JP2011142434A - Solid-state imaging device - Google Patents

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JP2011142434A JP2010001098A JP2010001098A JP2011142434A JP 2011142434 A JP2011142434 A JP 2011142434A JP 2010001098 A JP2010001098 A JP 2010001098A JP 2010001098 A JP2010001098 A JP 2010001098A JP 2011142434 A JP2011142434 A JP 2011142434A
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祐一 五味
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid-state imaging device capable of acquiring a high definition image in which breakdown does not occur. <P>SOLUTION: A vertical scanning circuit 300 reads an optical signal in each divided area obtained by dividing a pixel 100 of a pixel 200 into a plurality of areas during a unit period being a period from an exposure start to the next exposure start, resets a charge holding part only in a portion of divided areas among the divided areas, reads a reset signal from the reset charge holding part, and performs control so as to change divided areas for reading a reset signal in each unit period. A subtractor 620 generates an imaging signal from a signal obtained by taking a difference between the optical signal and an optical signal read in the preceding unit period or the reset signal. A level control part 700 controls the accumulable capacity of a photodiode so as to be a level corresponding to the number of frames from which the optical signal is read by the time the next reset signal is read after reading the reset signal about the same divided area. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、複数の画素が配置された固体撮像装置に関し、より詳細には、グローバルシャッター機能を有する固体撮像装置に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device in which a plurality of pixels are arranged, and more particularly to a solid-state imaging device having a global shutter function.

従来、MOS型固体撮像装置として、全画素の露光開始時刻と露光終了時刻を同一、すなわち全画素の露光期間を同一にするグローバルシャッター方式が知られている(例えば、特許文献1参照)。図6は、グローバルシャッター方式のMOS型固体撮像装置の画素構成を示している。図6において、単一の画素100は、フォトダイオード101、転送トランジスタ102、電荷保持部(FD)103、FDリセットトランジスタ104、増幅トランジスタ105、選択トランジスタ106、及びPDリセットトランジスタ107を備えている。   Conventionally, as a MOS type solid-state imaging device, a global shutter system is known in which the exposure start time and exposure end time of all pixels are the same, that is, the exposure period of all pixels is the same (see, for example, Patent Document 1). FIG. 6 shows a pixel configuration of a global shutter type MOS solid-state imaging device. In FIG. 6, a single pixel 100 includes a photodiode 101, a transfer transistor 102, a charge holding unit (FD) 103, an FD reset transistor 104, an amplification transistor 105, a selection transistor 106, and a PD reset transistor 107.

フォトダイオード101 は、入射光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換素子である。転送トランジスタ102 は、フォトダイオード101 に蓄積された信号電荷を電荷保持部103 (FD)に転送するためのトランジスタである。電荷保持部103は、フォトダイオード101から転送トランジスタ102によって転送された信号電荷を保持する。FDリセットトランジスタ104は、電荷保持部103 内の信号電荷をリセットするためのトランジスタである。増幅トランジスタ105 は、電荷保持部103 の電圧レベルを増幅し、画素信号として出力するためのトランジスタである。選択トランジスタ106 は、信号電荷を読み出す画素として画素100が選択された場合に垂直信号線114 へ画素信号を出力するためのトランジスタである。PDリセットトランジスタ107は、フォトダイオード101内の信号電荷をリセットするためのトランジスタである。ここで、フォトダイオード101 以外は遮光されている。   The photodiode 101 is a photoelectric conversion element that converts incident light into signal charges and accumulates them. The transfer transistor 102 is a transistor for transferring the signal charge accumulated in the photodiode 101 to the charge holding unit 103 (FD). The charge holding unit 103 holds the signal charge transferred from the photodiode 101 by the transfer transistor 102. The FD reset transistor 104 is a transistor for resetting signal charges in the charge holding unit 103. The amplification transistor 105 is a transistor for amplifying the voltage level of the charge holding unit 103 and outputting it as a pixel signal. The selection transistor 106 is a transistor for outputting a pixel signal to the vertical signal line 114 when the pixel 100 is selected as a pixel from which signal charges are read. The PD reset transistor 107 is a transistor for resetting the signal charge in the photodiode 101. Here, light is shielded except for the photodiode 101.

また、画素100内には、垂直信号線114のほか、画素電源線110、FDリセット線111、転送線112、選択線113、及びPDリセット線115が配置されている。画素電源線110 は、電源電圧VDDを印加するための信号線であり、増幅トランジスタ105 のドレイン側、PDリセットトランジスタ107のドレイン側、及びFDリセットトランジスタ104 のドレイン側に電気的に接続されている。FDリセット線111 は、1行分の電荷保持部103をリセットするためのFDリセットパルスφRMi(i=1〜m、mは行数)を印加するための信号線であり、1行分のFDリセットトランジスタ104 のゲートに接続されている。   In addition to the vertical signal line 114, a pixel power line 110, an FD reset line 111, a transfer line 112, a selection line 113, and a PD reset line 115 are arranged in the pixel 100. The pixel power supply line 110 is a signal line for applying the power supply voltage VDD, and is electrically connected to the drain side of the amplification transistor 105, the drain side of the PD reset transistor 107, and the drain side of the FD reset transistor 104. . The FD reset line 111 is a signal line for applying an FD reset pulse φRMi (i = 1 to m, m is the number of rows) for resetting the charge holding unit 103 for one row. The reset transistor 104 is connected to the gate.

転送線112 は、1行分の画素の信号電荷をそれぞれの画素の電荷保持部103 に転送するための行転送パルスφTRi(i=1〜m)を印加するための信号線であり、1行分の画素の転送トランジスタ102 のゲートに電気的に接続されている。選択線113 は、画素信号を読み出す1行分の画素を選択するための行選択パルスφSEi(i=1〜m)を印加するための信号線であり、1行分の画素の選択トランジスタ106 のゲートに電気的に接続されている。このように5個のトランジスタを用いた画素構成により、光電変換機能、リセット機能、増幅読出し機能、一時メモリ機能、及び選択機能が実現される。   The transfer line 112 is a signal line for applying a row transfer pulse φTRi (i = 1 to m) for transferring the signal charges of pixels for one row to the charge holding unit 103 of each pixel. The pixel is electrically connected to the gate of the transfer transistor 102 of the pixel. The selection line 113 is a signal line for applying a row selection pulse φSEi (i = 1 to m) for selecting pixels for one row from which pixel signals are read out. It is electrically connected to the gate. Thus, a photoelectric conversion function, a reset function, an amplification read function, a temporary memory function, and a selection function are realized by a pixel configuration using five transistors.

図7は、MOS型固体撮像装置の構成を示している。図7に示す固体撮像装置は、画素部200、垂直走査回路300、水平信号読出し回路400、電流源150、列処理回路350、ADC (AD(Analog to Digital)コンバータ)500、及びノイズ抑圧回路600を備えている。   FIG. 7 shows a configuration of the MOS type solid-state imaging device. 7 includes a pixel unit 200, a vertical scanning circuit 300, a horizontal signal readout circuit 400, a current source 150, a column processing circuit 350, an ADC (AD (Analog to Digital) converter) 500, and a noise suppression circuit 600. It has.

画素部200は、図6に示した画素100を3×3の2次元状に配列した構造を有する。垂直走査回路300は行単位で画素部200の駆動制御を行う。この駆動制御を行うために、垂直走査回路300は、行数と同じ数の単位回路301-1,301-2,301-3から構成されている。また、各単位回路は、制御部302-i,303-i,304-i,305-i(i=1,2,3)から構成されている。   The pixel unit 200 has a structure in which the pixels 100 shown in FIG. 6 are arranged in a 3 × 3 two-dimensional shape. The vertical scanning circuit 300 performs drive control of the pixel unit 200 in units of rows. In order to perform this drive control, the vertical scanning circuit 300 includes unit circuits 301-1, 301-2, and 301-3 as many as the number of rows. Each unit circuit includes control units 302-i, 303-i, 304-i, and 305-i (i = 1, 2, 3).

制御部302-i は、1行分の電荷保持部103をリセットするためのFDリセットパルスφRMi(i=1,2,3)を行毎に独立して制御する。制御部303-i は、1行分の画素100の信号電荷をそれぞれの画素100の電荷保持部103 に転送するための行転送パルスφTRi(i=1,2,3)を行毎に独立して制御する。制御部304-i は、1行分のフォトダイオード101をリセットするためのPDリセットパルスφRPDi(i=1,2,3)を行毎に独立して制御する。制御部305-i は、信号を読み出す1行分の画素100を選択するための行選択パルスφSEi(i=1,2,3)を行毎に独立して制御する。行選択パルスφSEiにより選択された行の画素100の信号は、列毎に設けられている垂直信号線114へ出力されるようになっている。   The control unit 302-i independently controls the FD reset pulse φRMi (i = 1, 2, 3) for resetting the charge holding unit 103 for one row for each row. The control unit 303-i independently generates a row transfer pulse φTRi (i = 1, 2, 3) for transferring the signal charges of the pixels 100 for one row to the charge holding unit 103 of each pixel 100 for each row. Control. The control unit 304-i controls the PD reset pulse φRPDi (i = 1, 2, 3) for resetting the photodiodes 101 for one row independently for each row. The control unit 305-i independently controls the row selection pulse φSEi (i = 1, 2, 3) for selecting the pixels 100 for one row from which signals are read out for each row. The signal of the pixel 100 in the row selected by the row selection pulse φSEi is output to the vertical signal line 114 provided for each column.

電流源150は垂直信号線114に接続されており、画素100内の増幅トランジスタ105とソースフォロア回路を構成する。列処理回路350は、垂直信号線114に出力される画素信号に対してクランプ動作や増幅動作を行う回路である。水平信号読出し回路400は、垂直信号線114に出力され列処理回路350によって処理された1行分の画素100の画素信号を水平方向の並びの順で時系列に出力端子410から出力する。ADC500は、出力端子410から出力された信号をA/D変換する。   The current source 150 is connected to the vertical signal line 114, and forms a source follower circuit with the amplification transistor 105 in the pixel 100. The column processing circuit 350 is a circuit that performs a clamp operation and an amplification operation on the pixel signal output to the vertical signal line 114. The horizontal signal readout circuit 400 outputs the pixel signals of the pixels 100 for one row, which are output to the vertical signal line 114 and processed by the column processing circuit 350, from the output terminal 410 in time series in the horizontal order. The ADC 500 performs A / D conversion on the signal output from the output terminal 410.

ノイズ抑圧回路600は、ADC500から出力された信号のノイズを抑圧する。このノイズ抑圧回路600は、フレームメモリ610と減算器620とで構成されている。フレームメモリ610は、ADC500でA/D変換された信号を記憶する。減算器620は、ADC500でA/D変換された信号から、フレームメモリ610に記憶されている信号を減算し、撮像信号を生成する。   The noise suppression circuit 600 suppresses noise of the signal output from the ADC 500. The noise suppression circuit 600 includes a frame memory 610 and a subtracter 620. The frame memory 610 stores the signal that has been A / D converted by the ADC 500. The subtracter 620 subtracts the signal stored in the frame memory 610 from the signal A / D converted by the ADC 500 to generate an imaging signal.

図7では、FDリセット線111、転送線112、選択線113、垂直信号線114、及びPDリセット線115は図示されているが、電源電圧VDDを供給する画素電源線110は図示されていない。   In FIG. 7, the FD reset line 111, the transfer line 112, the selection line 113, the vertical signal line 114, and the PD reset line 115 are illustrated, but the pixel power supply line 110 that supplies the power supply voltage VDD is not illustrated.

次に、図7に示した固体撮像装置をデジタルカメラなどに適用し、静止画の撮像を行う場合のグローバルシャッター読出しの動作を、図8に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。固体撮像装置が撮像開始の信号を受け取ると、まず、全行のPDリセットパルスφRPDiが“H”レベル、FDリセットパルスφRMiが“L”レベル、行転送パルスφTRiが“L”レベル、行選択パルスφSEiが“L”レベルとなり、PDリセットトランジスタ107がオンとなることで、全画素のフォトダイオード101がリセット状態となる。PDリセットパルスφRPDi、FDリセットパルスφRMi、行転送パルスφTRi、及び行選択パルスφSEiは垂直走査回路300から出力される。   Next, a global shutter reading operation when the solid-state imaging device shown in FIG. 7 is applied to a digital camera or the like and a still image is taken will be described with reference to a timing chart shown in FIG. When the solid-state imaging device receives an imaging start signal, first, PD reset pulse φRPDi of all rows is “H” level, FD reset pulse φRMi is “L” level, row transfer pulse φTRi is “L” level, row selection pulse When φSEi becomes “L” level and the PD reset transistor 107 is turned on, the photodiodes 101 of all the pixels are reset. The PD reset pulse φRPDi, the FD reset pulse φRMi, the row transfer pulse φTRi, and the row selection pulse φSEi are output from the vertical scanning circuit 300.

続いて、1行目のFDリセットパルスφRM1が“H”レベルとなり、1行目のFDリセットトランジスタ104がオンとなることで、1行目の電荷保持部103がリセット状態となる。そして、1行目のFDリセットパルスφRM1が“L”レベルとなり、1行目のFDリセットトランジスタ104がオフとなった後、1行目の行選択パルスφSE1が“H”レベルとなり、1行目の選択トランジスタ106がオンとなることで、1行目の電荷保持部103のリセットレベルが、列処理回路350を介して水平信号読出し回路400に出力され、リセットレベルに応じたリセット信号が水平信号読出し回路400の出力端子410から水平方向の並びの順で時系列に出力される。出力された1行目のリセット信号は、ADC500によりA/D変換され、フレームメモリ610に保持される。リセット信号の読み出し後、1行目の行選択パルスφSE1が“L”レベルとなり、1行目の選択トランジスタ106がオフとなる。   Subsequently, the FD reset pulse φRM1 in the first row becomes “H” level, and the FD reset transistor 104 in the first row is turned on, so that the charge holding unit 103 in the first row is reset. Then, after the FD reset pulse φRM1 in the first row becomes “L” level and the FD reset transistor 104 in the first row turns off, the row selection pulse φSE1 in the first row becomes “H” level. When the selection transistor 106 is turned on, the reset level of the charge holding unit 103 in the first row is output to the horizontal signal readout circuit 400 via the column processing circuit 350, and the reset signal corresponding to the reset level is output to the horizontal signal. The signals are output in time series from the output terminal 410 of the reading circuit 400 in the order of horizontal arrangement. The output reset signal in the first row is A / D converted by the ADC 500 and held in the frame memory 610. After the reset signal is read, the row selection pulse φSE1 in the first row becomes “L” level, and the selection transistor 106 in the first row is turned off.

続いて、2行目、3行目についても1行目と同様の動作が行われ、全画素のリセット信号が読み出される。   Subsequently, the same operation as the first row is performed for the second and third rows, and the reset signals of all the pixels are read out.

続いて、全行のPDリセットパルスφRPDiが“L”レベルとなり、PDリセットトランジスタ107がオフとなることで、フォトダイオード101は蓄積を開始する。所望の蓄積時間が経過すると、全行の行転送パルスφTRiが“H”レベルとなり、全画素の転送トランジスタ102がオンとなることで、全画素のフォトダイオード101に蓄積された信号電荷が電荷保持部103に転送される。フォトダイオード101が蓄積を開始してから電荷保持部103への信号電荷の転送が終了するまでの期間が蓄積期間(図8の矢印で示す露光期間)である。また、信号電荷の転送動作が終了した直後に、全行の行転送パルスφTRiが“L”レベルとなり、全画素の転送トランジスタ102がオフとなると共に、全行のPDリセットパルスφRPDiが“H”レベルとなり、全画素のフォトダイオード101がリセット状態となる。   Subsequently, the PD reset pulse φRPDi of all rows becomes “L” level and the PD reset transistor 107 is turned off, whereby the photodiode 101 starts accumulation. When the desired accumulation time has elapsed, the row transfer pulse φTRi for all rows becomes “H” level, and the transfer transistors 102 for all the pixels are turned on, so that the signal charges accumulated in the photodiodes 101 for all the pixels are retained. Transferred to the unit 103. The period from the start of accumulation of the photodiode 101 to the end of transfer of the signal charge to the charge holding unit 103 is an accumulation period (exposure period indicated by an arrow in FIG. 8). Immediately after the signal charge transfer operation is completed, the row transfer pulse φTRi of all rows becomes “L” level, the transfer transistors 102 of all pixels are turned off, and the PD reset pulse φRPDi of all rows is “H”. The photodiode 101 of all pixels is reset.

続いて、1行目の行選択パルスφSE1が“H”レベルとなり、1行目の画素から信号電荷に応じた光信号レベルが、列処理回路350を介して水平信号読出し回路400に出力され、光信号が水平信号読出し回路400の出力端子410から水平方向の並びの順で時系列に出力される。出力された1行目の光信号は、ADC500によりA/D変換され、減算器620に入力される。減算器620は、1行目の光信号と、フレームメモリ610に保持されている1行目の電荷保持部103のリセット信号との差分をとることで、露光期間中にフォトダイオード101に蓄積された信号電荷に対応した光信号成分のみを取り出す。この動作では、電荷保持部103のリセットノイズを除去することが可能であるので、高S/Nの信号を得ることができる。光信号の読み出し後、1行目の行選択パルスφSE1が“L”レベルとなる。   Subsequently, the row selection pulse φSE1 of the first row becomes “H” level, and the optical signal level corresponding to the signal charge is output from the pixels of the first row to the horizontal signal readout circuit 400 via the column processing circuit 350, Optical signals are output in time series from the output terminal 410 of the horizontal signal readout circuit 400 in the order of horizontal arrangement. The output optical signal in the first row is A / D converted by the ADC 500 and input to the subtractor 620. The subtractor 620 calculates the difference between the optical signal of the first row and the reset signal of the charge holding unit 103 of the first row held in the frame memory 610, and is stored in the photodiode 101 during the exposure period. Only the optical signal component corresponding to the received signal charge is extracted. In this operation, the reset noise of the charge holding unit 103 can be removed, so that a high S / N signal can be obtained. After the optical signal is read, the row selection pulse φSE1 of the first row becomes “L” level.

続いて、2行目、3行目についても1行目と同様な動作が行われ、全画素の光信号が読み出され、リセット信号との差分をとることで高S/Nの光信号成分のみが取り出される。光信号成分からなる撮像信号は図示しない画像処理回路に入力されて処理され、最終的な静止画の画像を得ることができる。このように、図7に示す固体撮像装置によれば、全行の信号蓄積の開始と終了のタイミングが同時となるグローバルシャッター動作を実現することができる。   Subsequently, the same operation as the first row is performed for the second and third rows, the optical signals of all pixels are read out, and the difference from the reset signal is taken to obtain a high S / N optical signal component. Only is taken out. An imaging signal composed of an optical signal component is input to an image processing circuit (not shown) and processed, and a final still image can be obtained. As described above, according to the solid-state imaging device shown in FIG. 7, it is possible to realize a global shutter operation in which the start and end timings of signal accumulation in all rows are the same.

特開2005−65184号公報JP 2005-65184 A

静止画の画像を1枚取得する場合の動作は、図8のタイミングチャートに示したようになる。一方、連続撮影(連写)を行う場合は、図9に示すように、図8に示した動作を繰り返し行うことになるため、撮影毎にリセット信号の読出しと光信号の読出しをそれぞれ行わなければならず、連写の間隔は、全画素から信号を読み出すために必要な時間の2倍以上となってしまう。図9では、1フレーム目と2フレーム目、3フレーム目と4フレーム目、・・・、7フレーム目と8フレーム目の信号読出しによりそれぞれ1回の撮影が構成され、連写速度を上げることが困難である。この連写速度を向上させるために、非破壊読出しを利用してリセット信号の読出し期間を短くする方法が考えられる。以下、この方法を、図10のタイミングチャートを用いて説明する。   The operation for acquiring one still image is as shown in the timing chart of FIG. On the other hand, when continuous shooting (continuous shooting) is performed, the operation shown in FIG. 8 is repeatedly performed as shown in FIG. 9, and therefore the reset signal and the optical signal must be read for each shooting. In other words, the interval of continuous shooting is more than twice the time required to read out signals from all pixels. In FIG. 9, the first frame and the second frame, the third frame and the fourth frame,..., The seventh frame and the eighth frame signal reading each constitute a single shooting and increase the continuous shooting speed. Is difficult. In order to improve the continuous shooting speed, a method of shortening the readout period of the reset signal using nondestructive readout can be considered. Hereinafter, this method will be described with reference to the timing chart of FIG.

図10において、1枚目の撮影動作は図9と同じであるが、2枚目以降の撮影動作とフレームメモリ610への保持動作が異なる。2フレーム目で読み出された光信号は、減算器620に入力されると共にフレームメモリ610に上書き保持される。減算器620では、2フレーム目で読み出された光信号と、1フレーム目で読み出されたリセット信号との差分がとられ、撮像信号として出力される。その後、1行目のみFDリセットパルスφRM1及び行選択パルスφSE1の駆動が行われ、電荷保持部103のリセットレベルの読出しとフレームメモリ610への上書き保持動作が行われる。続いて、全行のPDリセットパルスφRPDiが“L”レベルとなり、フォトダイオード101は蓄積を開始する。所望の蓄積時間が経過すると、全行の行転送パルスφTRiが“H”レベルとなり、全画素のフォトダイオード101に蓄積された信号電荷が電荷保持部103に転送される。   In FIG. 10, the shooting operation for the first image is the same as that in FIG. 9, but the shooting operation for the second and subsequent images is different from the holding operation in the frame memory 610. The optical signal read in the second frame is input to the subtracter 620 and overwritten and held in the frame memory 610. The subtracter 620 calculates a difference between the optical signal read in the second frame and the reset signal read in the first frame, and outputs the difference as an imaging signal. Thereafter, the FD reset pulse φRM1 and the row selection pulse φSE1 are driven only in the first row, and the reset level reading of the charge holding unit 103 and the overwrite holding operation to the frame memory 610 are performed. Subsequently, the PD reset pulse φRPDi of all rows becomes “L” level, and the photodiode 101 starts accumulation. When a desired accumulation time elapses, the row transfer pulse φTRi for all rows becomes “H” level, and the signal charges accumulated in the photodiodes 101 of all pixels are transferred to the charge holding unit 103.

続いて、3フレーム目では、光信号の読出し動作、光信号とフレームメモリ610に保持された信号との差分をとる動作、及びフレームメモリ610への上書き保持動作が行われる。2フレーム目で1行目の電荷保持部103がリセットされているので、3フレーム目で1行目から読み出される光信号は、2回目の露光期間でフォトダイオード101に蓄積された信号電荷に対応した信号となる。一方、2フレーム目で2行目と3行目の電荷保持部103はリセットされず、非破壊読み出し動作が行われるので、3フレーム目で2行目と3行目から読み出される光信号は、2フレーム目で読み出された光信号と、2回目の露光期間でフォトダイオード101に蓄積された信号電荷に対応した光信号との和となる。   Subsequently, in the third frame, an optical signal reading operation, an operation for obtaining a difference between the optical signal and the signal held in the frame memory 610, and an overwrite holding operation on the frame memory 610 are performed. Since the charge holding unit 103 in the first row is reset in the second frame, the optical signal read from the first row in the third frame corresponds to the signal charge accumulated in the photodiode 101 during the second exposure period. Signal. On the other hand, the charge holding units 103 in the second and third rows are not reset in the second frame, and a non-destructive read operation is performed, so the optical signals read from the second and third rows in the third frame are This is the sum of the optical signal read in the second frame and the optical signal corresponding to the signal charge accumulated in the photodiode 101 during the second exposure period.

フレームメモリ610には、2フレーム目で読み出された1行目のリセット信号、及び2フレーム目で読み出された2行目と3行目の光信号が保持されている。このため、3フレーム目で読み出された光信号と、フレームメモリ610に上書き保持された信号との差分をとることにより、2回目の露光期間でフォトダイオード101に蓄積された信号電荷に対応した撮像信号を得ることができる。また、3フレーム目では、2行目のみ電荷保持部103がリセットされ、リセット信号の読出し動作とフレームメモリ610への上書き保持動作とが行われる。   The frame memory 610 holds the reset signal of the first row read out in the second frame and the optical signals of the second row and the third row read out in the second frame. Therefore, by taking the difference between the optical signal read out in the third frame and the signal overwritten and held in the frame memory 610, it corresponds to the signal charge accumulated in the photodiode 101 in the second exposure period. An imaging signal can be obtained. In the third frame, the charge holding unit 103 is reset only in the second row, and a reset signal read operation and an overwrite holding operation to the frame memory 610 are performed.

4フレーム目では、光信号の読出し動作、光信号とフレームメモリ610に保持された信号との差分をとる動作、フレームメモリ610への光信号の上書き保持動作、3行目のみ電荷保持部103のリセット動作、リセット信号の読出し動作、フレームメモリ610へのリセット信号の上書き保持動作が行われる。   In the fourth frame, an optical signal read operation, an operation for obtaining the difference between the optical signal and the signal held in the frame memory 610, an optical signal overwrite holding operation in the frame memory 610, and only the third row of the charge holding unit 103 A reset operation, a reset signal read operation, and a reset signal overwrite holding operation to the frame memory 610 are performed.

5フレーム以降は、同様な動作が繰り返し行われる。従って、各画素では、電荷保持部103がリセットされた後に非破壊読み出しを利用して光信号が3回読み出されることとなる。また、電荷保持部103のリセット動作を1行ずつ異なるフレームで行うことにより、各フレームの光信号読出し期間とリセット信号読出し期間を同一にしながら、リセット信号を読み出す期間を減らすことができるので、連写速度を向上させることが可能となる。なお、ここでは、行数が3行の場合を示したが、画素数が多い場合は、画素領域を複数の領域に分割し、分割した領域の画素をフレーム毎に変えて電荷保持部103のリセット動作を行うことで同様な効果が得られる。   Similar operations are repeated after 5 frames. Therefore, in each pixel, the optical signal is read out three times using nondestructive reading after the charge holding unit 103 is reset. In addition, by performing the reset operation of the charge holding unit 103 in different frames for each row, the optical signal readout period and the reset signal readout period of each frame can be made the same, and the reset signal readout period can be reduced. It is possible to improve the copying speed. Here, the case where the number of rows is three is shown, but when the number of pixels is large, the pixel region is divided into a plurality of regions, and the pixels of the divided regions are changed for each frame. A similar effect can be obtained by performing the reset operation.

しかしながら、図10に示した動作においては、非破壊読み出しを利用し、現フレームで読み出した光信号と前フレームで読み出した光信号との差分をとるため、非破壊読み出し中にフォトダイオード101もしくは電荷保持部103で信号が飽和すると、それ以降の信号が有効では無くなり、差分処理後の信号が破綻してしまう。例えば、非破壊読み出しにより信号を3回読み出す場合、図11(a)に示すように、1〜3回目の光信号出力がいずれも飽和していない時は、差分処理により、露光に対応した信号を正しく得ることができる。一方、図11(b)に示すように、2,3回目の光信号出力が飽和している時は、1回目の光信号は正しいが、2回目の光信号は、出力が飽和しなければさらに出力が大きくなると考えられるため、正しくない可能性がある。また、3回目の光信号は、2回目で出力が飽和してしまっているため正しい信号ではない。   However, in the operation shown in FIG. 10, the non-destructive readout is used and the difference between the optical signal read out in the current frame and the optical signal read out in the previous frame is taken. When the signal is saturated in the holding unit 103, the subsequent signals are not valid, and the signal after the difference processing is broken. For example, when a signal is read three times by nondestructive reading, as shown in FIG. 11A, when none of the first to third optical signal outputs is saturated, a signal corresponding to exposure is obtained by differential processing. Can be obtained correctly. On the other hand, as shown in FIG. 11 (b), when the second and third optical signal outputs are saturated, the first optical signal is correct, but the second optical signal output is not saturated. In addition, it is possible that the output will be larger and may not be correct. In addition, the third optical signal is not correct because the output is saturated at the second time.

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、破綻が生じない高画質な画像を得ることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device that can obtain a high-quality image that does not fail.

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷をリセットする第1のリセット部と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を保持する電荷保持部と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を前記電荷保持部に転送する転送部と、前記電荷保持部に保持された信号電荷をリセットする第2のリセット部とを備えた画素を2次元状に配列した画素部を有し、所定領域の全画素の前記光電変換素子を一括してリセットし、当該リセットから露光期間が経過した後に、前記光電変換素子に蓄積された前記信号電荷を前記全画素で一括して前記電荷保持部に転送した後に、前記電荷保持部に転送された前記信号電荷に応じた光信号を読み出すことを連続して行う固体撮像装置であって、露光開始から次の露光開始までの期間である単位期間において、前記画素部の画素を複数に分割した分割領域毎に前記光信号を読み出し、前記分割領域のうち、一部の分割領域のみ前記電荷保持部をリセットし、当該リセットを行った前記電荷保持部からリセット信号を読み出し、且つ前記リセット信号を読み出す分割領域を前記単位期間毎に変更する制御を行う信号読出し制御部と、前記光信号と直前の前記単位期間で読み出した前記光信号もしくは前記リセット信号との差分をとった信号から撮像信号を生成する差分処理部と、同一の分割領域について、前記リセット信号を読み出した後、次に前記リセット信号を読み出すまでに前記光信号を読み出したフレームの数に応じたレベルとなるように、前記光電変換素子の蓄積可能な容量を制御する蓄積容量制御部と、を有することを特徴とする固体撮像装置である。   The present invention has been made in order to solve the above-described problem. The photoelectric conversion element, the first reset unit that resets the signal charge accumulated in the photoelectric conversion element, and the photoelectric conversion element accumulated. A charge holding unit that holds a signal charge; a transfer unit that transfers the signal charge accumulated in the photoelectric conversion element to the charge holding unit; and a second reset unit that resets the signal charge held in the charge holding unit The pixel unit is arranged in a two-dimensional manner, and the photoelectric conversion elements of all the pixels in a predetermined region are collectively reset, and after the exposure period has elapsed from the reset, the photoelectric conversion element A solid-state imaging device that continuously reads out the optical signal corresponding to the signal charge transferred to the charge holding unit after transferring the accumulated signal charge to the charge holding unit collectively in all pixels In In the unit period that is a period from the start of exposure to the start of the next exposure, the optical signal is read out for each divided region obtained by dividing the pixel of the pixel unit into a plurality of regions, and only a part of the divided regions is included A signal reading control unit that resets the charge holding unit, reads a reset signal from the resetting charge holding unit, and changes a divided region for reading the reset signal for each unit period; and the light A difference processing unit that generates an imaging signal from a signal obtained by taking a difference between the signal and the optical signal or the reset signal read in the previous unit period, and after reading the reset signal for the same divided region, The photoelectric conversion element can be accumulated so that the level corresponds to the number of frames from which the optical signal is read before the reset signal is read. A storage capacitor control unit for controlling an amount, a solid state imaging device characterized in that it comprises a.

また、本発明の固体撮像装置において、前記蓄積容量制御部は、前記光電変換素子に蓄積された前記信号電荷を、前記電荷保持部に転送する前に前記第1のリセット部を介してオーバーフローさせることを特徴とする。   In the solid-state imaging device of the present invention, the storage capacitance control unit causes the signal charge stored in the photoelectric conversion element to overflow through the first reset unit before being transferred to the charge holding unit. It is characterized by that.

また、本発明の固体撮像装置は、前記リセット信号の読み出し後、当該リセット信号を読み出した前記分割領域の前記光信号のみを複数の前記単位期間で連続して読み出す場合に、画素の出力をクリップすると共に当該クリップのレベルを前記単位期間毎に可変可能なクリップ部をさらに有することを特徴とする。   In addition, the solid-state imaging device of the present invention clips the pixel output when the reset signal is read and only the optical signal of the divided area from which the reset signal is read is continuously read in a plurality of the unit periods. In addition, a clip portion that can change the level of the clip for each unit period is further provided.

本発明によれば、同一の分割領域について、リセット信号を読み出した後、次にリセット信号を読み出すまでに光信号を読み出したフレームの数に応じたレベルとなるように、光電変換素子の蓄積可能な容量を制御する。これによって、露光期間中に光電変換素子に蓄積される信号電荷が所定量を超えないようにすると共に、非破壊読み出しにより複数回の読出しを行っても信号が飽和しないようにすることが可能となる。このため、破綻が生じない高画質な画像を得ることができる。   According to the present invention, photoelectric conversion elements can be accumulated so that the level is in accordance with the number of frames from which optical signals are read out after the reset signal is read out for the same divided region. Control the capacity. As a result, the signal charge accumulated in the photoelectric conversion element during the exposure period can be prevented from exceeding a predetermined amount, and the signal can be prevented from being saturated even if the reading is performed a plurality of times by nondestructive reading. Become. For this reason, it is possible to obtain a high-quality image that does not fail.

本発明の第1の実施形態による固体撮像装置の構成を示すブロック図である。1 is a block diagram illustrating a configuration of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態による固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。3 is a timing chart illustrating an operation of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態において、フォトダイオードの蓄積可能な容量を制御する方法を説明するための参考図である。FIG. 3 is a reference diagram for explaining a method of controlling the storable capacity of a photodiode in the first embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態による固体撮像装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the solid-state imaging device by the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態による固体撮像装置が備えるクリップ部の構成を示す部分回路図である。It is a partial circuit diagram which shows the structure of the clip part with which the solid-state imaging device by the 1st Embodiment of this invention is provided. 固体撮像装置が有する画素の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the pixel which a solid-state imaging device has. 従来の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the conventional solid-state imaging device. 従来の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows operation | movement of the conventional solid-state imaging device. 従来の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows operation | movement of the conventional solid-state imaging device. リセット信号の読出し期間を短くした固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows operation | movement of the solid-state imaging device which shortened the read period of the reset signal. 画素から読み出される光信号のレベルを示す参考図である。It is a reference figure which shows the level of the optical signal read from a pixel.

以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
まず、本発明の第1の実施形態を説明する。図1は、本実施形態による固体撮像装置の構成を示している。図1に示す固体撮像装置は、画素部200、垂直走査回路300、水平信号読出し回路400、電流源150、列処理回路350、ADC500、ノイズ抑圧回路600、及びレベル制御部700を備えている。図1に示す構成は、図7に示す構成に対してレベル制御部700を加えた構成となっている。他の構成については、前述した通りである。また、画素100の構成は、図6に示した通りである。本実施形態では、画素領域を複数に分割した分割領域が行に対応しているが、この限りではない。
(First embodiment)
First, a first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 shows the configuration of the solid-state imaging device according to the present embodiment. The solid-state imaging device shown in FIG. 1 includes a pixel unit 200, a vertical scanning circuit 300, a horizontal signal readout circuit 400, a current source 150, a column processing circuit 350, an ADC 500, a noise suppression circuit 600, and a level control unit 700. The configuration shown in FIG. 1 is obtained by adding a level control unit 700 to the configuration shown in FIG. Other configurations are as described above. The configuration of the pixel 100 is as shown in FIG. In the present embodiment, a divided region obtained by dividing a pixel region into a plurality corresponds to a row, but this is not restrictive.

レベル制御部700は、PDリセットパルスΦRPDの出力レベルを制御することによって、フォトダイオード101に蓄積可能な信号電荷の容量を制御する。より具体的には、レベル制御部700は、同一行について、リセット信号を読み出した後、次にリセット信号を読み出すまでに光信号を読み出したフレームの数に応じたレベルとなるように、フォトダイオード101に蓄積可能な信号電荷の容量を制御する。本実施形態では、各行について、Nフレーム目におけるリセット信号の読出しと、N+3フレーム目におけるリセット信号の読出しとの間に非破壊読出しにより光信号が3回読み出されるので、フォトダイオード101に蓄積される信号電荷数が飽和電荷数の1/3以下となるように制御される。   The level control unit 700 controls the capacity of signal charges that can be accumulated in the photodiode 101 by controlling the output level of the PD reset pulse ΦRPD. More specifically, the level control unit 700 reads the reset signal for the same row, and then reads the photodiode so that the level is in accordance with the number of frames from which the optical signal is read before the reset signal is read. The capacity of signal charges that can be stored in 101 is controlled. In the present embodiment, for each row, the optical signal is read out three times by nondestructive reading between the readout of the reset signal at the Nth frame and the readout of the reset signal at the N + 3th frame, so that it is stored in the photodiode 101. The number of signal charges to be generated is controlled to be 1/3 or less of the number of saturated charges.

次に、図2のタイミングチャートを用いて、図1に示した固体撮像装置の動作を説明する。図2のタイミングチャートは、図10に対して、露光期間中のPDリセットパルスΦRPDiのレベルが異なるのみであるので詳細な説明は省略する。前述したように、画素部200では、垂直走査回路300が出力する各パルスによって、露光開始から次の露光開始までの単位期間である1フレームにおいて、行毎に光信号を読み出し、その後、一部の行のみ電荷保持部103をリセットしてリセット信号を読み出す制御が行われると共に、リセット信号を読み出す行をフレーム毎に変更する制御が行われる。また、図10においては、露光期間中のPDリセットパルスΦRPDiのレベルは、PDリセットトランジスタ107がオフするレベルであったが、図2の露光期間中のPDリセットパルスΦRPDiのレベルは、PDリセットトランジスタ107がオンするレベルとオフするレベルの中間レベル(以下、中間電位と記載する)となっている。   Next, the operation of the solid-state imaging device shown in FIG. 1 will be described using the timing chart of FIG. The timing chart of FIG. 2 is different from FIG. 10 only in the level of the PD reset pulse ΦRPDi during the exposure period, and a detailed description thereof will be omitted. As described above, in the pixel unit 200, each pulse output from the vertical scanning circuit 300 reads an optical signal for each row in one frame, which is a unit period from the start of exposure to the start of the next exposure, and then partially Control for resetting the charge holding unit 103 and reading the reset signal is performed only for the first row, and control for changing the row for reading the reset signal for each frame is performed. In FIG. 10, the level of the PD reset pulse ΦRPDi during the exposure period is a level at which the PD reset transistor 107 is turned off. The level of the PD reset pulse ΦRPDi during the exposure period in FIG. It is an intermediate level between the level at which 107 is turned on and the level at which it is turned off (hereinafter referred to as intermediate potential).

このように、露光期間中のPDリセットパルスΦRPDのレベルを中間電位にすると、図3のポテンシャル図に示すように、PDリセットトランジスタ107のゲート電極下のポテンシャルが高くなる。このため、このポテンシャルで決まる量以上の信号電荷は、PDリセットトランジスタ107を介して電源VDD側に排出され、フォトダイオード101はオーバーフロー動作をする。従って、フォトダイオード101に蓄積される最大の電荷数は本来の飽和電荷数よりも少ない電荷数となる。この最大蓄積電荷数は、PDリセットパルスΦRPDのレベルを制御することで制御可能である。本実施形態では、電荷保持部103をリセットした後、次に電荷保持部103をリセットするまでに非破壊読出しにより光信号を3回読み出すこととなるので、フォトダイオード101に蓄積される最大の電荷数を、本来の飽和電荷数の1/3以下となるように制御すればよいこととなる。   As described above, when the level of the PD reset pulse ΦRPD during the exposure period is set to the intermediate potential, the potential under the gate electrode of the PD reset transistor 107 increases as shown in the potential diagram of FIG. For this reason, signal charges exceeding the amount determined by this potential are discharged to the power supply VDD side via the PD reset transistor 107, and the photodiode 101 performs an overflow operation. Therefore, the maximum number of charges accumulated in the photodiode 101 is less than the original number of saturated charges. This maximum number of accumulated charges can be controlled by controlling the level of the PD reset pulse ΦRPD. In the present embodiment, after resetting the charge holding unit 103, the optical signal is read out three times by nondestructive reading until the next time the charge holding unit 103 is reset, so that the maximum charge accumulated in the photodiode 101 is The number may be controlled to be 1/3 or less of the original saturated charge number.

上記動作によれば、1〜3回の露光期間中でフォトダイオード101に蓄積される信号電荷は、それぞれ本来の飽和電荷数の1/3以下となる。従って、1回目の光信号出力は本来の飽和出力の1/3以下となり、2回目の光信号出力は本来の飽和出力の2/3以下となり、3回目の光信号出力は本来の飽和出力以下となる。このため、1回目の光信号とリセット信号、2回目の光信号と1回目の光信号、3回目の光信号2回目の光信号の差分をとっても破綻のない正しい信号を得ることが可能となる。よって、本実施形態によれば、破綻が生じない高画質な画像を得ることができる。   According to the above operation, the signal charge accumulated in the photodiode 101 during the exposure period of 1 to 3 times is 1/3 or less of the original saturated charge number. Therefore, the first optical signal output is less than 1/3 of the original saturation output, the second optical signal output is less than 2/3 of the original saturation output, and the third optical signal output is less than the original saturation output. It becomes. Therefore, it is possible to obtain a correct signal that does not fail even if the difference between the first optical signal and the reset signal, the second optical signal and the first optical signal, and the third optical signal and the second optical signal is taken. . Therefore, according to the present embodiment, it is possible to obtain a high-quality image that does not fail.

なお、本実施形態では、簡易的に画素が3行3列の場合を説明したが、これに限るものではなく、目的を逸脱しない範囲での変更が可能である。例えば、画素数が多い場合は、画素領域を複数に分割し、分割した領域の画素をフレーム毎に変えて電荷保持部103のリセット動作を行うことも可能である。また、信号を読み出す順序及び電荷保持部103をリセットする順序を1行目、2行目、3行目の順としているが、順序はこれに限ったものではない。さらに、PDリセットパルスΦRPDのレベルを制御することによりフォトダイオード101の蓄積容量の制御を行っているが、この方法に限らず、例えばPDリセットトランジスタ107の電源を画素電源と独立させ、その電位を制御することも可能であるし、転送トランジスタ102およびFDリセットトランジスタ104を介して制御することも可能である。   In the present embodiment, the case where the pixels are arranged in 3 rows and 3 columns has been described in a simple manner. However, the present invention is not limited to this, and can be changed without departing from the purpose. For example, when the number of pixels is large, it is possible to divide the pixel region into a plurality of regions and change the pixels in the divided regions for each frame to perform the reset operation of the charge holding unit 103. In addition, the order of reading signals and the order of resetting the charge holding unit 103 are the first, second, and third lines, but the order is not limited to this. Furthermore, the storage capacity of the photodiode 101 is controlled by controlling the level of the PD reset pulse ΦRPD, but this is not a limitation. For example, the power source of the PD reset transistor 107 is made independent of the pixel power source, and the potential is set. It is also possible to control, and it is also possible to control via the transfer transistor 102 and the FD reset transistor 104.

(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態を説明する。図4は、本実施形態による固体撮像装置の構成を示している。図4に示す構成は、図1に示す構成に対して、クリップ部800を加えた構成となっている。他の構成については、前述した通りである。本実施形態では、画素領域を複数に分割した分割領域が行に対応しているが、この限りではない。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 shows the configuration of the solid-state imaging device according to the present embodiment. The configuration shown in FIG. 4 is obtained by adding a clip unit 800 to the configuration shown in FIG. Other configurations are as described above. In the present embodiment, a divided region obtained by dividing a pixel region into a plurality corresponds to a row, but this is not restrictive.

クリップ部800は、図5に示すように、垂直信号線114にMOSトランジスタを接続し、垂直信号線114の信号レベルをクリップするようにMOSトランジスタにクリップ電源VCLおよび制御信号ΦCLが入力される構成となっている。垂直信号線114の信号レベルがクリップ電源VCLのレベルに到達するまでは、垂直信号線114の信号レベルが列処理回路350に出力される。垂直信号線114の信号レベルがクリップ電源VCLのレベルを超えようとすると、クリップ部800によって垂直信号線114の信号レベルはクリップ電源VCLのレベルにクリップされ、このレベルが列処理回路350に出力される。クリップのレベルはフレーム毎に制御される。   As shown in FIG. 5, the clip unit 800 is configured such that a MOS transistor is connected to the vertical signal line 114, and the clip power supply VCL and the control signal ΦCL are input to the MOS transistor so as to clip the signal level of the vertical signal line 114. It has become. The signal level of the vertical signal line 114 is output to the column processing circuit 350 until the signal level of the vertical signal line 114 reaches the level of the clip power supply VCL. When the signal level of the vertical signal line 114 exceeds the level of the clip power supply VCL, the signal level of the vertical signal line 114 is clipped to the level of the clip power supply VCL by the clip unit 800 and this level is output to the column processing circuit 350. The The clip level is controlled for each frame.

図4に示す固体撮像装置の動作は、第1の実施形態における図2に示す動作と同様なので、詳細な説明は省略する。本実施形態では、電荷保持部103をリセットした後、次に電荷保持部103をリセットするまでに非破壊読出しにより光信号の読出しを3回行うが、光信号の読出し回数に応じて、クリップ部800でクリップするレベル(以下、クリップレベルと記載する)が以下のように制御される。すなわち、クリップレベルが、1回目の光信号読出し期間では本来の飽和出力の1/3に、2回目の光信号読出し期間では本来の飽和出力の2/3に、3回目の光信号読出し期間では本来の飽和出力になるように制御される。   Since the operation of the solid-state imaging device shown in FIG. 4 is the same as the operation shown in FIG. 2 in the first embodiment, detailed description thereof is omitted. In the present embodiment, after the charge holding unit 103 is reset, the optical signal is read out three times by nondestructive reading until the charge holding unit 103 is reset next. The level to be clipped at 800 (hereinafter referred to as clip level) is controlled as follows. That is, the clip level is 1/3 of the original saturation output in the first optical signal readout period, 2/3 of the original saturation output in the second optical signal readout period, and in the third optical signal readout period. Control is performed to achieve the original saturation output.

上記動作によれば、第1の実施形態で説明した通り、PDリセットパルスΦRPDのレベルを中間電位にすることにより、1回目の光信号出力は本来の飽和出力の1/3以下となり、2回目の光信号出力は本来の飽和出力の2/3以下となり、3回目の光信号出力は本来の飽和出力以下となる。仮に光漏れなどにより電荷保持部103にノイズが混入して、想定した以上のレベルの出力が現われても、クリップ部800により画素出力は想定したレベル以下となる。従って、1回目の光信号とリセット信号、2回目の光信号と1回目の光信号、3回目の光信号と2回目の光信号の差分をとっても破綻のない正しい信号を得ることが可能となる。よって、本実施形態によれば、破綻が生じない高画質な画像を得ることができる。   According to the above operation, as described in the first embodiment, by setting the level of the PD reset pulse ΦRPD to the intermediate potential, the first optical signal output becomes 1/3 or less of the original saturation output, and the second time The optical signal output is less than 2/3 of the original saturation output, and the third optical signal output is less than the original saturation output. Even if noise is mixed in the charge holding unit 103 due to light leakage or the like and an output of a level higher than the expected level appears, the clip unit 800 causes the pixel output to be below the assumed level. Therefore, it is possible to obtain a correct signal that does not fail even if the difference between the first optical signal and the reset signal, the second optical signal and the first optical signal, and the difference between the third optical signal and the second optical signal is taken. . Therefore, according to the present embodiment, it is possible to obtain a high-quality image that does not fail.

なお、本実施形態では、簡易的に画素が3行3列の場合を説明したが、これに限るものではなく、目的を逸脱しない範囲での変更が可能である。例えば、画素数が多い場合は、画素領域を複数に分割し、分割した領域の画素をフレーム毎に変えて電荷保持部103のリセット動作を行うことも可能である。また、信号を読み出す順序及び電荷保持部103をリセットする順序を1行目、2行目、3行目の順としているが、順序はこれに限ったものではない。また、クリップ部800は、光信号の読出し回数に応じてクリップレベルを制御できるものであればよく、図5に示した構成である必要はないことは言うまでもない。   In the present embodiment, the case where the pixels are arranged in 3 rows and 3 columns has been described in a simple manner. However, the present invention is not limited to this, and can be changed without departing from the purpose. For example, when the number of pixels is large, it is possible to divide the pixel region into a plurality of regions and change the pixels in the divided regions for each frame to perform the reset operation of the charge holding unit 103. In addition, the order of reading signals and the order of resetting the charge holding unit 103 are the first, second, and third lines, but the order is not limited to this. Needless to say, the clip unit 800 is not limited to the configuration shown in FIG. 5 as long as the clip level can be controlled in accordance with the number of times the optical signal is read.

以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。   As described above, the embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to the above-described embodiments, and includes design changes and the like without departing from the gist of the present invention. .

100・・・画素、101・・・フォトダイオード(光電変換素子)、102・・・転送トランジスタ(転送部)、103・・・電荷保持部、104・・・ FDリセットトランジスタ(第2のリセット部)、105・・・増幅トランジスタ、106・・・選択トランジスタ、107・・・ PDリセットトランジスタ(第1のリセット部)、150・・・電流源、200・・・画素部、300・・・垂直走査回路(信号読出し制御部)、350・・・列処理回路、400・・・水平信号読出し回路、500・・・ ADC、600・・・ノイズ抑圧回路、610・・・フレームメモリ、620・・・減算器(差分処理部)、700・・・レベル制御部(蓄積容量制御部)、800・・・クリップ部   100 ... Pixel, 101 ... Photodiode (photoelectric conversion element), 102 ... Transfer transistor (transfer part), 103 ... Charge holding part, 104 ... FD reset transistor (second reset part) ), 105... Amplification transistor, 106... Selection transistor, 107... PD reset transistor (first reset unit), 150... Current source, 200. Scanning circuit (signal readout control unit), 350 ... column processing circuit, 400 ... horizontal signal readout circuit, 500 ... ADC, 600 ... noise suppression circuit, 610 ... frame memory, 620 ...・ Subtracter (difference processing unit), 700 ... level control unit (storage capacity control unit), 800 ... clip unit

Claims (3)

光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷をリセットする第1のリセット部と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を保持する電荷保持部と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を前記電荷保持部に転送する転送部と、前記電荷保持部に保持された信号電荷をリセットする第2のリセット部とを備えた画素を2次元状に配列した画素部を有し、
所定領域の全画素の前記光電変換素子を一括してリセットし、当該リセットから露光期間が経過した後に、前記光電変換素子に蓄積された前記信号電荷を前記全画素で一括して前記電荷保持部に転送した後に、前記電荷保持部に転送された前記信号電荷に応じた光信号を読み出すことを連続して行う固体撮像装置であって、
露光開始から次の露光開始までの期間である単位期間において、前記画素部の画素を複数に分割した分割領域毎に前記光信号を読み出し、前記分割領域のうち、一部の分割領域のみ前記電荷保持部をリセットし、当該リセットを行った前記電荷保持部からリセット信号を読み出し、且つ前記リセット信号を読み出す分割領域を前記単位期間毎に変更する制御を行う信号読出し制御部と、
前記光信号と直前の前記単位期間で読み出した前記光信号もしくは前記リセット信号との差分をとった信号から撮像信号を生成する差分処理部と、
同一の分割領域について、前記リセット信号を読み出した後、次に前記リセット信号を読み出すまでに前記光信号を読み出したフレームの数に応じたレベルとなるように、前記光電変換素子の蓄積可能な容量を制御する蓄積容量制御部と、
を有することを特徴とする固体撮像装置。
A photoelectric conversion element; a first reset unit that resets signal charges accumulated in the photoelectric conversion element; a charge holding unit that retains signal charges accumulated in the photoelectric conversion element; and A pixel unit in which pixels having a transfer unit that transfers the signal charge to the charge holding unit and a second reset unit that resets the signal charge held in the charge holding unit are arranged two-dimensionally ,
The photoelectric conversion elements of all pixels in a predetermined region are collectively reset, and after the exposure period has elapsed since the reset, the signal charges accumulated in the photoelectric conversion elements are collectively stored in the pixels in the charge holding unit. A solid-state imaging device that continuously reads out an optical signal corresponding to the signal charge transferred to the charge holding unit after being transferred to
In a unit period that is a period from the start of exposure to the start of the next exposure, the optical signal is read for each divided region obtained by dividing the pixel of the pixel portion into a plurality of regions, and the charge is applied to only a part of the divided regions. A signal readout control unit that resets a holding unit, reads a reset signal from the charge holding unit that has performed the reset, and performs control to change a divided region from which the reset signal is read for each unit period;
A difference processing unit for generating an imaging signal from a signal obtained by taking a difference between the optical signal and the optical signal or the reset signal read in the immediately preceding unit period;
Capacitance that can be stored in the photoelectric conversion element so that the level is in accordance with the number of frames from which the optical signal is read out after the reset signal is read out for the same divided region. A storage capacity control unit for controlling
A solid-state imaging device.
前記蓄積容量制御部は、前記光電変換素子に蓄積された前記信号電荷を、前記電荷保持部に転送する前に前記第1のリセット部を介してオーバーフローさせることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。   2. The storage capacitor control unit according to claim 1, wherein the signal charge stored in the photoelectric conversion element is caused to overflow through the first reset unit before being transferred to the charge holding unit. Solid-state imaging device. 前記リセット信号の読み出し後、当該リセット信号を読み出した前記分割領域の前記光信号のみを複数の前記単位期間で連続して読み出す場合に、画素の出力をクリップすると共に当該クリップのレベルを前記単位期間毎に可変可能なクリップ部をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。   After reading out the reset signal, when only the optical signal in the divided area from which the reset signal has been read out is read out continuously in a plurality of the unit periods, the output of the pixel is clipped and the level of the clip is The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising a clip portion that is variable for each.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2013121119A (en) * 2011-12-08 2013-06-17 Renesas Electronics Corp Ad converter and solid-state image pickup device using the same
JP2018046484A (en) * 2016-09-16 2018-03-22 キヤノン株式会社 Solid-state imaging apparatus and driving method thereof

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