JP2009088020A - Imaging apparatus, imaging system, and driving method of imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、撮像装置、撮像システム、及び撮像装置の駆動方法に関する。 The present invention relates to an imaging device, an imaging system, and a driving method of the imaging device.
CMOSセンサは、CMOSプロセスとのマッチングが良く、周辺CMOS回路をオンチップ化できることから、有力な撮像装置として開発されている(非特許文献1参照)。 The CMOS sensor is well-matched with the CMOS process, and the peripheral CMOS circuit can be made on-chip, so it has been developed as a powerful imaging device (see Non-Patent Document 1).
特許文献1では、フォトダイオード、転送MOSトランジスタ、増幅MOSトランジスタ、選択MOSトランジスタ、及びリセットMOSトランジスタを含む基本的なCMOSセンサの画素構成が開示されている。 Patent Document 1 discloses a basic CMOS sensor pixel configuration including a photodiode, a transfer MOS transistor, an amplification MOS transistor, a selection MOS transistor, and a reset MOS transistor.
特許文献2では、CMOSセンサの画素内に選択MOSトランジスタを設けずに、フローティングディフュージョンの電位で画素の選択/非選択を制御する技術が提案されている。 Patent Document 2 proposes a technique for controlling selection / non-selection of a pixel with a potential of a floating diffusion without providing a selection MOS transistor in the pixel of the CMOS sensor.
特許文献3では、CMOSセンサの各画素から読み出される信号をクランプ容量に蓄積するとともに1以上のゲインをかけることにより、固定パターンノイズ(FPN)を除く技術が提案されている。
特許文献4では、CMOSセンサにおいて2つのフォトダイオードがそれぞれ転送MOSトランジスタ経由でフローティングディフュージョン(以下、FDとする)に接続される技術が提案されている。この技術では、2つのフォトダイオードでそれぞれ蓄積された信号が、それぞれ転送ゲート経由でFDに転送され、FDで加算される。 Patent Document 4 proposes a technique in which two photodiodes are connected to a floating diffusion (hereinafter referred to as FD) via transfer MOS transistors in a CMOS sensor. In this technique, the signals accumulated in the two photodiodes are transferred to the FD via the transfer gates and added by the FD.
ここで、2つのフォトダイオードに対してFDを共通化しているので、単位画素当たりが占める面積を低減できるため、画素を縮小化することできる。しかし、FDに2つの転送MOSトランジスタが接続されているので、FDに1つの転送MOSトランジスタが接続されている場合に比べて、FDの寄生容量が大きくなる。これにより、FDにおいて、電荷を電圧に変換する変換比が寄生容量に反比例して小さくなり、SN比が悪化する可能性がある。 Here, since the FD is shared by the two photodiodes, the area occupied by the unit pixel can be reduced, so that the pixel can be reduced. However, since two transfer MOS transistors are connected to the FD, the parasitic capacitance of the FD becomes larger than when one transfer MOS transistor is connected to the FD. Thereby, in FD, the conversion ratio which converts an electric charge into a voltage becomes small in inverse proportion to parasitic capacitance, and there is a possibility that the SN ratio is deteriorated.
ところで、撮像システムでは、動画を表示するためにインターレース信号を扱うことが多い。このため、撮像装置自体がインターレース動作を行う必要が生ずる場合がある。「場合がある」というのは、カラーフィルタの配列によって動作の制限があるからである。 By the way, an imaging system often handles an interlace signal in order to display a moving image. For this reason, the imaging apparatus itself may need to perform an interlace operation. “There is a case” is because there is a restriction of operation depending on the arrangement of the color filters.
例えば、原色カラーフィルタの単板イメージセンサは、プログレシブ動作を行う。そして、そのプログレシブ動作を行って得られた信号がインターレース信号へ変換される。補色カラーフィルタの単板CCDは、非特許文献2で提案されているように、色差線順次方式に従ったインターレースが基本動作となっている。3板イメージセンサも一般にはインターレース動作を行う。 For example, a single plate image sensor of a primary color filter performs a progressive operation. Then, a signal obtained by performing the progressive operation is converted into an interlace signal. As proposed in Non-Patent Document 2, a single-plate CCD of a complementary color filter is basically operated by interlacing according to a color difference line sequential method. A three-plate image sensor also generally performs an interlace operation.
ここで、インターレース動作では、一般的に、奇数フィールドにおいて、画素配列の1行目+2行目、3行目+4行目、・・・というように信号が加算されて読み出される。また、偶数フィールドにおいて、画素配列の2行目+3行目、4行目+5行目、・・・というように信号が加算されて読み出される。それに対して、プログレシブ動作では、画素配列の1行目、2行目、3行目・・・の信号が加算されずにそのまま読み出される。 Here, in the interlace operation, generally, signals are added and read in the odd-numbered field, such as the first row + second row, the third row + fourth row,. In the even field, signals are added and read out in the pixel array, such as second row + third row, fourth row + fifth row,. On the other hand, in the progressive operation, the signals of the first row, the second row, the third row,... Of the pixel array are read without being added.
ところで、CCDとCMOSセンサとでは、一般的に、画素信号の加算動作において大きな違いがある。 By the way, in general, there is a great difference in the addition operation of pixel signals between the CCD and the CMOS sensor.
CCDでは、信号電荷を加算するので(大きさが等しい信号を加算するとすれば)信号の大きさが2倍になる。それに対して、ノイズ電圧自体が変わらないので、CCDでは、信号電荷を加算することによりSN比を2倍にすることができる。 In the CCD, since the signal charges are added (if signals of equal magnitude are added), the signal size is doubled. On the other hand, since the noise voltage itself does not change, the S / N ratio can be doubled by adding signal charges in the CCD.
CMOSセンサでは、基本的にプログレシブ動作が行われる。CMOSセンサで画素信号の加算を行う場合、一般には、異なる行の信号電圧を読み出し回路において加算するので信号の大きさが平均化される。すなわち、CMOSセンサでは信号電圧を加算するので(大きさが等しい信号を加算するとすれば)信号の大きさが平均化されて1倍になる。それに対して、ノイズ電圧も平均化されて1〜1/√2倍になるので、CMOSセンサでは、信号電圧を加算することによりSN比は最大でも√2倍にしかならない。SN比が√2倍になるのは、画素ノイズが読み出し回路ノイズよりも圧倒的に大きくCMOSセンサの支配的ノイズとなっている場合である。 In the CMOS sensor, a progressive operation is basically performed. When pixel signals are added by a CMOS sensor, generally the signal voltages are averaged because signal voltages in different rows are added in a readout circuit. That is, since the signal voltage is added in the CMOS sensor (assuming that signals having the same magnitude are added), the magnitude of the signal is averaged and becomes one time. On the other hand, since the noise voltage is also averaged and becomes 1/1 / √2 times, in the CMOS sensor, by adding the signal voltage, the SN ratio becomes only √2 times at the maximum. The SN ratio becomes √2 times when the pixel noise is overwhelmingly larger than the readout circuit noise and becomes the dominant noise of the CMOS sensor.
よって、CMOSセンサはCCDに比べて、画素信号の加算動作を伴うインターレース動作を行った場合にSN比が不利になる可能性がある。 Therefore, the S / N ratio may be disadvantageous when the CMOS sensor performs an interlace operation accompanied by an addition operation of pixel signals, as compared with the CCD.
一方、特許文献5では、CMOSセンサにおいて2つのフォトダイオードがそれぞれ転送MOSトランジスタ経由で電荷加算用のフォトダイオードに接続される技術が提案されている。この技術によれば、CMOSセンサにおいてもインターレース動作での電荷加算を行うことができる。
On the other hand,
しかし、特許文献5に示された技術では、入射光に対して時間的な遅れを伴うことなくフォトダイオードに蓄積した電荷を瞬時に転送することを課題としており、電荷加算用のフォトダイオードが増幅用MOSトランジスタのゲートに直接接続されている。これにより、画素のリセットノイズを除去することができないので、画素から読み出される信号に対するノイズが大きくなり高SN比の達成は困難である。
However, the technique disclosed in
本発明の第1の目的は、画素を縮小化した場合でもSN比を向上できる撮像装置、撮像システム、及び撮像装置の駆動方法を提供することにある。 A first object of the present invention is to provide an imaging apparatus, an imaging system, and a driving method of the imaging apparatus that can improve the SN ratio even when pixels are reduced.
本発明の第2の目的は、インターレース動作を行った場合でもSN比を向上できる撮像装置、撮像システム、及び撮像装置の駆動方法を提供することにある。 A second object of the present invention is to provide an imaging apparatus, an imaging system, and a driving method of the imaging apparatus that can improve the SN ratio even when an interlace operation is performed.
本発明の第1側面に係る撮像装置は、複数の画素ユニットが行方向及び列方向に配列された画素ユニット配列と、前記画素ユニット配列を駆動する駆動部とを備え、前記複数の画素ユニットのそれぞれは、第1の光電変換部と、前記第1の光電変換部に隣接した第2の光電変換部と、前記第1の光電変換部と前記第2の光電変換部との間に設けられた第1の転送部と、電荷電圧変換部と、前記第2の光電変換部と前記電荷電圧変換部との間に設けられた第2の転送部と、前記電荷電圧変換部の信号が入力される増幅部とを含むことを特徴とする。 An imaging apparatus according to a first aspect of the present invention includes: a pixel unit array in which a plurality of pixel units are arrayed in a row direction and a column direction; and a drive unit that drives the pixel unit array. Each is provided between the first photoelectric conversion unit, the second photoelectric conversion unit adjacent to the first photoelectric conversion unit, and the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit. The first transfer unit, the charge voltage conversion unit, the second transfer unit provided between the second photoelectric conversion unit and the charge voltage conversion unit, and the signal of the charge voltage conversion unit are input. And an amplifying unit.
本発明の第2側面に係る撮像装置は、複数の画素ユニットが行方向及び列方向に配列された画素ユニット配列と、前記画素ユニット配列を駆動する駆動部とを備え、前記複数の画素ユニットのそれぞれは、第1の光電変換部と、前記第1の光電変換部に隣接した第2の光電変換部と、前記第1の光電変換部と前記第2の光電変換部との間に設けられた第1の転送部と、電荷電圧変換部と、前記第2の光電変換部と前記電荷電圧変換部との間に設けられた第2の転送部と、前記第2の光電変換部と前記第2の光電変換部に対して前記第1の光電変換部と反対側に隣接する画素ユニットに含まれる第3の光電変換部との間に設けられた第3の転送部と、前記電荷電圧変換部の信号が入力される増幅部とを含むことを特徴とする。 An imaging apparatus according to a second aspect of the present invention includes: a pixel unit array in which a plurality of pixel units are arrayed in a row direction and a column direction; and a drive unit that drives the pixel unit array. Each is provided between the first photoelectric conversion unit, the second photoelectric conversion unit adjacent to the first photoelectric conversion unit, and the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit. The first transfer unit, the charge voltage conversion unit, the second transfer unit provided between the second photoelectric conversion unit and the charge voltage conversion unit, the second photoelectric conversion unit, and the A third transfer unit provided between a second photoelectric conversion unit and a third photoelectric conversion unit included in a pixel unit adjacent to the opposite side of the first photoelectric conversion unit; and the charge voltage And an amplification unit to which a signal of the conversion unit is input.
本発明の第3側面に係る撮像システムは、本発明の第1側面又は第2側面に係る撮像装置と、前記撮像装置の撮像面へ像を形成する光学系と、前記撮像装置から出力された信号を処理して画像データを生成する信号処理部とを備えたことを特徴とする。 The imaging system according to the third aspect of the present invention is output from the imaging device according to the first or second aspect of the present invention, an optical system that forms an image on the imaging surface of the imaging device, and the imaging device. And a signal processing unit for processing the signal to generate image data.
本発明の第4側面に係る撮像装置の駆動方法は、第1の光電変換部と、前記第1の光電変換部に隣接した第2の光電変換部と、前記第1の光電変換部と前記第2の光電変換部との間に設けられた第1の転送部と、電荷電圧変換部と、前記第2の光電変換部と前記電荷電圧変換部との間に設けられた第2の転送部と、前記第2の光電変換部に対して前記第3の光電変換部と反対側の位置に配された第3の光電変換部と前記第2の光電変換部との間に設けられた第3の転送部と、前記電荷電圧変換部の信号が入力される増幅部と含む複数の画素ユニットが行方向及び列方向に配列された画素ユニット配列を有する撮像装置の駆動方法であって、第1のフレーム期間に、前記第1の転送部をオンするとともに、前記第3の転送部をオフする第1のステップと、第2のフレーム期間に、前記第1の転送部をオフするとともに、前記第3の転送部をオンする第2のステップとを備えたことを特徴とする。 An imaging apparatus driving method according to a fourth aspect of the present invention includes a first photoelectric conversion unit, a second photoelectric conversion unit adjacent to the first photoelectric conversion unit, the first photoelectric conversion unit, and the A first transfer unit provided between the second photoelectric conversion unit, a charge voltage conversion unit, and a second transfer provided between the second photoelectric conversion unit and the charge voltage conversion unit. And a third photoelectric conversion unit disposed at a position opposite to the third photoelectric conversion unit with respect to the second photoelectric conversion unit, and the second photoelectric conversion unit. A driving method of an imaging apparatus having a pixel unit arrangement in which a plurality of pixel units including a third transfer unit and an amplification unit to which a signal of the charge-voltage conversion unit is input are arranged in a row direction and a column direction, In the first frame period, the first transfer unit is turned on and the first transfer unit is turned off. And-up, the second frame period, turns off said first transfer unit, characterized by comprising a second step of turning on the third transfer part.
本発明によれば、画素を縮小化した場合でもSN比を向上できる。あるいは、本発明によれば、インターレース動作を行った場合でもSN比を向上できる。 According to the present invention, the SN ratio can be improved even when the pixels are reduced. Alternatively, according to the present invention, the SN ratio can be improved even when an interlace operation is performed.
本発明の第1実施形態に係る撮像装置100の構成を、図1を用いて説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る撮像装置100のレイアウト構成を示す図である。
A configuration of the
撮像装置100は、画素ユニット配列PUAと駆動部(図示せず)とを備える。
The
画素ユニット配列PUAでは、複数の画素ユニットPU11、PU12、・・・が行方向及び列方向に配列されている。各画素ユニットPU11等は、画素配列において列方向に並ぶ2画素(2つの光電変換部)が共通化されたものである。図1には、画素配列において列方向に並ぶ4画素(4つの光電変換部)、すなわち画素ユニット配列において列方向に並ぶ2つの画素ユニットPU11等が示されている。 In the pixel unit array PUA, a plurality of pixel units PU11, PU12,... Are arranged in the row direction and the column direction. Each pixel unit PU11 or the like is a unit in which two pixels (two photoelectric conversion units) arranged in the column direction in the pixel array are shared. FIG. 1 shows four pixels (four photoelectric conversion units) arranged in the column direction in the pixel array, that is, two pixel units PU11 arranged in the column direction in the pixel unit array.
駆動部は、画素ユニット配列PUAを駆動する。 The driving unit drives the pixel unit array PUA.
次に、画素ユニットPU11の構成を説明する。なお、他の画素ユニットPU12、・・・の構成は、画素ユニットPU11の構成と同様である。 Next, the configuration of the pixel unit PU11 will be described. The configuration of the other pixel units PU12,... Is the same as the configuration of the pixel unit PU11.
画素ユニットPU11は、第1の光電変換部1、第2の光電変換部2、第1の転送部3、電荷電圧変換部5、第2の転送部4、第3の転送部12、増幅部6、及びリセット部7を含む。
The pixel unit PU11 includes a first photoelectric conversion unit 1, a second photoelectric conversion unit 2, a
第1の光電変換部1は、受けた光に応じた信号を蓄積する。第1の光電変換部1は、第2の光電変換部2よりも信号(電荷)に対するポテンシャルが浅い(図4参照)。第1の光電変換部1は、例えば、フォトダイオードである。 The 1st photoelectric conversion part 1 accumulate | stores the signal according to the received light. The first photoelectric conversion unit 1 has a shallower potential for a signal (charge) than the second photoelectric conversion unit 2 (see FIG. 4). The first photoelectric conversion unit 1 is, for example, a photodiode.
第2の光電変換部2は、受けた光に応じた信号を蓄積する。第2の光電変換部2は、第1の光電変換部1よりも信号(電荷)に対するポテンシャルが深い(図4参照)。第2の光電変換部2は、例えば、フォトダイオードである。 The second photoelectric conversion unit 2 accumulates a signal corresponding to the received light. The second photoelectric conversion unit 2 has a deeper potential with respect to a signal (charge) than the first photoelectric conversion unit 1 (see FIG. 4). The second photoelectric conversion unit 2 is, for example, a photodiode.
第1の転送部3は、第1の光電変換部1と第2の光電変換部2との間に設けられている。ここで、第1の転送部3は、オンした際に、第1の光電変換部1が蓄積した信号を一時的に保持できるだけの信号に対するポテンシャルの容量を有している。第1の転送部3は、例えば、転送MOSトランジスタである。
The
電荷電圧変換部5は、転送された電荷(信号)を電圧(信号)に変換する。電荷電圧変換部5において、電荷を電圧に変換する変換比は、電荷電圧変換部5の寄生容量に反比例する。電荷電圧変換部5は、例えば、フローティングディフュージョンである。
The charge-
第2の転送部4は、第2の光電変換部2と電荷電圧変換部5との間に設けられている。第2の転送部4は、第2の光電変換部2が蓄積した信号又は第2の光電変換部2が保持する信号を電荷電圧変換部5へ転送する。第2の転送部4は、例えば、転送MOSトランジスタである。
The second transfer unit 4 is provided between the second photoelectric conversion unit 2 and the charge-
第3の転送部12は、第3の光電変換部11と第2の光電変換部2との間に設けられている。第3の転送部12は、例えば、転送MOSトランジスタである。ここで、第3の光電変換部11は、第2の光電変換部2に対して第1の光電変換部1と反対側に隣接する画素ユニットPU12に含まれ、画素ユニットPU11に含まれる第1の光電変換部1と同様の構造を持つ。第3の光電変換部11は、第2の光電変換部2よりも信号(電荷)に対するポテンシャルが浅い。第3の光電変換部11は、例えば、フォトダイオードである。第3の転送部12は、それがオンした際に、第3の光電変換部11が蓄積した信号を一時的に保持できるだけの信号に対するポテンシャルの容量を有している。第3の転送部12は、例えば転送MOSトランジスタである。
The
増幅部6には、電荷電圧変換部5の信号(電圧)が入力される。増幅部6は、入力された信号を増幅して後段へ出力する。増幅部6は、例えば、増幅MOSトランジスタである。
A signal (voltage) from the charge-
リセット部7は、オンした際に、電荷電圧変換部5をリセットする。リセット部7は、例えば、リセットMOSトランジスタである。
The reset unit 7 resets the charge-
次に、撮像装置100のインターレース動作を説明する。なお、以下の動作は、駆動部が各画素ユニットを駆動することにより実現される。
Next, the interlace operation of the
第1のフレーム期間(奇数フィールド)では、まず、第2の転送部4がオンする。これにより、第2の光電変換部2が蓄積した電荷が電荷電圧変換部5へ転送される。続いて、第2の転送部4がオンしたままの状態で、第1の転送部3がオンした後一定の時間をかけてオフに遷移する。これにより、第1の光電変換部1が蓄積した電荷が第2の光電変換部2経由で電荷電圧変換部5へ転送される。この結果、電荷電圧変換部5において、第1の光電変換部1が蓄積した信号と第2の光電変換部2が蓄積した信号とが加算される。加算された信号は、電荷電圧変換部5から増幅部6へ入力されて、増幅部6で増幅された後に出力される。このようにして、画素配列の1行目+2行目、3行目+4行目、・・・というように信号が加算されて読み出される。その後、第1の転送部3がオフされた後、第2の転送部4もオフされて、奇数フィールドの読み出しの動作が完了する。
In the first frame period (odd field), first, the second transfer unit 4 is turned on. As a result, the charge accumulated in the second photoelectric conversion unit 2 is transferred to the charge
第2のフレーム期間(偶数フィールド)では、まず、第2の転送部4がオンする。これにより、第2の光電変換部2が蓄積した電荷が電荷電圧変換部5へ転送される。続いて、第2の転送部4がオンしたままの状態で、第3の転送部12がオンした後一定の時間をかけてオフに遷移する。これにより、第3の光電変換部11が蓄積した電荷が第2の光電変換部2経由で電荷電圧変換部5へ転送される。この結果、電荷電圧変換部5において、第3の光電変換部11が蓄積した信号と第2の光電変換部2が蓄積した信号とが加算される。加算された信号は、電荷電圧変換部5から増幅部6へ入力されて、増幅部6で増幅された後に出力される。このようにして、画素配列の2行目+3行目、4行目+5行目、・・・というように信号が加算されて読み出される。その後、第3の転送部12がオフされた後、第2の転送部4もオフされて、偶数フィールドの読み出しの動作が完了する。
In the second frame period (even field), first, the second transfer unit 4 is turned on. As a result, the charge accumulated in the second photoelectric conversion unit 2 is transferred to the charge
このように、撮像装置100はインターレース動作を行うことができる。この際に信号電圧でなく信号電荷を加算するので、大きさが等しい信号を加算するとすれば、信号の大きさを2倍にすることができる。それに対して、ノイズ電圧は増幅部6以降の読み出し回路で決まるため、信号電荷の加算を行わない場合と比べて変わらないので、信号電荷を加算することによりSN比を2倍に向上することができる。すなわち、インターレース動作を行った場合でもSN比を向上できる。
Thus, the
また、各画素ユニットでは、2つの光電変換部(2画素)に対して、電荷電圧変換部、増幅部、及びリセット部が共通に設けられている。これにより、1画素当たりの面積を低減できるので、画素を縮小化できる。 In each pixel unit, a charge voltage conversion unit, an amplification unit, and a reset unit are provided in common for two photoelectric conversion units (two pixels). Thereby, since the area per pixel can be reduced, the pixel can be reduced.
なお、画素ユニット内では、回路記号で示された増幅部6及びリセット部7がどのように配されても良い。また、画素ユニットは、さらに、選択用MOSトランジスタを含んでも良い。
In the pixel unit, the
次に、撮像装置100の断面構造を、図2を用いて説明する。図2は、図1のA‐Bの点線に沿って切った場合の断面構造を示す図である。
Next, a cross-sectional structure of the
半導体基板SBにおいて、P型ウエル8が形成されている。そして、P型ウエル8において、幅の狭い斜線でハッチングで示された領域1a、2a、5にN型の不純物が埋め込まれており、幅の広い斜線のハッチングで示された領域1b、2bにP型の不純物が埋め込まれている。これにより、第1の光電変換部1、第2の光電変換部2、及び電荷電圧変化部5が形成されている。また、砂状のハッチングで示された部分3a、4aに例えばポリシリコンのゲート電極が形成されている。これにより、第1の転送部3及び第2の転送部4が形成されている。P型ウエル8において第1の転送部3のゲート電極の下に位置する領域は、ゲート電極に電圧が印加された際にチャネルが形成されることになるチャネル領域10である。同様に、P型ウエル8において第2の転送部4のゲート電極の下に位置する領域は、ゲート電極に電圧が印加された際にチャネルが形成されることになるチャネル領域13である。
A P-type well 8 is formed in the semiconductor substrate SB. In the P-type well 8, N-type impurities are embedded in the hatched
次に、撮像装置100において信号を転送する際の動作を、図3及び図4を用いて説明する。図3は、撮像装置100において信号を転送する際の動作を示すタイミングチャートである。図4は、撮像装置100において信号を転送する際の信号(電荷)の流れを示す図である。第1の光電変換部1から第2の光電変換部2を経由して電荷電圧変換部5に信号が転送される際の動作を例として説明するが、第3の光電変換部11から第2の光電変換部2を経由して電荷電圧変換部5に信号が転送される際の動作も同様である。以下では、信号電荷を電子として説明する。なお、信号電荷がホールである場合には、以下の説明において半導体のP型、N型、および動作パルスの極性が逆になるだけであり、本発明が成立することに変わりはない。
Next, the operation at the time of transferring a signal in the
図3において、パルスP4は、第2の転送部4に供給される転送パルスであり、アクティブな状態(例えばHレベルの状態)で第2の転送部4をオンさせる。パルスP3は、第1の転送部3に供給される転送パルスであり、アクティブな状態(例えばHレベルの状態)で第1の転送部3をオンさせる。パルスP7は、リセット部7に供給されるパルスであり、アクティブな状態(例えばHレベルの状態)でリセット部7をオンさせる。
In FIG. 3, a pulse P4 is a transfer pulse supplied to the second transfer unit 4, and turns on the second transfer unit 4 in an active state (for example, an H level state). The pulse P3 is a transfer pulse supplied to the
図4では、縦軸が信号に対するポテンシャルの深さを示し、横軸が図2に対応した断面横方向の位置を示す。 In FIG. 4, the vertical axis indicates the depth of potential with respect to the signal, and the horizontal axis indicates the position in the cross-sectional lateral direction corresponding to FIG.
図3に示すタイミングT0の直前のタイミングにおいて、パルスP7がアクティブな状態になる。これにより、リセット部7は、オンして、電荷電圧変換部5をリセットする。このとき、第1の光電変換部1は電荷量Q1の信号を蓄積しており、第2の光電変換部2は電荷量Q2の信号を蓄積している(図4参照)。
At the timing immediately before the timing T0 shown in FIG. 3, the pulse P7 becomes active. Thereby, the reset unit 7 is turned on to reset the charge
タイミングT0では、パルスP4がアクティブな状態になる。そして、第2の転送部4がオンする。これにより、第2の光電変換部2が蓄積した電荷が電荷電圧変換部5へ転送される。
At timing T0, the pulse P4 becomes active. Then, the second transfer unit 4 is turned on. As a result, the charge accumulated in the second photoelectric conversion unit 2 is transferred to the charge
タイミングT0からタイミングT1までの期間では、第2の光電変換部2に、ほとんど信号(電荷)が残っていない状態となるまで、第2の光電変換部2が蓄積した電荷が電荷電圧変換部5へ転送される(図4参照)。
In the period from the timing T0 to the timing T1, the charge accumulated in the second photoelectric conversion unit 2 is stored in the charge-
タイミングT1では、パルスP4がアクティブな状態に維持されたままパルスP3がアクティブな状態になる。そして、第2の転送部4がオンしたままの状態で、第1の転送部3がオンする。これにより、第1の光電変換部1が蓄積した電荷が第1の転送部3のチャネル領域10へ転送される。
At timing T1, the pulse P3 is in an active state while the pulse P4 is maintained in an active state. Then, the
タイミングT1からタイミングT2までの期間では、第1の光電変換部1に、ほとんど信号(電荷)が残っていない状態となるまで、第1の光電変換部1が蓄積した電荷が第1の転送部3のチャネル領域10へ転送される(図4参照)。 In the period from timing T1 to timing T2, the charge accumulated in the first photoelectric conversion unit 1 is transferred to the first transfer unit 1 until almost no signal (charge) remains in the first photoelectric conversion unit 1. 3 (see FIG. 4).
タイミングT2からタイミングT3までの期間では、パルスP3がアクティブ状態(Hレベル)からノンアクティブ状態(Lレベル)へと一定以上の時間TPをかけて遷移する。そして、第1の転送部3は、オン状態からオフ状態へ一定以上の時間TPをかけて漸次的に遷移する。これにより、第1の転送部3のチャネル領域10のポテンシャルの底が上がっていき、チャネル領域10に転送された信号(電荷)がさらに第2の光電変換部2および電荷電圧変換部5へと転送される。
In a period from timing T2 to timing T3, the pulse P3 transitions from an active state (H level) to a non-active state (L level) over a certain time TP. Then, the
ここで、第1の光電変換部1が第2の光電変換部2よりも信号に対するポテンシャルが浅いので、チャネル領域10から第1の光電変換部1へ信号が逆流しにくくなっている(図4参照)。
Here, since the first photoelectric conversion unit 1 has a shallower potential with respect to the signal than the second photoelectric conversion unit 2, it is difficult for the signal to flow backward from the
また、仮に、その拡散する時間よりも短い時間でパルスP3がアクティブ状態(Hレベル)からノンアクティブ状態(Lレベル)へ遷移すると、第1の転送部3のチャンネル領域10にある電荷の一部は第1の光電変換部1へも逆流する可能性がある。
Further, if the pulse P3 transitions from the active state (H level) to the non-active state (L level) in a time shorter than the diffusion time, a part of the charge in the
それに対して、本実施形態では、第1の転送部3がオン状態からオフ状態へ遷移する時間TPは、第1の転送部3のチャンネル領域10にある電荷が第2の光電変換部2に拡散する時間より長くなっている。この点からも、チャネル領域10から第1の光電変換部1へ信号が逆流しにくくなっている。
On the other hand, in the present embodiment, the charge in the
タイミングT3からタイミングT4までの期間では、タイミングT2からタイミングT3の間に電荷電圧変換部5に転送しきれずに第2の光電変換部2に残っているかもしれない電荷が電荷電圧変換部5へ転送される。これにより、第2の光電変換部2に、ほとんど信号(電荷)が残っていない状態となる(図4参照)。この結果、電荷電圧変換部5において、第1の光電変換部1が蓄積した信号(電荷量Q1)と第2の光電変換部2が蓄積した信号(電荷量Q2)とが加算される。電荷電圧変換部5は、加算された信号として電荷量(Q1+Q2)に応じた電圧を発生させる。
In the period from the timing T3 to the timing T4, the charge that may not be transferred to the charge-
タイミングT4では、パルスP4がノンアクティブな状態になる。そして、第2の転送部4がオフする。これにより、第1の光電変換部1から第2の光電変換部2を経由して電荷電圧変換部5に信号が転送される際の動作を終了する。その後、加算された信号は、電荷電圧変換部5から増幅部6へ入力されて、増幅部6で増幅された後に出力される。
At timing T4, the pulse P4 becomes inactive. Then, the second transfer unit 4 is turned off. Thereby, the operation when the signal is transferred from the first photoelectric conversion unit 1 to the charge
このように、第2の光電変換部2が第1の光電変換部1よりも信号に対するポテンシャルが深い。これにより、第1の転送部がそのチャネル領域10に保持された信号を第2の光電変換部2へ転送する際にオン状態からオフ状態へ一定以上の時間TPをかけて漸次的に遷移する。この結果、第1の光電変換部1から第2の光電変換部2を経由して電荷電圧変換部5に容易に信号を転送することができる。
Thus, the second photoelectric conversion unit 2 has a deeper signal potential than the first photoelectric conversion unit 1. As a result, when the first transfer unit transfers the signal held in the
次に、本発明の第1実施形態に係る撮像装置を適用した撮像システムの一例を図5に示す。 Next, an example of an imaging system to which the imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention is applied is shown in FIG.
撮像システム90は、図5に示すように、主として、光学系、撮像装置100及び信号処理部を備える。光学系は、主として、シャッター91、撮影レンズ92及び絞り93を備える。信号処理部は、主として、撮像信号処理回路95、A/D変換器96、画像信号処理部97、メモリ部87、外部I/F部89、タイミング発生部98、全体制御・演算部99、記録媒体88及び記録媒体制御I/F部94を備える。なお、信号処理部は、記録媒体88を備えなくても良い。
As shown in FIG. 5, the
シャッター91は、光路上において撮影レンズ92の手前に設けられ、露出を制御する。
The
撮影レンズ92は、入射した光を屈折させて、撮像装置100の画素配列(画素ユニット配列)に被写体の像を形成する。
The
絞り93は、光路上において撮影レンズ92と撮像装置100との間に設けられ、撮影レンズ92を通過後に撮像装置100へ導かれる光の量を調節する。
The
撮像装置100は、画素配列(撮像面)に形成された被写体の像を画像信号に変換する。撮像装置100は、その画像信号を画素配列から読み出して出力する。
The
撮像信号処理回路95は、撮像装置100に接続されており、撮像装置100から出力された画像信号を処理する。
The imaging
A/D変換器96は、撮像信号処理回路95に接続されており、撮像信号処理回路95から出力された処理後の画像信号(アナログ信号)をデジタル信号へ変換する。
The A /
画像信号処理部97は、A/D変換器96に接続されており、A/D変換器96から出力された画像信号(デジタル信号)に各種の補正等の演算処理を行い、画像データを生成する。この画像データは、メモリ部87、外部I/F部89、全体制御・演算部99及び記録媒体制御I/F部94などへ供給される。
The image
メモリ部87は、画像信号処理部97に接続されており、画像信号処理部97から出力された画像データを記憶する。
The
外部I/F部89は、画像信号処理部97に接続されている。これにより、画像信号処理部97から出力された画像データを、外部I/F部89を介して外部の機器(パソコン等)へ転送する。
The external I /
タイミング発生部98は、撮像装置100、撮像信号処理回路95、A/D変換器96及び画像信号処理部97に接続されている。これにより、撮像装置100、撮像信号処理回路95、A/D変換器96及び画像信号処理部97へタイミング信号を供給する。そして、撮像装置100、撮像信号処理回路95、A/D変換器96及び画像信号処理部97がタイミング信号に同期して動作する。
The
全体制御・演算部99は、タイミング発生部98、画像信号処理部97及び記録媒体制御I/F部94に接続されており、タイミング発生部98、画像信号処理部97及び記録媒体制御I/F部94を全体的に制御する。
The overall control /
記録媒体88は、記録媒体制御I/F部94に取り外し可能に接続されている。これにより、画像信号処理部97から出力された画像データを、記録媒体制御I/F部94を介して記録媒体88へ記録する。
The
以上の構成により、撮像装置100において良好な画像信号が得られれば、良好な画像(画像データ)を得ることができる。
With the above configuration, if a good image signal is obtained in the
次に、本発明の第2実施形態に係る撮像装置200を、図6及び図7を用いて説明する。図6は、本発明の第2実施形態に係る撮像装置200のレイアウト構成を示す図である。図7は、撮像装置200において信号を転送する際の動作を示すタイミングチャートである。
Next, an
撮像装置200は、画素ユニット配列PUA200を備える点と、駆動部が画素ユニット配列PUA200を駆動する際の動作とが、第1実施形態と異なる。
The
画素ユニット配列PUA200における各画素ユニットPU211、PU212、・・・は、第2の光電変換部202を含む。第2の光電変換部202と第3の光電変換部11との間には、第3の転送部が設けられていない。
Each pixel unit PU211, PU212,... In the pixel unit array PUA200 includes a second
駆動部は、第2の光電変換部202に、第1の光電変換部1が蓄積した電荷が転送されるように駆動する。しかし、駆動部は、第2の光電変換部202に、第3の光電変換部11が蓄積した電荷が転送されるようには駆動しない。すなわち、撮像装置200は、図7に示すように、撮像装置200において信号を転送する際の動作が第1実施形態と異なる。
The drive unit drives the second
タイミングT0からタイミングT201までの期間では、第2の光電変換部202に、ほとんど信号(電荷)が残っていない状態となるまで、第2の光電変換部2が蓄積した電荷が電荷電圧変換部5へ転送される。
In the period from the timing T0 to the timing T201, the charge accumulated in the second photoelectric conversion unit 2 is stored in the charge-
タイミングT201では、パルスP4がノンアクティブな状態になる。そして、第2の転送部4がオフする。その後、転送された信号は、電荷電圧変換部5から増幅部6へ入力されて、増幅部6で増幅された後に出力される。
At timing T201, the pulse P4 enters a non-active state. Then, the second transfer unit 4 is turned off. Thereafter, the transferred signal is input from the charge /
タイミングT202では、パルスP7がアクティブな状態になる。そして、リセット部7は、オンして、電荷電圧変換部5をリセットする。これにより、電荷電圧変換部5には信号(電荷)がない状態になる。
At timing T202, the pulse P7 becomes active. Then, the reset unit 7 is turned on to reset the charge
タイミングT203では、パルスP7がノンアクティブな状態になる。これにより、リセット部7は、オフする。 At timing T203, the pulse P7 enters a non-active state. As a result, the reset unit 7 is turned off.
タイミングT204からタイミングT207における動作は、電荷電圧変換部5に第2の光電変換部202の信号(電荷)がない状態で行われる点で、タイミングT1からタイミングT4における動作(図3参照)と異なる。すなわち、電荷電圧変換部5へ第1の光電変換部1が蓄積した信号(電荷)のみが転送され、電荷電圧変換部5では信号の加算が行われない。その後、転送された信号は、電荷電圧変換部5から増幅部6へ入力されて、増幅部6で増幅された後に出力される。
The operation from the timing T204 to the timing T207 is different from the operation from the timing T1 to the timing T4 (see FIG. 3) in that the operation is performed without the signal (charge) of the second
このように、画素配列の2行目、1行目、4行目、3行目、・・・の信号が加算されずにそのまま読み出される。すなわち、撮像装置200は、インターレース動作を行わずに、プログレシブ動作を行うことができる。
Thus, the signals of the second row, the first row, the fourth row, the third row,... Of the pixel array are read as they are without being added. That is, the
また、各画素ユニットは、2つの光電変換部(2画素)に対して、電荷電圧変換部、増幅部、及びリセット部が共通に設けられている。これにより、1画素当たりの面積を低減できるので、画素を縮小化できる。 In addition, each pixel unit is provided with a charge voltage conversion unit, an amplification unit, and a reset unit in common with respect to two photoelectric conversion units (two pixels). Thereby, since the area per pixel can be reduced, the pixel can be reduced.
ここで、電荷電圧変換部(FD)に1つの転送部(転送MOSトランジスタ)が接続されているので、電荷電圧変換部に2つの転送部が接続されている場合に比べて、電荷電圧変換部の寄生容量が低減されている。これにより、電荷電圧変換部において、電荷を電圧に変換する変換比を向上できるので、SN比を向上できる。すなわち、画素を縮小化した場合でもSN比を向上できる。 Here, since one transfer unit (transfer MOS transistor) is connected to the charge voltage conversion unit (FD), the charge voltage conversion unit is compared with the case where two transfer units are connected to the charge voltage conversion unit. The parasitic capacitance is reduced. Thereby, in the charge voltage conversion part, since the conversion ratio which converts an electric charge into a voltage can be improved, SN ratio can be improved. That is, the SN ratio can be improved even when the pixels are reduced.
なお、2つの光電変換部(2画素)に対して、電荷電圧変換部、増幅部、及びリセット部が共通に設けられているので、画素を縮小化せずに、画素に占める光電変換部の面積を増やしても良い。この場合、光電変換部の感度を向上でき、光電変換部の飽和電荷量を大きくすることができる。 In addition, since the charge voltage conversion unit, the amplification unit, and the reset unit are provided in common for the two photoelectric conversion units (two pixels), the photoelectric conversion unit occupying the pixel is not reduced. The area may be increased. In this case, the sensitivity of the photoelectric conversion unit can be improved, and the saturation charge amount of the photoelectric conversion unit can be increased.
また、上記の実施形態において、MOSトランジスタは、バイポーラや、接合型電界効果トランジスタなど他の型のトランジスタであってもよい。 In the above embodiment, the MOS transistor may be another type of transistor such as bipolar or junction field effect transistor.
1 第1の光電変換部
2 第2の光電変換部
3 第1の転送部
4 第2の転送部
5 電荷電圧変換部
6 増幅部
11 第3の光電変換部
12 第3の転送部
90 撮像システム
100、200 撮像装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st photoelectric conversion part 2 2nd
Claims (12)
前記画素ユニット配列を駆動する駆動部と、
を備え、
前記複数の画素ユニットのそれぞれは、
第1の光電変換部と、
前記第1の光電変換部に隣接した第2の光電変換部と、
前記第1の光電変換部と前記第2の光電変換部との間に設けられた第1の転送部と、
電荷電圧変換部と、
前記第2の光電変換部と前記電荷電圧変換部との間に設けられた第2の転送部と、
前記電荷電圧変換部の信号が入力される増幅部と、
を含む
ことを特徴とする撮像装置。 A pixel unit array in which a plurality of pixel units are arranged in a row direction and a column direction;
A drive unit for driving the pixel unit array;
With
Each of the plurality of pixel units is
A first photoelectric conversion unit;
A second photoelectric conversion unit adjacent to the first photoelectric conversion unit;
A first transfer unit provided between the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit;
A charge-voltage converter,
A second transfer unit provided between the second photoelectric conversion unit and the charge-voltage conversion unit;
An amplification unit to which a signal of the charge-voltage conversion unit is input;
An imaging apparatus comprising:
前記画素ユニット配列を駆動する駆動部と、
を備え、
前記複数の画素ユニットのそれぞれは、
第1の光電変換部と、
前記第1の光電変換部に隣接した第2の光電変換部と、
前記第1の光電変換部と前記第2の光電変換部との間に設けられた第1の転送部と、
電荷電圧変換部と、
前記第2の光電変換部と前記電荷電圧変換部との間に設けられた第2の転送部と、
前記第2の光電変換部と前記第2の光電変換部に対して前記第1の光電変換部と反対側に隣接する画素ユニットに含まれる第3の光電変換部との間に設けられた第3の転送部と、
前記電荷電圧変換部の信号が入力される増幅部と、
を含む
ことを特徴とする撮像装置。 A pixel unit array in which a plurality of pixel units are arranged in a row direction and a column direction;
A drive unit for driving the pixel unit array;
With
Each of the plurality of pixel units is
A first photoelectric conversion unit;
A second photoelectric conversion unit adjacent to the first photoelectric conversion unit;
A first transfer unit provided between the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit;
A charge-voltage converter,
A second transfer unit provided between the second photoelectric conversion unit and the charge-voltage conversion unit;
A second photoelectric conversion unit provided between the second photoelectric conversion unit and a third photoelectric conversion unit included in a pixel unit adjacent to the second photoelectric conversion unit on the opposite side of the first photoelectric conversion unit; 3 transfer units;
An amplification unit to which a signal of the charge-voltage conversion unit is input;
An imaging apparatus comprising:
ことを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。 The driving unit is configured such that the first transfer unit is turned on in a first frame period, is turned off in a second frame period, the third transfer unit is turned off in the first frame period, The imaging apparatus according to claim 2, wherein each of the plurality of pixel units is driven so as to be turned on in a second frame period.
ことを特徴とする請求項3に記載の撮像装置。 The drive unit is turned on before the first transfer unit is turned on in the first frame period, and is turned off after the first transfer unit is turned off. In the second frame period, each of the plurality of pixel units is driven so as to be turned on before the third transfer unit is turned on and turned off after the third transfer unit is turned off. The imaging apparatus according to claim 3.
ことを特徴とする請求項4に記載の撮像装置。 In the driving unit, the first transfer unit gradually transitions from an on state to an off state over a certain period of time in the second frame period, and the third transfer unit includes the first transfer unit. 5. The imaging device according to claim 4, wherein each of the plurality of pixel units is driven so as to gradually transition from an on state to an off state over a certain time in one frame period. .
ことを特徴とする請求項3から5のいずれか1項に記載の撮像装置。 In each of the charge voltage conversion units of the plurality of pixel units, the signal accumulated by the first photoelectric conversion unit and the signal accumulated by the second photoelectric conversion unit are added in the first frame period. The signal accumulated by the third photoelectric conversion unit and the signal accumulated by the second photoelectric conversion unit are added in the second frame period. The imaging apparatus according to item 1.
ことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 1, wherein the second photoelectric conversion unit has a deeper potential with respect to a signal than the first photoelectric conversion unit.
前記撮像装置の撮像面へ像を形成する光学系と、
前記撮像装置から出力された信号を処理して画像データを生成する信号処理部と、
を備えたことを特徴とする撮像システム。 The imaging device according to any one of claims 1 to 7,
An optical system for forming an image on the imaging surface of the imaging device;
A signal processing unit that processes the signal output from the imaging device to generate image data;
An imaging system comprising:
第1のフレーム期間に、前記第1の転送部をオンするとともに、前記第3の転送部をオフする第1のステップと、
第2のフレーム期間に、前記第1の転送部をオフするとともに、前記第3の転送部をオンする第2のステップと、
を備えたことを特徴とする撮像装置の駆動方法。 A first photoelectric conversion unit; a second photoelectric conversion unit adjacent to the first photoelectric conversion unit; and a first photoelectric conversion unit provided between the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit. Transfer unit, a charge-voltage conversion unit, a second transfer unit provided between the second photoelectric conversion unit and the charge-voltage conversion unit, and the second photoelectric conversion unit A third transfer unit provided between the third photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit disposed at a position opposite to the third photoelectric conversion unit, and a signal of the charge-voltage conversion unit A driving method of an imaging apparatus having a pixel unit arrangement in which a plurality of pixel units including an input amplification unit are arranged in a row direction and a column direction,
A first step of turning on the first transfer unit and turning off the third transfer unit in a first frame period;
A second step of turning off the first transfer unit and turning on the third transfer unit in a second frame period;
An image pickup apparatus driving method comprising:
前記第2のステップでは、前記第2の転送部が、前記第2のフレーム期間において、前記第3の転送部がオンする前にオンするとともに、前記第3の転送部がオフした後にオフする
ことを特徴とする請求項9に記載の撮像装置の駆動方法。 In the first step, the second transfer unit is turned on before the first transfer unit is turned on in the first frame period, and is turned off after the first transfer unit is turned off. ,
In the second step, the second transfer unit is turned on before the third transfer unit is turned on and turned off after the third transfer unit is turned off in the second frame period. The method for driving an imaging apparatus according to claim 9.
前記第2のステップでは、前記第3の転送部が、前記第1のフレーム期間において、オン状態からオフ状態へ一定以上の時間をかけて漸次的に遷移する
ことを特徴とする請求項10に記載の撮像装置の駆動方法。 In the first step, the first transfer unit gradually transitions from an on state to an off state over a certain time in the second frame period,
11. The method according to claim 10, wherein in the second step, the third transfer unit gradually transitions from an on state to an off state over a predetermined time in the first frame period. A driving method of the imaging apparatus described.
前記第2のステップでは、前記電荷電圧変換部において、前記第2のフレーム期間において、前記第3の光電変換部が蓄積した信号と前記第2の光電変換部が蓄積した信号とが加算される
ことを特徴とする請求項9から11のいずれか1項に記載の撮像装置の駆動方法。 In the first step, in the charge voltage conversion unit, the signal accumulated by the first photoelectric conversion unit and the signal accumulated by the second photoelectric conversion unit are added in the first frame period,
In the second step, the signal accumulated by the third photoelectric conversion unit and the signal accumulated by the second photoelectric conversion unit are added in the second frame period in the charge-voltage conversion unit. The method for driving an imaging apparatus according to claim 9, wherein:
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Cited By (2)
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JP2011082427A (en) * | 2009-10-09 | 2011-04-21 | Canon Inc | Solid-state imaging device and method of manufacturing the same |
JP2013110548A (en) * | 2011-11-21 | 2013-06-06 | Canon Inc | Solid state imaging device, distance detector with the solid state imaging device, and camera with the distance detector |
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