信号電荷は、先ず、フローティング・ゲート11に入り、この信号電荷量に応じた電圧値信号が撮像画像信号として2段ソースフォロア・アンプ16の出力端子17から出力される。   The signal charge transferred to the output end side of the horizontal charge transfer path 5 first enters the floating gate 11, and a voltage value signal corresponding to the signal charge amount is a two-stage source follower amplifier 16 as a captured image signal. Are output from the output terminal 17.

2段ソースフォロア・アンプ16及びフローティング・ゲート11で構成されるフローティング・ゲート・アンプは、完全転送型で非破壊型であるため、フローティング・ゲート11に入った信号電荷は、次に、後段のフローティング・ディフュージョン(FD)部12に完全転送される。   Since the floating gate amplifier composed of the two-stage source follower amplifier 16 and the floating gate 11 is a complete transfer type and non-destructive type, the signal charge that has entered the floating gate 11 is then transferred to the subsequent stage. The data is completely transferred to the floating diffusion (FD) unit 12.

FD部12と2段ソースフォロア・アンプ21とで構成されるフローティング・ディフュージョン・アンプは、このFD部12に流れ込んだ信号電荷量に応じた電圧値信号を撮像画像信号として出力端子22から出力し、撮像画像信号が読み出された信号電荷は、リセットゲート13から基板2側に廃棄される。   The floating diffusion amplifier including the FD unit 12 and the two-stage source follower amplifier 21 outputs a voltage value signal corresponding to the amount of signal charge flowing into the FD unit 12 from the output terminal 22 as a captured image signal. The signal charge from which the captured image signal has been read is discarded from the reset gate 13 to the substrate 2 side.

図1に示す例では第1電荷検出アンプ16としてフローティング・ゲート・アンプを用い、第2電荷検出アンプ21としてフローティング・ディフュージョン・アンプを用い、同一信号電荷に対して夫々撮像画像信号を出力させている。   In the example shown in FIG. 1, a floating gate amplifier is used as the first charge detection amplifier 16 and a floating diffusion amplifier is used as the second charge detection amplifier 21. Yes.

第1電荷検出アンプ16と第2電荷検出アンプ21とが同一感度であれば、同じ一つの信号電荷から2つの撮像画像信号を取り出すことは意味がない。しかし、本実施形態では、両アンプ16,21の感度に差を設け、両アンプ16,21の撮像画像信号を後述する様に合成することで、高い電荷検出感度と広ダイナミックレンジ撮影とを両立させている。   If the first charge detection amplifier 16 and the second charge detection amplifier 21 have the same sensitivity, it is meaningless to extract two captured image signals from the same signal charge. However, in this embodiment, a difference is set in the sensitivity of both amplifiers 16 and 21, and the captured image signals of both amplifiers 16 and 21 are combined as will be described later, thereby achieving both high charge detection sensitivity and wide dynamic range shooting. I am letting.

前段に設けるフローティング・ゲート・アンプは、高感度化し難いアンプであるため、こちらのアンプを低感度アンプとし、後段に設けるフローティング・ディフュージョン・アンプを高感度アンプとして構成する。   Since the floating gate amplifier provided in the previous stage is difficult to achieve high sensitivity, this amplifier is configured as a low sensitivity amplifier, and the floating diffusion amplifier provided in the subsequent stage is configured as a high sensitivity amplifier.

これにより、各アンプの出力は、図3に示す様になる。即ち、高感度アンプの出力は、少ない入射光量で飽和するが、信号電荷量が少ないときの信号電荷量の変化に応じて大きく変化する出力を得ることができる。これに対し、低感度アンプの出力は、入射光量が多く信号電荷量が多い場合でも直ぐには飽和せず信号電荷量に応じた出力変化を得ることができる。   Thereby, the output of each amplifier becomes as shown in FIG. That is, the output of the high-sensitivity amplifier is saturated with a small amount of incident light, but it is possible to obtain an output that changes greatly according to the change in the signal charge amount when the signal charge amount is small. On the other hand, the output of the low sensitivity amplifier does not immediately saturate even when the amount of incident light is large and the signal charge amount is large, and an output change corresponding to the signal charge amount can be obtained.

そこで、デジタルカメラ30は、高感度な撮像画像信号をサンプルホールド回路46から取り込み、低感度な撮像画像信号をサンプルホールド回路41から取り込み、信号用メモリ39に、デジタルデータに変換された高感度撮像画像信号と低感度撮像画像信号を保存する。   Therefore, the digital camera 30 captures a high-sensitivity captured image signal from the sample hold circuit 46, captures a low-sensitivity captured image signal from the sample hold circuit 41, and stores it in the signal memory 39 with high sensitivity imaging converted into digital data. Save the image signal and the low-sensitivity captured image signal.

そして、システム制御部31は、高感度撮像画像信号と低感度撮像画像信号とを図4に示す特性線Iまたは特性線IIとして合成することで、ダイナミックレンジの広い撮像画像信号を生成し出力する。   Then, the system control unit 31 generates and outputs a captured image signal having a wide dynamic range by combining the high-sensitivity captured image signal and the low-sensitivity captured image signal as the characteristic line I or the characteristic line II illustrated in FIG. .

高感度撮像画像信号と低感度撮像画像信号とを合成する場合、合成された撮像画像信号のダイナミックレンジは、高感度アンプの検出感度と低感度アンプの検出感度との差に依存する。そこで、例えば、両アンプの感度差を2倍以上,4倍以上,8倍以上に固定に構成しておいても、また、感度差を任意に可変制御したり選択できる構成を付加しておいても良い。   When the high-sensitivity captured image signal and the low-sensitivity captured image signal are combined, the dynamic range of the combined captured image signal depends on the difference between the detection sensitivity of the high-sensitivity amplifier and the detection sensitivity of the low-sensitivity amplifier. Therefore, for example, even if the sensitivity difference between the two amplifiers is fixed to 2 times or more, 4 times or more, or 8 times or more, a configuration that can arbitrarily variably control or select the sensitivity difference is added. May be.

一般的には、人間が違和感無く感じる最大の感度比率が4倍程度であるため、両アンプの感度差を4倍程度にして両アンプの出力を合成すると、自然な感じのダイナミックレンジを持つ再生画像を合成することができる。   In general, the maximum sensitivity ratio that humans feel comfortably is about 4 times, so if you combine the outputs of both amplifiers by making the difference in sensitivity between both amplifiers about 4 times, playback with a natural dynamic range Images can be combined.

デジタルカメラ30のシステム制御部31またはシステム用メモリ38に、個々の出力アンプ16,21の感度やリニアリティ等の性能情報を保存しておき、システム制御部31が、合成画像データを生成するときにこの性能情報に基づき信号補正を行うことで、アンプの特性バラツキの影響を低減することができる。   When performance information such as sensitivity and linearity of the individual output amplifiers 16 and 21 is stored in the system control unit 31 or the system memory 38 of the digital camera 30 and the system control unit 31 generates composite image data. By performing signal correction based on this performance information, it is possible to reduce the influence of variations in amplifier characteristics.

図5は、本発明の他の実施形態に係るCCD型固体撮像素子50の説明図である。図1に示す固体撮像素子1では、前段に設けるアンプとして低感度のフローティング・ゲート・アンプを採用したが、本実施形態では、前段に設けるアンプ16として、非特許文献2や特許文献2に記載されている高感度なフローフィング・サーフェス・アンプを採用し、後段に設けるフローティング・ディフュージョン・アンプを低感度アンプとしている点が異なる。感度差は上記した理由にように、4倍程度としている。   FIG. 5 is an explanatory diagram of a CCD type solid-state imaging device 50 according to another embodiment of the present invention. In the solid-state imaging device 1 shown in FIG. 1, a low-sensitivity floating gate amplifier is used as the amplifier provided in the previous stage. However, in this embodiment, the amplifier 16 provided in the previous stage is described in Non-Patent Document 2 and Patent Document 2. The difference is that the high-sensitivity floating surface amplifier is adopted and the floating diffusion amplifier provided in the latter stage is a low-sensitivity amplifier. The sensitivity difference is about 4 times as described above.

本実施形態で採用するフローティング・サーフェス・アンプは、特許文献2記載の改良型であり、水平電荷転送路5の出力段部に設けられ転送されてきた信号電荷が一時入り次段のFD部12に完全転送する電荷検出部(フローティングゲート部)51と、このフローティング・ゲート部51がゲートとなるMOSトランジスタ52と、このMOSトランジスタ52を初段トランジスタとする2段ソースフォロア・アンプ18とで構成される。   The floating surface amplifier employed in the present embodiment is an improved type described in Patent Document 2, and the signal charge provided and transferred at the output stage portion of the horizontal charge transfer path 5 is temporarily entered and the FD portion 12 at the next stage. A charge detection section (floating gate section) 51 that completely transfers to the gate, a MOS transistor 52 having the floating gate section 51 as a gate, and a two-stage source follower amplifier 18 having the MOS transistor 52 as a first stage transistor. The

本実施形態では、前段アンプにより信号電荷の高感度出力を得、後段アンプにより信号電荷の低感度出力を得て、両者を合成することで、広いダイナミックレンジを実現している。   In the present embodiment, a high dynamic output of signal charges is obtained by the front-stage amplifier, a low-sensitivity output of signal charges is obtained by the back-stage amplifier, and a wide dynamic range is realized by combining the two.

以上述べた様に、上述した各実施形態によれば、信号電荷の出力部に感度差の異なる2つの電荷検出アンプを直列に設ける共に前段電荷検出アンプを信号電荷の完全転送型(非破壊型)とし、両電荷検出アンプの出力を合成する構成としたため、高い電荷検出感度と高い信号電荷取扱量の両立を図ることができる。   As described above, according to each of the above-described embodiments, two charge detection amplifiers having different sensitivity differences are provided in series at the signal charge output section, and the previous charge detection amplifier is a signal charge complete transfer type (non-destructive type). ) And combining the outputs of both charge detection amplifiers, it is possible to achieve both high charge detection sensitivity and a high signal charge handling amount.

尚、上述した実施形態では、出力用水平電荷転送路(HCCD)が1本の固体撮像素子を例に説明したが、HCCDを短い複数の分割HCCDに分割し、夫々から出力信号を読み出したり、HCCDの出力部を2本や3本に分岐し各分岐HCCDの夫々から出力信号を読み出すものがあるが、これらの各電荷出力部の夫々に上述した各実施形態を適用することも可能である。   In the above-described embodiment, the output horizontal charge transfer path (HCCD) is described as an example of a solid-state imaging device. However, the HCCD is divided into a plurality of short divided HCCDs, and an output signal is read out from each of them. Although there are those in which the output part of the HCCD is branched into two or three and the output signal is read out from each of the branched HCCDs, the above-described embodiments can be applied to each of these charge output parts.

また、CMOSイメージセンサの各画素の信号電荷を読み出す部分に上述した実施形態の低感度アンプと高感度アンプとを直列に設け、前段アンプを完全転送型とすることでも良い。   In addition, the low-sensitivity amplifier and the high-sensitivity amplifier of the above-described embodiment may be provided in series in the portion for reading the signal charge of each pixel of the CMOS image sensor, and the pre-stage amplifier may be a complete transfer type.

更に、上述した各実施形態では、後段に設けるアンプを電荷破壊型アンプとしたが、前段,後段共に電荷非破壊型アンプとしても良いことは云うまでもない。
更にまた、電圧破壊型アンプ,電圧非破壊型アンプは、上述した各種アンプに限るものではなく、例えば、フローティング・サーフェス・アンプより感度の高いフローティング・ウェル・アンプを前段に用いても良い。
Furthermore, in each of the above-described embodiments, the amplifier provided in the subsequent stage is a charge destructive amplifier, but it goes without saying that both the pre-stage and the subsequent stage may be non-destructive amplifiers.
Furthermore, the voltage breakdown type amplifier and the voltage non-destructive type amplifier are not limited to the above-described various amplifiers. For example, a floating well amplifier having higher sensitivity than the floating surface amplifier may be used in the preceding stage.

本発明に係る電荷検出アンプ付き電子装置は、2つの電荷検出アンプに感度差を持たせ各出力アンプの出力信号を合成する構成としたため、広いダイナミックレンジの合成信号を得ることができ、固体撮像素子に適用すると、広ダイナミックレンジの画像を撮像することが可能なデジタルカメラを構成することができる。   Since the electronic device with a charge detection amplifier according to the present invention has a configuration in which two charge detection amplifiers have a sensitivity difference and synthesize the output signals of the output amplifiers, a combined signal with a wide dynamic range can be obtained, and solid-state imaging can be obtained. When applied to an element, a digital camera capable of capturing an image with a wide dynamic range can be configured.

本発明の一実施形態に係るCCD型固体撮像素子の説明図である。It is explanatory drawing of the CCD type solid-state image sensor which concerns on one Embodiment of this invention. 図1に示すCCD型固体撮像素子を搭載したデジタルカメラの機能ブロック図である。It is a functional block diagram of the digital camera carrying the CCD type solid-state image sensor shown in FIG. 図1に示すCCD型固体撮像素子に搭載した感度の異なる2つのアンプの出力例を示す図である。It is a figure which shows the example of an output of two amplifiers with which the sensitivity differs mounted in the CCD type solid-state image sensor shown in FIG. 図3に示す2つの出力の合成例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of a synthesis | combination of two outputs shown in FIG. 本発明の別実施形態に係るCCD型固体撮像素子の説明図である。It is explanatory drawing of the CCD type solid-state image sensor which concerns on another embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1,50 CCD型固体撮像素子
3 フォトダイオード
4 垂直電荷転送路(VCCD)
5 水平電荷転送路(HCCD)
11 フローティング・ゲート
12 フローティング・ディフュージョン(FD)部
13 リセットゲート
16 第1電荷検出アンプ
17 第1電荷検出アンプの出力端子
21 第2電荷検出アンプ
22 第2電荷検出アンプの出力端子
31 システム制御部
1,50 CCD type solid-state imaging device 3 Photodiode 4 Vertical charge transfer path (VCCD)
5 Horizontal charge transfer path (HCCD)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Floating gate 12 Floating diffusion (FD) part 13 Reset gate 16 1st charge detection amplifier 17 Output terminal 21 of 1st charge detection amplifier 2nd charge detection amplifier 22 Output terminal 31 of 2nd charge detection amplifier 31 System control part

Claims (7)

信号電荷の電荷量に応じた信号をアンプから出力する電荷検出アンプ付き電子装置において、前記信号電荷の電荷量に応じた信号を出力すると共に該信号を出力した後の前記信号電荷を後段に完全転送する第1電荷検出アンプと、該第1電荷検出アンプとの間で感度差を有し前記後段に完全転送されてきた信号電荷の電荷量に応じた信号を出力する第2電荷検出アンプとを備えることを特徴とする電荷検出アンプ付き電子装置。   In an electronic device with a charge detection amplifier that outputs a signal corresponding to the amount of charge of a signal charge from an amplifier, the signal charge corresponding to the amount of charge of the signal charge is output and the signal charge after the output of the signal is completely transferred to the subsequent stage A first charge detection amplifier for transferring, and a second charge detection amplifier for outputting a signal corresponding to the charge amount of the signal charge which has a sensitivity difference between the first charge detection amplifier and has been completely transferred to the subsequent stage. An electronic device with a charge detection amplifier. 前記感度差を設定あるいは選択する手段を備えることを特徴とする請求項1に記載の電荷検出アンプ付き電子装置。   2. The electronic device with a charge detection amplifier according to claim 1, further comprising means for setting or selecting the sensitivity difference. 前記第1電荷検出アンプが、「フローティング・ゲート・アンプ」「フローティング・サーフェス・アンプ」「フローティング・ウェル・アンプ」のいずれかであり、前記第2電荷検出アンプが、「フローティング・ゲート・アンプ」「フローティング・サーフェス・アンプ」「フローティング・ディフュージョン・アンプ」のいずれかであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電荷検出アンプ付き電子装置。   The first charge detection amplifier is one of a “floating gate amplifier”, a “floating surface amplifier”, and a “floating well amplifier”, and the second charge detection amplifier is a “floating gate amplifier”. 3. The electronic device with a charge detection amplifier according to claim 1, wherein the electronic device is a “floating surface amplifier” or a “floating diffusion amplifier”. 前記電荷検出アンプ付き電子装置が固体撮像素子であり、前記信号電荷が、該固体撮像素子に設けられた光電変換素子が受光量に応じて蓄積した信号電荷であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の出力アンプ付き電子装置。   2. The electronic device with a charge detection amplifier is a solid-state image sensor, and the signal charge is a signal charge accumulated by a photoelectric conversion element provided in the solid-state image sensor in accordance with an amount of received light. The electronic device with an output amplifier according to claim 3. 前記固体撮像素子が複数の信号電荷出力部を有し、各信号電荷出力部毎に前記第1電荷検出アンプ及び前記第2電荷検出アンプが設けられたことを特徴とする請求項4に記載の電荷検出アンプ付き電子装置。   The solid-state imaging device includes a plurality of signal charge output units, and the first charge detection amplifier and the second charge detection amplifier are provided for each signal charge output unit. Electronic device with charge detection amplifier. 請求項4または請求項5に記載の固体撮像素子と、該固体撮像素子の前記第1電荷検出アンプ,第2電荷検出アンプの夫々から出力される感度の異なる撮像画像信号を合成する制御手段とを備えることを特徴とするデジタルカメラ。   6. A solid-state imaging device according to claim 4 or 5, and a control means for synthesizing captured image signals having different sensitivities output from the first charge detection amplifier and the second charge detection amplifier of the solid-state imaging device, respectively. A digital camera comprising: 前記制御手段は、保存している前記第1電荷検出アンプと前記第2電荷検出アンプの性能情報に基づき前記合成する撮像画像信号を信号補正することを特徴とする請求項6に記載のデジタルカメラ。   7. The digital camera according to claim 6, wherein the control unit corrects the synthesized image signal based on the stored performance information of the first charge detection amplifier and the second charge detection amplifier. .
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