JP2009100216A - Solid-state imaging apparatus and processing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像装置及びその処理方法に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device and a processing method thereof.
ダイナミックレンジの広い画像情報を得るための方法として下記のような提案がされている。 The following proposals have been made as methods for obtaining image information with a wide dynamic range.
下記の特許文献1には、シャッター速度(フォトダイオードの電荷蓄積時間)を変え、フォトダイオードが飽和しないような短い時間と、充分に長い時間とで撮影して、各撮影画像を合成することでダイナミックレンジの広い画像情報を得る技術が開示されている。
In
また、下記の特許文献2には、フォトダイオードから溢れる光電荷をフローティングディフュージョンやフローティングディフュージョンを介して別途設けた蓄積容量素子に蓄積する技術が開示されている。フォトダイオードの信号を読み出すことに加えて、フォトダイオードが飽和し溢れ出した光電荷を別途読み出すことでダイナミックレンジの広い画像情報を得る。 Patent Document 2 below discloses a technique for storing photoelectric charge overflowing from a photodiode in a floating diffusion or a storage capacitor provided separately via the floating diffusion. In addition to reading out the signal of the photodiode, image information with a wide dynamic range is obtained by separately reading out the photoelectric charge that is saturated and overflows.
また、下記の特許文献3には、フォトダイオードに蓄積した信号をリニア型の光電変換信号と、対数型の光電変換信号とに変換し、光強度のリニア比例した信号と、対数に比例した信号とをそれぞれ読み出す技術が開示されている。これにより、ダイナミックレンジの広い画像情報を得る。
Further, in
特許文献2には、チップ内でフォトダイオードの飽和以下の出力か、以上の出力かを判定し、「フォトダイオードに蓄積した信号」と、「フォトダイオードに蓄積した信号」+「フォトダイオードから溢れ出した信号」とを切り替えて出力することも開示されている。 In Patent Document 2, it is determined whether the output is less than or equal to the saturation of the photodiode in the chip, and “signal accumulated in the photodiode” and “signal accumulated in the photodiode” + “overflow from the photodiode” It is also disclosed that the “output signal” is switched and output.
しかしながら前記特許文献1〜特許文献3の技術ではダイナミックレンジの広い画像情報を得るためには読み出し回数が増加するためフレームレートが低下するという問題があった。
However, the techniques disclosed in
また、チップ内での演算により、二つの信号を加算して出力する場合には、それぞれのゲイン設定や圧縮比等の演算に限界があり、良好な画像を得るための設定が困難であるという問題があった。 Also, when two signals are added and output by calculation within the chip, there are limits to the calculation of each gain setting, compression ratio, etc., and it is difficult to set for obtaining a good image. There was a problem.
本発明の目的は、フレームレートを低下させずに広いダイナミックレンジを得ることができる固体撮像装置及びその処理方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of obtaining a wide dynamic range without reducing the frame rate and a processing method thereof.
本発明の固体撮像装置は、光電変換により電荷を生成する光電変換素子と、前記生成された電荷の信号を読み出す読み出し手段と、前記生成された電荷量が基準値より少ないときの信号と基準値より多いときの信号とが相互に逆極性になるように前記読み出された信号に極性を付与する極性付与手段とを有することを特徴とする。 The solid-state imaging device according to the present invention includes a photoelectric conversion element that generates a charge by photoelectric conversion, a reading unit that reads a signal of the generated charge, a signal when the generated charge amount is less than a reference value, and a reference value Polarity imparting means for imparting polarity to the read-out signal so that the signals when the number of the signals is larger than that of the signals is opposite.
また、本発明の固体撮像装置の処理方法は、光電変換により電荷を生成する光電変換素子を有する固体撮像装置の処理方法であって、前記生成された電荷の信号を読み出す読み出しステップと、前記生成された電荷量が基準値より少ないときの信号と基準値より多いときの信号とが相互に逆極性になるように前記読み出された信号に極性を付与する極性付与ステップとを有することを特徴とする。 Further, the processing method of the solid-state imaging device according to the present invention is a processing method of the solid-state imaging device having a photoelectric conversion element that generates a charge by photoelectric conversion, the reading step of reading the generated charge signal, and the generation A polarity imparting step for imparting a polarity to the read signal so that a signal when the amount of charges read is less than a reference value and a signal when the charge amount is greater than a reference value are opposite to each other. And
信号に極性を付与することにより、信号出力回数が一回で済むので、ダイナミックレンジの広い画像情報を確保しつつフレームレートを高速化することができる。 By giving polarity to the signal, only one signal output is required, so that the frame rate can be increased while ensuring image information with a wide dynamic range.
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態による固体撮像装置の出力端子の波形及びタイミング図である。図1におけるOUTS、OUTNは固体撮像装置の出力であり、差動出力の正出力端子と負出力端子である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a waveform and timing diagram of an output terminal of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. OUTS and OUTN in FIG. 1 are outputs of the solid-state imaging device, and are a positive output terminal and a negative output terminal for differential output.
OUTS、OUTN両端子は出力の始めにリファレンスレベルを出力しており、本実施形態においては1ビット目の出力をした後、2ビット目の信号出力をする前に再びリファレンスレベルを出力している。このリファレンスレベルは、一般にセンサの暗電流成分や、回路固定パターンノイズ成分、ランダムノイズ成分等のオフセットレベルが無視できるほど小さいとすれば暗時における出力レベルにほぼ等しい。 Both the OUTS and OUTN terminals output the reference level at the beginning of the output. In this embodiment, after the first bit is output, the reference level is output again before the second bit signal is output. . In general, the reference level is almost equal to the output level in the dark if the offset level of the sensor dark current component, circuit fixed pattern noise component, random noise component, etc. is negligibly small.
暗時レベルに対し明時レベルの電圧が上昇する場合を正極性、暗時レベルに対し明時レベルの電圧が低下する場合を負極性とする。たとえばOUTS端子において図中の1ビット目では正極性であるのに対し2ビット目においては負の極性を示している。このように出力の正・負の極性が入れ替わった状態を出力の極性が反転していると呼ぶ。 The case where the light level voltage increases with respect to the dark level is positive, and the case where the light level voltage decreases with respect to the dark level is negative. For example, in the OUTS terminal, the first bit in the figure is positive, while the second bit shows negative polarity. A state in which the positive and negative polarities of the output are switched in this way is called an inverted output polarity.
またADCLKはこの出力OUTS、OUTNのA/D変換を行うためのサンプリングクロックで出力OUTS、OUTNはこのADCLKの立ち上がりのタイミングでアナログデータを取り込みデジタルデータへの変換を行うものとする。 ADCLK is a sampling clock for A / D conversion of the outputs OUTS and OUTN, and the outputs OUTS and OUTN take in analog data at the rising timing of ADCLK and convert it into digital data.
PFLAGはOUTS、OUTNの極性を判定するタイミングを制御するクロックであり、識別結果をハイレベル/ローレベルで記載したパルスがMODEである。 PFLAG is a clock for controlling the timing for determining the polarity of OUTS and OUTN, and a pulse in which the identification result is described at high level / low level is MODE.
1ビット目、3ビット目、4ビット目においては光強度が強くなるとOUTS出力は電圧が上昇し(正極性)、OUTN端子出力は電圧が低下する(負極性)。 In the first bit, the third bit, and the fourth bit, when the light intensity increases, the voltage of the OUTS output increases (positive polarity), and the voltage of the OUTN terminal output decreases (negative polarity).
2ビット目、5ビット目では出力端子の極性が反転し、光が強くなるとOUTS端子は電圧が低下し(負極性)、OUTS出力は電圧が上昇する(正極性)。 In the second bit and the fifth bit, the polarity of the output terminal is inverted, and when the light becomes stronger, the voltage at the OUTS terminal decreases (negative polarity), and the voltage at the OUTS output increases (positive polarity).
出力端子がOUTS、OUTNのどちらの極性であるかによって信号の読み出しの種類を2値の判定を行うことができる。そのため、たとえばフォトダイオードが飽和する範囲内の輝度であるか、フォトダイオードが飽和しているかの判別を出力端子の極性で識別することができる。 Depending on whether the polarity of the output terminal is OUTS or OUTN, it is possible to determine whether the type of signal readout is binary. Therefore, for example, it is possible to identify whether the luminance is within a range where the photodiode is saturated or whether the photodiode is saturated by the polarity of the output terminal.
したがって図1においては2ビット目と5ビット目においてフォトダイオードが飽和する以上の光量であるため光量の順番は光量の低い順に、「3ビット目<1ビット目<4ビット目<2ビット目<5ビット目」となる。 Therefore, in FIG. 1, since the amount of light is more than the saturation of the photodiode at the second and fifth bits, the order of the amount of light is as follows: “3rd bit <1st bit <4th bit <2nd bit < 5th bit ".
このようにフォトダイオードの信号と、フォトダイオードが飽和した際のワイドダイナミックレンジ信号との二回の読み出しを行うこと無く、どちらか必要な方の信号情報とフォトダイオードが飽和したかの判定をする情報を得ることができる。そのため、フレームレートの低下を防ぎながら高ダイナミックレンジの画像情報の得ることができる。この際全画素に対してこのような読み出し方法を行なっても良いし、一部の画素に対して2つの信号の内いずれか一方を出力する動作を行なっても良い。すべての画素において本実施形態の読み出し方法を適用せずとも効果は得られる。これは他の実施形態においても同様である。 In this way, it is determined whether the required signal information and the photodiode are saturated without reading the photodiode signal and the wide dynamic range signal when the photodiode is saturated twice. Information can be obtained. Therefore, it is possible to obtain image information with a high dynamic range while preventing a decrease in the frame rate. At this time, such a reading method may be performed on all the pixels, or an operation of outputting one of the two signals may be performed on some pixels. The effect can be obtained without applying the readout method of the present embodiment to all pixels. The same applies to other embodiments.
このようにして出力の極性で判定した、飽和、非飽和の情報を基にデータの処理を変更することで広いダイナミックレンジを実現する。例えば反転したビットに関しては、信号にゲインをかけた後、フォトダイオードの飽和レベル相当の出力と加算するという処理方法が可能になる。 A wide dynamic range is realized by changing the data processing based on the saturation and non-saturation information determined by the output polarity in this way. For example, for an inverted bit, a processing method is possible in which a gain is applied to the signal and then added to an output corresponding to the saturation level of the photodiode.
なおPFLAGにおける飽和、非飽和を判別するタイミングは1ビット分の出力期間内のどのタイミングでもよい。しかしながら本実施形態のようにA/D変換サンプリングのタイミングよりも先に、極性の判別を行い、その後A/D変換を行うことが特に効率が良い。 Note that the timing for determining saturation or non-saturation in PFLAG may be any timing within an output period of 1 bit. However, as in the present embodiment, it is particularly efficient to determine the polarity before the timing of A / D conversion sampling and then perform A / D conversion.
これは事前に判定し判定結果がわかっていることで、A/D変換後のデジタルデータの格納先をすでに決めた後A/D変換を行うことができ、データの処理がスムーズに成るためである。図2の極性判定手段130は、極性の判定結果に応じて、A/D変換を制御する。
This is because the determination result is known in advance and the determination result is known, so that the A / D conversion can be performed after the storage destination of the digital data after the A / D conversion is already determined, and the data processing becomes smooth. is there. The
図2は、本発明の第1の実施形態による固体撮像装置の等価回路図であり、図1の出力形態を実現するために効果的な等価回路の例である。また図3は図2の等価回路を駆動する動作タイミング図である。 FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention, and is an example of an equivalent circuit effective for realizing the output form of FIG. FIG. 3 is an operation timing chart for driving the equivalent circuit of FIG.
101はフォトダイオードである。102は転送MOSFETである。103はリセットスイッチである。104は増幅MOSFETである。105はセレクトスイッチである。108はコンパレータである。109は定電流源である。110はラッチ回路である。111はAND論理回路である。112はAND論理回路である。113はスイッチMOSFETである。114はスイッチMOSFETである。115は保持容量である。116は保持容量である。117はスイッチMOSFETである。118はスイッチMOSFETである。120は差動増幅器である。
蓄積期間Aにおける明時レベルが飽和レベルを超えていない画素については、蓄積期間Aにおける暗時レベルを保持容量115に、明時レベルを保持容量116に保持する。蓄積期間Aにおける明時レベルが飽和レベルを超えた画素に関しては、蓄積期間Bにおける暗時レベルと明時レベルを入れ替えて、明時レベルを保持容量115に、暗時レベルを保持容量116に保持し、差動増幅器120を介し読み出す。以下に図2の回路図と図3の動作タイミング図を用いて図1に示す出力端子の波形を実現する方法について詳細に説明する。
For pixels in which the light level in the storage period A does not exceed the saturation level, the dark level in the storage period A is stored in the
図2は固体撮像装置における複数に配置された画素のうち、2つの画素を抜き出したものである。また図3はその駆動パルスを示すタイミング図である。なお図2におけるMOSトランジスタはすべてN型のMOSトランジスタでありスイッチとして用いた際ゲート電極がハイレベルとなることでオン状態となるものとする。 FIG. 2 shows two pixels extracted from a plurality of pixels arranged in the solid-state imaging device. FIG. 3 is a timing chart showing the drive pulses. The MOS transistors in FIG. 2 are all N-type MOS transistors and are turned on when the gate electrode becomes high level when used as a switch.
図2においてpix1、pix2は単位画素である。pix1、pix2は、光電変換素子であるフォトダイオード101と、フォトダイオード101で発生した信号を増幅する増幅手段である増幅MOSFET104と、増幅MOSFET104の入力を所定電圧にリセットするリセットスイッチ103から成る。さらに、フォトダイオード101と増幅MOSFET104のゲート電極との導通を制御する画素転送スイッチ102、垂直共通出力線Vline1と増幅MOSFET104の出力との導通を制御するセレクトスイッチ105が設けられている。
In FIG. 2, pix1 and pix2 are unit pixels. Pix1 and pix2 include a
読み出し動作に先だって、所定の露光時間Aが経過し、フォトダイオード101には光電荷が蓄積されているものとする。まず画素リセットパルスPRESがハイレベルからローレベルとなり、増幅MOSFET104のゲート電極のリセットが解除される(t0)。
It is assumed that a predetermined exposure time A has elapsed prior to the read operation, and photocharges are accumulated in the
このゲート電極の電圧は、画素リセットスイッチ103がオンしているときに5極管領域にあれば、画素リセットスイッチ103のゲートハイレベルから閾値分だけ低下した電圧となり、3極管領域にあれば、VDD電圧となる。そして、画素リセットスイッチ103がオフする際に、これらの電圧よりもわずかに低下する。これは、画素リセットスイッチ103がオンしている状態で形成される反転層電荷の流入や、画素リセットスイッチ103のゲートとソース間の寄生容量を介したフィードスルーによるものである。
If the voltage of the gate electrode is in the pentode region when the pixel
ゲート電圧のリセットが解除された後の電圧をノイズレベルとして読み出しを行う(t1)。増幅MOSFET104はソースフォロア動作をし、ソースフォロアの出力が出力線Vline1上に暗時出力として現れる。
Reading is performed with the voltage after the reset of the gate voltage is canceled as the noise level (t1). The
このときコンパレータ108の+入力端子VSATには電源電圧VDDレベルが入力されており、Vline上の暗時出力はVDDレベルよりも低い電圧であるためコンパレータ108の出力はハイレベルである。このためAND論理回路111、ラッチ回路110を介してスイッチMOSFET113のゲート電圧はPTNのタイミングでコントロールされる。
At this time, the power supply voltage VDD level is input to the + input terminal VSAT of the
したがってPTNがローレベルとなる瞬間に、暗時出力に対応したVlineの電圧が保持容量115にサンプリングされる。なお、本実施形態ではコンパレータの+入力端子をVDDレベルとしたが暗時出力よりも十分に高い電圧であればVDDで無くとも同様の効果が得られる
Therefore, at the moment when PTN becomes low level, the voltage of Vline corresponding to the dark output is sampled in the
つづいて、画素において、信号PTXがハイレベルになり、画素転送スイッチ102が一定期間オンとなり(t2)、フォトダイオード101に蓄積された光電荷が増幅MOSFET104のゲート電極に転送される。この結果、ゲート電位は、転送された電荷をQ、ゲート部の容量をCFDとすると、Q/CFDだけ暗時電圧から低下する。これに対応して、出力線Vline上には明時出力が現れる。
Subsequently, in the pixel, the signal PTX becomes high level, the
暗時出力のサンプリングと同様にコンパレータ108の+入力端子VSATはVDDレベルと成る。Vlineの電圧はVDDレベルよりも低い電圧であるためコンパレータ108の出力はハイレベルでありAND論理回路112、ラッチ回路110を介してスイッチMOSFET114ゲート電圧はPTSのタイミングでコントロールされる。
Similar to the sampling of the dark output, the + input terminal VSAT of the
したがってPTSがローレベルになる瞬間(t3)に増幅トランジスタ104のソースフォロアのバラツキとリセットMOSトランジスタ103のリセットバラツキを含む明時出力に対応したVlineの電圧が保持容量116にサンプリングされる。
Therefore, at the instant (t 3) when PTS becomes low level, the voltage of Vline corresponding to the light-time output including the variation of the source follower of the
以上の動作により保持容量115には所定の蓄積時間Aにおける暗時レベル、保持容量116には蓄積時間Aにおける明時レベルが保持されている。
Through the above operation, the
ここでVSAT端子の電圧をVDDレベルから画素飽和レベルVSATへと電圧を変化させる(t4)。このVSAT電圧はフォトダイオードが飽和した電荷を読み出した際に増幅トランジスタ104のソースフォロア動作の出力を介し、Vlineに現れた信号レベルに相当する。コンパレータ108はVlineの電圧がこのVSAT電圧よりも低い画素に関しては、コンパレータ108はハイレベルを出力し、VSAT電圧よりも高い画素はローレベルを出力する。ここで、Vlineの電圧がVSAT電圧よりも低い画素はフォトダイオードが飽和している画素であり、VSAT電圧よりも高い画素はフォトダイオードが飽和レベルに達していない画素である。
Here, the voltage of the VSAT terminal is changed from the VDD level to the pixel saturation level VSAT (t4). This VSAT voltage corresponds to the signal level that appears on Vline through the output of the source follower operation of the
次に、PLATがハイレベルとなりこの時点でのコンパレータ108の出力レベルがラッチ回路110の出力に保持される。したがってこの後Vlineの出力レベルが変化して、VSATとVlineの関係が逆転してもラッチ回路110の出力レベルは変化しない。
Next, PLAT becomes high level, and the output level of the
したがって次回の読み出しにおいて、フォトダイオード101が飽和レベルに達した画素のみPTS、PTNによって上書きされ、それ以外の飽和レベルに達していない画素はPTS、PTNのパルスで上書きされることは無く保持される(t5)。
Therefore, in the next reading, only the pixels for which the
その後フォトダイオード101はPRES、PTXをともにハイレベルとすることでリセット動作を行い、PTXの立ち下がりより次の蓄積が開始される(t6)。この後蓄積時間Aより短い蓄積(蓄積期間Bとする)を行い、この蓄積時間Bに蓄えられた電荷を、先の蓄積期間Aの動作とタイミングと同様に読み出し動作を行う。
Thereafter, the
ただしこの際、暗時に対応する電圧を読み出す際に、PTSをハイレベルにすることで保持容量116に保持し(t7)、明時に対応する電圧を読み出す際にPTNがハイレベルにすることで保持容量115に保持する(t8)。したがって先ほどの蓄積期間A時とはスイッチMOSFET113、114のゲート電圧制御パルスPTS、PTNのタイミングが逆転している。
However, at this time, when reading the voltage corresponding to the dark time, the PTS is held at the high level by setting the PTS to the high level (t7), and when reading the voltage corresponding to the bright time, the PTN is held at the high level. The
以上の動作を行うことで蓄積時間Aにおける明時レベルが飽和レベルを超えていない画素については、蓄積時間Aにおける暗時レベルが保持容量115に、明時レベルが保持容量116に保持されている。飽和レベルを超えている画素は、蓄積時間Bの明時レベルが保持容量115に、暗時レベルが保持容量116に保持されている。保持容量115と116に保存された信号の差分演算をすることで、光応答成分が取得される。
By performing the above operation, the dark level at the storage time A is stored in the
この差分処理を行った結果、蓄積時間Aにおける明時レベルが飽和レベルを超えていない画素に関しては、OUTS端子からは、光があたるとリファレンスレベルよりも電圧が上昇する正極性で出力する。そして、OUTN端子からは反対に光があたるとリファレンスレベルよりも電圧が低下する負極性で出力される。逆に飽和を超えた画素に関しては、蓄積期間Bにおける信号レベルが、出力信号OUTS端子からは負極性で、OUTNは反対に正極性で読み出される。 As a result of performing this difference processing, pixels whose light level during the accumulation time A does not exceed the saturation level are output from the OUTS terminal with a positive polarity in which the voltage rises above the reference level when exposed to light. On the contrary, when light is applied from the OUTN terminal, the voltage is output with a negative polarity in which the voltage is lower than the reference level. On the other hand, for pixels exceeding saturation, the signal level in the accumulation period B is read from the output signal OUTS terminal with a negative polarity, and OUTN is read with a positive polarity.
極性判定手段130は、このOUTSとOUTNの極性を判断し蓄積期間Aの出力であるか蓄積期間Bの出力であるか識別することが可能である。したがって蓄積期間Aと蓄積期間Bとの二つの出力すべてを読み出す必要が無く、読み出し回数は二倍に増えることが無いためフレームレートの低下を防ぎながら、ダイナミックレンジの広い画像情報を得ることができる。
The
なお、本実施形態においては蓄積時間Aと蓄積期間Bの信号の極性を反転させて出力するために、PTS、PTNのタイミングをコントロールした。この際、PTS、PTNを入れ替える代わりに、垂直出力線CHS、CHNを入れ替えることや、OUTS、OUTNを入れ替えても同様の効果が得られる。 In the present embodiment, the timings of PTS and PTN are controlled in order to invert and output the polarity of the signals of the accumulation time A and the accumulation period B. At this time, the same effect can be obtained by replacing the vertical output lines CHS and CHN or replacing OUTS and OUTN instead of replacing PTS and PTN.
またVlineとスイッチ113、114の間にクランプ回路や、増幅回路を配置して保持容量に信号を保持する前に、信号の増幅やクランプ動作を行っても本実施形態における効果には代わりはない。
Further, even if a signal is amplified or clamped before a signal is held in the holding capacitor by placing a clamp circuit or an amplifier circuit between the Vline and the
さらに本実施形態ではVSATとVlineとの比較を行うことでフォトダイオードの飽和レベルを判定した。この際、フォトダイオードの飽和判定はこのVlineで行う必要は無く、結果としてフォトダイオードの飽和レベルが判定できれば他のノードにおける電圧を比較に用いても同様の効果が得られる。 Further, in this embodiment, the saturation level of the photodiode is determined by comparing VSAT and Vline. At this time, it is not necessary to determine the saturation of the photodiode using this Vline. As a result, if the saturation level of the photodiode can be determined, the same effect can be obtained even if the voltages at other nodes are used for comparison.
(第2の実施形態)
図4は、本発明の第2の実施形態による固体撮像装置の出力端子の波形及びタイミング図である。図4におけるOUTは固体撮像装置の出力であり、図1における固体撮像装置の出力をシングルエンド出力に置き換えた出力波形とタイミング図を示している。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a waveform and timing diagram of the output terminal of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. OUT in FIG. 4 is an output of the solid-state imaging device, and shows an output waveform and timing diagram in which the output of the solid-state imaging device in FIG. 1 is replaced with a single-ended output.
図4のように差動出力ではなくシングルエンドの出力形態においても、リセットレベルと出力レベルの比較や、リファレンスレベルと出力レベルの比較を行うことで、フォトダイオードが飽和したか否かの判定を行うことができ同様の効果が得られる。上記のリセットレベルと出力レベルの比較は、図4におけるA、BのそれぞれのタイミングにおけるOUTレベルの比較である。上記のリファレンスレベルと出力レベルの比較は、BのタイミングにおけるVREFレベルとOUTレベルとの比較である。 Whether the photodiode is saturated or not is determined by comparing the reset level and the output level, or comparing the reference level and the output level, even in a single-ended output form as shown in FIG. The same effect can be obtained. The comparison between the reset level and the output level is a comparison of the OUT level at the timings A and B in FIG. The comparison between the reference level and the output level is a comparison between the VREF level and the OUT level at the timing B.
図5は図2の出力形態を実現するために効果的な固体撮像装置の等価回路の例である。図5において、図2と同様の個所については同一符号を用いており説明を省略する。また図5の等価回路の詳細な説明に関しては第1の実施形態と同様であるため詳細な説明に関しては説明を省略する。また図5の動作タイミングに関しては図3と同一タイミングであるため、図面は図3と共通であり説明を省略する。 FIG. 5 is an example of an equivalent circuit of a solid-state imaging device effective for realizing the output form of FIG. In FIG. 5, the same parts as those in FIG. Further, the detailed description of the equivalent circuit of FIG. 5 is the same as that of the first embodiment, and thus the detailed description is omitted. 5 is the same as that shown in FIG. 3, and the drawing is the same as that shown in FIG.
図5の出力形式はCHSとCHNの差分出力信号をリファレンス電圧VREF基準に出力する差動アンプ121を有する。第1の実施形態と同様に蓄積時間Aにおける明時レベルが飽和レベルを超えていない画素については、蓄積時間Aにおける暗時レベルが保持容量115に、明時レベルが保持容量116に保持されている。飽和レベルを超えている画素は、蓄積時間Bの明時レベルが保持容量115に、暗時レベルが保持容量116に保持されている。その後、保持容量115と116に保存された信号の差分演算をすることで、光応答成分が取得される。
The output format of FIG. 5 includes a
この差分処理を行った結果、蓄積時間Aにおける明時レベルが飽和レベルを超えていない画素に関しては、OUT端子からは、光があたるとリファレンスレベルよりも電圧が上昇する正極性で出力する。逆に飽和を超えた画素に関しては、蓄積期間Bにおける信号レベルが、出力信号OUT端子からはリファレンスレベルよりも電圧が低下する負極性で出力する。 As a result of performing this difference processing, the pixels whose light level during the accumulation time A does not exceed the saturation level are output from the OUT terminal with a positive polarity in which the voltage rises above the reference level when exposed to light. On the contrary, for the pixel exceeding saturation, the signal level in the accumulation period B is output from the output signal OUT terminal with a negative polarity in which the voltage is lower than the reference level.
極性判定手段130は、このOUTレベルのVREFレベルに対する極性を判断し蓄積期間Aの出力であるか蓄積期間Bの出力であるか識別することが可能である。したがって蓄積期間Aと蓄積期間Bとの二つの出力すべてを読み出す必要が無く、読み出し回数は二倍に増えることが無いためフレームレートの低下を防ぎながら、ダイナミックレンジの広い画像情報を得ることができる。
The
(第3の実施形態)
図6は、本発明の第3の実施形態による固体撮像装置の等価回路図であり、図1の出力形態を実現するために第1の実施形態とは異なる効果的な等価回路の例である。図1と同一の出力形態を実現することが可能である。本実施形態を用いると低照度信号として、受光素子に蓄積される光電荷を読み出した信号を、また高照度信号を受光素子から漏れる光電荷を読み出した信号とした二つの信号を、極性を変更させて読み出すことが可能となる。
(Third embodiment)
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention, and is an example of an effective equivalent circuit different from the first embodiment in order to realize the output form of FIG. . It is possible to realize the same output form as in FIG. When this embodiment is used, the polarity of the low illuminance signal is changed from the signal obtained by reading the photocharge accumulated in the light receiving element and the signal obtained by reading the photocharge leaking from the light receiving element to the high illuminance signal. Can be read out.
本実施形態においては図1の差動出力形式を実現するための説明であるが図4に示したシングルエンド出力形式の等価回路の出力形態でも同様の方式が可能であるが第2の実施形態と本実施形態との組み合わせであるため詳細な説明は省略する。 In the present embodiment, the description is given for realizing the differential output format of FIG. 1, but the same method can be applied to the output configuration of the equivalent circuit of the single-ended output format shown in FIG. 4, but the second embodiment. Detailed description will be omitted because it is a combination of the above and the present embodiment.
以下この極性の反転をさせて読み出しを行うための動作を図6の等価回路図と図7の駆動タイミング図を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, the operation for performing the reading with the polarity reversed will be described in detail with reference to the equivalent circuit diagram of FIG. 6 and the drive timing diagram of FIG.
図6は、複数に配置された画素のうち2つの画素を抜き出したものである。また図7はその駆動パルスを示すタイミング図である。図6、7において図2、3と同一な部分には同符号を付してある。 FIG. 6 shows two pixels extracted from a plurality of pixels. FIG. 7 is a timing chart showing the drive pulses. 6 and 7, the same parts as those in FIGS.
図6における単位画素pix1、pix2は、保持容量122と、この保持容量122と増幅MOSFET104のゲート電極との導通を制御する接続スイッチ121とを図2に対して追記された構成となっている。また接続スイッチ121の制御パルスがPCSSELである。
The unit pixels pix1 and pix2 in FIG. 6 have a configuration in which a
蓄積期間における明時レベルが飽和レベルを超えていない画素については、蓄積期間における暗時レベルを保持容量115に、明時レベルを保持容量116に保持させる。飽和レベルを超えた画素に関しては、保持容量を入れ替えフォトダイオードから溢れ出した電荷分を保持容量115に、そのときの暗時レベルを保持容量116に保持し、差動増幅器120を介し読み出す。このようにしてフォトダイオード出力と、フォトダイオードからの溢れ出した電荷の読み出しとを、出力の極性を反転させて読み出すことを実現している。
For pixels in which the light level during the accumulation period does not exceed the saturation level, the dark level during the accumulation period is held in the
読み出し動作にさきだって、所定の露光時間が経過し、フォトダイオード101には光電荷が蓄積されているものとする。またこの際、選択スイッチ121は導通状態であり、リセットスイッチ103は非導通状態である。そのため、フォトダイオードに蓄積可能な電荷量を超えた電荷分に関しては転送スイッチ102を介して増幅MOSFETのゲート容量CFDと保持容量122(以下CS)との和(CFD+CS)に蓄えられているものとする(t0)。
It is assumed that a predetermined exposure time has passed before the reading operation, and photocharge is accumulated in the
始めにPCSSELをローレベル、スイッチ121をオフにして容量CFDと容量CSを切り離したのち、PRESを一定期間ハイレベル、リセットスイッチ103をオンする(t1)。この後のフォトダイオードの暗時レベルを保持容量115に、明時レベルを保持容量116にサンプリングする動作は第2の実施形態と同様であるため説明を省略する(t2〜t3)。
First, PCSSEL is set to low level, the
またコンパレータ108、ラッチ回路110の動作も第2の実施形態と同様であり、飽和レベルを超えた画素のみ、保持容量115、116の上書きを行う。それ以外の飽和レベルに達していない画素に関しては、次回のPTS、PTNのパルスにより上書きされることは無く保持される。
The operations of the
この後フォトダイオードに溢れ出した電荷の読み出しを行う。まずリセットMOSFET103がオン・オフすることで増幅MOSFET104のゲート電極リセットが行われ、さらにリセットが解除される(t4)。このとき、ゲート電極を含む画素の寄生容量に暗時に対応する電圧が保持される。増幅MOSFET104はソースフォロア動作をし、ソースフォロアの出力が出力線Vline上に暗時出力として現れる。
Thereafter, the charge overflowing the photodiode is read. First, when the
この暗時に対応する電圧を、PTSを一定期間ハイレベルとすることで、フォトダイオード101が飽和レベルに達した画素のみ保持容量116に保持する(t5)。
By setting the voltage corresponding to this dark time to a high level for a certain period of time, only the pixel in which the
つづいて、画素において保持容量122と容量CFDとの導通スイッチ121が一定期間オンとなり保持容量122に保持されたフォトダイオードから溢れた光電荷分と増幅MOSFET104のゲート電極の容量CFDとの二つ容量間で容量分割される(t6)。この結果、ゲート電位は、保持電荷をQcsとすると、Qcs/(CFD+CS)だけ暗時電圧から低下する。増幅MOSFET104はソースフォロア動作をし、ソースフォロアの出力が出力線Vline上に保持容量122に保持された第二信号成分として現れる。
Subsequently, in the pixel, the
この第二信号成分に対応する電圧を、PTNを一定期間ハイレベルとすることで、フォトダイオード101が飽和レベルに達した画素のみ保持容量115に保持する(t7)。
By setting the voltage corresponding to the second signal component to a high level for a certain period of time, only the pixel in which the
このとき暗時レベルに対応する電圧を保持容量116に、明時レベルに対応した溢れ電荷分の読み出しを保持容量115に保持している。そのため、先ほどのフォトダイオードに蓄積した信号成分、暗時レベル成分とはPTS、PTNのタイミングが逆転しており出力の極性が逆になる。
At this time, the voltage corresponding to the dark level is held in the holding
以上の動作を行うことでフォトダイオードに蓄積された明時レベルが飽和レベルを超えていない画素については、暗時レベルが保持容量115に、明時レベルが保持容量116に保持されている。明時レベルが飽和レベルを超えている画素は、容量CSに保持された溢れ電荷を信号とする明時レベルを保持容量115に、暗時レベルを保持容量116に保持している。保持容量115と116に保存された信号の差分演算をすることで、光応答成分が取得される。
By performing the above operation, the dark level is held in the holding
この差分処理を行った結果、フォトダイオードにおける明時レベルが飽和レベルを超えていない画素は出力信号OUTS端子からは正極性で、出力端子OUTN端子からは負極性で読み出される。フォトダイオードに蓄積された明時レベルが飽和レベルを超えた画素に関しては、OUTS端子から保持容量112に蓄積された溢れ電荷成分が負極性で、OUTN端子からは正極性で読み出される。
As a result of performing this difference processing, pixels in which the light level in the photodiode does not exceed the saturation level are read from the output signal OUTS terminal with a positive polarity and from the output terminal OUTN terminal with a negative polarity. For a pixel in which the light level accumulated in the photodiode exceeds the saturation level, the overflow charge component accumulated in the
極性判定手段130は、このOUTSとOUTNの極性を判断しフォトダイオードの出力であるかフォトダイオードから溢れた電荷の信号出力であるかを識別することが可能である。したがってフォトダイオードと、溢れ出した電荷の二つの出力すべてを読み出す必要が無く、フォトダイオードが飽和した画素のみ溢れた電荷の出力を読み出すため、読み出し回数は二倍に増えることが無い。そのため、フレームレートの低下を防ぎながらダイナミックレンジの広い画像情報を得ることができる。 The polarity determination means 130 can determine the polarity of OUTS and OUTN and identify whether it is an output of a photodiode or a signal output of a charge overflowing from the photodiode. Therefore, it is not necessary to read out all the two outputs of the photodiode and the overflowed charge, and since the output of the overflowed charge is read only in the pixel in which the photodiode is saturated, the number of times of readout does not increase twice. Therefore, it is possible to obtain image information with a wide dynamic range while preventing a decrease in the frame rate.
なお本実施形態ではフォトダイオードの電荷と溢れた電荷をそれぞれ読み出した。この際、フォトダイオードの信号を読み出した後、CFDのリセットを行わずスイッチ121を導通させてCSに保持した溢れ電荷とフォトダイオードの電荷を加算して読み出しても、同様の効果が得られる。
In this embodiment, the charge of the photodiode and the overflowed charge are read out. At this time, the same effect can be obtained by reading out the photodiode signal and then adding and reading the overflow charge held in CS by adding the
またフォトダイオードの蓄積電荷と、フォトダイオードから溢れた電荷とを二つの信号として極性を反転させている。この際、たとえばフォトダイオードの蓄積電荷をリニアに変換した読み出し出力と、MOSのサブスレッショルド特性等を用いて対数変換した読み出し出力とで極性を反転して読み出しても本実施形態の効果は十分に得られる。 In addition, the polarity is inverted by using the charge accumulated in the photodiode and the charge overflowing from the photodiode as two signals. At this time, for example, even if the polarity is inverted between the readout output obtained by linearly converting the charge stored in the photodiode and the readout output obtained by logarithmic conversion using the sub-threshold characteristic of the MOS, the effect of this embodiment is sufficiently obtained. can get.
第1〜第3の実施形態は、デジタルカメラやカメラ付き携帯電話などに搭載されるCMOSイメージセンサにおいて広いダイナミックレンジが望まれているイメージセンサに適用できる。また、広いダイナミックレンジが望まれてかつ、高フレームレートを要求するカメラシステムに特に適用できる。 The first to third embodiments can be applied to an image sensor in which a wide dynamic range is desired in a CMOS image sensor mounted on a digital camera, a mobile phone with a camera, or the like. In addition, the present invention is particularly applicable to a camera system that requires a wide dynamic range and requires a high frame rate.
第1〜第3の実施形態によれば、固体撮像装置のダイナミックレンジ拡大を目的に画素から読み出される低照度信号、高照度信号の異なる二つの信号の信号極性を逆極性にできる。どちらか一方の信号のみを出力しても、極性判断手段を用いることで信号の特定が可能になる。 According to the first to third embodiments, the signal polarities of two signals, which are different from the low illuminance signal and the high illuminance signal, read from the pixel for the purpose of expanding the dynamic range of the solid-state imaging device can be reversed. Even if only one of the signals is output, the signal can be specified by using the polarity determining means.
従って、特許文献1〜特許文献3で必要であった信号出力回数を二回から一回に減らすことができ、ダイナミックレンジの広い画像情報を確保しつつフレームレートを高速化することができる。
Therefore, the number of signal outputs required in
また、低照度信号、もしくは高照度信号の識別を目的に識別用信号を設ける必要がなく、入出力パッド、及び配線の引き回しが不要になり配置、及び配線に関する自由度を増すことができる。 In addition, it is not necessary to provide an identification signal for the purpose of identifying a low illuminance signal or a high illuminance signal, and it is not necessary to route the input / output pads and wirings, thereby increasing the degree of freedom regarding the arrangement and wiring.
以上のように、第1〜第3の実施形態では、光電変換素子は、フォトダイオード101に対応し、光電変換により電荷を生成する。読み出し手段は、セレクトスイッチ105に対応し、前記生成された電荷の信号を読み出す。極性付与手段は、AND論理回路111,112、MOSFET113,114,117,118、保持容量115,116、及び差動増幅器120(又は121)に対応する。前記極性付与手段は、前記生成された電荷量が基準値VSATより少ないときの信号と基準値VSATより多いときの信号とが相互に逆極性になるように前記読み出された信号に極性を付与する。
As described above, in the first to third embodiments, the photoelectric conversion element corresponds to the
また、レベル検出手段は、コンパレータ108及びラッチ回路110に対応し、前記読み出された信号のレベルを検出する。前記極性付与手段は、前記レベル検出手段による検出結果を基に前記極性を付与する。
The level detection unit corresponds to the
第1の実施形態では、前記読み出し手段は、第1の蓄積時間Aに前記光電変換素子で生成された電荷を第1の信号として読み出し、前記第1の蓄積時間Aよりも短い第2の蓄積時間Bに前記光電変換素子で生成された電荷を第2の信号として読み出す。前記極性付与手段は、前記生成された電荷量が基準値VSATより少ないときには前記第1の信号に極性を付与し、前記生成された電荷量が基準値VSATより多いときには前記第2の信号に極性を付与して出力する。 In the first embodiment, the readout unit reads out the electric charge generated by the photoelectric conversion element during the first accumulation time A as a first signal, and the second accumulation is shorter than the first accumulation time A. At time B, the charge generated by the photoelectric conversion element is read as a second signal. The polarity applying means gives a polarity to the first signal when the generated charge amount is smaller than a reference value VSAT, and polarizes the second signal when the generated charge amount is larger than a reference value VSAT. Is output.
第3の実施形態では、前記読み出し手段は、前記光電変換素子に蓄積された電荷を第1の信号として読み出し、前記光電変換素子から溢れた電荷を第2の信号として読み出す。前記極性付与手段は、前記生成された電荷量が基準値VSATより少ないときには前記第1の信号に極性を付与し、前記生成された電荷量が基準値VSATより多いときには前記第2の信号に極性を付与して出力する。また、前記第1の信号は入射光量に比例した信号であり、前記第2の信号は入射光量の対数に比例した信号である。 In the third embodiment, the readout unit reads out the electric charge accumulated in the photoelectric conversion element as a first signal, and reads out the electric charge overflowing from the photoelectric conversion element as a second signal. The polarity applying means gives a polarity to the first signal when the generated charge amount is smaller than a reference value VSAT, and polarizes the second signal when the generated charge amount is larger than a reference value VSAT. Is output. The first signal is a signal proportional to the amount of incident light, and the second signal is a signal proportional to the logarithm of the amount of incident light.
第1〜第3の実施形態では、極性判定手段130は、前記極性付与手段により極性が付与された信号の極性を判定する。前記極性判定手段130は、前記判定された極性に応じて、前記判定した信号のアナログ/デジタル変換を制御する。例えば、極性の判定結果に応じて、アナログ/デジタル変換後のデジタルデータの格納先を制御する。
In the first to third embodiments, the
第1〜第3の実施形態では、前記光電変換素子を複数有し、各画素において互いに逆極性に切り替えられた信号のいずれか一方のみを出力する。 In the first to third embodiments, a plurality of the photoelectric conversion elements are provided, and only one of the signals switched to opposite polarities in each pixel is output.
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。 The above-described embodiments are merely examples of implementation in carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed in a limited manner. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or the main features thereof.
101 フォトダイオード
102 転送MOSトランジスタ
103 リセットスイッチ
104 増幅MOSFET
105 セレクトスイッチ
108 コンパレータ
109 定電流源
110 ラッチ回路
111 AND論理回路
112 AND論理回路
113 スイッチMOSFET
114 スイッチMOSFET
115 保持容量
116 保持容量
117 スイッチMOSFET
118 スイッチMOSFET
120 差動増幅器
121 差動増幅器
101
105
114 switch MOSFET
118 Switch MOSFET
120
Claims (10)
前記生成された電荷の信号を読み出す読み出し手段と、
前記生成された電荷量が基準値より少ないときの信号と基準値より多いときの信号とが相互に逆極性になるように前記読み出された信号に極性を付与する極性付与手段と
を有することを特徴とする固体撮像装置。 A photoelectric conversion element that generates charges by photoelectric conversion; and
Reading means for reading out the signal of the generated charge;
Polarity adding means for applying polarity to the read signal so that a signal when the generated charge amount is less than a reference value and a signal when the generated charge amount is more than a reference value have opposite polarities to each other; A solid-state imaging device.
前記極性付与手段は、前記レベル検出手段による検出結果を基に前記極性を付与することを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 Furthermore, it has level detection means for detecting the level of the read signal,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the polarity applying unit applies the polarity based on a detection result by the level detecting unit.
前記極性付与手段は、前記生成された電荷量が基準値より少ないときには前記第1の信号に極性を付与し、前記生成された電荷量が基準値より多いときには前記第2の信号に極性を付与して出力することを特徴とする請求項1又は2記載の固体撮像装置。 The reading means reads the electric charge generated by the photoelectric conversion element during a first accumulation time as a first signal, and is generated by the photoelectric conversion element during a second accumulation time shorter than the first accumulation time. Read out the electric charge as a second signal,
The polarity imparting means imparts polarity to the first signal when the generated charge amount is smaller than a reference value, and imparts polarity to the second signal when the generated charge amount is larger than a reference value. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device outputs the output.
前記極性付与手段は、前記生成された電荷量が基準値より少ないときには前記第1の信号に極性を付与し、前記生成された電荷量が基準値より多いときには前記第2の信号に極性を付与して出力することを特徴とする請求項1又は2記載の固体撮像装置。 The readout means reads out the electric charge accumulated in the photoelectric conversion element as a first signal, reads out the electric charge overflowing from the photoelectric conversion element as a second signal,
The polarity imparting means imparts polarity to the first signal when the generated charge amount is smaller than a reference value, and imparts polarity to the second signal when the generated charge amount is larger than a reference value. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device outputs the output.
前記第2の信号は入射光量の対数に比例した信号であることを特徴とする請求項4記載の固体撮像装置。 The first signal is a signal proportional to the amount of incident light,
The solid-state imaging device according to claim 4, wherein the second signal is a signal proportional to the logarithm of the amount of incident light.
前記生成された電荷の信号を読み出す読み出しステップと、
前記生成された電荷量が基準値より少ないときの信号と基準値より多いときの信号とが相互に逆極性になるように前記読み出された信号に極性を付与する極性付与ステップと
を有することを特徴とする固体撮像装置の処理方法。 A processing method for a solid-state imaging device having a photoelectric conversion element that generates charges by photoelectric conversion,
A reading step of reading out the generated charge signal;
A polarity adding step of giving a polarity to the read signal so that a signal when the generated charge amount is smaller than a reference value and a signal when the generated charge amount is larger than a reference value have opposite polarities to each other. A processing method for a solid-state imaging device.
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