JP2009004834A - Solid-state imaging device and camera - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、デジタルカメラ等に用いられる固体撮像装置に関し、特に、ダイナミックレンジを広げる技術に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device used for a digital camera or the like, and more particularly to a technique for expanding a dynamic range.
従来の固体撮像装置のダイナミックレンジは、60dBから80dB程度であり、肉眼や銀塩フィルムに匹敵する100dBから120dB程度、あるいは車載カメラや監視カメラ等の用途によってはそれ以上のレベルにまで向上させることが望まれている。そこで特許文献1は、露光期間の長さを異ならせて複数のフレームを撮像し、撮像された複数のフレームを合成する技術を開示している。ひとつのフレームで撮影可能な輝度域は、露光期間の長さに応じて変化する。特許文献1の技術では、撮影可能な輝度域が異なる複数のフレームを合成することにより、ダイナミックレンジを広げることができる。
しかしながら、特許文献1の技術では、複数のフレームを記憶するためのフレームメモリや複数のフレームを合成するための信号合成部を固体撮像装置の外部に設けることとしているため、チップ面積や消費電力が増大してしまうという問題がある。また、ひとつのフレームを作成するために複数フレームの画素信号を固体撮像装置から読み出す必要があるため、読み出し速度に余裕がなければフレームレートが低減してしまうという問題もある。
However, in the technique of
また長時間露光の信号レベルと短時間露光の信号レベルとを単に合成することとすると、入射光の強度がフォトダイオードの最大蓄積量を超えて電荷を生じさせるような強度である場合に、過剰に生成された電荷の影響により長時間露光の信号レベルが押し上げられることがある。このような場合、合成後の信号レベルにおける短時間露光の信号レベルの寄与率が相対的に低下し、合成後の信号レベルのSN比が低下するという問題が生じる。 If the signal level of long exposure and the signal level of short exposure are simply combined, if the intensity of the incident light exceeds the maximum accumulated amount of the photodiode and generates charge, it will be excessive. The signal level of long exposure may be pushed up due to the influence of the generated charge. In such a case, there is a problem that the contribution ratio of the signal level of short-time exposure in the signal level after synthesis is relatively lowered, and the SN ratio of the signal level after synthesis is lowered.
そこで本発明は、上記問題の発生を最小限に抑えつつダイナミックレンジを広げることができる固体撮像装置及びカメラを提供することを第1の目的とする。
さらに本発明は、入射光の強度がフォトダイオードの最大蓄積量を超えて電荷を生じさせる強度である場合でも、SN比の低下を抑制することができる固体撮像装置及びカメラを提供することを第2の目的とする。
Accordingly, a first object of the present invention is to provide a solid-state imaging device and a camera that can expand the dynamic range while minimizing the occurrence of the above problems.
Furthermore, the present invention provides a solid-state imaging device and a camera that can suppress a decrease in the S / N ratio even when the intensity of incident light exceeds the maximum accumulation amount of the photodiode to generate charges. The purpose of 2.
本発明に係る固体撮像装置は、複数の画素を備えた固体撮像装置であって、各画素は、入射光の強度に応じて電荷を生成するフォトダイオードと、1フレーム期間に、前記フォトダイオードにより第1の露光期間に生成された電荷量に応じて第1の電圧信号を生成するとともに、前記フォトダイオードにより前記第1の露光期間と長さが異なる第2の露光期間に生成された電荷量に応じて第2の電圧信号を生成する信号生成部と、前記信号生成部により生成された第1及び第2の電圧信号を合成する信号合成部と、前記入射光の強度が前記フォトダイオードの最大蓄積量を超えて電荷を生じさせる強度である場合に、前記信号合成部により合成される第1及び第2の電圧信号の信号レベルが前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルを超えないように信号レベルを制限するレベル制限部とを含む。 A solid-state imaging device according to the present invention is a solid-state imaging device including a plurality of pixels, each pixel including a photodiode that generates a charge according to the intensity of incident light, and the photodiode in one frame period. The first voltage signal is generated according to the amount of charge generated during the first exposure period, and the amount of charge generated during the second exposure period that is different in length from the first exposure period by the photodiode. In response to the signal generator, a signal generator for combining the first and second voltage signals generated by the signal generator, and the intensity of the incident light of the photodiode. A signal in which the signal levels of the first and second voltage signals synthesized by the signal synthesis unit correspond to the maximum accumulation amount of the photodiode when the intensity exceeds the maximum accumulation amount and generates electric charge. And a level limiting unit for limiting the signal level does not exceed the bell.
本発明に係るカメラは、固体撮像装置を備えたカメラであって、前記固体撮像装置は、複数の画素を備え、各画素は、入射光の強度に応じて電荷を生成するフォトダイオードと、1フレーム期間に、前記フォトダイオードにより第1の露光期間に生成された電荷量に応じて第1の電圧信号を生成するとともに、前記フォトダイオードにより前記第1の露光期間と長さが異なる第2の露光期間に生成された電荷量に応じて第2の電圧信号を生成する信号生成部と、前記信号生成部により生成された第1及び第2の電圧信号を合成する信号合成部と、前記入射光の強度が前記フォトダイオードの最大蓄積量を超えて電荷を生じさせる強度である場合に、前記信号合成部により合成される第1及び第2の電圧信号の信号レベルが前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルを超えないように信号レベルを制限するレベル制限部とを含む。 A camera according to the present invention is a camera including a solid-state imaging device, and the solid-state imaging device includes a plurality of pixels, each pixel generating a charge according to the intensity of incident light, and 1 In the frame period, a first voltage signal is generated according to the amount of electric charge generated by the photodiode during the first exposure period, and a second length different from the first exposure period is generated by the photodiode. A signal generator that generates a second voltage signal according to the amount of charge generated during the exposure period; a signal combiner that combines the first and second voltage signals generated by the signal generator; When the intensity of the incident light exceeds the maximum accumulation amount of the photodiode and generates an electric charge, the signal levels of the first and second voltage signals synthesized by the signal synthesis unit are the photodiodes. So as not to exceed the signal level corresponding to the maximum amount of accumulated and a level limiting unit for limiting the signal level.
上記構成によれば、第1の画素信号及び第2の画素信号を合成するので、ダイナミックレンジを広げることができる。また第1の画素信号及び第2の画素信号は、画素で合成されるので、固体撮像装置の外部にフレームメモリや信号合成部を設ける必要がない。さらに合成後の画素信号が読み出されることになるので、フレームレートの低減を抑制することができる。 According to the above configuration, since the first pixel signal and the second pixel signal are combined, the dynamic range can be expanded. Further, since the first pixel signal and the second pixel signal are synthesized by the pixels, it is not necessary to provide a frame memory or a signal synthesis unit outside the solid-state imaging device. Furthermore, since the combined pixel signal is read out, it is possible to suppress a reduction in the frame rate.
さらに上記構成によれば、入射光の強度がフォトダイオードの最大蓄積量を超えて電荷を生じさせる強度である場合でも、第1及び第2の電圧信号の信号レベルはフォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルを超えないように信号レベルが制限される。したがって合成後の信号レベルにおける短時間露光の信号レベルの寄与率の低下を抑制することができ、その結果、合成後の信号レベルのSN比の低下を抑制することができる。 Furthermore, according to the above configuration, even when the intensity of the incident light exceeds the maximum accumulation amount of the photodiode and generates a charge, the signal levels of the first and second voltage signals are set to the maximum accumulation amount of the photodiode. The signal level is limited so as not to exceed the corresponding signal level. Accordingly, it is possible to suppress a decrease in the contribution rate of the signal level of short-time exposure in the signal level after synthesis, and as a result, it is possible to suppress a decrease in the SN ratio of the signal level after synthesis.
また、前記第1及び第2の電圧信号は、信号経路を通じて前記信号生成部から前記信号合成部まで伝達され、前記レベル制限部は、前記信号経路に現れる信号レベルが前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな参照レベルを超えたとき、前記信号経路を、前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな基準レベルの基準電源に接続することとしてもよい。 The first and second voltage signals are transmitted from the signal generation unit to the signal synthesis unit through a signal path, and the level limiting unit has a signal level appearing in the signal path that is a maximum accumulation amount of the photodiode. When a reference level equal to or less than the signal level corresponding to is exceeded, the signal path is connected to a reference power source having a reference level equal to or less than the signal level corresponding to the maximum accumulation amount of the photodiode. It is good to do.
上記構成によれば、信号経路に参照レベルを超えた信号レベルが現れたとしても、信号経路と基準電源とが接続されるので、結果的に信号経路には基準レベルが現れる。したがって、第1及び第2の電圧信号の信号レベルが基準レベルを超えないようにすることができる。
また、前記レベル制限部は、前記信号経路に現れる信号レベルと前記参照レベルとを比較する比較回路と、前記信号経路と前記基準電源とを結ぶ経路に挿設されたスイッチ素子とを含み、前記スイッチ素子は、前記比較回路による比較結果が前記信号経路に現れる信号レベルが前記参照レベルを超えていることを示すときにオン状態になり、前記比較回路による比較結果が前記信号経路に現れる信号レベルが前記参照レベルを超えていないことを示すときにオフ状態になることとしてもよい。
According to the above configuration, even if a signal level exceeding the reference level appears in the signal path, the signal path and the reference power source are connected, and as a result, the reference level appears in the signal path. Therefore, the signal levels of the first and second voltage signals can be prevented from exceeding the reference level.
The level limiting unit includes a comparison circuit that compares the signal level appearing in the signal path with the reference level, and a switch element inserted in a path connecting the signal path and the reference power source, The switch element is turned on when a comparison result by the comparison circuit indicates that a signal level appearing in the signal path exceeds the reference level, and a signal level at which the comparison result by the comparison circuit appears in the signal path May be turned off when indicating that the reference level does not exceed the reference level.
上記構成により、比較的高い精度で信号レベルの制限を実施することができる。 また、前記参照レベル及び前記基準レベルは等しく、前記レベル制限部は、前記信号経路と前記基準電源とを結ぶ経路に挿設されたダイオード素子を含み、前記ダイオード素子は、前記信号経路に現れる信号レベルが前記基準レベルを超えているときだけ前記信号経路から前記基準電源への向きの電流を流すこととしてもよい。 With the above configuration, the signal level can be limited with relatively high accuracy. The reference level is equal to the reference level, and the level limiting unit includes a diode element inserted in a path connecting the signal path and the reference power source, and the diode element is a signal appearing in the signal path. Only when the level exceeds the reference level, a current in the direction from the signal path to the reference power supply may be passed.
上記構成により、比較的簡単な構成で信号レベルの制限を実施することができる。
また、前記信号合成部は、前記第1の電圧信号を保持する第1のキャパシタと前記第2の電圧信号を保持する第2のキャパシタとを含み、前記第1の電圧信号は、第1の信号経路を通じて前記信号生成部から前記第1のキャパシタまで伝達され、前記第2の電圧信号は、第2の信号経路を通じて前記信号生成部から前記第2のキャパシタまで伝達され、前記レベル制限部は、前記第1の信号経路に現れる信号レベルが前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな第1の参照レベルを超えたとき、前記第1の信号経路を、前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな第1の基準レベルの第1の基準電源に接続し、前記第2の信号経路に現れる信号レベルが前記前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな、前記第1の参照レベルと異なる第2の参照レベルを超えたとき、前記第2の信号経路を、前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな、前記第1の基準レベルと異なる第2の基準レベルの第2の基準電源に接続することとしてもよい。
With the above configuration, the signal level can be limited with a relatively simple configuration.
The signal synthesizer includes a first capacitor that holds the first voltage signal and a second capacitor that holds the second voltage signal. The first voltage signal is a first capacitor The signal is transmitted from the signal generator to the first capacitor through a signal path, the second voltage signal is transmitted from the signal generator to the second capacitor through a second signal path, and the level limiter is When the signal level appearing in the first signal path exceeds a first reference level equal to or less than the signal level corresponding to the maximum accumulation amount of the photodiode, the first signal path is A signal level appearing in the second signal path is connected to a first reference power source having a first reference level equal to or smaller than a signal level corresponding to the maximum accumulation amount of the photodiode. When the second reference level different from the first reference level, which is equal to or smaller than the signal level corresponding to the maximum accumulation amount of the photodiode, is exceeded, the second signal path is connected to the photodiode. It may be connected to a second reference power source having a second reference level different from the first reference level, which is the same as or smaller than the signal level corresponding to the maximum accumulation amount.
上記構成により、第1の電圧信号の信号レベルの制限と第2の電圧信号の信号レベルの制限とを個々に設定することができる。
また、前記信号生成部は、前記フォトダイオードとフローティングディフュージョンとを結ぶ信号経路に挿設された転送トランジスタを含んでおり、前記レベル制限部は、前記フォトダイオードにより生成された電荷を排出するオーバーフロードレインを含み、前記オーバーフロードレインのバリアは、前記転送トランジスタがオフ状態のときのバリアよりも低いこととしてもよい。
With the above configuration, it is possible to individually set the limit of the signal level of the first voltage signal and the limit of the signal level of the second voltage signal.
The signal generation unit includes a transfer transistor inserted in a signal path connecting the photodiode and the floating diffusion, and the level limiting unit is an overflow drain for discharging the charge generated by the photodiode. The overflow drain barrier may be lower than the barrier when the transfer transistor is in the OFF state.
上記構成によれば、フォトダイオードの最大蓄積量を超えて電荷が生じたとしても、過剰な電荷はオーバーフロードレインにより排出される。したがって第1及び第2の電圧信号の信号レベルがオーバーフロードレインのバリアの高さにより定まるレベルを超えないようにすることができる。
また、前記信号生成部は、電源の第1極と出力ノードとを結ぶ経路に挿設された、前記フォトダイオードにより生成された電荷量に応じた電流を生成する電流源と、前記出力ノードと前記電源の第2極とを結ぶ経路に挿設された負荷抵抗とを含み、前記レベル制限部は、前記出力ノードから出力された信号レベルと、前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな参照レベルとを比較する比較回路と、前記出力ノードと前記電源の第2極とを結ぶ経路に挿設されたスイッチ素子とを含み、前記スイッチ素子は、前記比較回路による比較結果が前記出力ノードから出力された信号レベルが前記参照レベルを超えていることを示すときにオフ状態になり、前記比較回路による比較結果が前記出力ノードから出力された信号レベルが前記参照レベルを超えていないことを示すときにオン状態になることとしてもよい。
According to the above configuration, even if the charge is generated exceeding the maximum accumulation amount of the photodiode, the excess charge is discharged by the overflow drain. Therefore, the signal levels of the first and second voltage signals can be prevented from exceeding the level determined by the height of the overflow drain barrier.
The signal generation unit is inserted in a path connecting the first pole of the power source and the output node, and generates a current according to the amount of charge generated by the photodiode, the output node, A load resistor inserted in a path connecting to the second pole of the power source, and the level limiting unit includes a signal level output from the output node and a signal level corresponding to a maximum accumulation amount of the photodiode. A comparison circuit that compares a reference level equal to or smaller than the reference level, and a switch element inserted in a path connecting the output node and the second pole of the power supply, the switch element comprising the comparison circuit Is turned off when the result of comparison indicates that the signal level output from the output node exceeds the reference level, and the result of comparison by the comparison circuit is output from the output node. It may be turned on when indicating that the force signal level does not exceed the reference level.
上記構成によれば、出力ノードから出力された信号レベルが参照レベルを超えれば、スイッチ素子がオフ状態になる。そのため出力ノードの信号レベルが参照レベルを超えなくなるように変化していく。出力ノードの信号レベルが参照レベルを超えなくなれば、スイッチ素子がオン状態になる。このような動作を繰り返すことにより、第1及び第2の電圧信号の信号レベルが参照レベルを超えないようにすることができる。 According to the above configuration, when the signal level output from the output node exceeds the reference level, the switch element is turned off. Therefore, the signal level of the output node changes so as not to exceed the reference level. When the signal level of the output node does not exceed the reference level, the switch element is turned on. By repeating such an operation, the signal levels of the first and second voltage signals can be prevented from exceeding the reference level.
本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係るMOS型固体撮像装置100の構成を示す機能ブロック図である。
図1に示すように、本実施の形態に係るMOS型固体撮像装置100では、マトリクス状に(L×M)の撮像画素90(11)〜90(LM)が設けられている。各撮像画素はMOSトランジスタ91(11)〜91(LM)を介して共通垂直信号線92(1)〜92(L)にそれぞれ接続されている。
The best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a functional block diagram showing a configuration of a MOS type solid-
As shown in FIG. 1, in the MOS type solid-
共通垂直信号線92(1)〜92(L)は、それぞれノイズキャンセル回路93(1)〜93(L)及びMOSトランジスタ94(1)〜94(L)を介して共通信号線95に接続されている。
また、MOS型固体撮像装置100においては、マトリクス状に配された(L×M)の撮像画素90(11)〜90(LM)の周辺部分に垂直走査回路96および水平走査回路98が設けられている。この内、垂直走査回路96からは、X軸方向に延伸する信号出力線97(1)〜97(M)が延出されている。信号出力線97(1)〜97(M)は、MOSトランジスタ91(11)〜91(LM)のゲートに接続されている。
The common vertical signal lines 92 (1) to 92 (L) are connected to the
In the MOS type solid-
一方、水平走査回路98からは、Y軸方向に延伸する信号出力線99(1)〜99(L)が延出されている。信号出力線99(1)〜99(L)は、MOSトランジスタ94(1)〜94(L)のゲートに接続されている。
図2は、本発明の実施の形態1に係る撮像画素90の構成を示す図である。
撮像画素90は、フォトダイオード1、信号生成部、信号合成部及びレベル制限部70を備えている。
On the other hand, signal output lines 99 (1) to 99 (L) extending in the Y-axis direction are extended from the
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the
The
信号生成部は、MOSトランジスタ2、4、6、7及びフローティングディフュージョンFを含む。MOSトランジスタ2は、フォトダイオード1とフローティングディフュージョンFとを結ぶ経路に挿設されている。MOSトランジスタ4は、フローティングディフュージョンFと基準電圧電源とを結ぶ経路に挿設されている。MOSトランジスタ6、7は、ソースフォロワを構成している。MOSトランジスタ6のゲートにはフローティングディフュージョンFの電圧VFが供給され、MOSトランジスタ6のドレインには電源電圧VDDが供給されている。MOSトランジスタ7のゲートにはバイアス電圧が供給されており、MOSトランジスタ7のソースにはグラウンド電圧が供給されている。MOSトランジスタ6、7により構成されるソースフォロワは、フローティングディフュージョンFの電圧VFにゲインを乗じて得られる電圧信号を出力する。
The signal generation unit includes
信号合成部は、MOSトランジスタ9、11、13、14及びメモリM1〜Mn、信号合成用のキャパシタC0を含む。MOSトランジスタ9は、MOSトランジスタ7のドレインとM点とを結ぶ経路に挿設されている。MOSトランジスタ11は、M点と基準電圧電源とを結ぶ経路に挿設されている。MOSトランジスタ13、14は、ソースフォロワを構成している。MOSトランジスタ13のドレインには電源電圧VDDが供給され、MOSトランジスタ13のゲートにはM点の電圧VMが供給される。MOSトランジスタ14のゲートにはバイアス電圧が供給されており、MOSトランジスタ14のソースにはグラウンド電圧が供給されている。MOSトランジスタ13、14により構成されるソースフォロワは、M点の電圧VMにゲインを乗じて得られる電圧V16を出力する。メモリM1は、キャパシタ19(1)とMOSトランジスタ17(1)とを含む。MOSトランジスタ17(1)は、キャパシタ19(1)とM点とを結ぶ経路に挿設されている。メモリM2〜Mnは、メモリM1と同様の構成を有しており、キャパシタ19(1)〜19(n)の容量は同一である。信号合成用のキャパシタC0は、浮遊容量である。
The signal synthesis unit includes
レベル制限部70は、比較回路71及びMOSトランジスタ72を含む。比較回路71は、M点の電圧VMと参照電圧VREFとを比較する。MOSトランジスタ72はM点と参照電圧電源とを結ぶ経路に挿設されている。MOSトランジスタ72のゲートには比較回路71の出力信号が供給されている。MOSトランジスタ72は、比較回路71の出力信号が、電圧VMが参照電圧VREFよりも低いことを示すときにオン状態になり、比較回路71の出力信号が、電圧VMが参照電圧VREF以上であることを示すときにオフ状態になる。MOSトランジスタ72がオン状態になればM点の電圧VMは参照電圧VREFに固定されるので、M点の電圧VMは参照電圧VREFよりも低下することがない。このようにレベル制限部70は、M点の電圧VMの下限を規定することができる。参照電圧VREFをフォトダイオード1の最大蓄積量に相当するレベルに設定することにより、M点の電圧VMがフォトダイオード1の最大蓄積量に相当するレベルを超えて低下することを防止することができる。
図3は、本発明の実施の形態1に係る撮像画素90を駆動するための駆動信号及び、当該駆動信号により撮像画素90を駆動したときに撮像画素90の各部に現れる電圧信号を示すタイミング図である。
図3において期間Aは読出時の電圧信号をメモリに保持させる期間、期間Bはメモリに保持させた読出時の電圧信号を出力する期間、期間Cはリセット時の電圧信号をメモリに保持させる期間、期間Dはメモリに保持させたリセット時の電圧信号を出力する期間である。
FIG. 3 is a timing chart showing a drive signal for driving the
In FIG. 3, a period A is a period for holding the voltage signal at the time of reading in the memory, a period B is a period for outputting the voltage signal at the time of reading held in the memory, and a period C is a period for holding the voltage signal at the time of resetting in the memory. The period D is a period for outputting a voltage signal at reset held in the memory.
駆動信号S10はMOSトランジスタ9のゲート10に供給される信号、駆動信号S12はMOSトランジスタ11のゲート12に供給される信号、駆動信号S5はMOSトランジスタ4のゲート5に供給される信号、駆動信号S3はMOSトランジスタ2のゲート3に供給される信号、駆動信号S18(1)はMOSトランジスタ17(1)のゲート18(1)に供給される信号、駆動信号S18(2)はMOSトランジスタ17(2)のゲート18(2)に供給される信号、駆動信号S18(3)はMOSトランジスタ17(3)のゲート18(3)に供給される信号である。
The drive signal S10 is a signal supplied to the
電圧信号VFはフローティングディフュージョンFに現れる信号、電圧信号V19(1)はキャパシタ19(1)に現れる信号、電圧信号V19(2)はキャパシタ19(2)に現れる信号、電圧信号V19(3)はキャパシタ19(3)に現れる信号、電圧信号VMはM点に現れる信号、電圧信号V16はMOSトランジスタ13、14により構成されるソースフォロワの出力ノードに現れる信号である。
The voltage signal VF is a signal appearing at the floating diffusion F, the voltage signal V19 (1) is a signal appearing at the capacitor 19 (1), the voltage signal V19 (2) is a signal appearing at the capacitor 19 (2), and the voltage signal V19 (3) is The signal appearing at the capacitor 19 (3), the voltage signal VM is a signal appearing at the point M, and the voltage signal V16 is a signal appearing at the output node of the source follower constituted by the
時刻t2でMOSトランジスタ2はオフ状態のまま、MOSトランジスタ4が所定期間だけオン状態になる。これによりフローティングディフュージョンFの電圧VFは基準レベルVRになる。
時刻t3から時刻t4まで、MOSトランジスタ4はオフ状態のまま、MOSトランジスタ2がオン状態になる。そうすると露光期間T1にフォトダイオード1で生成された電荷がフローティングディフュージョンFに転送される。これによりフローティングディフュージョンFの電圧VFは、基準レベルVRから露光期間T1に生成された電荷量に応じた分だけ低下し、読出レベルVF1になる。このとき、MOSトランジスタ11、17(2)、17(3)はオフ状態、MOSトランジスタ9、17(1)はオン状態である。そのためM点の電圧VMは、読出レベルVF1にソースフォロワのゲインを乗じて得られるレベルVM1になり、キャパシタ19(1)の電圧V19(1)は、レベルVM1と略同じレベルV19(1)1になる。時刻t4を過ぎてMOSトランジスタ17(1)がオフ状態になれば、キャパシタ19(1)にレベルV19(1)1が保持される。
At time t2, the
From time t3 to time t4, the
次に時刻t5でMOSトランジスタ2はオフ状態のまま、MOSトランジスタ4が所定期間だけオン状態になる。これによりフローティングディフュージョンFの電圧VFは基準レベルVRになる。
時刻t6から時刻t7まで、MOSトランジスタ4はオフ状態のまま、MOSトランジスタ2がオン状態になる。そうすると露光期間T2にフォトダイオード1で生成された電荷がフローティングディフュージョンFに転送される。これによりフローティングディフュージョンFの電圧VFは、基準レベルVRから露光期間T2に生成された電荷量に応じた分だけ低下し、読出レベルVF2になる。このとき、MOSトランジスタ11、17(1)、17(3)はオフ状態、MOSトランジスタ9、17(2)はオン状態である。そのためM点の電圧VMは、読出レベルVF2にソースフォロワのゲインを乗じて得られるレベルVM2になり、キャパシタ19(2)の電圧V19(2)は、レベルVM2と略同じレベルV19(2)1になる。時刻t7を過ぎてMOSトランジスタ17(2)がオフ状態になれば、キャパシタ19(2)にレベルV19(2)1が保持される。
Next, at time t5, the
From time t6 to time t7, the
次に時刻t8でMOSトランジスタ2はオフ状態のまま、MOSトランジスタ4が所定期間だけオン状態になる。これによりフローティングディフュージョンFの電圧VFは基準レベルVRになる。
時刻t9から時刻t10まで、MOSトランジスタ4はオフ状態のまま、MOSトランジスタ2がオン状態になる。そうすると露光期間T3にフォトダイオード1で生成された電荷がフローティングディフュージョンFに転送される。これによりフローティングディフュージョンFの電圧VFは、基準レベルVRから露光期間T3に生成された電荷量に応じた分だけ低下し、読出レベルVF3になる。このとき、MOSトランジスタ11、17(1)、17(2)はオフ状態、MOSトランジスタ9、17(3)はオン状態である。そのためM点の電圧VMは、読出レベルVF3にソースフォロワのゲインを乗じて得られるレベルVM3になり、キャパシタ19(3)の電圧V19(3)は、レベルVM2と略同じレベルV19(3)1になる。時刻t10を過ぎてMOSトランジスタ17(3)がオフ状態になれば、キャパシタ19(3)にレベルV19(3)1が保持される。
Next, at time t8, the
From time t9 to time t10, the
次に時刻t12でMOSトランジスタ9はオフ状態のまま、MOSトランジスタ11が所定期間だけオン状態になる。これによりM点の電圧VMは基準レベルVBになる。
時刻t13から時刻t14まで、MOSトランジスタ9、11はオフ状態のまま、MOSトランジスタ17(1)、17(2)、17(3)がオン状態になる。このときキャパシタ19(1)、19(2)、19(3)、C0が並列に接続されることになる。この結果、M点の電圧VMは、レベルV19(1)1、V19(2)1、V19(3)1、VBの平均電圧VM4になる。
Next, at time t12, the
From time t13 to time t14, the
次に時刻t16から時刻t17まで、MOSトランジスタ2はオフ状態のまま、MOSトランジスタ4がオン状態になる。そのためフローティングディフュージョンFの電圧VFは基準レベルVRになる。またこのとき、MOSトランジスタ11はオフ状態であり、MOSトランジスタ9、17(1)、17(2)、17(3)がオン状態である。そのためM点の電圧VMは、基準レベルVRにソースフォロワのゲインを乗じて得られるレベルVM5になり、キャパシタ19(1)の電圧V19(1)、キャパシタ19(2)の電圧V19(2)、キャパシタ19の電圧V19(3)は、いずれもレベルVM5と略同じレベルV19(1)3、V19(2)3、V19(3)3になる。時刻t17を過ぎてMOSトランジスタ17(1)、17(2)、17(3)がオフ状態になれば、キャパシタ19(1)、19(2)、19(3)にそれぞれレベルV19(1)3、V19(2)3、V19(3)3が保持される。
Next, from time t16 to time t17, the
次に時刻t19でMOSトランジスタ9はオフ状態のまま、MOSトランジスタ11が所定期間だけオン状態になる。これによりM点の電圧VMは基準レベルVBになる。
時刻t20から時刻t21まで、MOSトランジスタ9、11はオフ状態のまま、MOSトランジスタ17(1)、17(2)、17(3)がオン状態になる。このときキャパシタ19(1)、19(2)、19(3)、C0が並列に接続されることになる。この結果、M点の電圧VMは、レベルV19(1)3、V19(2)3、V19(3)3、VBの平均電圧VM6になる。
Next, at time t19, the
From time t20 to time t21, the
MOSトランジスタ13、14により構成されるソースフォロワは、M点の電圧VMにゲインを乗じて得られる電圧V16を出力する。電圧V16は、時刻t16及び時刻t21にノイズキャンセル回路93によりサンプリングされる。ノイズキャンセル回路93は、時刻t16におけるレベルV161と時刻t21におけるレベルV162との差分を画素信号として得る。
The source follower constituted by the
図4は、本発明の実施の形態1に係るレベル制限部70が存在する場合と存在しない場合との比較を説明するための図である。
図4(a)は、レベル制限部70が存在する場合におけるフローティングディフュージョンFの電圧VFと、M点の電圧VMとを示している。
入射光の強度がフォトダイオード1の最大蓄積量を超えて電荷を生じさせる強度であれば、MOSトランジスタ2がオフ状態であってもMOSトランジスタ2のチャネルに形成されるバリアを超えてフォトダイオード1からフローティングディフュージョンFに電荷が漏れ出すことがある。このような場合、フローティングディフュージョンの電圧VFは、基準レベルVRから漏れ電荷の分ΔV1だけ低下することになる。またM点の電圧VMは、基準レベルVRにソースフォロワのゲインを乗じて得られるレベルVMRから漏れ電荷の分ΔV1に応じたレベルΔV2だけ低下することになる。
FIG. 4 is a diagram for explaining a comparison between the case where the
FIG. 4A shows the voltage VF of the floating diffusion F and the voltage VM at the point M when the
If the intensity of the incident light exceeds the maximum accumulation amount of the
時刻t3から時刻t4まで、MOSトランジスタ2がオン状態になり、露光期間T1にフォトダイオード1で生成された電荷(フォトダイオード1の最大蓄積量と同量の電荷)がフローティングディフュージョンFに転送される。このとき漏れ電荷がなければ電圧VFは基準レベルVRからフォトダイオード1の最大蓄積量に相当する分だけ低下してレベルVFSになるが、漏れ電荷があるので電圧VFはレベルVFSよりも漏れ電荷の分ΔV1だけ低くなる(VF1)。一方、電圧VMは、たとえ漏れ電荷があったとしてもレベル制限部70の存在により、レベルVFSにソースフォロワのゲインを乗じて得られるレベルVMS(参照レベルVREF)より低下することがない。したがってメモリ1にはフォトダイオード1の最大蓄積量に相当するレベルである参照レベルVREFが保持される(VM1)。
From time t3 to time t4, the
図4(b)は、レベル制限部70が存在しない場合におけるフローティングディフュージョンFの電圧VFと、M点の電圧VMとを示している。
レベル制限部70が存在しない場合、電圧VMは、漏れ電荷があれば、レベルVMSから漏れ電荷の分ΔV2だけ低下する。したがってメモリ1にはフォトダイオード1の最大蓄積量に相当するレベルを超えて低下したレベルが保持されてしまう(VM1)。
FIG. 4B shows the voltage VF of the floating diffusion F and the voltage VM at the point M when the
When the
図5は、本発明の実施の形態1に係る撮像画素90の蓄積電荷と露光時間との関係を示す図である。
撮像画素90の蓄積電荷の上限dは、フォトダイオード1の最大蓄積量により定まる。直線aの傾きは、露光期間T1で電荷が飽和しない光強度の上限を示す。同様に、直線b、cの傾きは、露光期間T2、T3で電荷が飽和しない光強度の上限を示す。このように、露光期間が短いほど、光強度が強くても電荷が飽和しにくくなる。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the accumulated charge of the
The upper limit d of the accumulated charge of the
図6は、本発明の実施の形態1に係る撮像画素90の信号レベル(合成前)と光強度との関係を示す図である。
撮像画素90の信号レベルの上限hは、参照電圧VREFである。ここでは参照電圧VREFは、フォトダイオード1の最大蓄積量に相当するレベルに設定されている。直線eは、露光期間T1の場合の光強度に対する信号レベルを示す。同様に、直線f、gは、露光期間T2、T3の場合の光強度に対する信号レベルを示す。このように、露光期間が短いほど、光強度が強くても信号レベルが飽和しにくくなる。なお、破線p、qは、レベル制限部70が存在しない場合の露光期間T1、T2の信号レベルを示す。レベル制限部70が存在しない場合、漏れ電荷の影響により、フォトダイオード1の最大蓄積量に相当するレベル(上限h)を超える信号レベルが現れてしまう。
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between the signal level (before synthesis) and the light intensity of the
The upper limit h of the signal level of the
図7は、本発明の実施の形態1に係る撮像画素90の信号レベル(合成後)と光強度との関係を示す図である。
曲線iは、露光期間T1、T2、T3の信号レベルを合成した場合の光強度に対する信号レベルを示す。このように、露光期間が異なる信号レベルを合成することにより、光強度が弱くてもある程度の信号レベルを確保しつつ光強度が強くても信号レベルの飽和を防止することができる。これはダイナミックレンジが広くなることを意味する。なお実施の形態1では、キャパシタ19(1)〜19(n)の容量は同一である。そのため、合成後の信号レベルにおける露光期間T1、T2、T3の信号レベルの寄与率はいずれも等しくなる。破線rは、レベル制限部70が存在しない場合における、露光期間T1、T2、T3の信号レベルを合成した場合の光強度に対する信号レベルを示す。レベル制限部70が存在しない場合、露光期間T1、T2の信号レベルは漏れ電荷の影響により寄与率が上昇し、相対的に露光期間T3の信号レベルの寄与率が低下してしまう。このようにレベル制限部70が存在する場合は、レベル制限部70が存在しない場合よりも露光期間T3の寄与率が高くなり、その結果SN比が高くなる。
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the signal level (after synthesis) and the light intensity of the
A curve i indicates the signal level with respect to the light intensity when the signal levels of the exposure periods T1, T2, and T3 are combined. In this way, by combining the signal levels having different exposure periods, it is possible to prevent saturation of the signal level even if the light intensity is strong while securing a certain signal level even if the light intensity is weak. This means that the dynamic range is widened. In the first embodiment, the capacitors 19 (1) to 19 (n) have the same capacitance. Therefore, the contribution rates of the signal levels in the exposure periods T1, T2, and T3 in the combined signal level are all equal. A broken line r indicates a signal level with respect to the light intensity when the signal levels of the exposure periods T1, T2, and T3 are combined when the
図8は、本発明の実施の形態1に係るカメラの構成を示す図である。
カメラは、撮像チップ102、信号処理チップ103及び光学系105を備える。撮像チップ102には、MOS型固体撮像装置100及びタイミング生成部101が搭載されている。タイミング生成部101は駆動信号を生成する。生成された駆動信号はMOS型固体撮像装置100に供給される。信号処理チップ103には、MOS型固体撮像装置100から出力された画素信号に所定の信号処理を施す。
(実施の形態2)
実施の形態2では、レベル制限部70の構成が実施の形態1と異なる。これ以外の点については実施の形態1と同様なので説明を省略する。
FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the camera according to
The camera includes an
(Embodiment 2)
In the second embodiment, the configuration of the
図9は、本発明の実施の形態2に係る撮像画素90の構成を示す図である。
レベル制限部70は、インバータ回路73及びMOSトランジスタ74を含む。インバータ回路73は、MOSトランジスタ6、7により構成されるソースフォロワの出力信号を反転出力する。そのためフォトダイオード1により生成される電荷が多いほど、M点の電圧VMは上昇することになる。MOSトランジスタ74はM点と参照電圧電源とを結ぶ経路に挿設されている。MOSトランジスタ74のゲートには電圧VMが供給されている。そのためMOSトランジスタ74はダイオード素子として機能し、電圧VMが参照電圧VHよりも高いときに電圧VMから参照電圧電源に向けて電流を流す。電流が流れることによりM点の電圧VMは参照電圧VHよりも上昇することがない。このようにレベル制限部70は、M点の電圧の上限を規定することができる。参照電圧VHをフォトダイオード1の最大蓄積量に相当するレベルに設定することにより、M点の電圧VMがフォトダイオード1の最大蓄積量に相当するレベルを超えて上昇することを防止することができる。
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of the
なお、図10に示すように、MOSトランジスタ74に代えてツェナーダイオード75を採用することとしても同様の効果を得ることができる。
また、図11に示すように、MOSトランジスタ6、7でインバータアンプを構成することとすれば、画素の構成を簡略化するとともに設計次第で高いゲインで電圧増幅することができる。メモリ部には電圧増幅された出力信号が保持されるので、メモリ部に保持された信号レベルを高精度に合成することができる。ツェナーダイオード75は、電圧VMが参照電圧VHよりも高いときに電圧VMから参照電圧電源に向けて電流を流す。電流が流れることによりM点の電圧VMは参照電圧VHよりも上昇することがない。ツェナーダイオード75に代えて、MOSトランジスタをダイオード素子として機能させることとしても、同様の効果を得ることができる。
(実施の形態3)
実施の形態3では、露光期間毎に参照レベルを異ならせる点が実施の形態1と異なる。これ以外の点については実施の形態1と同様なので説明を省略する。
As shown in FIG. 10, the same effect can be obtained by adopting a
Further, as shown in FIG. 11, if an inverter amplifier is constituted by the
(Embodiment 3)
The third embodiment is different from the first embodiment in that the reference level is different for each exposure period. Since the other points are the same as those in the first embodiment, the description thereof is omitted.
図12は、本発明の実施の形態3に係る撮像画素90の構成を示す図である。
レベル制限部70(1)〜70(n)は、それぞれメモリM1〜Mnに対応して存在し、キャパシタ19(1)〜19(n)の電圧V19(1)〜V19(n)の下限を規定している。レベル制限部70(1)〜70(n)の個々の構成については、実施の形態1と同様である。
FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration of the
Level limiters 70 (1) to 70 (n) exist corresponding to the memories M1 to Mn, respectively, and set the lower limits of the voltages V19 (1) to V19 (n) of the capacitors 19 (1) to 19 (n). It prescribes. The individual configurations of the level limiting units 70 (1) to 70 (n) are the same as those in the first embodiment.
なお、撮像画素90は、参照電圧VREF(1)〜VREF(n)を、それぞれ外部から得ることとしてもよいし、抵抗分割により内部で生成することとしてもよい。
また、実施の形態1と同様にレベル制限部70をひとつだけM点に設け、参照電圧VREFを露光期間毎に変化させることとしてもよい。例えば、メモリM1のMOSトランジスタ17(1)がオン状態の期間(図3における時刻t2から時刻t4まで)、参照電圧電源に参照電圧VREF(1)を出力させ、メモリM2のMOSトランジスタ17(2)がオン状態の期間(図3における時刻t5から時刻t7まで)、参照電圧電源に参照電圧VREF(2)を出力させる。このようにしても、実施の形態3と同様の効果を得ることができる。
(実施の形態4)
実施の形態4では、レベル制限部70の構成が実施の形態1と異なる。これ以外の点については実施の形態1と同様なので説明を省略する。
Note that the
Similarly to the first embodiment, only one
(Embodiment 4)
In the fourth embodiment, the configuration of the
図13は、本発明の実施の形態4に係る撮像画素90の構成を示す図である。
レベル制限部70は、MOSトランジスタ76を含む。MOSトランジスタはフォトダイオード1とバイアス電源とを結ぶ経路に挿設されている。MOSトランジスタ76のゲート77にはバイアス電圧が供給されている。バイアス電圧は、MOSトランジスタ76のチャネルに形成されるバリアが、MOSトランジスタ2がオフ状態のときにMOSトランジスタ2のチャネルに形成されるバリアよりも低くなるように設定されている。したがって、フォトダイオード1で過剰に生成された電荷は、MOSトランジスタ2を介してフローティングディフュージョンFに漏れずに、MOSトランジスタ76を介してバイアス電源に排出される。このようにオーバーフロードレインを設けることにより、M点の電圧VMがフォトダイオード1の最大蓄積量に相当するレベルを超えて低下することを防止することができる。
(実施の形態5)
実施の形態5では、レベル制限部70の構成が実施の形態1と異なる。これ以外の点については実施の形態1と同様なので説明を省略する。
FIG. 13 is a diagram showing a configuration of the
(Embodiment 5)
In the fifth embodiment, the configuration of the
図14は、本発明の実施の形態5に係る撮像画素90の構成を示す図である。
レベル制限部70は、比較回路78及びMOSトランジスタ79を含む。比較回路78は、M点の電圧VMと参照電圧VRERとを比較する。MOSトランジスタ79はMOSトランジスタ7とグラウンドとを結ぶ経路に挿設されている。MOSトランジスタ79のゲートには比較回路78の出力信号が供給されている。MOSトランジスタ79は、比較回路78の出力信号が、電圧VMが参照電圧VREFよりも低いことを示すときにオフ状態になり、比較回路78の出力信号が、電圧VMが参照電圧VREF以上であることを示すときにオン状態になる。MOSトランジスタ79がオフ状態になれば、M点の電圧VMが上昇する。またM点の電圧VMが上昇して参照電圧VREF以上になれば、MOSトランジスタ79がオン状態になる。このようにレベル制限部70は、M点の電圧VMの下限を規定することができる。参照電圧VREFをフォトダイオード1の最大蓄積量に相当するレベルに設定することにより、M点の電圧VMがフォトダイオード1の最大蓄積量に相当するレベルを超えて低下することを防止することができる。
FIG. 14 is a diagram showing the configuration of the
以上、本発明に係る固体撮像装置及びカメラについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限られない。例えば、以下のような変形例が考えられる。
(1)実施の形態1では、レベル制限部70は、M点の電圧VMと参照電圧VREFとを比較し、M点の電圧VMが参照電圧VREFよりも低ければ、電圧VMを参照電圧VREFに固定することとしている。すなわち電圧VMの比較対象となる電圧と、電圧VMを固定する電圧とが共通である。しかしながら、本発明はこの例に限らず、比較対象の電圧と固定する電圧とを異ならせることとしてもよい。
As described above, the solid-state imaging device and the camera according to the present invention have been described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments. For example, the following modifications can be considered.
(1) In the first embodiment, the
また実施の形態4では、レベル制限部70は、バイアス電源に電荷を排出することとしている。しかしながら、本発明はこの例に限らず、バイアス電源と電化排出用電源とを別個に設けることとしてもよい。
(2)実施の形態4では、MOSトランジスタ76のゲートに供給されるバイアス電圧を適切に設定することにより、オーバーフロードレインのバリアの高さを設定することとしている。しかしながら、本発明はこの例に限らず、フォトダイオード1の周囲に拡散領域を設け、当該拡散領域の電位を適切に設定することにより、オーバーフロードレインのバリアの高さを設定することとしてもよい。
In the fourth embodiment, the
(2) In the fourth embodiment, the height of the overflow drain barrier is set by appropriately setting the bias voltage supplied to the gate of the
本発明は、デジタルカメラ、携帯電話機内蔵カメラ、車載カメラ、監視カメラ等に利用することができる。 The present invention can be used for digital cameras, mobile phone built-in cameras, vehicle-mounted cameras, surveillance cameras, and the like.
70 レベル制限部
90 撮像画素
91 MOSトランジスタ
92 共通垂直信号線
93 ノイズキャンセル回路
94 MOSトランジスタ
95 共通信号線
96 垂直走査回路
97 信号出力線
98 水平走査回路
99 信号出力線
100 MOS型固体撮像装置
101 タイミング生成部
102 撮像チップ
103 信号処理チップ
105 光学系
70
Claims (8)
各画素は、
入射光の強度に応じて電荷を生成するフォトダイオードと、
1フレーム期間に、前記フォトダイオードにより第1の露光期間に生成された電荷量に応じて第1の電圧信号を生成するとともに、前記フォトダイオードにより前記第1の露光期間と長さが異なる第2の露光期間に生成された電荷量に応じて第2の電圧信号を生成する信号生成部と、
前記信号生成部により生成された第1及び第2の電圧信号を合成する信号合成部と、
前記入射光の強度が前記フォトダイオードの最大蓄積量を超えて電荷を生じさせる強度である場合に、前記信号合成部により合成される第1及び第2の電圧信号の信号レベルが前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルを超えないように信号レベルを制限するレベル制限部とを含むこと
を特徴とする固体撮像装置。 A solid-state imaging device including a plurality of pixels,
Each pixel is
A photodiode that generates charge according to the intensity of incident light;
In one frame period, a first voltage signal is generated according to the amount of charge generated by the photodiode during the first exposure period, and a second length different from the first exposure period is generated by the photodiode. A signal generator that generates a second voltage signal in accordance with the amount of charge generated during the exposure period;
A signal synthesis unit that synthesizes the first and second voltage signals generated by the signal generation unit;
When the intensity of the incident light exceeds the maximum accumulation amount of the photodiode and generates a charge, the signal levels of the first and second voltage signals synthesized by the signal synthesis unit are A solid-state imaging device comprising: a level limiting unit that limits a signal level so as not to exceed a signal level corresponding to a maximum accumulation amount.
前記レベル制限部は、
前記信号経路に現れる信号レベルが前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな参照レベルを超えたとき、前記信号経路を、前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな基準レベルの基準電源に接続すること
を特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 The first and second voltage signals are transmitted from the signal generation unit to the signal synthesis unit through a signal path,
The level limiter is
When the signal level appearing in the signal path exceeds a reference level equal to or smaller than the signal level corresponding to the maximum accumulation amount of the photodiode, the signal path is changed to a signal corresponding to the maximum accumulation amount of the photodiode. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device is connected to a reference power source having a reference level equal to or lower than the level.
前記信号経路に現れる信号レベルと前記参照レベルとを比較する比較回路と、
前記信号経路と前記基準電源とを結ぶ経路に挿設されたスイッチ素子とを含み、
前記スイッチ素子は、前記比較回路による比較結果が前記信号経路に現れる信号レベルが前記参照レベルを超えていることを示すときにオン状態になり、前記比較回路による比較結果が前記信号経路に現れる信号レベルが前記参照レベルを超えていないことを示すときにオフ状態になること
を特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。 The level limiter is
A comparison circuit for comparing a signal level appearing in the signal path with the reference level;
Including a switch element inserted in a path connecting the signal path and the reference power source,
The switch element is turned on when the comparison result by the comparison circuit indicates that the signal level appearing in the signal path exceeds the reference level, and the comparison element by the comparison circuit appears in the signal path. The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the solid-state imaging device is turned off when it indicates that the level does not exceed the reference level.
前記レベル制限部は、
前記信号経路と前記基準電源とを結ぶ経路に挿設されたダイオード素子を含み、
前記ダイオード素子は、前記信号経路に現れる信号レベルが前記基準レベルを超えているときだけ前記信号経路から前記基準電源への向きの電流を流すこと
を特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。 The reference level and the reference level are equal;
The level limiter is
Including a diode element inserted in a path connecting the signal path and the reference power source;
3. The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the diode element flows a current in a direction from the signal path to the reference power supply only when a signal level appearing in the signal path exceeds the reference level. .
前記第1の電圧信号は、第1の信号経路を通じて前記信号生成部から前記第1のキャパシタまで伝達され、
前記第2の電圧信号は、第2の信号経路を通じて前記信号生成部から前記第2のキャパシタまで伝達され、
前記レベル制限部は、
前記第1の信号経路に現れる信号レベルが前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな第1の参照レベルを超えたとき、前記第1の信号経路を、前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな第1の基準レベルの第1の基準電源に接続し、
前記第2の信号経路に現れる信号レベルが前記前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな、前記第1の参照レベルと異なる第2の参照レベルを超えたとき、前記第2の信号経路を、前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな、前記第1の基準レベルと異なる第2の基準レベルの第2の基準電源に接続すること
を特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 The signal synthesis unit includes a first capacitor that holds the first voltage signal and a second capacitor that holds the second voltage signal;
The first voltage signal is transmitted from the signal generator to the first capacitor through a first signal path;
The second voltage signal is transmitted from the signal generation unit to the second capacitor through a second signal path,
The level limiter is
When the signal level appearing in the first signal path exceeds a first reference level equal to or less than a signal level corresponding to the maximum accumulation amount of the photodiode, the first signal path is A first reference power supply having a first reference level equal to or less than a signal level corresponding to the maximum accumulation amount of the diode;
When a signal level appearing in the second signal path exceeds a second reference level different from the first reference level, which is equal to or less than a signal level corresponding to the maximum accumulation amount of the photodiode, The second signal path is connected to a second reference power source having a second reference level different from the first reference level that is equal to or less than a signal level corresponding to the maximum accumulation amount of the photodiode. The solid-state imaging device according to claim 1.
前記レベル制限部は、
前記フォトダイオードにより生成された電荷を排出するオーバーフロードレインを含み、
前記オーバーフロードレインのバリアは、前記転送トランジスタがオフ状態のときのバリアよりも低いこと
を特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 The signal generation unit includes a transfer transistor inserted in a signal path connecting the photodiode and the floating diffusion,
The level limiter is
An overflow drain that drains the charge generated by the photodiode;
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a barrier of the overflow drain is lower than a barrier when the transfer transistor is in an off state.
電源の第1極と出力ノードとを結ぶ経路に挿設された、前記フォトダイオードにより生成された電荷量に応じた電流を生成する電流源と、
前記出力ノードと前記電源の第2極とを結ぶ経路に挿設された負荷抵抗とを含み、
前記レベル制限部は、
前記出力ノードから出力された信号レベルと、前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルと同じ又はそれよりも小さな参照レベルとを比較する比較回路と、
前記出力ノードと前記電源の第2極とを結ぶ経路に挿設されたスイッチ素子とを含み、
前記スイッチ素子は、前記比較回路による比較結果が前記出力ノードから出力された信号レベルが前記参照レベルを超えていることを示すときにオフ状態になり、前記比較回路による比較結果が前記出力ノードから出力された信号レベルが前記参照レベルを超えていないことを示すときにオン状態になること
を特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 The signal generator is
A current source that is inserted in a path connecting the first pole of the power supply and the output node, and generates a current according to the amount of charge generated by the photodiode;
A load resistor inserted in a path connecting the output node and the second pole of the power source,
The level limiter is
A comparison circuit that compares a signal level output from the output node with a reference level equal to or less than a signal level corresponding to the maximum accumulation amount of the photodiode;
A switch element inserted in a path connecting the output node and the second pole of the power source,
The switch element is turned off when the comparison result by the comparison circuit indicates that the signal level output from the output node exceeds the reference level, and the comparison result by the comparison circuit is output from the output node. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device is turned on when the output signal level indicates that the reference level does not exceed the reference level.
前記固体撮像装置は、複数の画素を備え、
各画素は、
入射光の強度に応じて電荷を生成するフォトダイオードと、
1フレーム期間に、前記フォトダイオードにより第1の露光期間に生成された電荷量に応じて第1の電圧信号を生成するとともに、前記フォトダイオードにより前記第1の露光期間と長さが異なる第2の露光期間に生成された電荷量に応じて第2の電圧信号を生成する信号生成部と、
前記信号生成部により生成された第1及び第2の電圧信号を合成する信号合成部と、
前記入射光の強度が前記フォトダイオードの最大蓄積量を超えて電荷を生じさせる強度である場合に、前記信号合成部により合成される第1及び第2の電圧信号の信号レベルが前記フォトダイオードの最大蓄積量に相当する信号レベルを超えないように信号レベルを制限するレベル制限部とを含むこと
を特徴とするカメラ。 A camera equipped with a solid-state imaging device,
The solid-state imaging device includes a plurality of pixels,
Each pixel is
A photodiode that generates charge according to the intensity of incident light;
In one frame period, a first voltage signal is generated according to the amount of charge generated by the photodiode during the first exposure period, and a second length different from the first exposure period is generated by the photodiode. A signal generator that generates a second voltage signal in accordance with the amount of charge generated during the exposure period;
A signal synthesis unit that synthesizes the first and second voltage signals generated by the signal generation unit;
When the intensity of the incident light exceeds the maximum accumulation amount of the photodiode and generates a charge, the signal levels of the first and second voltage signals synthesized by the signal synthesis unit are A camera comprising: a level limiting unit that limits a signal level so as not to exceed a signal level corresponding to a maximum accumulation amount.
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