JP2012124611A - Solid-state image pickup device, imaging method and biped walking robot - Google Patents

Solid-state image pickup device, imaging method and biped walking robot Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid-state image pickup device of a global shutter system for boosting an inter-terminal voltage of floating diffusion (FD, hereinafter) for storing electric charges in a CMOS sensor and enlarging a dynamic range, an imaging method, and a biped walking robot loaded with the solid-state image pickup device.SOLUTION: The solid-state image pickup device of this invention includes a plurality of CMOS sensors arranged in a matrix shape and has a global shutter function, and the CMOS sensor includes a photodiode (PD, hereinafter) for photoelectrically converting incident light to generate electric charges and storing the generated electric charges, an FD part for storing the electric charges transferred from the PD, a transfer transistor interposed between the PD and the FD part for transferring the electric charges, and an amplification MOS transistor for outputting a signal current corresponding to the electric charges in the FD part. In all the CMOS sensors of the solid-state image pickup device, a terminal to which the power of the amplification MOS transistor is supplied is connected in common and a gate of the transfer transistor is connected in common.

Description

本発明は、画像を撮像する固体撮像装置、撮像方法及び2足歩行ロボットに関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device that captures an image, an imaging method, and a biped robot.

撮像装置に用いられる固体撮像素子として、CCD(Charge Coupled Device)が用いられている。しかしながら、消費電力の問題から近年の急速な多画素化と読出し速度の向上の要求に答えるのが困難になってきている。
一方、低消費電力に対応する固体撮像素子としては、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor、以下CMOSセンサ)があり、多画素化と読出しの速度の向上を達成することができる。小型化にも有利であることから、CMOSセンサは、ディジタルカメラやビデオカメラ用として、CCDに代わる高性能撮像素子としての注目を浴びつつある。
A CCD (Charge Coupled Device) is used as a solid-state imaging device used in an imaging apparatus. However, due to the problem of power consumption, it has become difficult to answer the recent demand for rapid increase in the number of pixels and improvement in readout speed.
On the other hand, as a solid-state imaging device corresponding to low power consumption, there is a CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor, hereinafter referred to as a CMOS sensor), and it is possible to increase the number of pixels and improve the reading speed. Since it is advantageous for miniaturization, the CMOS sensor is attracting attention as a high-performance image sensor that replaces the CCD for digital cameras and video cameras.

CMOSセンサを用いた撮像装置は、ローリングシャッタ方式により画像を撮像している(例えば、特許文献1参照)。
図16は、特許文献1に記載されている1画素分に対応したCMOSセンサ100の構成を示す図である。このCMOSセンサ100は、フォトダイオード(PD;Photodiode)101、MOSトランジスタ102、103、104及びフローティングディヒュージョン(FD;Floating Diffusion)105から構成されている。
PD101は、被写体像を光電変換して、光量に対応する電荷を発生させる。MOSトランジスタ102、103はスイッチング素子として用いられている。MOSトランジスタ104は増幅用のトランジスタとして用いられている。FD105は、MOSトランジスタ104のゲート電極の容量成分であり、PD101から読み出す電荷を蓄積する。MOSトランジスタ102から104は、Nチャネル型MOSトランジスタである。
An image pickup apparatus using a CMOS sensor picks up an image by a rolling shutter method (see, for example, Patent Document 1).
FIG. 16 is a diagram illustrating a configuration of the CMOS sensor 100 corresponding to one pixel described in Patent Document 1. In FIG. The CMOS sensor 100 includes a photodiode (PD) 101, MOS transistors 102, 103, and 104, and a floating diffusion (FD) 105.
The PD 101 photoelectrically converts the subject image to generate a charge corresponding to the amount of light. MOS transistors 102 and 103 are used as switching elements. The MOS transistor 104 is used as an amplifying transistor. The FD 105 is a capacitance component of the gate electrode of the MOS transistor 104 and accumulates charges read from the PD 101. MOS transistors 102 to 104 are N-channel MOS transistors.

また、図16のCMOSセンサは3トランジスタ型であり、画素単位のセルサイズの縮小化が進んでいる。
このようにセルサイズを縮小すると、MOSトランジスタ104のゲート電極の面積も縮小されることになり、FD105の容量も対応して小さくなる。
このFD105に蓄積される電荷量は、FD105の容量と、FD105の両端の電位差とで決定される。
したがって、FD105の両端の電圧が変化せず、FD105の容量が減少した場合、FD105に蓄積される電荷量が減少してしまう。
Further, the CMOS sensor of FIG. 16 is a three-transistor type, and the cell size in pixel units is being reduced.
When the cell size is reduced in this way, the area of the gate electrode of the MOS transistor 104 is also reduced, and the capacity of the FD 105 is correspondingly reduced.
The amount of charge accumulated in the FD 105 is determined by the capacitance of the FD 105 and the potential difference between both ends of the FD 105.
Therefore, when the voltage across the FD 105 does not change and the capacitance of the FD 105 decreases, the amount of charge accumulated in the FD 105 decreases.

このため、PD101で発生した電荷を反映することができず、例えば、ある明るさ以上については、MOSトランジスタ104から一定の電流値の電流が供給されることになり、ダイナミックレンジが低下してしまう。
これを解決するため、特許文献1においては、FD105の電圧を昇圧して、電圧値を上昇させ、FD105に蓄積される電荷量を増加させることで、ダイナミックレンジを広げている。
For this reason, the charge generated in the PD 101 cannot be reflected. For example, for a certain brightness or more, a current having a constant current value is supplied from the MOS transistor 104, and the dynamic range is lowered. .
In order to solve this problem, in Patent Document 1, the voltage of the FD 105 is boosted, the voltage value is increased, and the amount of charge accumulated in the FD 105 is increased, thereby expanding the dynamic range.

次に、図17を用いて、図16に示されるCMOSセンサにおけるFD105の昇圧の動作について説明する。図17は、図16のCMOSセンサにおけるFD105の昇圧動作のタイミングチャートである。以下の、信号TX、R、VLと、電圧VDD及びVVとの制御は、図示しない制御回路が行う。
時刻t101以前において、制御回路は、信号TX、R、VLを「L」レベルとし、電圧VDDを「H」レベルとし、電圧VVを「L」レベルとしている。
時刻t101において、制御回路は信号TX及びRを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。MOSトランジスタ102及び103のゲートに「H」レベルが印加されることとなり、MOSトランジスタ102及び103がオン状態となる。これにより、PD101に生成された電荷がMOSトランジスタ102及び103を介し、電源VDDへ電荷が移動することにより、PD101のリセット処理が行われる。
Next, the boosting operation of the FD 105 in the CMOS sensor shown in FIG. 16 will be described with reference to FIG. FIG. 17 is a timing chart of the boosting operation of the FD 105 in the CMOS sensor of FIG. The control of the signals TX, R, and VL and the voltages VDD and VV below is performed by a control circuit (not shown).
At time t 101 previously, the control circuit, signals TX, R, and VL is "L" level, the voltage VDD is set to "H" level, and the voltage VV and "L" level.
At time t 101 , the control circuit changes the signals TX and R from the “L” level to the “H” level. The “H” level is applied to the gates of the MOS transistors 102 and 103, and the MOS transistors 102 and 103 are turned on. As a result, the charge generated in the PD 101 is transferred to the power supply VDD via the MOS transistors 102 and 103, whereby the PD 101 is reset.

時刻t102において、制御回路は信号TX及び電圧VDDを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ102は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
そして、MOSトランジスタ103は、FD105の電圧を「H」レベルから「L」レベルに低下させる。
PD101は、リセット処理が終了した時点から、光が照射されることにで電荷を発生し、発生した電荷を自身に蓄積する。
At time t 102, the control circuit changes the signal TX and the voltage VDD from the "H" level to the "L" level. As a result, the MOS transistor 102 is turned off because the “L” level is applied to the gate.
Then, the MOS transistor 103 reduces the voltage of the FD 105 from the “H” level to the “L” level.
The PD 101 generates charges when irradiated with light from the time when the reset process is completed, and accumulates the generated charges in itself.

時刻t103において、制御回路は信号Rを「H」レベルから「L」レベルに変化させ、電圧VDDを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ103は、ゲートに「L」レベルが印加され、オフ状態となる。 At time t103 , the control circuit changes the signal R from the “H” level to the “L” level, and changes the voltage VDD from the “L” level to the “H” level. As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 103 and the MOS transistor 103 is turned off.

時刻t104において、制御回路は信号R及びVLを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ103は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となり、FD105の電圧を「H」レベルとする。この結果、FD105の端子間電圧は「H」レベルとなり、電荷が蓄積されていないリセット状態となる。このとき、MOSトランジスタ106は、ゲートに「H」レベルが印加されてオン状態となり、接続点Aを「L」レベルとする。 At time t104 , the control circuit changes the signals R and VL from the “L” level to the “H” level. Thus, since the “H” level is applied to the gate of the MOS transistor 103, the MOS transistor 103 is turned on and the voltage of the FD 105 is set to the “H” level. As a result, the voltage between the terminals of the FD 105 becomes “H” level, and a reset state in which no charge is accumulated is entered. At this time, the “H” level is applied to the gate of the MOS transistor 106 to turn on, and the connection point A is set to the “L” level.

時刻t105において、制御回路は信号R及びVLを「H」レベルから「L」レベルに変化させ、また電圧VVを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ103及び106の各々は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
このとき、電圧VVが「L」レベルから「H」レベルに変化することにより、FD105の端子間電圧がVDD(「H」レベルの電圧)から昇圧され、VDD+αの電圧となる。
At time t 105 , the control circuit changes the signals R and VL from the “H” level to the “L” level, and the voltage VV from the “L” level to the “H” level.
Thereby, each of the MOS transistors 103 and 106 is turned off because the “L” level is applied to the gate.
At this time, when the voltage VV changes from the “L” level to the “H” level, the voltage between the terminals of the FD 105 is boosted from VDD (“H” level voltage) to become a voltage of VDD + α.

時刻t106において、制御回路は電圧VVから接続点Aに流れ出す電流を検出し、昇圧されたFD105の端子間電圧がゲートに印加されるMOSトランジスタ104に流れる電流を検出し、電流を電圧値に変換してリセット時の基準データとして記憶する。 At time t 106, the control circuit detects the current flowing from the voltage VV to the connection point A, the voltage between the terminals of FD105 boosted detects the current flowing through the MOS transistor 104 is applied to the gate, a current to voltage Converted and stored as reference data at reset.

時刻t107において、制御回路は信号TXを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ102は、ゲートに「H」レベルが印加され、オン状態となる。そして、PD101が発生させて蓄積している電荷が、MOSトランジスタ102を介して、PD101のカソードよりポテンシャルの高いFD105に移動する。時刻t102からこの電荷の移動を行わせる現時点の時刻t107までがPDが照射した光に対応した電荷を発生し、この発生した電荷を蓄積する時間、すなわち露光時間となる。
この結果、露光時間内においてPD101に発生した電荷は、MOSトランジスタ102を介して転送されて、FD105に蓄積されることになる。
At time t107 , the control circuit changes the signal TX from the “L” level to the “H” level.
As a result, the MOS transistor 102 is turned on by applying the “H” level to the gate. Then, the electric charge generated and accumulated by the PD 101 moves to the FD 105 having a higher potential than the cathode of the PD 101 via the MOS transistor 102. From the time t 102 to time t 107 the current that causes the movement of the charge occurs a charge corresponding to light PD is irradiated, the time for accumulating the generated electric charges, that is, exposure time.
As a result, charges generated in the PD 101 within the exposure time are transferred via the MOS transistor 102 and accumulated in the FD 105.

時刻t108において、制御回路は信号TXを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ102は、ゲートに「L」レベルが印加され、オフ状態となる。このタイミングにおいて、制御回路は、PD101からFD105への電荷の転送が終了する。
そして、制御回路は、FD105に蓄積されている電荷の情報の読み出しを開始する。すなわち、制御回路は、FD105の端子間電圧に対応してMOSトランジスタ104に流れる電流を検出し、電流を電圧値に変換して露光時の露光データとする。また、制御回路は、露光データから基準データを減算して、CMOSセンサが受光した光量に対応する画像データを生成する。
At time t108 , the control circuit changes the signal TX from the “H” level to the “L” level.
As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 102 and the MOS transistor 102 is turned off. At this timing, the control circuit finishes transferring charges from the PD 101 to the FD 105.
Then, the control circuit starts reading the information on the charges accumulated in the FD 105. In other words, the control circuit detects the current flowing through the MOS transistor 104 corresponding to the voltage between the terminals of the FD 105, converts the current into a voltage value, and sets it as exposure data at the time of exposure. The control circuit subtracts the reference data from the exposure data to generate image data corresponding to the amount of light received by the CMOS sensor.

時刻t109において、制御回路は、電圧VVを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、制御回路は、FD105に蓄積されている電荷の情報の読み出しを終了する。このとき、FD105の端子間電圧に対する昇圧処理が終了し、FD105の端子間電圧は時刻t104における電圧レベルに戻る。 At time t109 , the control circuit changes the voltage VV from the “H” level to the “L” level. As a result, the control circuit finishes reading the information on the charges accumulated in the FD 105. At this time, the voltage boosting process for the voltage between the terminals of the FD 105 ends, and the voltage between the terminals of the FD 105 returns to the voltage level at time t104.

時刻t110において、制御回路は、信号R及び信号TXを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ103は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となる。また、MOSトランジスタ102は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となり
これにより、PD101に存在する電荷がMOSトランジスタ102及び103を介し、電源VDDへ電荷が移動することにより、PD101のリセット処理が行われる。
At time t 110, the control circuit changes the signal R and the signal TX from the "L" level to the "H" level.
As a result, the MOS transistor 103 is turned on because the “H” level is applied to the gate. Further, since the MOS transistor 102 is turned on because the “H” level is applied to the gate, the charge existing in the PD 101 moves to the power supply VDD via the MOS transistors 102 and 103, whereby the PD 101 The reset process is performed.

時刻t111において、制御回路は信号TX及び電圧VDDを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ102は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
そして、MOSトランジスタ103は、FD105の電圧を「H」レベルから「L」レベルに低下させる。
この結果、制御回路は、CMOSセンサが電荷のデータを出力しない出力OFFの状態とする。
制御回路は、上述した読み出し処理を、マトリクス状に配置されたCMOSセンサに対して順番に行う。
At time t111 , the control circuit changes the signal TX and the voltage VDD from the “H” level to the “L” level. As a result, the MOS transistor 102 is turned off because the “L” level is applied to the gate.
Then, the MOS transistor 103 reduces the voltage of the FD 105 from the “H” level to the “L” level.
As a result, the control circuit sets the output OFF state in which the CMOS sensor does not output charge data.
The control circuit sequentially performs the above-described reading process on the CMOS sensors arranged in a matrix.

例えば、図18は、図16のCMOSセンサを1画素として、CMOSセンサが2×2のマトリクス状に配置された固体撮像素子を有する固体撮像装置の構成を示す図である。この個体撮像装置には、CMOSセンサがマトリクスに配置された各列の選択を行うMOSトランジスタ1011、1012が設けられている。この図において、MOSトランジスタ1013及び1014は、Nチャネル型MOSトランジスタである。
タイミング発生回路200は、制御回路により制御され、垂直レジスタ201と水平レジスタ202との各々に対し、各CMOSセンサから露光データの読み出すタイミング信号VV1、VV2、タイミング信号ST1、ST2と、信号VLとを出力させる。
すなわち、垂直レジスタ201は、露光データを読み出す前に、信号VLを「H」レベルとし、MOSトランジスタ1013及び1014をオン状態とし、CMOSセンサP11からP22の各々におけるMOSトランジスタ104に接続された信号線を接地電位とするリセット動作を行う。そして、タイミング発生回路200は、露光データを読み出すタイミングにおいて、信号VLを「L」レベルとし、MOSトランジスタ1013及び1014をオフ状態とする。このリセット処理は、露光データを読み出す後述する周期毎に行われる。
For example, FIG. 18 is a diagram illustrating a configuration of a solid-state imaging device having a solid-state imaging device in which the CMOS sensor of FIG. 16 is one pixel and the CMOS sensors are arranged in a 2 × 2 matrix. This individual imaging device is provided with MOS transistors 1011 and 1012 for selecting each column in which CMOS sensors are arranged in a matrix. In this figure, MOS transistors 1013 and 1014 are N-channel MOS transistors.
The timing generation circuit 200 is controlled by the control circuit and outputs timing signals VV1 and VV2, timing signals ST1 and ST2 for reading exposure data from each CMOS sensor, and a signal VL to each of the vertical register 201 and the horizontal register 202. Output.
That is, before reading the exposure data, the vertical register 201 sets the signal VL to “H” level, turns on the MOS transistors 1013 and 1014, and connects the signal lines connected to the MOS transistors 104 in the CMOS sensors P11 to P22. Perform a reset operation with the ground potential. The timing generation circuit 200 sets the signal VL to the “L” level and turns off the MOS transistors 1013 and 1014 at the timing of reading the exposure data. This reset process is performed every period to be described later for reading exposure data.

また、垂直レジスタ201は、タイミング信号VV1、VV2を順次周期T1、T2(T1=T2)において、マトリクスにおける行のCMOSセンサのMOSトランジスタ104に供給する。また、水平レジスタ202は、いずれの列を選択するかを制御するタイミング信号ST1、ST2を、周期T1(T2)の1/2の周期である周期T11、T21において各列のMOSトランジスタ1011、1012に対して出力する。
したがって、周期T1において、タイミング信号VV1が出力され、周期T1における周期T12でCMOSセンサP11が選択され、周期T12でCMOSセンサP21が選択され、データが読み出される。
同様に、周期T2において、タイミング信号VV2が出力され、周期T2における周期T12でCMOSセンサP12が選択され、周期T22でCMOSセンサP22が選択され、データが読み出される。
Further, the vertical register 201 sequentially supplies the timing signals VV1 and VV2 to the MOS transistors 104 of the CMOS sensors in the rows in the matrix in the periods T1 and T2 (T1 = T2). In addition, the horizontal register 202 applies timing signals ST1 and ST2 for controlling which column is selected to the MOS transistors 1011 and 1012 in each column in the periods T11 and T21 which are ½ of the period T1 (T2). Output for.
Therefore, the timing signal VV1 is output in the cycle T1, the CMOS sensor P11 is selected in the cycle T12 in the cycle T1, the CMOS sensor P21 is selected in the cycle T12, and data is read out.
Similarly, the timing signal VV2 is output in the cycle T2, the CMOS sensor P12 is selected in the cycle T12 in the cycle T2, the CMOS sensor P22 is selected in the cycle T22, and data is read out.

特開2010−68433号公報JP 2010-68433 A

すでに述べたように、MOSトランジスタ104のゲート面積が縮小し、FD105の容量が減少したとしても、電荷を蓄積させる際に、各CMOSセンサのFD105の端子間電圧を昇圧している。
このため、電荷の蓄積量を増加させることができ、露光データのダイナミックレンジを拡大させ、露光データと基準データとの差分である画像データの劣化を抑制している。
As described above, even when the gate area of the MOS transistor 104 is reduced and the capacitance of the FD 105 is reduced, the voltage between the terminals of the FD 105 of each CMOS sensor is boosted when accumulating charges.
For this reason, the amount of accumulated charge can be increased, the dynamic range of the exposure data is expanded, and the deterioration of the image data, which is the difference between the exposure data and the reference data, is suppressed.

上述したローリングシャッタは、静止画を撮像する場合、グローバルシャッタに比較して、CMOSセンサを用いることで、少ない電力で、高速の読み出しを、低価格で実現することができる。
ところが、ローリングシャッタは、動画を撮像する場合、すでに述べたように、行毎にシャッタが切られることにより、露光のタイミングが行毎にずれてしまう。このため、ローリングシャッタは、素早く被写体を捉えたり、撮像装置をパンニングしたりすると、動く被写体がゆがんだり、画面にひずみがでるなどの欠点を有している。
The above-described rolling shutter can realize high-speed readout with low power and low cost by using a CMOS sensor as compared with a global shutter when capturing a still image.
However, in the rolling shutter, when capturing a moving image, the exposure timing is shifted for each row because the shutter is opened for each row as described above. For this reason, the rolling shutter has drawbacks such as when the subject is quickly captured or the imaging apparatus is panned, the moving subject is distorted or the screen is distorted.

この現象を防止するため、CMOSセンサに対しても、グローバルシャッタを用い、省電力でかつ動画を撮像する際の欠点を低減した撮像装置が用いられるようになってきた。
しかしながら、図18に示す撮像装置の行単位に昇圧を行う構成は、全画素のFD105の端子間電圧を同時に昇圧する必要があるグローバルシャッタに対応させることができない。すなわち、出力を選択するタイミング信号VV1及びVV2を同時に「H」レベルに変化させると、行毎に出力されるべき露光データの信号が合成されてしまうからである。
In order to prevent this phenomenon, an imaging apparatus that uses a global shutter, saves power, and reduces defects in capturing a moving image has come to be used for CMOS sensors.
However, the configuration in which the image pickup apparatus performs voltage boosting in units of rows shown in FIG. 18 cannot cope with a global shutter that needs to boost the voltage between terminals of the FD 105 of all pixels simultaneously. That is, if the timing signals VV1 and VV2 for selecting the output are simultaneously changed to the “H” level, the exposure data signal to be output for each row is synthesized.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、CMOSセンサから構成され、このCMOSセンサにおける電荷蓄積を行うフローティングディヒュージョンの端子間電圧を昇圧させて、ダイナミックレンジを拡大させることが可能なグローバルシャッタ方式の固体撮像装置、撮像方法及びこの固体撮像装置を搭載した2足歩行ロボットを提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and its purpose is to increase the dynamic range by boosting the voltage between the terminals of a floating diffusion that is composed of a CMOS sensor and performs charge accumulation in this CMOS sensor. An object of the present invention is to provide a global shutter type solid-state imaging device, an imaging method, and a biped robot equipped with the solid-state imaging device.

この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、本発明の固体撮像装置は、複数のCMOSセンサ(例えば、実施形態におけるCMOSセンサ1、2、3、4、S11、S12、S21、S22)がマトリクス状に配置され、グローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置において、前記CMOSセンサは入射光を光電変換して電荷を発生し、発生した電荷を信号電荷として蓄積するフォトダイオード(例えば、実施形態におけるPD11)と、前記フォトダイオードから転送される前記信号電荷を蓄積するフローティングディヒュージョン部(例えば、実施形態におけるFD15)と、前記フォトダイオードと前記フローティングディヒュージョン部との間に介挿された、前記信号電荷を転送する転送トランジスタ(例えば、実施形態におけるMOSトランジスタ12)と、前記フローティングディヒュージョン部に蓄積された前記信号電荷に対応する信号電流を出力する増幅MOSトランジスタ(例えば、実施形態におけるMOSトランジスタ14)とを有し、固体撮像装置の全ての前記CMOSセンサにおいて、前記増幅MOSトランジスタの電源が供給される端子が共通に接続され、かつ前記転送トランジスタのゲート電極が共通に接続されていることを特徴とする。
この構成により、固体撮像装置の全てのCMOSセンサにおけるフローティングディフュージョン部の端子間電圧を一括して同時に昇圧させ、かつフローティングディフュージョン部を一括して昇圧させた後に、個体撮像装置の全てのCMOSセンサにおいて、フォトダイオードからフローティングディフュージョン部に信号電荷の転送を、一括して同時に行いグローバルシャッタ機能を持たせることができる。
このため、本発明によれば、CMOSセンサからなるグローバルシャッタ方式の固体撮像装置におけるフローティングディフュージョン部の電圧の昇圧動作が可能となり、露光された画像データのダイナミックレンジを、従来のグローバルシャッタ方式の撮像装置に対して広げることが可能となる。
The present invention has been made to solve the above-described problems, and a solid-state imaging device according to the present invention includes a plurality of CMOS sensors (for example, CMOS sensors 1, 2, 3, 4, S11, S12, S21 in the embodiments). In the solid-state imaging device having S22) arranged in a matrix and having a global shutter function, the CMOS sensor photoelectrically converts incident light to generate charges and stores the generated charges as signal charges (for example, implementation) PD11) in the form, a floating diffusion portion (for example, FD15 in the embodiment) for accumulating the signal charge transferred from the photodiode, and the photodiode and the floating diffusion portion. A transfer transistor for transferring the signal charge (for example, real And an amplification MOS transistor (for example, the MOS transistor 14 in the embodiment) that outputs a signal current corresponding to the signal charge accumulated in the floating diffusion portion, and the solid-state imaging device In all the CMOS sensors, a terminal to which the power of the amplification MOS transistor is supplied is connected in common, and a gate electrode of the transfer transistor is connected in common.
With this configuration, the voltage between the terminals of the floating diffusion portion in all the CMOS sensors of the solid-state imaging device is boosted at the same time, and after the floating diffusion portion is boosted in a batch, in all the CMOS sensors of the individual imaging device, The signal charges can be transferred simultaneously from the photodiode to the floating diffusion portion at the same time, thereby providing a global shutter function.
For this reason, according to the present invention, it is possible to increase the voltage of the floating diffusion unit in a global shutter type solid-state imaging device composed of a CMOS sensor, and the dynamic range of the exposed image data can be changed to the conventional global shutter type imaging. It becomes possible to extend to the device.

本発明の固体撮像装置は、全てのCMOSセンサ(例えば、実施形態におけるCMOSセンサ1、2、3、4、S11、S12、S21、S22)における前記フローティングディヒュージョン部(例えば、実施形態におけるFD15)の端子間電圧を同時に昇圧し、前記端子間電圧が昇圧により飽和するタイミングにおいて前記信号電流を基準電流として順次検出し、基準電流の読み込みが終了した後、全てのCMOSセンサにおける前記転送トランジスタ(例えば、実施形態におけるMOSトランジスタ12)をオン状態として前記フォトダイオード(例えば、実施形態におけるPD11)から前記フローティングディヒュージョン部(例えば、実施形態におけるFD15)に前記信号電荷を転送させ、前記信号電荷転送後の前記信号電流を露光電流として順次検出する制御部(例えば、実施形態における制御部30)をさらに有することを特徴とする。   The solid-state imaging device of the present invention includes the floating diffusion portion (for example, FD15 in the embodiment) in all CMOS sensors (for example, CMOS sensors 1, 2, 3, 4, S11, S12, S21, and S22 in the embodiment). The inter-terminal voltage is simultaneously boosted, the signal current is sequentially detected as a reference current at the timing when the inter-terminal voltage is saturated by boosting, and after the reading of the reference current is completed, the transfer transistors (for example, all the CMOS sensors) The MOS transistor 12 in the embodiment is turned on to transfer the signal charge from the photodiode (for example, PD11 in the embodiment) to the floating diffusion portion (for example, FD15 in the embodiment), and after the signal charge transfer Of the signal Control unit for sequentially detecting the exposure current (e.g., control unit 30 in the embodiment), characterized in that it further comprises a.

本発明の固体撮像装置は、前記増幅MOSトランジスタ(例えば、実施形態におけるMOSトランジスタ14)のゲート電極の対接地容量の容量値をCFDとし、当該増幅MOSトランジスタのゲート電極と前記電源が供給される端子との容量値をCVVとした場合、CVV>CFDとなるよう、前記増幅MOSトランジスタが形成されていることを特徴とする。
この構成により、容量値CFdに比較して容量値CVVが大きく設定されているため、電源が「L」レベルから「H」レベルに変化した際、容量値CVVが容量値CFdと同一あるいは容量値CVVが容量値CFdに対して小さい場合に比較し、より高くフローティングディフュージョン部の端子間電圧を昇圧させることができる。
このため、本発明によれば、容量値CVVが容量値CFdと同一あるいは容量値CVVが容量値CFdに対して小さい場合に比較し、フローティングディフュージョン部の端子間電圧を高くすることで、より画像データのダイナミックレンジを広げることができる。
In the solid-state imaging device of the present invention, the capacitance value of the ground capacitance of the gate electrode of the amplification MOS transistor (for example, the MOS transistor 14 in the embodiment) is CFD, and the gate electrode of the amplification MOS transistor and the power are supplied. The amplification MOS transistor is formed so that CVV> CFD when the capacitance value with the terminal is CVV.
With this configuration, the capacitance value CVV is set larger than the capacitance value CFd. Therefore, when the power supply changes from the “L” level to the “H” level, the capacitance value CVV is the same as the capacitance value CFd or the capacitance value. Compared with the case where CVV is smaller than the capacitance value CFd, the voltage between the terminals of the floating diffusion portion can be boosted higher.
For this reason, according to the present invention, compared with the case where the capacitance value CVV is the same as the capacitance value CFd or the capacitance value CVV is smaller than the capacitance value CFd, the voltage between the terminals of the floating diffusion portion is increased, so The dynamic range of data can be expanded.

本発明の固体撮像装置は、前記フローティングディヒュージョン部(例えば、実施形態におけるFD15)と電源との間に介挿されたリセットトランジスタ(例えば、MOSトランジスタ13)をさらに有し、前記制御部(例えば、実施形態における制御部30)が昇圧する前に、前記フローティングディヒュージョン部の端子間電圧を電源の電圧とするリセットを処理を行うことを特徴とする。   The solid-state imaging device of the present invention further includes a reset transistor (for example, a MOS transistor 13) interposed between the floating diffusion unit (for example, FD15 in the embodiment) and a power source, and the control unit (for example, for example) Further, before the control unit 30) in the embodiment boosts the voltage, the reset is performed with the voltage between the terminals of the floating diffusion unit as the voltage of the power supply.

本発明の固体撮像装置は、前記フォトダイオード(例えば、実施形態におけるPD11)が露光されることにより発生する前記信号電荷の蓄積を制御する、前記フォトダイオードと前記電源との間に設けられたドレイントランジスタ(例えば、実施形態におけるMOSトランジスタ21)をさらに有し、前記制御部(例えば、実施形態における制御部30)が露光により発生した前記信号電荷を前記フォトダイオードに蓄積しない場合、前記ドレイントランジスタをオン状態とし、前記電源に発生した前記信号電荷を転送することを特徴とする。   The solid-state imaging device according to the present invention includes a drain provided between the photodiode and the power source that controls accumulation of the signal charge generated when the photodiode (for example, the PD 11 in the embodiment) is exposed. When the transistor (for example, the MOS transistor 21 in the embodiment) is further included and the control unit (for example, the control unit 30 in the embodiment) does not accumulate the signal charge generated by exposure in the photodiode, the drain transistor is The signal charge generated in the power supply is transferred in an ON state.

本発明の固体撮像装置の撮像方法は、複数のCMOSセンサ(例えば、実施形態におけるCMOSセンサ1、2、3、4、S11、S12、S21、S22)がマトリクス状に配置され、グローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置の撮像方法において、前記CMOSセンサにおいて、フォトダイオード(例えば、実施形態におけるPD11)が入射光を光電変換して電荷を発生し、発生した電荷を信号電荷として蓄積し、前記フォトダイオードとフローティングディヒュージョン部(例えば、実施形態におけるFD15)との間に介挿された転送トランジスタ(例えば、MOSトランジスタ12)を介して、前記フォトダイオードから転送される前記信号電荷をフローティングディヒュージョン部に蓄積し、増幅MOSトランジスタが前記フローティングディヒュージョン部に蓄積された前記信号電荷に対応する信号電流を出力し、昇圧時に前記固体撮像装置の全ての前記CMOSセンサに対し、前記増幅MOSトランジスタの電源が供給される端子に同時に電源電圧が供給され、またシャッタ時に前記固体撮像装置の全ての前記転送トランジスタのゲート電極に対し、前記信号電荷を転送させる信号を印加することを特徴とする。   In the imaging method of the solid-state imaging device according to the present invention, a plurality of CMOS sensors (for example, CMOS sensors 1, 2, 3, 4, S11, S12, S21, and S22 in the embodiment) are arranged in a matrix and have a global shutter function. In the imaging method of the solid-state imaging device, a photodiode (for example, the PD 11 in the embodiment) photoelectrically converts incident light to generate charges in the CMOS sensor, and the generated charges are accumulated as signal charges. The signal charge transferred from the photodiode is transferred to the floating diffusion portion via a transfer transistor (for example, the MOS transistor 12) interposed between the floating diffusion portion (for example, the FD 15 in the embodiment). Accumulate and amplify MOS transistor in front A signal current corresponding to the signal charge accumulated in the floating diffusion section is output, and a power supply voltage is simultaneously applied to all the CMOS sensors of the solid-state imaging device at the time of voltage boosting to terminals to which the power of the amplification MOS transistors is supplied. And a signal for transferring the signal charge is applied to the gate electrodes of all the transfer transistors of the solid-state imaging device at the time of shutter.

本発明の2足歩行ロボット(例えば、実施形態における2足歩行ロボット500)は、上記いずれかの固体撮像装置(例えば、実施形態における50L、50R)を搭載することを特徴とする。
この構成により、フローティングディフュージョン部の電圧を昇圧する機能を有するCMOSセンサからなる昇圧グローバルシャッタ方式の固体撮像装置を搭載した2足歩行ロボットが実現できる。
このため、本発明によれば、安価なCMOSセンサにより、ダイナミックレンジの広い画像データを取得することのできる固体撮像装置を用いることで、従来に比較して画像データの情報量を増加することが可能となり、より制御性が良く、かつ安価な2足歩行ロボットを提供することができる。
The biped walking robot of the present invention (for example, the biped walking robot 500 in the embodiment) includes any one of the solid-state imaging devices (for example, 50L and 50R in the embodiment).
With this configuration, it is possible to realize a bipedal walking robot equipped with a step-up global shutter type solid-state imaging device including a CMOS sensor having a function of stepping up the voltage of the floating diffusion portion.
For this reason, according to the present invention, by using a solid-state imaging device capable of acquiring image data with a wide dynamic range with an inexpensive CMOS sensor, the amount of information of the image data can be increased as compared with the conventional case. This makes it possible to provide a biped walking robot with better controllability and lower cost.

請求項1及び請求項6に記載の発明によれば、固体撮像装置の全てのCMOSセンサにおけるフローティングディフュージョン部の端子間電圧を一括して同時に昇圧させ、かつフローティングディフュージョン部を一括して昇圧させた後に、個体撮像装置の全てのCMOSセンサにおいて、フォトダイオードからフローティングディフュージョン部に信号電荷の転送を、一括して同時に行いグローバルシャッタ機能を持たせることができる。
このため、請求項1及び請求項5に記載の発明は、CMOSセンサからなるグローバルシャッタ方式の固体撮像装置におけるフローティングディフュージョン部の電圧の昇圧動作が可能となり、露光された画像データのダイナミックレンジを、従来のグローバルシャッタ方式の撮像装置に対して広げることが可能となる。
According to the first and sixth aspects of the present invention, the inter-terminal voltages of the floating diffusion portions in all the CMOS sensors of the solid-state imaging device are boosted simultaneously and the floating diffusion portions are boosted collectively. Later, in all the CMOS sensors of the solid-state imaging device, signal charges can be transferred simultaneously from the photodiode to the floating diffusion portion so as to have a global shutter function.
For this reason, the invention according to claim 1 and claim 5 enables the voltage boosting operation of the floating diffusion portion in the global shutter type solid-state imaging device composed of the CMOS sensor, and the dynamic range of the exposed image data is It becomes possible to expand to a conventional global shutter type imaging apparatus.

請求項2に記載の発明によれば、同時に一括してフォトダイオードからフローティングディフュージョンに信号電荷を転送させるため、ローリングシャッタ方式に比較して信号電荷の転送時間が短縮され、この短縮された時間をフローティングディフュージョンの端子間電圧の昇圧に必要な時間として使用することができる。
このため、請求項2に記載の発明は、固体撮像装置の全てのCMOSにおけるフローティングディフュージョン部の端子間電圧を昇圧するため、負荷が大きくなり昇圧に時間がかかるが、上述した短縮できる時間を昇圧の時間とするため、昇圧機能を有するローリングシャッタ方式のフレーム周期と同様のフレーム周期を実現することができる。
According to the second aspect of the present invention, since the signal charge is transferred from the photodiode to the floating diffusion at the same time, the transfer time of the signal charge is shortened compared with the rolling shutter method, and this shortened time is reduced. It can be used as the time required for boosting the voltage between the terminals of the floating diffusion.
For this reason, the invention according to claim 2 boosts the voltage between the terminals of the floating diffusion portion in all the CMOSs of the solid-state imaging device, so that the load becomes large and the boosting takes time. Therefore, it is possible to realize a frame period similar to the frame period of the rolling shutter system having the boosting function.

請求項3に記載の発明によれば、容量値CFdに比較して容量値CVVが大きく設定されているため、電源が「L」レベルから「H」レベルに変化した際、容量値CVVが容量値CFdと同一あるいは容量値CVVが容量値CFdに対して小さい場合に比較し、より高くフローティングディフュージョン部の端子間電圧を昇圧させることができる。
このため、請求項3に記載の発明は、容量値CVVが容量値CFdと同一あるいは容量値CVVが容量値CFdに対して小さい場合に比較し、フローティングディフュージョン部の端子間電圧を高くすることで、より画像データのダイナミックレンジを広げることができる。
According to the third aspect of the present invention, since the capacitance value CVV is set to be larger than the capacitance value CFd, the capacitance value CVV is the capacitance when the power supply changes from the “L” level to the “H” level. Compared with the case where the value is the same as the value CFd or the capacitance value CVV is smaller than the capacitance value CFd, the voltage between the terminals of the floating diffusion portion can be boosted higher.
For this reason, the invention according to claim 3 is to increase the voltage between the terminals of the floating diffusion portion as compared with the case where the capacitance value CVV is the same as the capacitance value CFd or the capacitance value CVV is smaller than the capacitance value CFd. , The dynamic range of image data can be further expanded.

請求項4に記載の発明によれば、フローティングディフュージョン部の端子間電圧を一端電源電圧とすることにより、フォトダイオードから信号電荷が転送される前の状態を、常に同一の電圧レベルとすることができる。
このため、請求項4に記載の発明は、フローティングディフュージョン部の端子間電圧を一端電源電圧として、昇圧した後にリセット状態の基準データを取得する際、常に同一の電圧を基準データとすることができ、信号電荷によるレベル変化から得られる露光データとの差分から、常に精度の高い画像データを得ることができる。
According to the fourth aspect of the present invention, the voltage before the transfer of the signal charge from the photodiode is always set to the same voltage level by setting the voltage between the terminals of the floating diffusion portion as the power supply voltage. it can.
For this reason, the invention according to claim 4 can always use the same voltage as the reference data when acquiring the reference data in the reset state after boosting the voltage between the terminals of the floating diffusion portion as one power supply voltage. From the difference from the exposure data obtained from the level change caused by the signal charge, it is possible to always obtain highly accurate image data.

請求項5に記載の発明によれば、ドレイントランジスタがオン状態の場合、フォトトランジスタが発生する電荷を電源に転送することができる。
このため、請求項5に記載の発明、露光期間以外の期間、ドレイントランジスタをオフ状態とすることにより、フォトトランジスタが発生した電荷を蓄積させない制御、すなわち露光期間を容易に任意に制御することができる。
According to the fifth aspect of the present invention, when the drain transistor is on, the charge generated by the phototransistor can be transferred to the power supply.
For this reason, in the invention according to claim 5, the drain transistor is turned off during a period other than the exposure period, so that the charge generated by the phototransistor is not accumulated, that is, the exposure period can be easily and arbitrarily controlled. it can.

請求項7に記載の発明によれば、フローティングディフュージョン部の電圧を昇圧する機能を有するCMOSセンサからなる昇圧グローバルシャッタ方式の固体撮像装置を搭載した2足歩行ロボットが実現できる。
このため、請求項7に記載の発明は、安価なCMOSセンサにより、ダイナミックレンジの広い画像データを取得することのできる固体撮像装置を用いることで、従来に比較して画像データの情報量を増加することが可能となり、より制御性が良く、かつ安価な2足歩行ロボットを提供することができる。
According to the seventh aspect of the present invention, it is possible to realize a biped walking robot equipped with a step-up global shutter type solid-state imaging device composed of a CMOS sensor having a function of stepping up the voltage of the floating diffusion portion.
For this reason, the invention described in claim 7 uses a solid-state imaging device capable of acquiring image data with a wide dynamic range by an inexpensive CMOS sensor, thereby increasing the amount of information of the image data as compared with the conventional case. Therefore, it is possible to provide a biped walking robot with better controllability and lower cost.

この発明の一実施形態による固体撮像装置の固体撮像素子におけるCMOSセンサの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the CMOS sensor in the solid-state image sensor of the solid-state imaging device by one Embodiment of this invention. 図1に示すCMOSセンサ1での信号電荷の転送を行う際の各動作におけるPD11、MOSトランジスタ12のゲート、FD15及びMOSトランジスタ13のゲートのポテンシャルエネルギーのレベルを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing potential energy levels of PD11, the gate of a MOS transistor 12, the FD15, and the gate of a MOS transistor 13 in each operation when signal charges are transferred in the CMOS sensor 1 shown in FIG. 図1に示すCMOSセンサ1からデータを出力する動作例を示すタイミングチャートである。3 is a timing chart showing an operation example of outputting data from the CMOS sensor 1 shown in FIG. 1. 図1のCMOSセンサ1を用いた、グローバルシャッタ型の固体撮像素子の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the global shutter type solid-state image sensor using the CMOS sensor 1 of FIG. 図4のグローバルシャッタ方式の固体撮像素子からデータを取得する動作例を示すタイミングチャートである。5 is a timing chart illustrating an operation example of acquiring data from the global shutter type solid-state imaging device of FIG. 4. 横軸が撮像画像の照度(lx)を示し、縦軸が基準データから露光データを減算した画像データ(推定出力電圧差)の電圧値を示し、電線LVVにおける電圧VVを「L」レベルから「H」レベルに変化させることによる、FD15のダイナミックレンジの変化を示す図である。The horizontal axis indicates the illuminance (lx) of the captured image, the vertical axis indicates the voltage value of the image data (estimated output voltage difference) obtained by subtracting the exposure data from the reference data, and the voltage VV in the electric wire LVV is changed from “L” level to “ It is a figure which shows the change of the dynamic range of FD15 by changing to H "level. この発明の第2の実施形態による固体撮像装置の固体撮像素子におけるCMOSセンサ2の構成例を示す概略ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the structural example of the CMOS sensor 2 in the solid-state image sensor of the solid-state imaging device by 2nd Embodiment of this invention. 図7に示すCMOSセンサ2からデータを出力する動作例を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the operation example which outputs data from the CMOS sensor 2 shown in FIG. この発明の第3の実施形態による固体撮像装置の固体撮像素子におけるCMOSセンサ3の構成例を示す概略ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the structural example of the CMOS sensor 3 in the solid-state image sensor of the solid-state imaging device by 3rd Embodiment of this invention. 図9に示すCMOSセンサ3からデータを出力する動作例を示すタイミングチャートである。10 is a timing chart showing an operation example of outputting data from the CMOS sensor 3 shown in FIG. 9. この発明の第4の実施形態による固体撮像装置の固体撮像素子におけるCMOSセンサ4の構成例を示す概略ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the structural example of the CMOS sensor 4 in the solid-state image sensor of the solid-state imaging device by 4th Embodiment of this invention. 図11に示すCMOSセンサ4からデータを出力する動作例を示すタイミングチャートである。12 is a timing chart illustrating an operation example of outputting data from the CMOS sensor 4 illustrated in FIG. 11. 本実施形態における2足歩行ロボット500の外観を示す図である。It is a figure which shows the external appearance of the biped walking robot 500 in this embodiment. 図13の2足歩行ロボット500の格納部506内部に設けられている、2足歩行ロボット500の駆動を制御するECU70の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of ECU70 which controls the drive of the biped walking robot 500 provided in the storage part 506 of the biped walking robot 500 of FIG. 図14に示す固体撮像装置50Lまたは50Rの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the solid-state imaging device 50L or 50R shown in FIG. 特許文献1に記載されている1画素分に対応したCMOSセンサ100の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the CMOS sensor 100 corresponding to 1 pixel described in patent document 1. FIG. 図16のCMOSセンサにおけるFD105の昇圧動作のタイミングチャートである。17 is a timing chart of the boosting operation of the FD 105 in the CMOS sensor of FIG. 図16のCMOSセンサを1画素として、CMOSセンサが2×2のマトリクス状に配置された固体撮像素子を有する固体撮像装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the solid-state imaging device which has the CMOS sensor of FIG. 16 as 1 pixel, and has a solid-state image sensor by which a CMOS sensor is arrange | positioned at 2x2.

<第1の実施形態>
以下、図面を参照して、本発明の第1の実施形態について説明する。図1は、この発明の第1の実施形態によるグローバルシャッタ方式のCMOSセンサ1の構成例を示す概略ブロック図である。本実施形態においては、CMOSセンサ1が行及び列としてマトリクス状に配列された撮像部分及びこれを駆動する制御回路等を含んで固体撮像素子としている。
CMOSセンサ1は、固体撮像素子の1画素の基本単位であり、PD11、MOSトランジスタ12、13、14、17、FD15から構成されている。MOSトランジスタ12、13、14及び17は、例えばnチャネル型のMOSトランジスタである。
<First Embodiment>
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic block diagram showing a configuration example of a global shutter type CMOS sensor 1 according to a first embodiment of the present invention. In the present embodiment, the CMOS sensor 1 is configured as a solid-state imaging device including imaging portions arranged in a matrix as rows and columns, a control circuit for driving the imaging portions, and the like.
The CMOS sensor 1 is a basic unit of one pixel of the solid-state imaging device, and includes a PD 11, MOS transistors 12, 13, 14, 17, and an FD 15. The MOS transistors 12, 13, 14, and 17 are, for example, n-channel MOS transistors.

PD11は、アノードが接地され、カソードがMOSトランジスタ12のソースに接続されており、光が照射されている期間において光電変換を行い、すなわち露光期間に光の照射量に対応して発生した信号電荷をカソードに蓄える。   The PD 11 has an anode connected to the ground and a cathode connected to the source of the MOS transistor 12, and performs photoelectric conversion during a period of light irradiation, that is, a signal charge generated corresponding to the amount of light irradiation during the exposure period. Is stored in the cathode.

フローティングディヒュージョン(FD)15は、MOSトランジスタ14のゲートの対接地容量で形成されている。   The floating diffusion (FD) 15 is formed by a grounding capacitance of the gate of the MOS transistor 14.

MOSトランジスタ12は、ゲートに信号TXの配線が接続され、ドレインにMOSトランジスタ14のゲートが接続されている。MOSトランジスタ12は、ゲートに印加されている信号TXが「H」レベル(電源電圧)となるとオン状態となり、PD11に蓄積されている信号電荷をFD15に転送する。   The MOS transistor 12 has a gate connected to the signal TX line and a drain connected to the gate of the MOS transistor 14. The MOS transistor 12 is turned on when the signal TX applied to the gate becomes the “H” level (power supply voltage), and transfers the signal charge stored in the PD 11 to the FD 15.

MOSトランジスタ13は、ゲートに信号Rの配線が接続され、ドレインに電源線LVDDに接続され、ソースがMOSトランジスタ14のゲートに接続されている。MOSトランジスタ13は、信号Rが「H」レベルとなるとオン状態となり、MOSトランジスタ14のゲート電圧、すなわちFD15の端子間電圧を電源線LVDDの電圧と同様とする。   The MOS transistor 13 has a gate connected to the signal R line, a drain connected to the power supply line LVDD, and a source connected to the gate of the MOS transistor 14. The MOS transistor 13 is turned on when the signal R becomes “H” level, and the gate voltage of the MOS transistor 14, that is, the voltage across the terminals of the FD 15 is made the same as the voltage of the power supply line LVDD.

MOSトランジスタ14は、ドレインが電源線LVVに接続され、ソースがMOSトランジスタ17のドレインに接続されており、FD15に蓄積された信号電荷に対応する信号電流を出力する増幅MOSトランジスタである。
すなわち、MOSトランジスタ14は、FD15に蓄積された電荷により決定される電圧がゲートに印加され、ゲートに印加された電圧に対応した電流を信号電流として流す。
また、MOSトランジスタ14は、FD15の端子間電圧を昇圧する処理に用いられ、ドレインとゲート(ゲート電極)との間の容量(カップリング容量18)により、ドレインの電圧を上昇させることにより、ゲートの電圧を昇圧する。
The MOS transistor 14 is an amplification MOS transistor that has a drain connected to the power supply line LVV and a source connected to the drain of the MOS transistor 17 and outputs a signal current corresponding to the signal charge stored in the FD 15.
That is, in the MOS transistor 14, a voltage determined by the electric charge accumulated in the FD 15 is applied to the gate, and a current corresponding to the voltage applied to the gate flows as a signal current.
The MOS transistor 14 is used for boosting the voltage between the terminals of the FD 15, and the gate voltage is increased by increasing the drain voltage by the capacitance (coupling capacitance 18) between the drain and the gate (gate electrode). Is boosted.

ここで、FD15の容量値(すなわち、MOSトランジスタ14のゲートの対接地容量)をCFDとし、カップリング容量18の容量値をCVVとした場合、電源VVの電圧がΔVVV上昇した際のFD15の端子間電圧の昇圧量ΔVFDは、以下の(1)式により求められる。
ΔVFD=ΔVVV・CVV/(CFD+CVV) …(1)
MOSトランジスタ17は、ゲートが信号SLの配線に接続され、ソースが信号電流の出力端子となっている。
ここで、CVV>CFDとなるようにMOSトランジスタ14を形成する。
Here, when the capacitance value of the FD 15 (that is, the capacitance to the ground of the gate of the MOS transistor 14) is CFD and the capacitance value of the coupling capacitor 18 is CVV, the terminal of the FD 15 when the voltage of the power source VV increases by ΔVVV. The inter-voltage boost amount ΔVFD is obtained by the following equation (1).
ΔVFD = ΔVVV · CVV / (CFD + CVV) (1)
The MOS transistor 17 has a gate connected to the signal SL wiring and a source serving as an output terminal for signal current.
Here, the MOS transistor 14 is formed so that CVV> CFD.

MOSトランジスタ17は、ドレインがMOSトランジスタ14のソースに接続され、ソースがCMOSセンサから露光データなどをOutとして外部に出力する端子に接続され、選択されることによりFD15に蓄積された信号電荷に対応する信号電流を出力する増幅MOSトランジスタである。
すなわち、MOSトランジスタ17は、配線LVVの電圧VVを露光データの読み出す際に、選択され際においてFD15に蓄積された電荷による電流がVoutとして出力される。
The MOS transistor 17 has a drain connected to the source of the MOS transistor 14, and a source connected to a terminal that outputs the exposure data and the like from the CMOS sensor to the outside, and corresponds to the signal charge stored in the FD 15 by being selected. This is an amplification MOS transistor that outputs a signal current to be output.
That is, when the MOS transistor 17 selects the voltage VV of the wiring LVV to read the exposure data, the current due to the charge accumulated in the FD 15 at the time of selection is output as Vout.

次に、図2は、図1に示すCMOSセンサ1での信号電荷の転送を行う際の各動作におけるPD11、MOSトランジスタ12のゲート、FD15及びMOSトランジスタ13のゲートのポテンシャルエネルギーのレベルを示す図である。
図2(a)は、信号TX及び信号Rが「L」レベルであり、MOSトランジスタ12及び13がオフ状態(ゲートのポテンシャルエネルギーが低い状態)である場合のそれぞれのポテンシャルエネルギーのレベルを示している。このとき、PD11には光の照射量に対応する電荷が発生して蓄積されている。
Next, FIG. 2 is a diagram showing potential energy levels of the PD 11, the gate of the MOS transistor 12, the FD 15, and the gate of the MOS transistor 13 in each operation when signal charges are transferred in the CMOS sensor 1 shown in FIG. It is.
FIG. 2A shows the respective potential energy levels when the signal TX and the signal R are at the “L” level and the MOS transistors 12 and 13 are in the OFF state (the potential energy of the gate is low). Yes. At this time, charges corresponding to the amount of light irradiation are generated and stored in the PD 11.

図2(b)は、PD11のリセットを行う場合を示しており、信号TX及び信号Rが「H」レベルとなり、MOSトランジスタ12及び13がオン状態(ゲートのポテンシャルエネルギーが高い状態)となっている。このため、PD11に蓄積されていた電荷がMOSトランジスタ12及び13のゲートを通過し、電源線LVDDに転送される。
この結果、PD11に蓄積された電荷を無くなり、PD11のリセットの処理が行われる。
FIG. 2B shows a case where the PD 11 is reset. The signal TX and the signal R are set to the “H” level, and the MOS transistors 12 and 13 are turned on (the potential energy of the gate is high). Yes. For this reason, the electric charge accumulated in the PD 11 passes through the gates of the MOS transistors 12 and 13 and is transferred to the power supply line LVDD.
As a result, the charge accumulated in the PD 11 is lost and the PD 11 is reset.

図2(c)は、PD11のリセット後に、入射光の光量に対応して発生する信号電荷の蓄積を行う露光状態を示しており、信号TX及び信号Rが「L」レベルであり、MOSトランジスタ12及び13がオフ状態となっている。このため、PD11に発生した信号電荷は、位置するPD11のカソードのポテンシャルエネルギーがMOSトランジスタ12及び13のゲートより高いため移動することができず、PD11のカソードに蓄積されることになる。   FIG. 2C shows an exposure state in which signal charges generated corresponding to the amount of incident light are accumulated after the PD 11 is reset. The signal TX and the signal R are at the “L” level, and the MOS transistor 12 and 13 are off. For this reason, the signal charge generated in the PD 11 cannot move because the potential energy of the cathode of the PD 11 located is higher than the gates of the MOS transistors 12 and 13, and is accumulated in the cathode of the PD 11.

図2(d)は、PD15の端子間電圧の昇圧を行った場合を示しており、このとき電源線LVVの電圧VVは「L」レベル(「H」レベルの電圧より低い所定の電圧値)から「H」レベルに変化している。すでに述べたように、電源線LVVの電圧が接地電圧(「L」レベル)から電源電圧(「H」レベル)に上昇したことにより、(1)で示すようにΔVFDに対応してFD15のポテンシャルエネルギーが高くなる。この結果、PD11からの信号電荷によるFD15の端子間電圧の変動量を広くすることができる。ここで、電圧VVは、後述するように、基準データが読み出される前において、すなわち昇圧される前において、昇圧に寄与させる電圧分、「H」レベルより低い電圧に設定されている。この予め設定される所定の低い電圧と、「H」レベルの電圧との差分が昇圧電圧としてΔVVVに寄与することになる。後述するたの実施形態も同様に、電圧VVは昇圧する前において、昇圧させる電圧分を「H」レベルの電圧より低い値に、制御部により制御される。   FIG. 2D shows a case where the voltage between terminals of the PD 15 is boosted. At this time, the voltage VV of the power supply line LVV is at the “L” level (a predetermined voltage value lower than the voltage at the “H” level). Has changed from “H” level to “H” level. As described above, as the voltage of the power supply line LVV increases from the ground voltage (“L” level) to the power supply voltage (“H” level), the potential of the FD 15 corresponds to ΔVFD as shown in (1). Energy increases. As a result, the fluctuation amount of the voltage across the terminals of the FD 15 due to the signal charge from the PD 11 can be widened. Here, as will be described later, voltage VV is set to a voltage lower than the “H” level by the amount that contributes to boosting before reference data is read, that is, before boosting. The difference between the predetermined low voltage set in advance and the “H” level voltage contributes to ΔVVV as a boosted voltage. Similarly, in the embodiments described later, before the voltage VV is boosted, the voltage to be boosted is controlled by the control unit to a value lower than the “H” level voltage.

図2(e)は、グローバルシャッタ処理において、PD11に蓄積された信号電荷をFD15に転送する場合を示している。このとき、信号TXが「H」レベルとなり、MOSトランジスタ12がオン状態であり、信号Rが「L」レベルとなり、MOSトランジスタ13がオフ状態である。このため、PD11に蓄積された信号電荷は、MOSトランジスタ12のゲートを通過し、FD15に移動して蓄積されることになる。そして、MOSトランジスタ14は、この信号電荷により変動したFD15の端子間電圧に対応した信号電流を制御回路(後述)に供給することとなる。   FIG. 2E shows a case where the signal charge accumulated in the PD 11 is transferred to the FD 15 in the global shutter process. At this time, the signal TX becomes “H” level, the MOS transistor 12 is in the on state, the signal R becomes “L” level, and the MOS transistor 13 is in the off state. For this reason, the signal charge accumulated in the PD 11 passes through the gate of the MOS transistor 12 and moves to the FD 15 to be accumulated. Then, the MOS transistor 14 supplies a signal current corresponding to the voltage across the terminals of the FD 15 that has fluctuated due to this signal charge to a control circuit (described later).

次に、図3は図1に示すCMOSセンサ1からデータを出力する動作例を示すタイミングチャートである。信号TX、R、SL、電源線LVVのレベル制御は、従来例と同様に図示しない制御部が行う。
時刻t以前において、制御回路は、信号TX、R、SLを「L」レベルとし、電源線LVVの電位を「L」レベルとしている。また、電原線LVDDは常に「H」レベル、すなわち電圧VDDである。また、配線LVVの電圧VVの電圧値は、後述するように、昇圧処理のため、予め「H」レベルの電圧値より低い値(α)に設定されている。
時刻tにおいて、制御回路は信号TX及びRを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。また、制御回路は、MOSトランジスタ12及び13のゲートの電圧値をリセット時の電圧「L」レベルから「H」レベルに変化させて、MOSトランジスタ12及び13がオン状態となる。これにより、PD11に生成された電荷がMOSトランジスタ12及び13を介し、電源線LVDDへ電荷が移動することにより、PD11のリセット処理が(PD11の端子間電圧を「H」レベルの電圧とする)行われる。
Next, FIG. 3 is a timing chart showing an operation example of outputting data from the CMOS sensor 1 shown in FIG. The level control of the signals TX, R, SL and the power supply line LVV is performed by a control unit (not shown) as in the conventional example.
At time t 1 earlier, the control circuit, signals TX, R, and SL is "L" level, and the potential of the power supply line LVV to "L" level. The power source line LVDD is always at the “H” level, that is, the voltage VDD. Further, as described later, the voltage value of the voltage VV of the wiring LVV is set to a value (α) lower than the “H” level voltage value in advance for the boosting process.
At time t 1, the control circuit changes the signal TX and R from the "L" level to the "H" level. Further, the control circuit changes the voltage value of the gates of the MOS transistors 12 and 13 from the voltage “L” level at the time of reset to the “H” level, and the MOS transistors 12 and 13 are turned on. As a result, the charge generated in the PD 11 moves to the power supply line LVDD via the MOS transistors 12 and 13, thereby resetting the PD 11 (the PD 11 terminal voltage is set to the “H” level voltage). Done.

時刻tにおいて、制御回路はリセット処理を終了させるため、信号TX及びRを「H」レベルから「L」レベル(接地電位)に変化させる。これにより、MOSトランジスタ12は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。また、MOSトランジスタ13は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
PD11は、リセット処理が終了した時点から、光が照射されることにで電荷を発生し、発生した電荷を自身に蓄積する。ここから露光、すなわち照射された光量に対応する信号電荷の蓄積が開始される。
In time t 2, the control circuit to end the reset process, changes the signal TX and R from the "H" level to the "L" level (ground potential). As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 12, and the MOS transistor 12 is turned off. The MOS transistor 13 is turned off because the “L” level is applied to the gate.
The PD 11 generates charges by being irradiated with light from the time when the reset process is completed, and accumulates the generated charges in itself. From this point, exposure, that is, accumulation of signal charges corresponding to the amount of light irradiated is started.

時刻tにおいて、制御回路は信号Rを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ13は、ゲートに「H」レベルが印加され、オン状態となる。
そして、MOSトランジスタ13を介して、FD15から電源線LVDDに対して電荷が移動し、FD15の電圧が電源線LVDDと同様に「H」レベル(電圧VDD)となる。この結果、FD15は信号電荷が蓄積されていない状態、すなわちリセットされた状態となる。
At time t 3 , the control circuit changes the signal R from the “L” level to the “H” level. As a result, the MOS transistor 13 is turned on by applying the “H” level to the gate.
Then, charges move from the FD 15 to the power supply line LVDD via the MOS transistor 13, and the voltage of the FD 15 becomes the “H” level (voltage VDD) similarly to the power supply line LVDD. As a result, the FD 15 is in a state where no signal charge is accumulated, that is, in a reset state.

時刻tにおいて、制御回路は信号Rを「H」レベルから「L」レベルに変化させるとともに、電源線LVVの電圧を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ13は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
また、FD15の端子間電圧は、電源線LVVが例えば電圧VDDに上昇することにより、電圧VDDからすでに説明した(1)式から求められる昇圧量ΔVFDが上昇する。
この結果、FD15は蓄積される信号電荷に対する容量が増加し、FD15の端子間電圧における信号電荷による変化量の幅を大きくすることとなり、MOSトランジスタ14から得られる信号電流のダイナミックレンジを広げる(増加させる)ことになる。
At time t 4, the control circuit causes changes the signal R from the "H" level to the "L" level, and changes the voltage of the power line LVV from the "L" level to the "H" level.
As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 13, and the MOS transistor 13 is turned off.
Further, the voltage between terminals of the FD 15 increases, for example, when the power supply line LVV rises to the voltage VDD, for example, the boost amount ΔVFD obtained from the equation (1) described above from the voltage VDD.
As a result, the capacity of the FD 15 with respect to the accumulated signal charge is increased, the width of the amount of change due to the signal charge in the voltage between the terminals of the FD 15 is increased, and the dynamic range of the signal current obtained from the MOS transistor 14 is increased (increased). Will be).

時刻tにおいて、制御回路は何ら処理を行わない。
時刻tから時刻tまでは、電源線LVVの電圧VVが「L」レベルから「H」レベルに変化するまでの遅延時間として設けられている。すなわち、この遅延時間は、FDD15の端子間電圧が昇圧されて飽和されるまでの時間である。
後述するが、本実施形態による固体撮像素子は、グローバルシャッタ型であるため、固体撮像素子における全てCMOSセンサ1のMOSトランジスタ14のドレインに接続された電源線LVVの電圧を、「L」レベル(予め設定された「H」レベルから昇圧に寄与させる電圧分低い電圧)から「H」レベルに上昇させる必要がある。
しかしながら、この電源線LVVの容量は大きいため、短時間においては「H」レベルまで上昇しない。電圧VDDで飽和するまで、信号電荷が転送されていない、リセットレベルの信号電流を読み出すことができないので、電源線LVVの電圧VVが予め設定した「H」レベルの電圧より低い電圧から「H」レベル(電源の電圧VDD)となるまで待機状態となる。
At time t 5, the control circuit does not not perform any processing.
From time t 4 to time t 5, the voltage VV of the power supply line LVV is provided as a delay time until changes from "L" level to the "H" level. That is, this delay time is a time until the voltage between the terminals of the FDD 15 is boosted and saturated.
As will be described later, since the solid-state imaging device according to the present embodiment is a global shutter type, the voltage of the power supply line LVV connected to the drain of the MOS transistor 14 of the CMOS sensor 1 in the solid-state imaging device is set to the “L” level ( It is necessary to raise the voltage from a preset “H” level to a “H” level from a voltage that is lower than the voltage that contributes to boosting.
However, since the capacity of power supply line LVV is large, it does not rise to “H” level in a short time. Since the signal current at the reset level in which no signal charge is transferred cannot be read out until the voltage VDD is saturated, the voltage VV of the power supply line LVV is changed from the voltage lower than the preset “H” level voltage to “H”. It will be in a standby state until it reaches a level (power supply voltage VDD).

時刻tにおいて、制御回路は、電圧VDDが「H」レベルとなった後、信号SLを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートに「H」レベルが印加され、オン状態となる。MOSトランジスタ14は、ゲートに印加されている、リセットレベルのFD15の端子間電圧に対応する信号電流を流す。
そして、このタイミングにおいて、制御回路は、MOSトランジスタ17を介して、CMOSセンサ1のリセットレベルの信号電流を検出する。
At time t 6, the control circuit, after the voltage VDD becomes "H" level and changes the signal SL from the "L" level to the "H" level. As a result, the MOS transistor 17 is turned on by applying the “H” level to the gate. The MOS transistor 14 applies a signal current corresponding to the voltage across the terminals of the reset level FD 15 applied to the gate.
At this timing, the control circuit detects the signal current at the reset level of the CMOS sensor 1 via the MOS transistor 17.

すなわち、制御回路は、昇圧されたFD15の端子間電圧がゲートに印加されるMOSトランジスタ14に流れる信号電流を検出し、この信号電流を電圧値に変換してリセットレベルにおける基準データとして、外部の記憶装置に書き込んで記憶させる。
ここで、時刻tから時刻tまでの時間が、すでに述べた電源線LVVが電圧VDDとなるまで待機状態の総計の時間となる。この総計の時間は、例えば、実際に電源線LVVの電圧VVが電圧VDDに上昇するまでの時間を測定して設定する。
That is, the control circuit detects a signal current flowing through the MOS transistor 14 to which the boosted inter-terminal voltage of the FD 15 is applied to the gate, converts this signal current into a voltage value, and uses the external current as reference data at the reset level. Write to the storage device and store.
Here, the time from time t 4 to time t 6 is the power line LVV already mentioned the time of total wait state until the voltage VDD. The total time is set, for example, by measuring the time until the voltage VV of the power supply line LVV actually rises to the voltage VDD.

時刻tにおいて、制御回路は信号SLを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。 At time t 7, the control circuit changes the signal SL from the "H" level to the "L" level. As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 17, and thus the MOS transistor 17 is turned off.

時刻tにおいて、制御回路は信号TXを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ12は、ゲートに「H」レベルが印加され、オン状態となる。
そして、PD11が発生させて蓄積している電荷が、MOSトランジスタ12を介して、PD11のカソードよりポテンシャルの高いFD15に転送される。このため、時刻tからこの電荷の移動を行わせる現時点の時刻tまでがPD11が照射した光に対応した電荷を発生し、この発生した電荷を蓄積する時間、すなわち露光時間となる。
この結果、露光時間内においてPD11が発生して蓄積した電荷は、MOSトランジスタ12を介して転送されて、FD15に蓄積されることになる。
すなわち、PD11に蓄積されている信号電荷が、PD11からFD15へ転送され、FD15の端子間電圧が信号電荷の電荷量に応じて変化する。
また、時刻tから時刻tまでの期間は、制御部が固体撮像素子の他のCMOSセンサ1の基準データを読み取る時間である。
At time t 8, the control circuit changes the signal TX from the "L" level to the "H" level. As a result, the MOS transistor 12 is turned on by applying the “H” level to the gate.
Then, the charge generated and accumulated by the PD 11 is transferred via the MOS transistor 12 to the FD 15 having a higher potential than the cathode of the PD 11. For this reason, the time corresponding to the light irradiated by the PD 11 is generated from the time t 2 to the current time t 8 when the charge is moved, and this is the time for accumulating the generated charge, that is, the exposure time.
As a result, the charge generated and accumulated by the PD 11 within the exposure time is transferred via the MOS transistor 12 and accumulated in the FD 15.
That is, the signal charge accumulated in the PD 11 is transferred from the PD 11 to the FD 15, and the voltage between the terminals of the FD 15 changes according to the charge amount of the signal charge.
Further, the period from time t 7 to the time t 8, the control unit is the time to read the other reference data of the CMOS sensor 1 of the solid-state imaging device.

時刻tにおいて、制御回路は信号TXを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ12は、ゲートに「L」レベルが印加され、オフ状態となる。このタイミングにおいて、制御回路は、PD11からFD15への電荷の転送を終了させる。
At time t 9, the control circuit changes the signal TX from the "H" level to the "L" level.
As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 12 and the MOS transistor 12 is turned off. At this timing, the control circuit ends the transfer of charge from the PD 11 to the FD 15.

時刻t10において、制御回路は信号SLを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となる。このとき、MOSトランジスタ17は、MOSトランジスタ14からドレインに流れ込む信号電流を、ソースから流し出す状態となる。
そして、制御回路は、FD15に蓄積されている電荷の情報の読み出しを開始する。すなわち、制御回路は、FD15の端子間電圧に対応してMOSトランジスタ14に流れる信号電流を、MOSトランジスタ17を介して検出し、この信号電流を電圧値に変換して露光時の露光データとする。また、制御回路は、露光データから、このCMOSセンサ1に対応して記憶されている基準データを減算し、CMOSセンサ1が受光した光量に対応する画像データを生成する。
At time t 10, the control circuit changes the signal SL from the "L" level to the "H" level.
As a result, the MOS transistor 17 is turned on because the “H” level is applied to the gate. At this time, the MOS transistor 17 enters a state in which the signal current flowing from the MOS transistor 14 to the drain flows out from the source.
Then, the control circuit starts reading the information on the charges accumulated in the FD 15. That is, the control circuit detects the signal current flowing through the MOS transistor 14 corresponding to the voltage between the terminals of the FD 15 via the MOS transistor 17 and converts this signal current into a voltage value to obtain exposure data at the time of exposure. . Further, the control circuit subtracts the reference data stored corresponding to the CMOS sensor 1 from the exposure data, and generates image data corresponding to the amount of light received by the CMOS sensor 1.

時刻t11において、制御回路は、信号SLを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
これにより、制御回路は、CMOSセンサ1からの露光データの読み出しを終了する。また、制御回路は、固体撮像素子における他のCMOSセンサからの露光データの読み出しが終了するまで、電源線LVVの電圧レベルを「H」レベルに維持させておく。
そして、制御回路は、固体撮像素子における全てのCMOSセンサ1から、露光データの読み出しが終了したタイミングにおいて、電源線VLLの電圧レベルを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。
時刻tから時刻t11までの期間において、制御回路は固体撮像素子における全てのCMOSセンサ1から露光データの読み出しの処理を行う。制御装置は、上述した時刻tから時刻t11までの処理を繰り返して行うことにより、動画の画像データを生成する。
At time t 11, the control circuit changes the signal SL from the "H" level to the "L" level.
As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 17, and thus the MOS transistor 17 is turned off.
As a result, the control circuit finishes reading the exposure data from the CMOS sensor 1. Further, the control circuit maintains the voltage level of the power supply line LVV at the “H” level until reading of exposure data from other CMOS sensors in the solid-state imaging device is completed.
Then, the control circuit changes the voltage level of the power supply line VLL from the “H” level to the “L” level at the timing when reading of exposure data from all the CMOS sensors 1 in the solid-state imaging device is completed.
During the period from time t 9 to the time t 11, the control circuit performs processing of reading the exposure data from all the CMOS sensor 1 in the solid-state imaging device. Controller, by repeating the process from time t 1 described above until time t 11, and generates the image data of the moving image.

次に、図4は本実施形態における図1のCMOSセンサ1を用いた、グローバルシャッタ型の固体撮像素子の構成例を示す図である。この固体撮像素子は、縦n個×横m個のマトリクス状に、複数のCMOSセンサ(上述したCMOSセンサ1)が配列されて構成される。本実施形態においては、一例として、図4に示すように、マトリクス状に縦2個×横2個に配列された4個のCMOSセンサからなる固体撮像素子を例として以下説明する。
本実施形態の固体撮像素子は、CMOSセンサS11、S12、S21及びS22、MOSトランジスタ181、182、タイミング発生回路20、垂直レジスタ21、水平例ジスタ22、制御回路30(すでに述べた図示しない制御回路と同様)を有している。ここで、CMOSセンサS11、S12、S21及びS22の各々は、図1のCMOSセンサ1と同様の構成である。
Next, FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of a global shutter type solid-state imaging device using the CMOS sensor 1 of FIG. 1 in the present embodiment. This solid-state imaging device is configured by arranging a plurality of CMOS sensors (the above-described CMOS sensor 1) in a matrix of vertical n × horizontal m. In the present embodiment, as an example, as shown in FIG. 4, a solid-state imaging device composed of four CMOS sensors arranged in a matrix of 2 × 2 in a matrix will be described below as an example.
The solid-state imaging device of this embodiment includes CMOS sensors S11, S12, S21 and S22, MOS transistors 181, 182, timing generation circuit 20, vertical register 21, horizontal example register 22, and control circuit 30 (control circuit (not shown). As well as). Here, each of the CMOS sensors S11, S12, S21, and S22 has the same configuration as the CMOS sensor 1 of FIG.

MOSトランジスタ181は、ドレインがCMOSセンサS11及びS12におけるMOSトランジスタ17のソースに接続されている。
MOSトランジスタ182は、ドレインがCMOSセンサS21及びS22におけるMOSトランジスタ17のソースに接続されている。
これらMOSトランジスタ181及び182の各々は、ソースが共通に接続され、CMOSセンサのマトリクスにおけるいずれの列の出力(Out、露光データあるいは基準データ)を選択するために用いられる。
The drain of the MOS transistor 181 is connected to the source of the MOS transistor 17 in the CMOS sensors S11 and S12.
The drain of the MOS transistor 182 is connected to the source of the MOS transistor 17 in the CMOS sensors S21 and S22.
Each of these MOS transistors 181 and 182 has a source connected in common, and is used to select any column output (Out, exposure data or reference data) in the CMOS sensor matrix.

タイミング発生回路20は、制御回路30により制御され、固体撮像素子から画像データを出力する際、垂直レジスタ21と水平レジスタ22との各々に、それぞれタイミング信号SL1、SL2、タイミング信号ST1、ST2を出力させる。
垂直レジスタ21は、CMOSセンサS11及びS21におけるMOSトランジスタ17のゲートに対して信号SL1を出力し、またCMOSセンサS12及びS22におけるMOSトランジスタ17のゲートに対して信号SL2を出力する。
水平レジスタ22は、MOSトランジスタ181のゲートに信号ST1を供給し、MOSトランジスタ182のゲートに信号ST2を供給する。
The timing generation circuit 20 is controlled by the control circuit 30 and outputs timing signals SL1 and SL2 and timing signals ST1 and ST2 to the vertical register 21 and the horizontal register 22, respectively, when outputting image data from the solid-state imaging device. Let
The vertical register 21 outputs a signal SL1 to the gate of the MOS transistor 17 in the CMOS sensors S11 and S21, and outputs a signal SL2 to the gate of the MOS transistor 17 in the CMOS sensors S12 and S22.
The horizontal register 22 supplies the signal ST1 to the gate of the MOS transistor 181 and supplies the signal ST2 to the gate of the MOS transistor 182.

電源線LVDDは、電圧VDD(「H」レベルの電圧)を供給する配線であり、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおけるMOSトランジスタ13のドレインに対して共通に接続されている。
電源線LVVは、電圧VV(「H」レベルまたは予め設定された当該「H」レベルの電圧より低い「L」レベルのいずれか)を供給する配線であり、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおけるMOSトランジスタ14のドレインに対して共通に接続されている。
信号線LRは、信号Rを供給する配線であり、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおけるMOSトランジスタ13のゲートに対して共通に接続されている。
信号線LTXは、信号TXを供給する配線であり、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおけるMOSトランジスタ12のゲートに対して共通に接続されている。
The power supply line LVDD is a wiring that supplies the voltage VDD (“H” level voltage), and is connected in common to the drains of the MOS transistors 13 in all the CMOS sensors of the solid-state imaging device.
The power supply line LVV is a wiring that supplies a voltage VV (either “H” level or “L” level lower than a preset voltage of the “H” level). The drains of the MOS transistors 14 are commonly connected.
The signal line LR is a wiring for supplying the signal R, and is connected in common to the gates of the MOS transistors 13 in all the CMOS sensors of the solid-state imaging device.
The signal line LTX is a wiring for supplying the signal TX, and is connected in common to the gates of the MOS transistors 12 in all the CMOS sensors of the solid-state imaging device.

次に、図5は、図4のグローバルシャッタ型の固体撮像素子の動作例を示すタイミングチャートである。
タイミング発生回路20、信号R、信号TX、電圧VVの制御は、図示しない制御回路30が行う。時刻t21以前において、画像データの読み出し前であるため、制御回路30は、信号R、TX、電源VV及びタイミング信号SL1、SL2、ST1、ST2を「L」レベルとしている。
以下、図5のタイミングチャートを用いて、図4の固体撮像素子の動作を説明する。
Next, FIG. 5 is a timing chart showing an operation example of the global shutter type solid-state imaging device of FIG.
The control circuit 30 (not shown) controls the timing generation circuit 20, the signal R, the signal TX, and the voltage VV. At time t 21 Previously, a previous reading of the image data, the control circuit 30 is the signal R, TX, power VV and timing signals SL1, SL2, ST1, ST2 and as "L" level.
Hereinafter, the operation of the solid-state imaging device of FIG. 4 will be described with reference to the timing chart of FIG.

時刻t21において、制御回路30は信号TX及びRを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおけるMOSトランジスタ12及びMOSトランジスタ13が同時にオン状態となる。
この結果、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおけるPD11及びFD15がリセット処理され、信号電荷が蓄積されていない初期状態(電圧VDD)となる。すなわち、固体撮像素子における全てのMOSセンサが同時にリセット処理される。
At time t 21, the control circuit 30 changes the signal TX and R from the "L" level to the "H" level. Thereby, the MOS transistor 12 and the MOS transistor 13 in all the CMOS sensors of the solid-state imaging device are simultaneously turned on.
As a result, the PD 11 and the FD 15 in all the CMOS sensors of the solid-state imaging device are reset, and an initial state (voltage VDD) in which no signal charge is accumulated is obtained. That is, all the MOS sensors in the solid-state image sensor are reset simultaneously.

時刻t22において、制御回路30は信号TX及びRを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおけるMOSトランジスタ12及び13のゲートに「L」レベルが印加され、オフ状態となる。制御回路30は、固体撮像素子におけるCMOSセンサのリセット処理を終了する。
また、制御回路30は電源線LVVの電圧VVを「L」レベルから「H」レベルに変化させ、FD15の端子間電圧の昇圧を開始する。すでに述べたように、電源線LVVは、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおけるMOSトランジスタ14のドレインに接続されている。このため、制御回路30は大きな容量に対して電流を供給する必要があり、電源線VLLの電圧VVを「H」レベルとするために長い時間が必要となる。
At time t 22, the control circuit 30 changes the signal TX and R from the "H" level to the "L" level. As a result, the “L” level is applied to the gates of the MOS transistors 12 and 13 in all the CMOS sensors of the solid-state imaging device, and the transistors are turned off. The control circuit 30 ends the reset process of the CMOS sensor in the solid-state image sensor.
Further, the control circuit 30 changes the voltage VV of the power supply line LVV from the “L” level to the “H” level, and starts boosting the voltage between the terminals of the FD 15. As already described, the power supply line LVV is connected to the drain of the MOS transistor 14 in all the CMOS sensors of the solid-state imaging device. Therefore, the control circuit 30 needs to supply a current to a large capacity, and a long time is required to set the voltage VV of the power supply line VLL to the “H” level.

時刻t23において、制御回路30はタイミング発生回路20に対し、タイミング発生回路20が垂直レジスタ21及び水平レジスタ22に対する制御を開始することを指示するタイミング制御信号を出力する。時刻t22から時刻t23までの時間は、電源線LVVの電圧が「H」レベルに到達(飽和)するまでの昇圧時間として設定されている。制御回路30は、この昇圧時間が経過したことを内部タイマにより計測し、昇圧時間が経過した後、リセットレベルにおける信号電流(昇圧後のFD15の端子間電圧に対応してMOSトランジスタ14に流れる電流)の読み出し処理を開始する。 At time t 23, the control circuit 30 to the timing generating circuit 20, the timing generating circuit 20 outputs a timing control signal for instructing to start the control for the vertical register 21 and horizontal register 22. Time from time t 22 to time t 23, the voltage of the power supply line LVV is set as a boost time to reach (saturated) to the "H" level. The control circuit 30 measures that the boosting time has elapsed with an internal timer, and after the boosting time has elapsed, the control circuit 30 outputs a signal current at the reset level (current flowing through the MOS transistor 14 corresponding to the voltage across the FD 15 after boosting). ) Reading process is started.

タイミング制御信号が入力されると、タイミング発生回路20は、垂直レジスタ21に対し、信号SL1を「H」レベルとする制御信号を出力する。そして、垂直レジスタ21は、信号SL1を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。CMOSセンサS11及びS21におけるMOSトランジスタ17のゲートに「H」レベルが印加されることになり、CMOSセンサS11及びS21におけるMOSトランジスタ17がオン状態となる。
すなわち、固体撮像素子のCMOSセンサのマトリクスにおいて、信号SL1により、CMOSセンサS11及びS21の行が、基準データの読み出しを行う対象として選択されたことになる。
ここで、タイミング発生回路20は、信号SL1を「H」レベルとする制御信号を出力してから、内部タイマーにより時間のカウントを開始する。
When the timing control signal is input, the timing generation circuit 20 outputs a control signal for setting the signal SL1 to the “H” level to the vertical register 21. Then, the vertical register 21 changes the signal SL1 from the “L” level to the “H” level. The “H” level is applied to the gates of the MOS transistors 17 in the CMOS sensors S11 and S21, and the MOS transistors 17 in the CMOS sensors S11 and S21 are turned on.
That is, in the CMOS sensor matrix of the solid-state imaging device, the rows of the CMOS sensors S11 and S21 are selected as targets for reading the reference data by the signal SL1.
Here, the timing generation circuit 20 outputs a control signal for setting the signal SL1 to the “H” level, and then starts counting time by an internal timer.

時刻t24において、タイミング発生回路20は、カウントしている時間がT11になると、水平レジスタ22に対し、信号ST1を「H」レベルとする制御信号を出力する。そして、水平レジスタ22は、信号ST1を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ181は、ゲートに「H」レベルが印加されてオン状態となる。
この結果、信号SL1及び信号ST1がともに「H」レベルとなることにより、CMOSセンサS11のMOSトランジスタ17及び181がオン状態となることにより、リセットレベルの信号電流の検出対象の画素としてCMOSセンサS11が選択されたことになる。
そして、制御回路30は、CMOSセンサS11におけるMOSトランジスタ14が流す信号電流を、MOSトランジスタ17及び181を介して検出する。検出後、制御回路30は、信号電流を基準データに変換し、CMOSセンサS11の基準データとして外部の記憶装置において、CMOSセンサS11の基準データを設定するアドレスに書き込んで記憶させる。
At time t 24 , the timing generation circuit 20 outputs a control signal for setting the signal ST 1 to the “H” level to the horizontal register 22 when the counting time reaches T 11. Then, the horizontal register 22 changes the signal ST1 from “L” level to “H” level. As a result, the MOS transistor 181 is turned on by applying the “H” level to the gate.
As a result, when both the signal SL1 and the signal ST1 are set to the “H” level, the MOS transistors 17 and 181 of the CMOS sensor S11 are turned on, so that the CMOS sensor S11 is used as a detection target pixel of the reset level signal current. Is selected.
Then, the control circuit 30 detects the signal current flowing through the MOS transistor 14 in the CMOS sensor S11 via the MOS transistors 17 and 181. After the detection, the control circuit 30 converts the signal current into reference data, and writes and stores the reference data of the CMOS sensor S11 in an external storage device at an address for setting the reference data of the CMOS sensor S11.

時刻t25において、タイミング発生回路20は、カウントしている時間がT21になると、水平レジスタ22に対し、信号ST1を「L」レベルとし、信号ST2を「H」レベルとする制御信号を出力する。そして、水平レジスタ22は、信号ST1を「H」レベルから「L」レベルに変化させ、信号ST2を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ181は、ゲートに「L」レベルが印加されてオフ状態となる。また、MOSトランジスタ182は、ゲートに「H」レベルが印加されてオン状態となる。
この結果、信号SL1及び信号ST2がともに「H」レベルとなることにより、CMOSセンサS21におけるMOSトランジスタ17及び182がオン状態となることにより、リセットレベルの信号電流の検出対象の画素としてCMOSセンサS21が選択されたことになる。
そして、制御回路30は、CMOSセンサS21におけるMOSトランジスタ14が流す信号電流を、MOSトランジスタ17及び182を介して検出する。検出後、制御回路30は、信号電流(図4のOut)を基準データに変換し、CMOSセンサS21の基準データとして外部の記憶装置において、CMOSセンサS21の基準データを設定するアドレスに書き込んで記憶させる。
At time t 25 , when the counting time reaches T 21, the timing generation circuit 20 outputs a control signal for setting the signal ST 1 to “L” level and the signal ST 2 to “H” level to the horizontal register 22. . Then, the horizontal register 22 changes the signal ST1 from “H” level to “L” level, and changes the signal ST2 from “L” level to “H” level. As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 181 and the MOS transistor 181 is turned off. In addition, the MOS transistor 182 is turned on when the “H” level is applied to the gate.
As a result, both the signal SL1 and the signal ST2 are set to the “H” level, and the MOS transistors 17 and 182 in the CMOS sensor S21 are turned on. Is selected.
The control circuit 30 detects the signal current flowing through the MOS transistor 14 in the CMOS sensor S21 via the MOS transistors 17 and 182. After the detection, the control circuit 30 converts the signal current (Out in FIG. 4) into reference data, and writes it as reference data for the CMOS sensor S21 in an external storage device at an address for setting the reference data for the CMOS sensor S21. Let

時刻t26において、タイミング発生回路20は、カウントしている時間がT2になると、垂直レジスタ21に対して信号SL1を「L」レベルとし、水平レジスタ22に対して信号ST2を「L」レベルとする制御信号を出力する。これにより、MOSトランジスタ182とCMOSセンサS11及びS21におけるMOSトランジスタ17とは、ゲートに「L」レベルが印加されることにより、オフ状態となる。
また、タイミング発生回路20は、垂直レジスタ21に対して、信号SL1を「H」レベルとする制御信号を出力する。
At time t 26 , the timing generation circuit 20 sets the signal SL 1 to the “L” level for the vertical register 21 and sets the signal ST 2 to the “L” level for the horizontal register 22 when the counting time reaches T 2. Output a control signal. As a result, the MOS transistor 182 and the MOS transistors 17 in the CMOS sensors S11 and S21 are turned off by applying the “L” level to the gates.
The timing generation circuit 20 outputs a control signal for setting the signal SL1 to the “H” level to the vertical register 21.

そして、垂直レジスタ21は、信号SL1を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。CMOSセンサS12及びS22におけるMOSトランジスタ17のゲートに「H」レベルが印加されることになり、CMOSセンサS12及びS22におけるMOSトランジスタ17がオン状態となる。
すなわち、固体撮像素子のCMOSセンサのマトリクスにおいて、信号SL2により、CMOSセンサS12及びS22の行が、基準データの読み出しを行う対象として選択されたことになる。
Then, the vertical register 21 changes the signal SL1 from the “L” level to the “H” level. The “H” level is applied to the gates of the MOS transistors 17 in the CMOS sensors S12 and S22, and the MOS transistors 17 in the CMOS sensors S12 and S22 are turned on.
That is, in the CMOS sensor matrix of the solid-state imaging device, the rows of the CMOS sensors S12 and S22 are selected by the signal SL2 as targets for reading the reference data.

時刻t27において、タイミング発生回路20は、カウントしている時間がT12になると、水平レジスタ22に対し、信号ST1を「H」レベルとする制御信号を出力する。そして、水平レジスタ22は、信号ST1を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ181は、ゲートに「H」レベルが印加されてオン状態となる。
この結果、信号SL2及び信号ST1がともに「H」レベルとなることにより、CMOSセンサS12のMOSトランジスタ17及び181がオン状態となることにより、リセットレベルの信号電流の検出対象の画素としてCMOSセンサS12が選択されたことになる。
そして、制御回路30は、CMOSセンサS12におけるMOSトランジスタ14が流す信号電流を、MOSトランジスタ17及び181を介して検出する。検出後、制御回路30は、信号電流を基準データに変換し、CMOSセンサS12の基準データとして外部の記憶装置において、CMOSセンサS12の基準データを設定するアドレスに書き込んで記憶させる。
At time t 27 , the timing generation circuit 20 outputs a control signal for setting the signal ST 1 to the “H” level to the horizontal register 22 when the counting time reaches T 12. Then, the horizontal register 22 changes the signal ST1 from “L” level to “H” level. As a result, the MOS transistor 181 is turned on by applying the “H” level to the gate.
As a result, when both the signal SL2 and the signal ST1 are set to the “H” level, and the MOS transistors 17 and 181 of the CMOS sensor S12 are turned on, the CMOS sensor S12 is detected as a pixel to be detected as a signal current at the reset level. Is selected.
Then, the control circuit 30 detects the signal current flowing through the MOS transistor 14 in the CMOS sensor S12 via the MOS transistors 17 and 181. After the detection, the control circuit 30 converts the signal current into reference data, and writes and stores the reference current of the CMOS sensor S12 at the address for setting the reference data of the CMOS sensor S12 in the external storage device.

時刻t28において、タイミング発生回路20は、カウントしている時間がT22になると、水平レジスタ22に対し、信号ST1を「L」レベルとし、信号ST2を「H」レベルとする制御信号を出力する。そして、水平レジスタ22は、信号ST1を「H」レベルから「L」レベルに変化させ、信号ST2を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ181は、ゲートに「L」レベルが印加されてオフ状態となる。また、MOSトランジスタ182は、ゲートに「H」レベルが印加されてオン状態となる。
この結果、信号SL2及び信号ST2がともに「H」レベルとなることにより、CMOSセンサS22におけるMOSトランジスタ17及び182がオン状態となることにより、リセットレベルの信号電流の検出対象の画素としてCMOSセンサS22が選択されたことになる。
そして、制御回路30は、CMOSセンサS22におけるMOSトランジスタ14が流す信号電流を、MOSトランジスタ17及び182を介して検出する。検出後、制御回路30は、信号電流を基準データに変換し、CMOSセンサS22の基準データとして外部の記憶装置において、CMOSセンサS22の基準データを設定するアドレスに書き込んで記憶させる。
At time t 28 , when the counting time reaches T 22, the timing generation circuit 20 outputs a control signal that sets the signal ST 1 to “L” level and the signal ST 2 to “H” level to the horizontal register 22. . Then, the horizontal register 22 changes the signal ST1 from “H” level to “L” level, and changes the signal ST2 from “L” level to “H” level. As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 181 and the MOS transistor 181 is turned off. In addition, the MOS transistor 182 is turned on when the “H” level is applied to the gate.
As a result, when both the signal SL2 and the signal ST2 are set to the “H” level, and the MOS transistors 17 and 182 in the CMOS sensor S22 are turned on, the CMOS sensor S22 is used as a pixel to be detected as a reset level signal current. Is selected.
Then, the control circuit 30 detects the signal current flowing through the MOS transistor 14 in the CMOS sensor S22 via the MOS transistors 17 and 182. After the detection, the control circuit 30 converts the signal current into reference data, and writes and stores the reference data of the CMOS sensor S22 in an external storage device at an address for setting the reference data of the CMOS sensor S22.

時刻t29において、タイミング発生回路20は、カウントしている時間がT3になると、垂直レジスタ21に対して信号SL2を「L」レベルとする制御信号を出力するとともに、水平レジスタ22に対して信号ST2を「L」レベルとする制御信号を出力する。そして、垂直レジスタ21は信号SL2を「H」レベルから「L」レベルに変化させ、水平レジスタ22は信号ST2を「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、CMOSセンサS12及びS22におけるMOSトランジスタ17は、ゲートに「L」レベルが印加されてオフ状態となる。また、MOSトランジスタ182は、ゲートに「L」レベルが印加されてオフ状態となる。
また、タイミング発生回路20は、固体撮像素子の全てのCMOSセンサの読み出しが終了したことを示す終了信号を、制御回路30に対して出力する。
そして、制御回路30は、終了信号が供給されると、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおいて、PD11からFD15への信号電荷の転送を行うため、信号TXを「L」レベルから「H」レベルへ変化させる。これにより、CMOSセンサS11、S21、S12及びS22におけるMOSトランジスタ12は、同時にゲートに「H」レベルが印加されてオン状態となる。
そして、CMOSセンサS11、S21、S12及びS22において、PD11が照射された光量に対応して発生し蓄積した信号電荷が、MOSトランジスタ12を介して、FD15に転送され、FD15において信号電荷が蓄積される。
At time t 29 , when the counting time reaches T 3, the timing generation circuit 20 outputs a control signal for setting the signal SL 2 to the “L” level to the vertical register 21 and also outputs a signal to the horizontal register 22. A control signal for setting ST2 to “L” level is output. The vertical register 21 changes the signal SL2 from “H” level to “L” level, and the horizontal register 22 changes the signal ST2 from “H” level to “L” level. As a result, the MOS transistors 17 in the CMOS sensors S12 and S22 are turned off by applying the “L” level to the gates. In addition, the MOS transistor 182 is turned off when the “L” level is applied to the gate.
In addition, the timing generation circuit 20 outputs an end signal indicating that reading of all the CMOS sensors of the solid-state image sensor has been completed to the control circuit 30.
Then, when the end signal is supplied, the control circuit 30 transfers the signal charge from the PD 11 to the FD 15 in all the CMOS sensors of the solid-state imaging device, so that the signal TX is changed from the “L” level to the “H” level. To change. As a result, the MOS transistors 12 in the CMOS sensors S11, S21, S12, and S22 are simultaneously turned on by applying the “H” level to the gates.
In the CMOS sensors S11, S21, S12, and S22, the signal charges generated and accumulated corresponding to the amount of light irradiated on the PD 11 are transferred to the FD 15 through the MOS transistor 12, and the signal charges are accumulated in the FD 15. The

時刻t30において、制御回路30はタイミング発生回路20に対し、タイミング発生回路20が垂直レジスタ21及び水平レジスタ22に対する制御を開始することを指示するタイミング制御信号を出力する。
すなわち、制御回路30は、FD15に蓄積されている、時刻t22から時刻t29までの時間における露光により得られた信号電荷に対応する信号電流(信号電荷転送後のFD15の端子間電圧に対応してMOSトランジスタ14に流れる電流)の読み出し処理を開始する。
At time t 30 , the control circuit 30 outputs a timing control signal that instructs the timing generation circuit 20 to start control of the vertical register 21 and the horizontal register 22.
That is, the control circuit 30 corresponds to the signal current (corresponding to the voltage across the terminals of the FD 15 after the signal charge transfer) corresponding to the signal charge obtained by the exposure in the time from the time t 22 to the time t 29 , accumulated in the FD 15. Then, the reading process of the current flowing in the MOS transistor 14 is started.

タイミング制御信号が入力されると、タイミング発生回路20は、垂直レジスタ21に対し、信号SL1を「H」レベルとする制御信号を出力する。そして、垂直レジスタ21は、信号SL1を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。CMOSセンサS11及びS21におけるMOSトランジスタ17のゲートに「H」レベルが印加されることになり、CMOSセンサS11及びS21におけるMOSトランジスタ17がオン状態となる。
すなわち、固体撮像素子のCMOSセンサのマトリクスにおいて、信号SL1により、CMOSセンサS11及びS21の行が、露光データの読み出しを行う対象として選択されたことになる。
ここで、タイミング発生回路20は、信号SL1を「H」レベルとする制御信号を出力してから、内部タイマーにより時間のカウントを開始する。
When the timing control signal is input, the timing generation circuit 20 outputs a control signal for setting the signal SL1 to the “H” level to the vertical register 21. Then, the vertical register 21 changes the signal SL1 from the “L” level to the “H” level. The “H” level is applied to the gates of the MOS transistors 17 in the CMOS sensors S11 and S21, and the MOS transistors 17 in the CMOS sensors S11 and S21 are turned on.
That is, in the CMOS sensor matrix of the solid-state imaging device, the rows of the CMOS sensors S11 and S21 are selected as targets for reading exposure data by the signal SL1.
Here, the timing generation circuit 20 outputs a control signal for setting the signal SL1 to the “H” level, and then starts counting time by an internal timer.

時刻t31において、タイミング発生回路20は、カウントしている時間がT11になると、水平レジスタ22に対し、信号ST1を「H」レベルとする制御信号を出力する。そして、水平レジスタ22は、信号ST1を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ181は、ゲートに「H」レベルが印加されてオン状態となる。
この結果、信号SL1及び信号ST1がともに「H」レベルとなることにより、CMOSセンサS11のMOSトランジスタ17及び181がオン状態となることにより、露光により発生した信号電荷に対応した信号電流の検出対象の画素としてCMOSセンサS11が選択されたことになる。
そして、制御回路30は、CMOSセンサS11におけるMOSトランジスタ14が流す信号電流を、MOSトランジスタ17及び181を介して検出する。検出後、制御回路30は、信号電流を露光データに変換し、CMOSセンサS11の基準データを外部の記憶装置から読み出し、露光データから基準データを減算し、減算結果を画像データとして外部の記憶装置において、CMOSセンサS11の画像データを設定するアドレスに書き込んで記憶させる。
At time t 31, the timing generating circuit 20, the time during which the count reaches T11, to the horizontal register 22, and outputs a control signal to a signal ST1 and "H" level. Then, the horizontal register 22 changes the signal ST1 from “L” level to “H” level. As a result, the MOS transistor 181 is turned on by applying the “H” level to the gate.
As a result, when both the signal SL1 and the signal ST1 are set to the “H” level, and the MOS transistors 17 and 181 of the CMOS sensor S11 are turned on, the signal current detection target corresponding to the signal charge generated by the exposure is detected. As a result, the CMOS sensor S11 is selected.
Then, the control circuit 30 detects the signal current flowing through the MOS transistor 14 in the CMOS sensor S11 via the MOS transistors 17 and 181. After the detection, the control circuit 30 converts the signal current into exposure data, reads the reference data of the CMOS sensor S11 from the external storage device, subtracts the reference data from the exposure data, and uses the subtraction result as image data as an external storage device. Then, the image data of the CMOS sensor S11 is written and stored at the set address.

時刻t32において、タイミング発生回路20は、カウントしている時間がT21になると、水平レジスタ22に対し、信号ST1を「L」レベルとし、信号ST2を「H」レベルとする制御信号を出力する。そして、水平レジスタ22は、信号ST1を「H」レベルから「L」レベルに変化させ、信号ST2を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ181は、ゲートに「L」レベルが印加されてオフ状態となる。また、MOSトランジスタ182は、ゲートに「H」レベルが印加されてオン状態となる。
この結果、信号SL1及び信号ST2がともに「H」レベルとなることにより、CMOSセンサS21におけるMOSトランジスタ17及び182がオン状態となることにより、露光により発生した信号電荷に対応した信号電流の検出対象の画素としてCMOSセンサS21が選択されたことになる。
そして、制御回路30は、CMOSセンサS21におけるMOSトランジスタ14が流す信号電流を、MOSトランジスタ17及び182を介して検出する。検出後、制御回路30は、信号電流を露光データに変換し、CMOSセンサS21の基準データを外部の記憶装置から読み出し、露光データから基準データを減算し、減算結果を画像データとして外部の記憶装置において、CMOSセンサS21の画像データを設定するアドレスに書き込んで記憶させる。
At time t 32, the timing generating circuit 20, the time during which the count reaches T21, to the horizontal register 22, a signal ST1 is "L" level, and outputs a control signal to the signal ST2 to "H" level . Then, the horizontal register 22 changes the signal ST1 from “H” level to “L” level, and changes the signal ST2 from “L” level to “H” level. As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 181 and the MOS transistor 181 is turned off. In addition, the MOS transistor 182 is turned on when the “H” level is applied to the gate.
As a result, when both the signal SL1 and the signal ST2 are set to the “H” level, and the MOS transistors 17 and 182 in the CMOS sensor S21 are turned on, the signal current detection target corresponding to the signal charge generated by the exposure is detected. As a result, the CMOS sensor S21 is selected.
The control circuit 30 detects the signal current flowing through the MOS transistor 14 in the CMOS sensor S21 via the MOS transistors 17 and 182. After the detection, the control circuit 30 converts the signal current into exposure data, reads the reference data of the CMOS sensor S21 from the external storage device, subtracts the reference data from the exposure data, and uses the subtraction result as image data as an external storage device. Then, the image data of the CMOS sensor S21 is written and stored in the set address.

時刻t33において、タイミング発生回路20は、カウントしている時間がT2になると、垂直レジスタ21に対して信号SL1を「L」レベルとし、水平レジスタ22に対して信号ST2を「L」レベルとする制御信号を出力する。これにより、MOSトランジスタ182とCMOSセンサS11及びS21におけるMOSトランジスタ17とは、ゲートに「L」レベルが印加されることにより、オフ状態となる。
また、タイミング発生回路20は、垂直レジスタ21に対して、信号SL1を「H」レベルとする制御信号を出力する。
At time t 33 , when the counting time reaches T 2, the timing generation circuit 20 sets the signal SL 1 to the “L” level for the vertical register 21 and sets the signal ST 2 to the “L” level for the horizontal register 22. Output a control signal. As a result, the MOS transistor 182 and the MOS transistors 17 in the CMOS sensors S11 and S21 are turned off by applying the “L” level to the gates.
The timing generation circuit 20 outputs a control signal for setting the signal SL1 to the “H” level to the vertical register 21.

そして、垂直レジスタ21は、信号SL1を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。CMOSセンサS12及びS22におけるMOSトランジスタ17のゲートに「H」レベルが印加されることになり、CMOSセンサS12及びS22におけるMOSトランジスタ17がオン状態となる。
すなわち、固体撮像素子のCMOSセンサのマトリクスにおいて、信号SL2により、CMOSセンサS12及びS22の行が、露光データの読み出しを行う対象として選択されたことになる。
Then, the vertical register 21 changes the signal SL1 from the “L” level to the “H” level. The “H” level is applied to the gates of the MOS transistors 17 in the CMOS sensors S12 and S22, and the MOS transistors 17 in the CMOS sensors S12 and S22 are turned on.
That is, in the CMOS sensor matrix of the solid-state imaging device, the rows of the CMOS sensors S12 and S22 are selected by the signal SL2 as the target for reading the exposure data.

時刻t34において、タイミング発生回路20は、カウントしている時間がT12になると、水平レジスタ22に対し、信号ST1を「H」レベルとする制御信号を出力する。そして、水平レジスタ22は、信号ST1を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ181は、ゲートに「H」レベルが印加されてオン状態となる。
この結果、信号SL2及び信号ST1がともに「H」レベルとなることにより、CMOSセンサS12のMOSトランジスタ17及び181がオン状態となることにより、露光により発生した信号電荷に対応した信号電流の検出対象の画素としてCMOSセンサS12が選択されたことになる。
そして、制御回路30は、CMOSセンサS12におけるMOSトランジスタ14が流す信号電流を、MOSトランジスタ17及び181を介して検出する。検出後、制御回路30は、信号電流を露光データに変換し、CMOSセンサS12の基準データを外部の記憶装置から読み出し、露光データから基準データを減算し、減算結果を画像データとして外部の記憶装置において、CMOSセンサS12の画像データを設定するアドレスに書き込んで記憶させる。
At time t 34 , the timing generation circuit 20 outputs a control signal for setting the signal ST 1 to “H” level to the horizontal register 22 when the counting time reaches T 12. Then, the horizontal register 22 changes the signal ST1 from “L” level to “H” level. As a result, the MOS transistor 181 is turned on by applying the “H” level to the gate.
As a result, when both the signal SL2 and the signal ST1 are set to the “H” level, and the MOS transistors 17 and 181 of the CMOS sensor S12 are turned on, the signal current detection target corresponding to the signal charge generated by the exposure is detected. As a result, the CMOS sensor S12 is selected.
Then, the control circuit 30 detects the signal current flowing through the MOS transistor 14 in the CMOS sensor S12 via the MOS transistors 17 and 181. After the detection, the control circuit 30 converts the signal current into exposure data, reads the reference data of the CMOS sensor S12 from the external storage device, subtracts the reference data from the exposure data, and uses the subtraction result as image data as an external storage device. Then, the image data of the CMOS sensor S12 is written and stored at the set address.

時刻t35において、タイミング発生回路20は、カウントしている時間がT22になると、水平レジスタ22に対し、信号ST1を「L」レベルとし、信号ST2を「H」レベルとする制御信号を出力する。そして、水平レジスタ22は、信号ST1を「H」レベルから「L」レベルに変化させ、信号ST2を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ181は、ゲートに「L」レベルが印加されてオフ状態となる。また、MOSトランジスタ182は、ゲートに「H」レベルが印加されてオン状態となる。
この結果、信号SL2及び信号ST2がともに「H」レベルとなることにより、CMOSセンサS22におけるMOSトランジスタ17及び182がオン状態となることにより、露光により発生した信号電荷に対応した信号電流の検出対象の画素としてCMOSセンサS22が選択されたことになる。
そして、制御回路30は、CMOSセンサS22におけるMOSトランジスタ14が流す信号電流を、MOSトランジスタ17及び182を介して検出する。検出後、制御回路30は、信号電流を露光データに変換し、CMOSセンサS22の基準データを外部の記憶装置から読み出し、露光データから基準データを減算し、減算結果を画像データとして外部の記憶装置において、CMOSセンサS22の画像データを設定するアドレスに書き込んで記憶させる。
上述した時刻t21から時刻t41までが1フレーム、すなわち固体撮像素子の全てのCMOSセンサの画像データの取得処理となる。
At time t 35 , when the counting time reaches T 22, the timing generation circuit 20 outputs a control signal for setting the signal ST 1 to “L” level and the signal ST 2 to “H” level to the horizontal register 22. . Then, the horizontal register 22 changes the signal ST1 from “H” level to “L” level, and changes the signal ST2 from “L” level to “H” level. As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 181 and the MOS transistor 181 is turned off. In addition, the MOS transistor 182 is turned on when the “H” level is applied to the gate.
As a result, when both the signal SL2 and the signal ST2 are set to the “H” level, and the MOS transistors 17 and 182 in the CMOS sensor S22 are turned on, a signal current detection target corresponding to the signal charge generated by exposure is detected. As a result, the CMOS sensor S22 is selected.
Then, the control circuit 30 detects the signal current flowing through the MOS transistor 14 in the CMOS sensor S22 via the MOS transistors 17 and 182. After detection, the control circuit 30 converts the signal current into exposure data, reads out the reference data of the CMOS sensor S22 from the external storage device, subtracts the reference data from the exposure data, and uses the subtraction result as image data as an external storage device. Then, the image data of the CMOS sensor S22 is written and stored at the set address.
From time t 21 to time t 41 described above is one frame, that is, image data acquisition processing for all CMOS sensors of the solid-state imaging device.

時刻t41において、タイミング発生回路20は、カウントしている時間がT3になると、垂直レジスタ21に対して信号SL2を「L」レベルとする制御信号を出力するとともに、水平レジスタ22に対して信号ST2を「L」レベルとする制御信号を出力する。そして、垂直レジスタ21は信号SL2を「H」レベルから「L」レベルに変化させ、水平レジスタ22は信号ST2を「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、CMOSセンサS12及びS22におけるMOSトランジスタ17は、ゲートに「L」レベルが印加されてオフ状態となる。また、MOSトランジスタ182は、ゲートに「L」レベルが印加されてオフ状態となる。
また、タイミング発生回路20は、固体撮像素子の全てのCMOSセンサから露光データの読み出しが終了したことを示す読出終了信号を、制御回路30に対して出力する。
そして、制御回路30は、読出終了信号が供給されると、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおいて、PD11及びFD15のリセット処理を行うため、制御回路30は信号TX及びRを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおけるMOSトランジスタ12及びMOSトランジスタ13が同時にオン状態となる。
この結果、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおけるPD11及びFD15がリセット処理され、信号電荷が蓄積されていない初期状態となる。
At time t 41 , when the counting time reaches T 3, the timing generation circuit 20 outputs a control signal for setting the signal SL 2 to “L” level to the vertical register 21 and also outputs a signal to the horizontal register 22. A control signal for setting ST2 to “L” level is output. The vertical register 21 changes the signal SL2 from “H” level to “L” level, and the horizontal register 22 changes the signal ST2 from “H” level to “L” level. As a result, the MOS transistors 17 in the CMOS sensors S12 and S22 are turned off by applying the “L” level to the gates. In addition, the MOS transistor 182 is turned off when the “L” level is applied to the gate.
Further, the timing generation circuit 20 outputs to the control circuit 30 a read end signal indicating that exposure data has been read from all CMOS sensors of the solid-state imaging device.
When the read end signal is supplied, the control circuit 30 resets the PD 11 and the FD 15 in all the CMOS sensors of the solid-state imaging device. Therefore, the control circuit 30 changes the signals TX and R from the “L” level. Change to “H” level. Thereby, the MOS transistor 12 and the MOS transistor 13 in all the CMOS sensors of the solid-state imaging device are simultaneously turned on.
As a result, the PD 11 and the FD 15 in all the CMOS sensors of the solid-state imaging device are reset, and an initial state in which signal charges are not accumulated is obtained.

時刻t42から時刻t61までは、すでに説明した時刻t22から時刻t41の処理と同様である。以降、時刻t41から時刻t55までの処理が繰り返され、動画像の各フレームの画像データが固体撮像素子により取得される。本実施形態においては、CMOSセンサを2×2のマトリクスにより配置した個体撮像装置により説明を行ったが、撮像する画像の分解能に対応して、マトリクス状に配置するCMOSセンサの数は適時設定することは当然である。 From the time t 42 to time t 61 is the same as the processing time t 41 from the time t 22 already described. Thereafter, the processes from time t 41 to time t 55 is repeated, the image data of each frame of the moving image is acquired by the solid-state imaging device. In the present embodiment, the description has been given with the individual imaging device in which the CMOS sensors are arranged in a 2 × 2 matrix. It is natural.

上述した本実施形態によれば、グローバルシャッタ方式の固体撮像素子において、全てのCMOSセンサにおけるFD15を同時に昇圧し、またPD11からFD15に信号電荷を同時に転送させる構成のため、FD15における信号電荷の蓄積量を増加させることが可能となり、従来のグローバルシャッタ方式の固体撮像素子に比較して、よりダイナミックレンジの広い画像データを得ることができる。   According to the present embodiment described above, in the global shutter type solid-state imaging device, the FD 15 in all CMOS sensors is boosted at the same time, and the signal charge is transferred from the PD 11 to the FD 15 at the same time. The amount can be increased, and image data with a wider dynamic range can be obtained as compared with a conventional global shutter type solid-state imaging device.

また、グローバルシャッタ処理においては、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおけるFD15の端子間電圧をVDDからVDD+α(ΔVFD)まで一括し昇圧させる。
このため、グローバルシャッタ処理は、固体撮像素子の全てのCMOSセンサのMOSトランジスタ14のドレインに接続された電源線LVVの電圧の昇圧を行うため、電圧昇圧する対象の負荷が大きいものとなり、CMOSセンサの配列の行単位に昇圧を行うローリングシャッタ方式の固体撮像素子に比較して昇圧に時間がかかる。
In the global shutter process, the voltage across the terminals of the FD 15 in all CMOS sensors of the solid-state imaging device is boosted from VDD to VDD + α (ΔVFD).
For this reason, since the global shutter process boosts the voltage of the power supply line LVV connected to the drains of the MOS transistors 14 of all the CMOS sensors of the solid-state imaging device, the load to be boosted becomes large. As compared with a rolling shutter type solid-state imaging device that performs boosting in units of rows of the arrangement, it takes time to boost.

しかしながら、本実施形態は、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおいて、昇圧処理を同期させて一括して行うため、各CMOSセンサの信号電荷移動を時系列に行うローリングシャッタ方式の固体撮像素子に比較して昇圧回数を低減することができるため、結果として撮像のフレーム周期をローリングシャッタ方式の固体撮像素子と同様とすることができる。
上述したように、本願発明によれば、CMOSセンサを用いた固体撮像素子において、ローリングシャッタ方式の固体撮像素子と同様のフレーム周期を有し、取得する画像データのダイナミックレンジが従来のグローバルシャッタ方式の固体撮像素子に比較して広い、グローバルシャッタ方式の固体撮像素子を提供することができる。
However, in this embodiment, since all the CMOS sensors of the solid-state imaging device perform the boosting process in a synchronized manner, they are compared with a rolling shutter type solid-state imaging device that performs signal charge movement of each CMOS sensor in time series. As a result, the number of times of boosting can be reduced, and as a result, the imaging frame period can be made the same as that of a rolling shutter type solid-state imaging device.
As described above, according to the present invention, a solid-state image sensor using a CMOS sensor has a frame period similar to that of a rolling shutter type solid-state image sensor, and the dynamic range of acquired image data is the conventional global shutter system. Thus, it is possible to provide a global shutter type solid-state imaging device that is wider than the solid-state imaging device.

図6は、横軸が撮像面の照度(lx)を示し、縦軸が基準データから露光データを減算した画像データ(推定出力電圧差)の電圧値を示している。この画像データ電圧値は、次段に接続された、図示しないA/D(アナログ/デジタル)変換回路にて、デジタルの電圧値に変換された結果を示している。ここで、すでに述べたように、MOSトランジスタ14のソースフォロワのゲインによる補正を行うため、露光データを基準データにより除算し、画像データを得ている。また、露光時間は10μ(マイクロ)秒としている。
この図において、昇圧前の電圧をそれぞれ、昇圧なしの場合で3.3V(◇:一点鎖線)、昇圧ありの場合で、2V(◆:実線波線)、1.8V(◆:波線)、1.6V(◆:点線)の4種類の電圧における、撮像画像の輝度値に対する露光データの電圧値の変化を示している。
In FIG. 6, the horizontal axis represents the illuminance (lx) of the imaging surface, and the vertical axis represents the voltage value of image data (estimated output voltage difference) obtained by subtracting the exposure data from the reference data. This image data voltage value indicates a result of conversion to a digital voltage value by an A / D (analog / digital) conversion circuit (not shown) connected to the next stage. Here, as described above, in order to perform correction by the gain of the source follower of the MOS transistor 14, the exposure data is divided by the reference data to obtain image data. The exposure time is 10 μ (micro) seconds.
In this figure, the voltages before boosting are 3.3V (◇: dashed line) when there is no boosting, and 2V (◆: solid wavy line), 1.8V (◆: wavy line) when boosting, This shows changes in the voltage value of the exposure data with respect to the brightness value of the captured image at four types of voltages of .6 V (♦: dotted line).

この図6から判るように、露光データをPD11からFD15に転送する前の時点において、電線LVVの電圧VVを、「H」レベルの電圧より低く設定しておくことで、電圧VVを予め「H」レベルより低く設定された電圧値から「H」レベルの電圧値に変化させた際に、電圧VVの電圧変化を大きくし、FD15の端子間電圧をより昇圧する構成ため、露光データの露光前の電圧が低いほど、画像データのダイナミックレンジが昇圧なしに対して広くなる。
しかしながら、露光データを読み出す前の電圧をあまり低下させると、例えば、図9における1.6の場合、MOSトランジスタ14における基準データとして読み出される電圧値が、非線形性を有することになるため、低照度時における照度と画像データとの線形制が低下してしまう。
As can be seen from FIG. 6, the voltage VV of the electric wire LVV is set lower than the “H” level voltage before the exposure data is transferred from the PD 11 to the FD 15. When the voltage value set lower than the “level” is changed to the voltage value of the “H” level, the voltage change of the voltage VV is increased and the voltage across the terminals of the FD 15 is further boosted. The lower the voltage, the wider the dynamic range of the image data with respect to no boost.
However, if the voltage before reading the exposure data is reduced too much, for example, in the case of 1.6 in FIG. 9, the voltage value read as the reference data in the MOS transistor 14 will have non-linearity. The linearity between the illuminance and the image data at the time is reduced.

<第2の実施形態>
以下、図面を参照して、本発明の第2の実施形態について説明する。図7は、この発明の第2の実施形態によるCMOSセンサ2の構成例を示す概略ブロック図である。
CMOSセンサ2は、グローバルシャッタ方式の固体撮像素子の1画素の基本単位であり、PD11、MOSトランジスタ12、13、14、17、19、FD15、コンデンサ40から構成されている。MOSトランジスタ12、13、14、17及び19は、例えばnチャネル型のMOSトランジスタである。図7においては、図1のCMOSセンサ1と同様の構成については同一の符号を付してある。以下、第1の実施形態と異なる構成及び動作のみを説明する。
<Second Embodiment>
The second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 7 is a schematic block diagram showing a configuration example of the CMOS sensor 2 according to the second embodiment of the present invention.
The CMOS sensor 2 is a basic unit of one pixel of a global shutter type solid-state imaging device, and includes a PD 11, MOS transistors 12, 13, 14, 17, 19, FD 15, and a capacitor 40. The MOS transistors 12, 13, 14, 17 and 19 are, for example, n-channel MOS transistors. In FIG. 7, the same components as those of the CMOS sensor 1 of FIG. Only the configuration and operation different from those of the first embodiment will be described below.

PD11は、アノードが接地され、カソードがMOSトランジスタ19のソースに接続されている。
コンデンサ40は、PD11が発生した信号電荷を一端蓄積するための蓄積用容量として、MOSトランジスタ19のソースに接続されている。
MOSトランジスタ12は、ゲートに信号TRの配線が接続され、ドレインにMOSトランジスタ14のゲートが接続されている。このMOSトランジスタ12は、ゲートに印加されている信号TXが「H」レベルとなるとオン状態となり、コンデンサ40に蓄積されている信号電荷をFD15に転送する。
後の構成は、第1の実施形態と同様のため、説明を省略する。
PD 11 has an anode grounded and a cathode connected to the source of MOS transistor 19.
The capacitor 40 is connected to the source of the MOS transistor 19 as a storage capacitor for once storing the signal charge generated by the PD 11.
The MOS transistor 12 has a gate connected to the wiring of the signal TR and a drain connected to the gate of the MOS transistor 14. The MOS transistor 12 is turned on when the signal TX applied to the gate becomes “H” level, and transfers the signal charge accumulated in the capacitor 40 to the FD 15.
Since the subsequent configuration is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted.

すなわち、第2の実施形態は、露光時間が終了すると、MOSトランジスタ19をオン状態とし、PD11が発生して蓄積した信号電荷を、一旦コンデンサ40に蓄積する。
コンデンサ40には外部からのノイズなどの外乱の影響が、FD15に比較して少ないため、信号電荷の蓄積量が変動する確率が低い。PD11からコンデンサ40への信号電荷の転送を、固体撮像素子における全てのCMOSセンサ2で行うことにより、グローバルシャッタの動作を実現している。このCMOSセンサ2は、図4のCMOSセンサS11、S12、S13およびS14として用いることができる。
That is, in the second embodiment, when the exposure time ends, the MOS transistor 19 is turned on, and the signal charge generated and accumulated by the PD 11 is temporarily accumulated in the capacitor 40.
Since the capacitor 40 is less affected by external disturbances such as noise than the FD 15, the probability that the accumulated amount of signal charges fluctuates is low. The global shutter operation is realized by transferring the signal charge from the PD 11 to the capacitor 40 by all the CMOS sensors 2 in the solid-state imaging device. This CMOS sensor 2 can be used as the CMOS sensors S11, S12, S13 and S14 of FIG.

次に、図8は図7に示すCMOSセンサ2からデータを出力する動作例を示すタイミングチャートである。信号TR、TX、R、SL、電源線LVVのレベル制御は、従来例と同様に図示しない制御部(例えば、図4における制御部30、ただし信号TRの制御が加わる)が行う。
時刻t201以前において、制御回路は、信号TR、TX、R、SLを「L」レベルとし、電源線LVVの電位を「L」レベルとしている。また、電原線LVDDは常に「H」レベル、すなわち電圧VDDである。
時刻t201において、制御回路は信号TR、TX及びRを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。MOSトランジスタ19、12及び13のゲートに「H」レベルが印加されることとなり、MOSトランジスタ19、12及び13がオン状態となる。これにより、PD11に生成された電荷がMOSトランジスタ19、12及び13を介し、電源線LVDDへ電荷が移動することにより、PD11のリセット処理が行われる。このとき、コンデンサ40に対してもリセット処理が行われ、コンデンサ40の端子間電圧が電圧VDDとなる。
Next, FIG. 8 is a timing chart showing an operation example of outputting data from the CMOS sensor 2 shown in FIG. The level control of the signals TR, TX, R, SL and the power supply line LVV is performed by a control unit (not shown) (for example, the control unit 30 in FIG. 4, but the control of the signal TR is added) as in the conventional example.
Prior to time t 201 , the control circuit sets the signals TR, TX, R, and SL to the “L” level and sets the potential of the power supply line LVV to the “L” level. The power source line LVDD is always at the “H” level, that is, the voltage VDD.
At time t201 , the control circuit changes the signals TR, TX, and R from the “L” level to the “H” level. The “H” level is applied to the gates of the MOS transistors 19, 12 and 13, and the MOS transistors 19, 12 and 13 are turned on. As a result, the charge generated in the PD 11 is transferred to the power supply line LVDD via the MOS transistors 19, 12 and 13, whereby the PD 11 is reset. At this time, the reset process is also performed on the capacitor 40, and the voltage between the terminals of the capacitor 40 becomes the voltage VDD.

時刻t202において、制御回路はリセット処理を終了させるため、信号TR、TX及びRを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ19は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。また、MOSトランジスタ12は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。また、MOSトランジスタ13は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
PD11は、リセット処理が終了した時点から、光が照射されることにで電荷を発生し、発生した電荷を自身に蓄積する。ここから露光、すなわち照射された光量に対応する信号電荷の蓄積が開始される。
At time t202 , the control circuit changes the signals TR, TX, and R from the “H” level to the “L” level in order to end the reset process. As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 19, so that the MOS transistor 19 is turned off. Further, since the “L” level is applied to the gate, the MOS transistor 12 is turned off. The MOS transistor 13 is turned off because the “L” level is applied to the gate.
The PD 11 generates charges by being irradiated with light from the time when the reset process is completed, and accumulates the generated charges in itself. From this point, exposure, that is, accumulation of signal charges corresponding to the amount of light irradiated is started.

時刻t203において、制御回路は、PD11で発生してカソードに蓄積される信号電荷を、PD11からコンデンサ40に転送させるため、信号TRを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ19は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となる。
この結果、PD11のカソードに蓄積された信号電荷は、MOSトランジスタ19を介してコンデンサ40に移動する。
すなわち、本実施形態においては、時刻t202から時刻t203までの時間が露光時間となる。
At time t 203 , the control circuit changes the signal TR from the “H” level to the “L” level in order to transfer the signal charge generated in the PD 11 and accumulated in the cathode from the PD 11 to the capacitor 40. As a result, the MOS transistor 19 is turned on because the “H” level is applied to the gate.
As a result, the signal charge accumulated at the cathode of the PD 11 moves to the capacitor 40 via the MOS transistor 19.
That is, in this embodiment, the time from time t 202 to time t 203 is the exposure time.

時刻t204において、制御回路は、PD11からコンデンサ40に対する信号電荷の転送を終了させるため、信号TRを「H」レベルから「L」レベルへ変化させる。これにより、MOSトランジスタ19は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
この結果、PD11からコンデンサ40への信号電荷の転送が終了し、PD11の発生した信号電荷がコンデンサ40に蓄積される。
このとき、PD11に蓄積された信号電荷のコンデンサ40への転送は、固体撮像素子の全てのCMOSセンサが同期を取って一斉に行われる(グローバルシャッタ処理)。
At time t 204, the control circuit is to terminate the transfer of the signal charge for the capacitor 40 from the PD 11, changes the signal TR from the "H" level to the "L" level. As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 19, so that the MOS transistor 19 is turned off.
As a result, the transfer of the signal charge from the PD 11 to the capacitor 40 is completed, and the signal charge generated by the PD 11 is accumulated in the capacitor 40.
At this time, the transfer of the signal charges accumulated in the PD 11 to the capacitor 40 is performed simultaneously in synchronism with all the CMOS sensors of the solid-state imaging device (global shutter processing).

時刻t205において、制御回路は、FD15のリセット処理を行うため、信号Rを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ13は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となる。
MOSトランジスタ13がオン状態となることで、FD15に存在する電荷が電源線LVDDへ移動するため、FD15の端子間電圧が電圧VDDとなり、FD15のリセット処理が行われる。
At time t 205, the control circuit, for performing a reset process of the FD15, changes the signal R from the "L" level to the "H" level. As a result, the MOS transistor 13 is turned on since the “H” level is applied to the gate.
When the MOS transistor 13 is turned on, the electric charge present in the FD 15 moves to the power supply line LVDD, so that the voltage between the terminals of the FD 15 becomes the voltage VDD, and reset processing of the FD 15 is performed.

時刻t206において、制御回路は、FD15のリセット処理を終了し、FD15の端子間電圧を昇圧させるため、信号Rを「H」レベルから「L」レベルに変化させるとともに、電源線LVVの電圧を「L」レベル(予め設定された「H」レベルから昇圧に寄与させる電圧分低い電圧)から「H」レベル(電圧VDD)に変化させる。
これにより、MOSトランジスタ13は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。そして、FD15のリセット処理が終了する。
また、FD15の端子間電圧は、電源線LVVの電圧に対応し、電圧VDDから(1)式から求められる昇圧量ΔVFD分の電圧が上昇することになる。この結果、すでに述べたように、FD15の端子間電圧における信号電荷による変化量の幅を大きくとることができ、画像データのダイナミックレンジを広げることができる。
At time t 206 , the control circuit ends the reset process of the FD 15 and changes the signal R from the “H” level to the “L” level and increases the voltage of the power supply line LVV to increase the voltage across the terminals of the FD 15. The “L” level (voltage that is lower than the preset “H” level by a voltage that contributes to boosting) is changed to the “H” level (voltage VDD).
As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 13, and the MOS transistor 13 is turned off. And the reset process of FD15 is complete | finished.
Further, the voltage between the terminals of the FD 15 corresponds to the voltage of the power supply line LVV, and the voltage corresponding to the boost amount ΔVFD obtained from the expression (1) is increased from the voltage VDD. As a result, as described above, the width of the amount of change due to the signal charge in the voltage between the terminals of the FD 15 can be increased, and the dynamic range of the image data can be expanded.

時刻t207において、制御回路は、FD15の端子間電圧のリセットレベルを読み出すため、信号SLを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートの「H」レベルが印加されることにより、オン状態となる。
これにより、MOSトランジスタ14は、ゲートに印加されている、リセットレベルのFD15の端子間電圧に対応する信号電流を、MOSトランジスタ17を介して制御回路に流す。
そして、制御回路は、このタイミングにおいて、FD15の端子間電圧のリセットレベルに対応する信号電流を検出し、基準データとして一端内部の記憶部に書き込んで記憶させる。
また、時刻t206から時刻t207までは、電源線LVVの電圧VVが電圧VDDとなるまでの時間、すなわちFDD15の端子間電圧が昇圧されて飽和されるまでの時間となっている。
At time t 207 , the control circuit changes the signal SL from the “L” level to the “H” level in order to read the reset level of the voltage across the terminals of the FD 15. As a result, the MOS transistor 17 is turned on when the “H” level of the gate is applied.
As a result, the MOS transistor 14 causes the signal current corresponding to the voltage across the terminals of the reset level FD 15 applied to the gate to flow to the control circuit via the MOS transistor 17.
Then, at this timing, the control circuit detects a signal current corresponding to the reset level of the voltage between the terminals of the FD 15 and writes and stores it as reference data in a storage unit inside one end.
Also, from time t 206 to time t 207 is a time until the voltage VV of the power supply line LVV becomes the voltage VDD, that is, a time until the voltage between the terminals of the FDD 15 is boosted and saturated.

時刻t208において、制御回路は、コンデンサ40からFD15に対して信号電荷の転送を行うため、信号SLを「H」レベルから「L」レベルに変化させるとともに、信号TXを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。この結果、制御回路はMOSトランジスタ17を介した、MOSトランジスタ14がFD15の端子間電圧(リセットレベル)に対応した信号電流の検出を終了する。
また、MOSトランジスタ12は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となる。この結果、コンデンサ40に蓄積されている信号電荷が、コンデンサ40からFD15へ転送され、FD15の端子間電圧が信号電荷の電荷量に応じて変化する。
At time t 208 , the control circuit changes the signal SL from the “H” level to the “L” level and transfers the signal TX from the “L” level to the “L” level in order to transfer the signal charge from the capacitor 40 to the FD 15. Change to “H” level.
As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 17, and thus the MOS transistor 17 is turned off. As a result, the control circuit ends the detection of the signal current corresponding to the voltage (reset level) between the terminals of the FD 15 via the MOS transistor 17.
Further, the MOS transistor 12 is turned on because the “H” level is applied to the gate. As a result, the signal charge accumulated in the capacitor 40 is transferred from the capacitor 40 to the FD 15, and the voltage between the terminals of the FD 15 changes according to the amount of signal charge.

時刻t209において、制御回路は、電荷の転送を終了し、露光データとしての信号電流を読み出すため、信号TXを「H」レベルから「L」レベルに変化させるとともに、信号SLを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ12は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。この結果、コンデンサ40からFD15に対する信号電荷の転送が終了する。
そして、制御回路は、FD15に蓄積されている電荷の情報の読み出しを開始する。 すなわち、MOSトランジスタ17は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となる。この結果、MOSトランジスタ14は、ゲートに印加されている、信号電荷に応じて変化したFD15の端子間電圧に対応する信号電流を、MOSトランジスタ17を介して制御回路に供給する。そして、制御回路は、このタイミングにおいて、リセットレベルに対して信号電荷に応じて変化したMOSトランジスタ14に流れる信号電流を検出して露光データとし、この露光データから画像データを算出する処理を行う。
このとき、制御回路は、露光データから、このCMOSセンサ2に対応して内部の記憶部に記憶されている基準データを減算し、CMOSセンサ2が受光した光量に対応する信号電荷に基づく画像データを生成し、外部の記憶装置に書き込んで記憶させる。
At time t209 , the control circuit ends the transfer of charges and changes the signal TX from the “H” level to the “L” level and also changes the signal SL to the “L” level in order to read out the signal current as the exposure data. To “H” level.
As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 12, and the MOS transistor 12 is turned off. As a result, the transfer of signal charges from the capacitor 40 to the FD 15 is completed.
Then, the control circuit starts reading the information on the charges accumulated in the FD 15. That is, the MOS transistor 17 is turned on because the “H” level is applied to the gate. As a result, the MOS transistor 14 supplies a signal current corresponding to the voltage across the terminals of the FD 15 that has been applied to the gate and changed according to the signal charge, to the control circuit via the MOS transistor 17. Then, at this timing, the control circuit detects a signal current flowing through the MOS transistor 14 that has changed in accordance with the signal charge with respect to the reset level, sets it as exposure data, and performs processing for calculating image data from this exposure data.
At this time, the control circuit subtracts the reference data stored in the internal storage unit corresponding to the CMOS sensor 2 from the exposure data, and image data based on the signal charge corresponding to the amount of light received by the CMOS sensor 2. Is written and stored in an external storage device.

時刻t210において、制御回路は、このCMOSセンサ2からの露光データの読出を終了させるため、信号SLを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
また、時刻t210以降において、制御回路は固体撮像素子における他のCMOSセンサ2のMOSトランジスタ17を順次オン状態とし、他のCMOSセンサ2から露光データを時系列に読み出す。すなわち、制御回路は、リセットレベル読み出しから信号レベル読み出しまでの画像データを求める処理を、固体撮像素子の全てのCMOSセンサ2に対して順次行う。
At time t210 , the control circuit changes the signal SL from the “H” level to the “L” level in order to finish reading the exposure data from the CMOS sensor 2. As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 17, and thus the MOS transistor 17 is turned off.
Further, after time t 210 , the control circuit sequentially turns on the MOS transistors 17 of the other CMOS sensors 2 in the solid-state imaging device and reads exposure data from the other CMOS sensors 2 in time series. That is, the control circuit sequentially performs processing for obtaining image data from reset level reading to signal level reading for all the CMOS sensors 2 of the solid-state imaging device.

本実施形態は、図1の第1の実施形態と同様に、図4の固体撮像素子の画素として用いることができる。
本実施形態は、上述したように、FD15の端子間電圧を上昇させ、かつ固体撮像素子のすべてのCMOSセンサ2におけるFD15の端子間電圧のリセットレベルを読み出す期間、PD11が露光により発生した電荷を一旦コンデンサ40に蓄積しておく。
このため、本実施形態によれば、第1の実施形態におけるダイナミックレンジを広げたグローバルシャッタ方式の固体撮像素子の効果に加え、複数の配線に接続されたFD15に比較し、蓄積する信号電荷の電荷量の変動を抑制することができ、安定した露光データを検出することができる。
The present embodiment can be used as a pixel of the solid-state imaging device of FIG. 4 as in the first embodiment of FIG.
In the present embodiment, as described above, the charge generated by the exposure of the PD 11 during the period of increasing the voltage between the terminals of the FD 15 and reading the reset level of the voltage between the terminals of the FD 15 in all the CMOS sensors 2 of the solid-state imaging device. Once stored in the capacitor 40.
For this reason, according to the present embodiment, in addition to the effect of the global shutter type solid-state imaging device with the expanded dynamic range in the first embodiment, the signal charges to be accumulated are compared with those of the FD 15 connected to a plurality of wirings. The fluctuation of the charge amount can be suppressed, and stable exposure data can be detected.

また、本実施形態によれば、2つの電荷蓄積部としてコンデンサ40及びFD15が存在するため、FD15にリセットレベルを保持しておき、コンデンサ40に対して信号電荷をPD11から転送することができる。
このため、本実施形態は、CMOSセンサの信号電流から画像データを求める際、順次リセットレベルを読み出し、基準データを求めた後、コンデンサ40からFD15に信号電荷を転送し、この信号電荷によるMOSトランジスタ14の信号電流から露光データを求め、露光データから基準データを減算し、画像データを得ている。 この結果、本実施形態によれば、画像データを生成する際、内部記憶部に記憶されたリセットレベルを用いて基準データを生成するため、制御回路内の記憶部は1つのデータが記憶できれば良く、CMOSセンサの外部において、全てのCMOSセンサに対する基準データ用の記憶部を設ける必要が無くなる。
Further, according to the present embodiment, since the capacitor 40 and the FD 15 exist as the two charge storage units, the reset level is held in the FD 15 and the signal charge can be transferred from the PD 11 to the capacitor 40.
For this reason, in this embodiment, when obtaining image data from the signal current of the CMOS sensor, the reset level is sequentially read out, and after obtaining the reference data, the signal charge is transferred from the capacitor 40 to the FD 15, and the MOS transistor based on this signal charge Exposure data is obtained from the signal current of 14, and reference data is subtracted from the exposure data to obtain image data. As a result, according to the present embodiment, when generating the image data, the reference data is generated using the reset level stored in the internal storage unit. Therefore, it is sufficient that the storage unit in the control circuit can store one data. Therefore, it is not necessary to provide a storage unit for reference data for all CMOS sensors outside the CMOS sensor.

<第3の実施形態>
以下、図面を参照して、本発明の第3の実施形態について説明する。図9は、この発明の第3の実施形態によるCMOSセンサ3の構成例を示す概略ブロック図である。
CMOSセンサ3は、グローバルシャッタ方式の固体撮像素子の1画素の基本単位であり、PD11、MOSトランジスタ12、13、14、17及び21、FD15から構成されている。MOSトランジスタ12、13、14、17及び21は、例えばnチャネル型のMOSトランジスタである。図9においては、図1のCMOSセンサ1と同様の構成については同一の符号を付してある。以下、第1の実施形態と異なる構成及び動作のみを説明する。このCMOSセンサ3は、図4のCMOSセンサS11、S12、S13およびS14として用いることができる。
<Third Embodiment>
The third embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 9 is a schematic block diagram showing a configuration example of the CMOS sensor 3 according to the third embodiment of the present invention.
The CMOS sensor 3 is a basic unit of one pixel of a global shutter type solid-state imaging device, and includes a PD 11, MOS transistors 12, 13, 14, 17 and 21, and an FD 15. The MOS transistors 12, 13, 14, 17 and 21 are, for example, n-channel MOS transistors. In FIG. 9, the same components as those of the CMOS sensor 1 of FIG. Only the configuration and operation different from those of the first embodiment will be described below. This CMOS sensor 3 can be used as the CMOS sensors S11, S12, S13 and S14 of FIG.

MOSトランジスタ21は、ドレインに対し信号TYの配線LTYが接続され、ソースがPD11のカソードが接続され、ゲートに信号Dが供給されている。
このMOSトランジスタ21は、光が照射されることによりPD11のカソードに生成され、PD11の電荷に蓄積される電荷を、配線TYLに転送する。
すなわち、MOSトランジスタ21は、露光期間以外に生成された電荷がPD11のカソードに蓄積されないように、露光期間以外においてオン状態とされ、電荷を配線LTYへ転送させることで、カソードがリセットされた状態に保っている。ここで、信号TYは常に「H」レベルの電圧に制御されている。
後の構成は、第1の実施形態と同様のため、説明を省略する。
In the MOS transistor 21, the signal TY wiring LTY is connected to the drain, the source is connected to the cathode of the PD 11, and the signal D is supplied to the gate.
The MOS transistor 21 transfers the charge generated in the cathode of the PD 11 by being irradiated with light and accumulated in the charge of the PD 11 to the wiring TYL.
That is, the MOS transistor 21 is turned on in a period other than the exposure period so that charges generated outside the exposure period are not accumulated in the cathode of the PD 11, and the cathode is reset by transferring the charges to the wiring LTY. It keeps in. Here, the signal TY is always controlled to the “H” level voltage.
Since the subsequent configuration is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted.

次に、図10は図9に示すCMOSセンサ3からデータを出力する動作例を示すタイミングチャートである。信号D、TX、R、SL、電源線LVVのレベル制御は、従来例と同様に図示しない制御部(例えば、図4における制御部30、ただし信号Dの制御が加わる)が行う。
時刻t301以前において、制御回路は、信号TX、R、SLを「L」レベルとし、信号Dを「H」レベルとし、電源線LVVの電位を「L」レベルとしている。また、電原線LVDD及び配線LTYは常に「H」レベル、すなわち電圧VDDである。これにより、MOSトランジスタ21は、ゲートに「H」レベルが印加され、オン状態となっている。このため、光の照射によりPD11に生成された電荷は、MOSトランジスタ21を介して配線LTYへ転送される。
Next, FIG. 10 is a timing chart showing an operation example of outputting data from the CMOS sensor 3 shown in FIG. The level control of the signals D, TX, R, SL and the power supply line LVV is performed by a control unit (not shown) (for example, the control unit 30 in FIG. 4, but the control of the signal D is added) as in the conventional example.
Prior to time t 301 , the control circuit sets the signals TX, R, and SL to the “L” level, the signal D to the “H” level, and the potential of the power supply line LVV to the “L” level. Further, the power source line LVDD and the wiring LTY are always at the “H” level, that is, the voltage VDD. As a result, the MOS transistor 21 is turned on with the “H” level applied to the gate. For this reason, the charge generated in the PD 11 by the light irradiation is transferred to the wiring LTY via the MOS transistor 21.

時刻t301において、制御回路は信号TX及びRを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。MOSトランジスタ12及び13のゲートに「H」レベルが印加されることとなり、MOSトランジスタ12及び13がオン状態となる。これにより、PD11のカソードに生成された電荷、及びFD15に蓄積されている電荷がMOSトランジスタ12及び13を介し、電源線LVDDへ電荷が移動することにより、FD15のリセット処理が行われる。 At time t 301 , the control circuit changes the signals TX and R from the “L” level to the “H” level. The “H” level is applied to the gates of the MOS transistors 12 and 13, and the MOS transistors 12 and 13 are turned on. As a result, the charge generated at the cathode of the PD 11 and the charge accumulated in the FD 15 are transferred to the power supply line LVDD via the MOS transistors 12 and 13, whereby the FD 15 is reset.

時刻t302において、制御回路はリセット処理を終了させるため、信号TX及びRを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ12は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。また、MOSトランジスタ13は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
PD11は、リセット処理が終了した時点から、光が照射されることにで電荷を発生する。しかしながら、PD11が発生した電荷は、MOSトランジスタ21を介して、配線LTYへ転送に転送されるため、PD11のカソードはリセット状態を保つことになる。
また、制御回路は、信号線LVVの電圧VVを、「L」レベル(予め設定された「H」レベルから昇圧に寄与させる電圧分低い電圧)から「H」レベルに変化させる。
これにより、FD15の端子間電圧は、電源線LVVの電圧に対応し、電圧VDDから(1)式から求められる昇圧量ΔVFD分の電圧が上昇することになる。この結果、すでに述べたように、FD15の端子間電圧における信号電荷による変化量の幅を大きくとることができ、画像データのダイナミックレンジを広げることができる。
At time t302 , the control circuit changes the signals TX and R from the “H” level to the “L” level in order to end the reset process. As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 12, and the MOS transistor 12 is turned off. The MOS transistor 13 is turned off because the “L” level is applied to the gate.
The PD 11 generates an electric charge when irradiated with light from the time when the reset process is completed. However, since the charge generated by the PD 11 is transferred to the wiring LTY via the MOS transistor 21, the cathode of the PD 11 remains in the reset state.
In addition, the control circuit changes the voltage VV of the signal line LVV from the “L” level (a voltage that is lower than the preset “H” level by a voltage that contributes to boosting) to the “H” level.
As a result, the voltage between the terminals of the FD 15 corresponds to the voltage of the power supply line LVV, and the voltage corresponding to the boost amount ΔVFD obtained from the expression (1) is increased from the voltage VDD. As a result, as described above, the width of the amount of change due to the signal charge in the voltage between the terminals of the FD 15 can be increased, and the dynamic range of the image data can be expanded.

時刻t303において、制御回路は、FD15の端子間電圧が「H」レベルに飽和するための期間内であるため、CMOSセンサ3の処理を行わない。 At time t 303 , the control circuit does not perform the process of the CMOS sensor 3 because the voltage between the terminals of the FD 15 is within the period for saturating to the “H” level.

時刻t304において、制御回路は、FD15の端子間電圧のリセットレベルを読み出すため、信号SLを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートの「H」レベルが印加されることにより、オン状態となる。
これにより、MOSトランジスタ14は、ゲートに印加されている、リセットレベルのFD15の端子間電圧に対応する信号電流を、MOSトランジスタ17を介して制御回路に流す。
そして、制御回路は、このタイミングにおいて、FD15の端子間電圧のリセットレベルに対応する信号電流を検出し、基準データとして外部の記憶装置に書き込んで記憶させる。
また、時刻t302から時刻t304までは、電源線LVVの電圧VVが電圧VDDとなるまでの時間、すなわちFDD15の端子間電圧が昇圧されて飽和されるまでの時間となっている。
At time t 304 , the control circuit changes the signal SL from the “L” level to the “H” level in order to read the reset level of the voltage across the terminals of the FD 15. As a result, the MOS transistor 17 is turned on when the “H” level of the gate is applied.
As a result, the MOS transistor 14 causes the signal current corresponding to the voltage across the terminals of the reset level FD 15 applied to the gate to flow to the control circuit via the MOS transistor 17.
Then, at this timing, the control circuit detects a signal current corresponding to the reset level of the voltage across the terminals of the FD 15 and writes and stores it as reference data in an external storage device.
From time t 302 to time t 304 is a time until the voltage VV of the power supply line LVV becomes the voltage VDD, that is, a time until the voltage between the terminals of the FDD 15 is boosted and saturated.

時刻t305において、制御回路は、PD11のカソードからFD15に対して信号電荷の転送を行うため、信号SLを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。この結果、制御回路はMOSトランジスタ17を介した、MOSトランジスタ14がFD15の端子間電圧(リセットレベル)に対応した信号電流の検出を終了する。
At time t 305 , the control circuit changes the signal SL from the “H” level to the “L” level in order to transfer the signal charge from the cathode of the PD 11 to the FD 15.
As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 17, and thus the MOS transistor 17 is turned off. As a result, the control circuit ends the detection of the signal current corresponding to the voltage (reset level) between the terminals of the FD 15 via the MOS transistor 17.

時刻t306において、制御回路は、PD11で発生してカソードに蓄積される信号電荷を、PD11からFD15に転送させるため、信号TXを「L」レベルから「H」レベルに変化させ、一方、信号Dを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ12は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となる。
また、MOSトランジスタ21は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。この結果、PD11のカソードに生成される電荷は、MOSトランジスタ21がオフ状態であるため、配線LTYへ移動せず、PD11のカソードに蓄積される。
したがって、PD11のカソードに発生する信号電荷は、MOSトランジスタ12を介してFD15に転送され、FD15の端子間電圧が信号電荷の電荷量に応じて変化する。
このとき、固体撮像素子すべてのCMOSセンサ3において、コンデンサ40からF15への信号電荷の転送が、同期して一斉に行われる(グローバルシャッタの処理)。
ここで、時刻t304から時刻t306までの時間は、固体撮像素子における全てのCMOSセンサ3から、FD15の端子間電圧(リセットレベル)に対応した信号電流を読み出し、基準データを求める処理時間である。
At time t 306 , the control circuit changes the signal TX from the “L” level to the “H” level in order to transfer the signal charge generated in the PD 11 and accumulated in the cathode from the PD 11 to the FD 15. D is changed from “H” level to “L” level. As a result, the MOS transistor 12 is turned on because the “H” level is applied to the gate.
The MOS transistor 21 is turned off because the “L” level is applied to the gate. As a result, the charge generated at the cathode of the PD 11 does not move to the wiring LTY but is accumulated at the cathode of the PD 11 because the MOS transistor 21 is in the off state.
Therefore, the signal charge generated at the cathode of the PD 11 is transferred to the FD 15 via the MOS transistor 12, and the voltage between the terminals of the FD 15 changes according to the amount of signal charge.
At this time, in the CMOS sensors 3 of all the solid-state imaging devices, the transfer of signal charges from the capacitor 40 to F15 is performed simultaneously in synchronism (global shutter processing).
Here, the time from time t 304 to time t 306 is a processing time for reading out the signal current corresponding to the voltage (reset level) between the terminals of the FD 15 from all the CMOS sensors 3 in the solid-state imaging device and obtaining the reference data. is there.

時刻t307において、制御回路は、露光処理を終了するため、信号TXを「H」レベルから「L」レベルに変化させるとともに、信号Dを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ12は、ゲートに「L」レベルが印加され、オフ状態となる。また、MOSトランジスタ21は、ゲートに「H」レベルが印加され、オン状態となる。このタイミングにおいて、制御回路は、PD11からFD15への信号電荷の転送を終了させる。
この結果、MOSトランジスタ12を介して、PD11から信号電荷が転送されなくなるため、FD15の端子間電圧の変化が終了する。また、PD11のカソードに生成された電荷は、MOSトランジスタ21を介し、配線LTYへ移動する。したがって、PD11のカソードには信号電荷が蓄積されなくなる。
At time t 307 , the control circuit changes the signal TX from the “H” level to the “L” level and changes the signal D from the “L” level to the “H” level in order to end the exposure process. As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 12 and the MOS transistor 12 is turned off. Further, the MOS transistor 21 is turned on when the “H” level is applied to the gate. At this timing, the control circuit ends the transfer of signal charges from the PD 11 to the FD 15.
As a result, the signal charge is not transferred from the PD 11 via the MOS transistor 12, so that the change in the voltage between the terminals of the FD 15 is completed. Further, the charge generated at the cathode of the PD 11 moves to the wiring LTY via the MOS transistor 21. Therefore, no signal charge is accumulated on the cathode of the PD 11.

時刻t308において、制御回路は、制御回路は信号SLを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となる。このとき、MOSトランジスタ17は、MOSトランジスタ14からドレインに流れ込む信号電流を、ソースから流し出す状態となる。
そして、制御回路は、FD15に蓄積されている電荷の情報の読み出しを開始する。すなわち、制御回路は、FD15の端子間電圧に対応してMOSトランジスタ14に流れる信号電流を、MOSトランジスタ17を介して検出し、この信号電流を電圧値に変換して露光時の露光データとする。また、制御回路は、露光データから、このCMOSセンサ3に対応して記憶されている基準データを減算し、CMOSセンサ3が受光した光量に対応する画像データを生成する。
At time t308 , the control circuit changes the signal SL from the “L” level to the “H” level.
As a result, the MOS transistor 17 is turned on because the “H” level is applied to the gate. At this time, the MOS transistor 17 enters a state in which the signal current flowing from the MOS transistor 14 to the drain flows out from the source.
Then, the control circuit starts reading the information on the charges accumulated in the FD 15. That is, the control circuit detects the signal current flowing through the MOS transistor 14 corresponding to the voltage between the terminals of the FD 15 via the MOS transistor 17 and converts this signal current into a voltage value to obtain exposure data at the time of exposure. . Further, the control circuit subtracts the reference data stored corresponding to the CMOS sensor 3 from the exposure data, and generates image data corresponding to the amount of light received by the CMOS sensor 3.

時刻t309において、制御回路は、信号SLを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
この結果、制御回路は、CMOSセンサ3からの露光データの読み出しを終了する。また、制御回路は、固体撮像素子における他のCMOSセンサ3からの露光データの読み出しが終了するまで、電源線LVVの電圧レベルを「H」レベルに維持させておく。
そして、制御回路は、固体撮像素子における全てのCMOSセンサ3から、露光データの読み出しが終了したタイミングにおいて、電源線VLLの電圧レベルを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。
時刻t308から時刻t310までの期間において、制御回路は固体撮像素子における全てのCMOSセンサ3から露光データの読み出しの処理を行う。
制御装置は、上述した時刻t301から時刻t310までの処理を繰り返して行うことにより、動画の画像データを生成する。
At time t309 , the control circuit changes the signal SL from the “H” level to the “L” level.
As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 17, and thus the MOS transistor 17 is turned off.
As a result, the control circuit ends reading of exposure data from the CMOS sensor 3. Further, the control circuit maintains the voltage level of the power supply line LVV at the “H” level until reading of exposure data from the other CMOS sensor 3 in the solid-state imaging device is completed.
Then, the control circuit changes the voltage level of the power supply line VLL from the “H” level to the “L” level at the timing when the reading of the exposure data from all the CMOS sensors 3 in the solid-state imaging device is completed.
In the period from time t 308 to time t 310 , the control circuit performs processing for reading exposure data from all the CMOS sensors 3 in the solid-state imaging device.
The control device generates image data of a moving image by repeatedly performing the processing from time t 301 to time t 310 described above.

本実施形態は、図1の第1の実施形態と同様に、図4の固体撮像素子の画素として用いることができる。
本実施形態は、上述したように、露光期間以外は、MOSトランジスタ21をオン状態としPD11のカソードに生成される電荷を、配線LTYへ移動へ転送する。
このため、本実施形態は、露光期間以外のノイズとなる電荷が発生したとしても、MOSトランジスタ21を介し、配線LTYへ移動する。
このため、本実施形態によれば、第1の実施形態におけるダイナミックレンジを広げたグローバルシャッタ方式の固体撮像素子の効果に加え、PD11のカソードに露光期間以外に発生し電荷が蓄積されず、信号電荷のノイズ成分を低減し、蓄積する電荷の電荷量の変動を抑制することができ、安定した露光データを検出することができる。
The present embodiment can be used as a pixel of the solid-state imaging device of FIG. 4 as in the first embodiment of FIG.
In this embodiment, as described above, during the period other than the exposure period, the MOS transistor 21 is turned on, and the charge generated at the cathode of the PD 11 is transferred to the wiring LTY.
For this reason, in the present embodiment, even if a charge that becomes noise other than the exposure period is generated, the charge moves to the wiring LTY via the MOS transistor 21.
For this reason, according to the present embodiment, in addition to the effect of the global shutter type solid-state imaging device with the expanded dynamic range in the first embodiment, the charge generated at the cathode of the PD 11 outside the exposure period is not accumulated, and the signal The noise component of charges can be reduced, fluctuations in the amount of accumulated charges can be suppressed, and stable exposure data can be detected.

<第4の実施形態>
以下、図面を参照して、本発明の第4の実施形態について説明する。図11は、この発明の第4の実施形態によるCMOSセンサ4の構成例を示す概略ブロック図である。
CMOSセンサ4は、グローバルシャッタ方式の固体撮像素子の1画素の基本単位であり、PD11、MOSトランジスタ12、13、14、17、19及び21、FD15、コンデンサ40から構成されている。MOSトランジスタ12、13、14、17及び21は、例えばnチャネル型のMOSトランジスタである。図11においては、図1のCMOSセンサ1と同様の構成については同一の符号を付してある。以下、第1の実施形態と異なる構成及び動作のみを説明する。このCMOSセンサ4は、図4のCMOSセンサS11、S12、S13およびS14として用いることができる。
<Fourth Embodiment>
Hereinafter, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 11 is a schematic block diagram showing a configuration example of the CMOS sensor 4 according to the fourth embodiment of the present invention.
The CMOS sensor 4 is a basic unit of one pixel of a global shutter type solid-state imaging device, and includes a PD 11, MOS transistors 12, 13, 14, 17, 19 and 21, an FD 15, and a capacitor 40. The MOS transistors 12, 13, 14, 17 and 21 are, for example, n-channel MOS transistors. In FIG. 11, the same components as those of the CMOS sensor 1 of FIG. Only the configuration and operation different from those of the first embodiment will be described below. This CMOS sensor 4 can be used as the CMOS sensors S11, S12, S13 and S14 of FIG.

第4の実施形態は、第2の実施形態におけるPD11で発生した信号電荷を一端コンデンサ40に転送して蓄積する構成と、第3の実施形態におけるPD11で露光期間以外に発生する電荷を配線LTYに転送する構成とを組み合わせたものである。
後の構成は、第1の実施形態と同様のため、説明を省略する。
In the fourth embodiment, the signal charge generated in the PD 11 in the second embodiment is transferred to the capacitor 40 and accumulated therein, and the charge generated in the PD 11 in the third embodiment other than the exposure period is connected to the wiring LTY. It is a combination with the configuration for transferring to the network.
Since the subsequent configuration is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted.

次に、図12は図11に示すCMOSセンサ4からデータを出力する動作例を示すタイミングチャートである。信号D、TX、TR、R、SL、電源線LVVのレベル制御は、従来例と同様に図示しない制御部(例えば、図4における制御部30、ただし信号D、TRの制御が加わる)が行う。
時刻t401以前において、制御回路は、信号TX、TR、R、SLを「L」レベルとし、信号Dを「H」レベルとし、電源線LVVの電位を「L」レベルとしている。また、電原線LVDD及び配線LTY(すなわち信号TY)は常に「H」レベル、すなわち電圧VDDである。これにより、MOSトランジスタ21は、ゲートに「H」レベルが印加され、オン状態となっている。このため、光の照射によりPD11に生成された電荷は、MOSトランジスタ21を介して配線LTYへ転送される。
Next, FIG. 12 is a timing chart showing an operation example of outputting data from the CMOS sensor 4 shown in FIG. The level control of the signals D, TX, TR, R, SL, and the power supply line LVV is performed by a control unit (not shown) (for example, the control unit 30 in FIG. 4, but the signals D and TR are added) as in the conventional example. .
Prior to time t 401 , the control circuit sets the signals TX, TR, R, and SL to the “L” level, the signal D to the “H” level, and the potential of the power supply line LVV to the “L” level. The power source line LVDD and the wiring LTY (that is, the signal TY) are always at the “H” level, that is, the voltage VDD. As a result, the MOS transistor 21 is turned on with the “H” level applied to the gate. For this reason, the charge generated in the PD 11 by the light irradiation is transferred to the wiring LTY via the MOS transistor 21.

時刻t401において、制御回路は信号TX、TR及びRを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。MOSトランジスタ12、13及び19のゲートに「H」レベルが印加されることとなり、MOSトランジスタ12、13及び19がオン状態となる。これにより、PD11のカソードに生成された電荷、コンデンサ40及びFD15に蓄積されている電荷がMOSトランジスタ12及び13を介し、電源線LVDDへ電荷が移動することにより、コンデンサ40及びFD15のリセット処理が行われる。このとき、コンデンサ40に対してもリセット処理が行われ、コンデンサ40の端子間電圧が電圧VDDとなる。 At time t 401 , the control circuit changes the signals TX, TR, and R from the “L” level to the “H” level. The “H” level is applied to the gates of the MOS transistors 12, 13 and 19, and the MOS transistors 12, 13 and 19 are turned on. As a result, the charge generated at the cathode of the PD 11 and the charge accumulated in the capacitor 40 and the FD 15 are transferred to the power supply line LVDD via the MOS transistors 12 and 13, thereby resetting the capacitor 40 and the FD 15. Done. At this time, the reset process is also performed on the capacitor 40, and the voltage between the terminals of the capacitor 40 becomes the voltage VDD.

時刻t402において、制御回路はリセット処理を終了させ、露光期間を開始するため、信号TX、TR、R及びDを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ12、13、19及び21の各々は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
すなわち、PD11が発生する電荷は、MOSトランジスタ19及び21を介して移動することが無くなるため、PD11のカソードに蓄積される状態となる。
この結果、PD11は、リセット処理が終了した時点から、光が照射されることで信号電荷を発生し、発生した信号電荷をカソードに蓄積することになる。これにより、信号電荷をPD11のカソードに蓄積する露光期間が開始される。
At time t 402 , the control circuit ends the reset process and changes the signals TX, TR, R, and D from the “H” level to the “L” level to start the exposure period.
Thereby, each of the MOS transistors 12, 13, 19 and 21 is turned off because the "L" level is applied to the gate.
That is, since the charge generated by the PD 11 does not move through the MOS transistors 19 and 21, the charge is accumulated in the cathode of the PD 11.
As a result, the PD 11 generates signal charges by irradiating light from the time when the reset process is completed, and accumulates the generated signal charges in the cathode. Thereby, an exposure period for accumulating signal charges on the cathode of the PD 11 is started.

時刻t403において、制御回路は、PD11からコンデンサ40に対し、PD11のカソードに蓄積されている信号電荷を転送するため、信号TRを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ19は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となる。
この結果、PD11のカソードに蓄積された信号電荷は、MOSトランジスタ19を介してコンデンサ40に移動する。
すなわち、本実施形態においては、時刻t402から時刻t403までの時間が露光時間となる。このPD11からコンデンサ40への信号電荷の転送は、固体撮像素子の全てのCMOSセンサ4の全てが同期されて一斉に行われる(グローバルシャッタ処理)。
At time t 403 , the control circuit changes the signal TR from the “L” level to the “H” level in order to transfer the signal charge accumulated at the cathode of the PD 11 from the PD 11 to the capacitor 40. As a result, the MOS transistor 19 is turned on because the “H” level is applied to the gate.
As a result, the signal charge accumulated at the cathode of the PD 11 moves to the capacitor 40 via the MOS transistor 19.
That is, in this embodiment, the time from time t 402 to time t 403 is the exposure time. The transfer of signal charges from the PD 11 to the capacitor 40 is performed simultaneously in synchronism with all the CMOS sensors 4 of the solid-state imaging device (global shutter processing).

時刻t404において、制御回路は、PD11からコンデンサ40に対する信号電荷の転送を終了するため、信号TRを「H」レベルから「L」レベルに変化させるとともに、信号Dを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ19は、ゲートに「L」レベルが印加され、オフ状態となる。そして、PD11からコンデンサ40への信号電荷の転送が終了し、PD11の発生した信号電荷がコンデンサ40に蓄積される。
また、MOSトランジスタ21は、ゲートに「H」レベルが印加され、オン状態となる。そして、光が照射されることでPD11に発生する電荷は、MOSトランジスタ21を介し、配線LTYへ移動する。したがって、PD11のカソードには信号電荷が蓄積されなくなる。
At time t 404 , the control circuit changes the signal TR from the “H” level to the “L” level and also changes the signal D from the “L” level to “H” in order to end the transfer of the signal charge from the PD 11 to the capacitor 40. "Change to the level."
As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 19 and the MOS transistor 19 is turned off. Then, the transfer of the signal charge from the PD 11 to the capacitor 40 is completed, and the signal charge generated by the PD 11 is accumulated in the capacitor 40.
Further, the MOS transistor 21 is turned on when the “H” level is applied to the gate. Then, the charge generated in the PD 11 when irradiated with light moves to the wiring LTY via the MOS transistor 21. Therefore, no signal charge is accumulated on the cathode of the PD 11.

時刻t405において、制御回路は、FD15のリセット処理を行うため、信号Rを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ13は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となる。
MOSトランジスタ13がオン状態となることにより、FD15に存在する電荷が電源線LVDDへ移動するため、FD15の端子間電圧が電圧VDDとなり、FD15のリセット処理が行われる。
At time t 405 , the control circuit changes the signal R from the “L” level to the “H” level in order to perform the reset process of the FD 15. As a result, the MOS transistor 13 is turned on since the “H” level is applied to the gate.
When the MOS transistor 13 is turned on, the electric charge present in the FD 15 moves to the power supply line LVDD, so that the voltage between the terminals of the FD 15 becomes the voltage VDD, and reset processing of the FD 15 is performed.

時刻t406において、制御回路は、FD15に対するリセット処理を終了し、FD15の端子間電圧を昇圧させるため、信号Rを「H」レベルから「L」レベルに変化させるとともに、電源線LVVの電圧を「L」レベル(予め設定された「H」レベルから昇圧に寄与させる電圧分低い電圧)から「H」レベル(電圧VDD)に変化させる。
これにより、MOSトランジスタ13は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。そして、FD15のリセット処理が終了する。
また、FD15の端子間電圧は、電源線LVVの電圧に対応し、電圧VDDから(1)式から求められる昇圧量ΔVFD分の電圧が上昇することになる。この結果、すでに述べたように、FD15の端子間電圧における信号電荷による変化量の幅を大きくとることができ、画像データのダイナミックレンジを広げることができる。
At time t 406 , the control circuit ends the reset process for the FD 15 and changes the signal R from the “H” level to the “L” level and increases the voltage of the power supply line LVV in order to boost the voltage across the terminals of the FD 15. The “L” level (voltage that is lower than the preset “H” level by a voltage that contributes to boosting) is changed to the “H” level (voltage VDD).
As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 13, and the MOS transistor 13 is turned off. And the reset process of FD15 is complete | finished.
Further, the voltage between the terminals of the FD 15 corresponds to the voltage of the power supply line LVV, and the voltage corresponding to the boost amount ΔVFD obtained from the expression (1) is increased from the voltage VDD. As a result, as described above, the width of the amount of change due to the signal charge in the voltage between the terminals of the FD 15 can be increased, and the dynamic range of the image data can be expanded.

時刻t407において、制御回路は、FD15の端子間電圧のリセットレベルを読み出すため、信号SLを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートの「H」レベルが印加されることにより、オン状態となる。
これにより、MOSトランジスタ14は、ゲートに印加されている、リセットレベルのFD15の端子間電圧に対応する信号電流を、MOSトランジスタ17を介して制御回路に流す。
そして、制御回路は、このタイミングにおいて、FD15の端子間電圧のリセットレベルに対応する信号電流を検出し、基準データとして一端内部の記憶部に書き込んで記憶させる。
また、時刻t406から時刻t407までは、電源線LVVの電圧VVが電圧VDDとなるまでの時間、すなわちFDD15の端子間電圧が昇圧されて飽和されるまでの時間となっている。
At time t407 , the control circuit changes the signal SL from the “L” level to the “H” level in order to read the reset level of the voltage across the terminals of the FD15. As a result, the MOS transistor 17 is turned on when the “H” level of the gate is applied.
As a result, the MOS transistor 14 causes the signal current corresponding to the voltage across the terminals of the reset level FD 15 applied to the gate to flow to the control circuit via the MOS transistor 17.
Then, at this timing, the control circuit detects a signal current corresponding to the reset level of the voltage between the terminals of the FD 15 and writes and stores it as reference data in a storage unit inside one end.
From time t 406 to time t 407 is a time until the voltage VV of the power supply line LVV becomes the voltage VDD, that is, a time until the voltage between the terminals of the FDD 15 is boosted and saturated.

時刻t408において、制御回路は、コンデンサ40からFD15に対して信号電荷の転送を行うため、信号SLを「H」レベルから「L」レベルに変化させるとともに、信号TXを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。この結果、制御回路はMOSトランジスタ17を介した、MOSトランジスタ14がFD15の端子間電圧(リセットレベル)に対応した信号電流の検出を終了する。
また、MOSトランジスタ12は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となる。この結果、コンデンサ40に蓄積されている信号電荷が、コンデンサ40からFD15へ転送され、FD15の端子間電圧が信号電荷の電荷量に応じて変化する。
At time t 408 , the control circuit changes the signal SL from the “H” level to the “L” level and transfers the signal TX from the “L” level to “L” to transfer the signal charge from the capacitor 40 to the FD 15. Change to “H” level.
As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 17, and thus the MOS transistor 17 is turned off. As a result, the control circuit ends the detection of the signal current corresponding to the voltage (reset level) between the terminals of the FD 15 via the MOS transistor 17.
Further, the MOS transistor 12 is turned on because the “H” level is applied to the gate. As a result, the signal charge accumulated in the capacitor 40 is transferred from the capacitor 40 to the FD 15, and the voltage between the terminals of the FD 15 changes according to the amount of signal charge.

時刻t409において、制御回路は、電荷の転送を終了し、露光データとしての信号電流を読み出すため、信号TXを「H」レベルから「L」レベルに変化させるとともに、信号SLを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ12は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。この結果、コンデンサ40からFD15に対する信号電荷の転送が終了する。
そして、制御回路は、FD15に蓄積されている電荷の情報の読み出しを開始する。 すなわち、MOSトランジスタ17は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となる。この結果、MOSトランジスタ14は、ゲートに印加されている、信号電荷に応じて変化したFD15の端子間電圧に対応する信号電流を、MOSトランジスタ17を介して制御回路に供給する。そして、制御回路は、このタイミングにおいて、リセットレベルに対して信号電荷に応じて変化したMOSトランジスタ14に流れる信号電流を検出して露光データとし、この露光データから画像データを算出する処理を行う。
このとき、制御回路は、露光データから、このCMOSセンサ4に対応して内部の記憶部に記憶されている基準データを減算し、CMOSセンサ4が受光した光量に対応する信号電荷に基づく画像データを生成し、外部の記憶装置に書き込んで記憶させる。
At time t409 , the control circuit ends the charge transfer and changes the signal TX from the “H” level to the “L” level and reads the signal SL at the “L” level in order to read out the signal current as the exposure data. To “H” level.
As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 12, and the MOS transistor 12 is turned off. As a result, the transfer of signal charges from the capacitor 40 to the FD 15 is completed.
Then, the control circuit starts reading the information on the charges accumulated in the FD 15. That is, the MOS transistor 17 is turned on because the “H” level is applied to the gate. As a result, the MOS transistor 14 supplies a signal current corresponding to the voltage across the terminals of the FD 15 that has been applied to the gate and changed according to the signal charge, to the control circuit via the MOS transistor 17. Then, at this timing, the control circuit detects a signal current flowing through the MOS transistor 14 that has changed in accordance with the signal charge with respect to the reset level, sets it as exposure data, and performs processing for calculating image data from this exposure data.
At this time, the control circuit subtracts the reference data stored in the internal storage unit corresponding to the CMOS sensor 4 from the exposure data, and image data based on the signal charge corresponding to the amount of light received by the CMOS sensor 4. Is written and stored in an external storage device.

時刻t410において、制御回路は、このCMOSセンサ4からの露光データの読出を終了させるため、信号SLを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
また、時刻t410以降において、制御回路は固体撮像素子における他のCMOSセンサ4のMOSトランジスタ17を順次オン状態とし、他のCMOSセンサ4から露光データを時系列に読み出す。すなわち、制御回路は、リセットレベル読み出しから信号レベル読み出しまでの画像データを求める処理を、固体撮像素子の全てのCMOSセンサ4に対して順次行う。
At time t410 , the control circuit changes the signal SL from the “H” level to the “L” level in order to finish reading the exposure data from the CMOS sensor 4. As a result, the “L” level is applied to the gate of the MOS transistor 17, and thus the MOS transistor 17 is turned off.
Further, after time t410 , the control circuit sequentially turns on the MOS transistors 17 of the other CMOS sensors 4 in the solid-state imaging device and reads exposure data from the other CMOS sensors 4 in time series. That is, the control circuit sequentially performs processing for obtaining image data from reset level reading to signal level reading for all the CMOS sensors 4 of the solid-state imaging device.

本実施形態は、図1の第1の実施形態と同様に、図4の固体撮像素子の画素として用いることができる。
本実施形態は、上述した構成により、 第1の実施形態におけるダイナミックレンジを広げたグローバルシャッタ方式の固体撮像素子の効果と、第2の実施形態における信号電荷を一端コンデンサ40に転送させておくため、蓄積する信号電荷の電荷量の変動を抑制することができる効果と、第3の実施形態における露光期間以外に発生した電荷がPD11に蓄積されず、信号電荷のノイズ成分を低減する効果とを有している。
The present embodiment can be used as a pixel of the solid-state imaging device of FIG. 4 as in the first embodiment of FIG.
In the present embodiment, the above-described configuration allows the effect of the global shutter type solid-state imaging device having the expanded dynamic range in the first embodiment and the signal charge in the second embodiment to be transferred to the capacitor 40 at one end. The effect of suppressing the fluctuation of the charge amount of the accumulated signal charge and the effect of reducing the noise component of the signal charge because the charge generated outside the exposure period in the third embodiment is not accumulated in the PD 11. Have.

<第5の実施形態>
次に、図面を参照して、第1の実施形態から第4の実施形態のいずれかを搭載した2足歩行ロボットの説明を行う。
図13は本実施形態における2足歩行ロボット500の外観を示し、図13(a)は2足歩行ロボット500を正面から見た図であり、図13(b)は2足歩行ロボット500を側面から見た図である。
図13(a)に示すように、2足歩行ロボット500は、2本の脚部502を備えると共に、その上方には上体(基体)503が設けられる。上体503の上部には頭部504が設けられるとともに、上体503の両側には2本の腕部505が連結されている。
また、図13(b)に示すように、上体503の背部には格納部506が設けられ、その内部にはECU(電子制御ユニット、詳細は後述)および2足歩行ロボット500の関節を駆動する電動モータのバッテリ電源(図示せず)などが収容される。尚、図13に示す2足歩行ロボット500は、内部構造を保護するためのカバーが取着されたものを示す。
<Fifth Embodiment>
Next, with reference to the drawings, a biped walking robot equipped with any one of the first to fourth embodiments will be described.
FIG. 13 shows the appearance of the biped walking robot 500 in this embodiment, FIG. 13A is a view of the biped walking robot 500 viewed from the front, and FIG. 13B is a side view of the biped walking robot 500. It is the figure seen from.
As shown in FIG. 13A, the biped walking robot 500 includes two legs 502, and an upper body (base) 503 is provided above the two legs 502. A head 504 is provided on the upper portion of the upper body 503, and two arm portions 505 are connected to both sides of the upper body 503.
As shown in FIG. 13B, a storage unit 506 is provided on the back of the upper body 503, and the ECU (electronic control unit, details will be described later) and the joints of the biped robot 500 are driven therein. A battery power source (not shown) of the electric motor to be stored is accommodated. Note that a biped robot 500 shown in FIG. 13 is shown with a cover attached to protect the internal structure.

2足歩行ロボット500は、左右それぞれの脚部502に6個の関節を備え、左右それぞれの腕部503にも6個の関節を備えている。
頭部504は、鉛直軸まわりの首関節と、この鉛直軸に直交する軸で頭部504を回転させる頭部揺動機構から構成されている。
また、頭部504の内部には、左右の目に対応する位置に固体撮像装置が、左右に並列してステレオ視(複眼視)自在に取り付けられている。この左右の固体撮像装置が撮像して得た画像データ(例えば、カラー画像データ)が後述するECUに供給される
ECU(Electronic Control Unit)は、画像データに基づき、2足歩行ロボット500の各関節を制御し、例えば歩行中に、左右の脚部502における12個の関節を適宜必要な角度で駆動することにより、左右の脚部502全体に所望の動きを与えることができ、任意に3次元空間を歩行させる。
また、ECUは、左右の腕部505における12個の関節を適宜必要な角度で駆動することにより、任意に所望の作業を行わせる。
The biped walking robot 500 includes six joints on the left and right leg portions 502, and also includes six joints on the left and right arm portions 503.
The head 504 includes a neck joint around a vertical axis and a head swing mechanism that rotates the head 504 with an axis orthogonal to the vertical axis.
Further, inside the head 504, a solid-state imaging device is attached in a position corresponding to the left and right eyes so that it can be viewed in stereo (compound eyes) in parallel on the left and right. Image data (for example, color image data) obtained by imaging the left and right solid-state imaging devices is supplied to an ECU (to be described later). For example, during walking, the twelve joints in the left and right leg portions 502 are appropriately driven at a necessary angle, so that a desired movement can be given to the entire left and right leg portions 502, and an arbitrary three-dimensional motion can be achieved. Walk through the space.
In addition, the ECU arbitrarily performs a desired work by driving the 12 joints in the left and right arm portions 505 at necessary angles as appropriate.

次に、図14は、図13の2足歩行ロボット500の格納部506内部に設けられている、2足歩行ロボット500の駆動を制御するECU70の構成例を示す図である。この図14に示す、50R(右目に対応)及び50L(左目に対応)は頭部504に取り付けられている固体撮像装置である。   Next, FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration example of an ECU 70 that controls driving of the biped walking robot 500 provided in the storage unit 506 of the biped walking robot 500 of FIG. 13. In FIG. 14, 50R (corresponding to the right eye) and 50L (corresponding to the left eye) are solid-state imaging devices attached to the head 504.

また、図15は、図14に示す固体撮像装置(固体撮像装置50Rまたは50L、以下50Rとして説明)の構成例を示す図である。固体撮像装置50Rは、固体撮像素子550及びレンズ551から構成されている。
固体撮像素子550は、第1の実施形態から第4の実施形態のいずれかによるCMOSセンサから構成される固体撮像素子である。
固体撮像素子550は、センサ部550A及び制御部550Bから構成されている。
センサ部550Aは、第1の実施形態から第4の実施形態のいずれかのCMOSセンサが、半導体基板表面にマトリクス状に配置されている。
制御部550Bは、図4における制御回路30、タイミング発生回路20、垂直レジスタ21及び水平レジスタ22を有している。
レンズ551は、入射光を集光して、センサ部550Aに撮像対象を結像する。
そして、固体撮像素子500は、センサ部550Aに結像された撮像対象の画像データを、第1の実施形態から第4の実施形態のいずれかの固体撮像素子の処理により求め、求めた画像データをECU70に対して出力する。
15 is a diagram showing a configuration example of the solid-state imaging device (solid-state imaging device 50R or 50L, hereinafter referred to as 50R) shown in FIG. The solid-state imaging device 50R includes a solid-state imaging element 550 and a lens 551.
The solid-state image sensor 550 is a solid-state image sensor configured by a CMOS sensor according to any one of the first to fourth embodiments.
The solid-state image sensor 550 includes a sensor unit 550A and a control unit 550B.
In the sensor unit 550A, the CMOS sensor according to any one of the first to fourth embodiments is arranged in a matrix on the surface of the semiconductor substrate.
The control unit 550B includes the control circuit 30, the timing generation circuit 20, the vertical register 21, and the horizontal register 22 in FIG.
The lens 551 focuses incident light and forms an image of the imaging target on the sensor unit 550A.
Then, the solid-state imaging device 500 obtains the image data of the imaging target formed on the sensor unit 550A by the processing of the solid-state imaging device according to any one of the first to fourth embodiments, and the obtained image data. Is output to the ECU 70.

次に、図14を用いて、ECU70が固体撮像装置から得られる画像データにより2足歩行ロボット500を制御する構成について説明する。
ECU70の動作は、固体撮像装置50R(右側)、50L(左側)から入力された画像データ(マトリクス状に配列したCMOSセンサ全ての画像データであるため、以下、画像)を解析する距離画像生成部70a、差分画像生成部70b及びエッジ画像生成部7cと、解析された画像から移動体を検出して2足歩行ロボット500と移動体の相対距離および相対角度を算出し、算出された相対距離および相対角度に基づき、必要に応じて移動体に対応した動作を2足歩行ロボット500に行わせるように、各関節を駆動する電動モータMの制御を行うモータ制御部70dとを有している。
Next, a configuration in which the ECU 70 controls the biped walking robot 500 based on image data obtained from the solid-state imaging device will be described with reference to FIG.
The operation of the ECU 70 is a distance image generation unit that analyzes image data input from the solid-state imaging devices 50R (right side) and 50L (left side) (because it is image data of all CMOS sensors arranged in a matrix). 70a, the difference image generation unit 70b and the edge image generation unit 7c, the moving body is detected from the analyzed image, the relative distance and the relative angle between the biped walking robot 500 and the moving body are calculated, and the calculated relative distance and Based on the relative angle, a motor control unit 70d that controls the electric motor M that drives each joint is provided so that the bipedal walking robot 500 performs an operation corresponding to the moving body as necessary.

距離画像生成部70aは、同時刻に同期して固体撮像装置50L、50Rの各々で撮像された2つの画像の視差に基づき、2足歩行ロボット500から撮像対象までの距離(奥行き)を示す距離画像DeIを生成する。すなわち、距離画像生成部70aは、左側の固体撮像装置50Lを基準撮像装置とし、この基準とされた左側の固体撮像装置50Lで撮像された画像(以下「基準画像BI」という)と、右側の固体撮像装置50Rで同時刻に同期して撮像された画像(以下「同時刻画像」という)とを、所定の大きさのブロック(例えば16×16画素)でブロックマッチングし、基準画像からの視差を計測すると共に、計測した視差の大きさ(視差量)を基準画像の各画素に対応付けて距離画像DeIを生成する。ここで、視差は、その値が大きいほど固体撮像装置50R(または50L)から撮像対象が近いことを示し、小さいほど撮像対象が遠く離れていることを示す。   The distance image generation unit 70a indicates a distance (depth) from the biped walking robot 500 to the imaging target based on the parallax between the two images captured by the solid-state imaging devices 50L and 50R in synchronization with the same time. An image DeI is generated. That is, the distance image generation unit 70a uses the left solid-state imaging device 50L as a reference imaging device, the image captured by the reference left solid-state imaging device 50L (hereinafter referred to as “reference image BI”), and the right-side solid-state imaging device 50L. The image captured in synchronization with the same time by the solid-state imaging device 50R (hereinafter referred to as “same-time image”) is block-matched with a predetermined size block (for example, 16 × 16 pixels), and the parallax from the reference image And the distance image DeI is generated by associating the measured parallax size (parallax amount) with each pixel of the reference image. Here, the larger the value of the parallax, the closer the imaging target is from the solid-state imaging device 50R (or 50L), and the smaller the parallax, the farther the imaging target is.

差分画像生成部70bは、固体撮像装置50Lで時系列に撮像された2つの基準画像BIの差分をとり、差分画像DiIを生成する。すなわち、差分画像生成部70bは、固体撮像装置50Lで時系列(時刻tと時刻t+Δt)に撮像された2つの基準画像BIの差分を求め、差のあった画素には動き(移動)のあった画素として画素値1を与えると共に、差のなかった画素には動き(移動)のなかった画素として画素値0を与えることで、差分画像DiIを生成する。
また、ロボット1が移動することによって時刻tと時刻t+Δtの基準画像BI内の背景が変化する場合は、固体撮像装置50Lの移動量に基づいて時刻t+Δtに撮像した基準画像BIを補正することで、移動体の動きのみを差分として検出するようにする。
The difference image generation unit 70b calculates a difference between two reference images BI captured in time series by the solid-state imaging device 50L, and generates a difference image DiI. That is, the difference image generation unit 70b obtains a difference between two reference images BI captured in time series (time t and time t + Δt) by the solid-state imaging device 50L, and the pixel having the difference has motion (movement). A difference value DiI is generated by giving a pixel value of 1 as a pixel and giving a pixel value of 0 to a pixel having no difference as a pixel having no movement (movement).
If the background in the reference image BI at time t and time t + Δt changes as the robot 1 moves, the reference image BI captured at time t + Δt is corrected based on the amount of movement of the solid-state imaging device 50L. Only the movement of the moving body is detected as a difference.

エッジ画像生成部70cは、固体撮像装置50Lで撮像された基準画像BIに基づいてエッジ画像EIを生成する。すなわち、エッジ画像生成部70cは、基準画像BIの輝度が所定レベル以上変化する画素をエッジとして検出し、検出したエッジのみからなるエッジ画像EIを生成する。尚、エッジの検出は、より具体的には、画像全体に所定の重み係数を有するオペレータ(Sovel(ゾーベル)オペレータなど)を当て、対応する画素輝度値の積を算出し、行または列単位で隣の線分と所定値以上の差を有する線分をエッジとして検出することによって行う。   The edge image generation unit 70c generates an edge image EI based on the reference image BI captured by the solid-state imaging device 50L. That is, the edge image generation unit 70c detects, as an edge, a pixel whose luminance of the reference image BI changes by a predetermined level or more, and generates an edge image EI including only the detected edge. More specifically, the edge detection is performed by applying an operator having a predetermined weight coefficient (such as a Sobel operator) to the entire image, calculating a product of the corresponding pixel luminance values, and in units of rows or columns. This is performed by detecting a line segment having a difference equal to or greater than a predetermined value from an adjacent line segment as an edge.

モータ制御部70dは、距離画像DeIと差分画像DiIに基づいて移動体が存在すると推定される位置までの距離(以下「移動体距離」という)を算出する。このとき、モータ制御部70dは、距離画像DeIで表された視差(距離)ごとに、その視差に対応する位置にある差分画像DiIの画素数を累計すると共に、累計値が最大となる視差(距離)に移動体が存在していると推定し、移動体距離として設定する。
そして、モータ制御部70dは、移動体距離に基づいて、例えばある閾値として設定された設定距離より小さいか否かの判定を行う。
このとき、モータ制御部70aは、移動体距離が設定距離より小さい場合、2足歩行ロボット500の歩行を停止させ、一方、移動体距離が設定距離より大きい場合、2足歩行ロボット500の歩行を継続させるように、電動モータMの制御を行う。
また、2足歩行ロボット500の歩容の生成手法に関しては、本出願人が先に提案した特開2002−326173号公報、特開2004−299001号公報などに詳しく記載されているため、ここでの説明は省略する。
The motor control unit 70d calculates a distance (hereinafter referred to as “moving body distance”) to a position where the moving body is estimated to exist based on the distance image DeI and the difference image DiI. At this time, for each parallax (distance) represented by the distance image DeI, the motor control unit 70d accumulates the number of pixels of the difference image DiI at the position corresponding to the parallax, and the parallax (the cumulative value becomes the maximum). It is estimated that there is a moving object at (distance), and is set as the moving object distance.
Then, the motor control unit 70d determines whether or not the distance is smaller than a set distance set as, for example, a certain threshold based on the moving body distance.
At this time, when the moving body distance is smaller than the set distance, the motor control unit 70a stops the walking of the biped walking robot 500. On the other hand, when the moving body distance is larger than the set distance, the motor control unit 70a walks the biped walking robot 500. The electric motor M is controlled so as to continue.
The gait generation method of the biped robot 500 is described in detail in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-326173 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-299001 previously proposed by the present applicant. Description of is omitted.

本実施形態は、上述したように、2足歩行ロボット500が移動体を避けて歩行する際、移動体の認識に用いる画像を、第1の実施形態から第4の実施形態のいずれかのCMOSセンサから構成されるグローバルシャッタ方式の固体撮像装置50L、50Rにより取得する。
このため、本実施形態によれば、フローティングディヒュージョンの端子間電圧を昇圧する機能を有し、CMOSセンサから取得する画像データのダイナミックレンジを広げることが可能なグローバルシャッタ方式の固体撮像装置により画像を得る構成のため、従来のグローバルシャッタ方式のCMOSセンサからなる固体撮像装置を用いた場合に比較して、高精度の画像データを取得することができ、2足歩行ロボットの制御性を向上させることができる。
In the present embodiment, as described above, when the biped walking robot 500 walks around a moving body, the image used for the recognition of the moving body is the CMOS of any one of the first to fourth embodiments. Acquired by the global shutter type solid-state imaging devices 50L and 50R composed of sensors.
For this reason, according to the present embodiment, a global shutter type solid-state imaging device having a function of boosting the voltage between terminals of the floating diffusion and capable of expanding the dynamic range of image data acquired from the CMOS sensor. Therefore, it is possible to obtain highly accurate image data and improve the controllability of the biped robot compared to the case where a solid-state imaging device composed of a conventional global shutter CMOS sensor is used. be able to.

記憶装置は、ハードディスク装置や光磁気ディスク装置、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリや、CD−ROM等の読み出しのみが可能な記憶媒体、RAM(Random Access Memory)のような揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成されるものとする。
上述した制御回路の機能は、専用のハードウェアにより実現されるものであってもよく、また、メモリおよびマイクロプロセッサにより実現させるものであってもよい。
すなわち、制御回路は専用のハードウェアにより実現されるものであってもよく、また、この処理部30はメモリおよびCPU(中央演算装置)により構成され、制御回路の機能を実現するためのプログラムをメモリにロードして実行することによりその機能を実現させるものであってもよい。
The storage device may be a hard disk device, a magneto-optical disk device, a nonvolatile memory such as a flash memory, a storage medium that can only be read such as a CD-ROM, a volatile memory such as a RAM (Random Access Memory), or It shall be comprised by these combinations.
The functions of the control circuit described above may be realized by dedicated hardware, or may be realized by a memory and a microprocessor.
That is, the control circuit may be realized by dedicated hardware, and the processing unit 30 is configured by a memory and a CPU (central processing unit), and a program for realizing the function of the control circuit is provided. The function may be realized by loading it into a memory and executing it.

また、第1の実施形態から第5の実施形態における制御回路の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより固体撮像素子の制御を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。   Further, a program for realizing the functions of the control circuit in the first to fifth embodiments is recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on the recording medium is read into a computer system. The solid-state image sensor may be controlled by executing. Here, the “computer system” includes an OS and hardware such as peripheral devices.

また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
Further, the “computer system” includes a homepage providing environment (or display environment) if a WWW system is used.
The “computer-readable recording medium” refers to a storage device such as a flexible medium, a magneto-optical disk, a portable medium such as a ROM and a CD-ROM, and a hard disk incorporated in a computer system. Furthermore, the “computer-readable recording medium” dynamically holds a program for a short time like a communication line when transmitting a program via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. In this case, a volatile memory in a computer system serving as a server or a client in that case, and a program that holds a program for a certain period of time are also included. The program may be a program for realizing a part of the functions described above, and may be a program capable of realizing the functions described above in combination with a program already recorded in a computer system.

以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
また、本発明の各実施形態においては、電荷として電子(負の電荷)を用いる回路構成として説明しているが、電荷として正孔(正の電荷)を用いる回路構成としてもよい。
The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes design and the like within a scope not departing from the gist of the present invention.
In each embodiment of the present invention, a circuit configuration using electrons (negative charges) as charges is described. However, a circuit configuration using holes (positive charges) as charges may be used.

1、2,3,4,S11,S12,S21,S22…CMOSセンサ
11…PD(フォトダイオード)
12,13,14,17,19,21…MOSトランジスタ
15…FD(フローティングディフュージョン部)
20…タイミング発生回路
21…垂直レジスタ
22…水平レジスタ
30…制御回路
40…コンデンサ
50R,50L…固体撮像素子
70…ECU
70a…距離画像生成部
70b…差分画像生成部
70c…エッジ画像生成部
70d…モータ制御部
500…2足歩行ロボット
LVD,LVV…電源線
M…電動モータ
1, 2, 3, 4, S11, S12, S21, S22 ... CMOS sensor 11 ... PD (photodiode)
12, 13, 14, 17, 19, 21 ... MOS transistor 15 ... FD (floating diffusion part)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 ... Timing generation circuit 21 ... Vertical register 22 ... Horizontal register 30 ... Control circuit 40 ... Capacitor 50R, 50L ... Solid-state image sensor 70 ... ECU
70a ... Distance image generation unit 70b ... Difference image generation unit 70c ... Edge image generation unit 70d ... Motor control unit 500 ... Biped robot LVD, LVV ... Power line M ... Electric motor

Claims (7)

複数のCMOSセンサがマトリクス状に配置され、グローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置において、
前記CMOSセンサは
入射光を光電変換して電荷を発生し、発生した電荷を信号電荷として蓄積するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードから転送される前記信号電荷を蓄積するフローティングディヒュージョン部と、
前記フォトダイオードと前記フローティングディヒュージョン部との間に介挿された、前記信号電荷を転送する転送トランジスタと、
前記フローティングディヒュージョン部に蓄積された前記信号電荷に対応する信号電流を出力する増幅MOSトランジスタと
を有し、
固体撮像装置の全ての前記CMOSセンサにおいて、前記増幅MOSトランジスタの電源が供給される端子が共通に接続され、かつ前記転送トランジスタのゲート電極が共通に接続されていることを特徴とする固体撮像装置。
In a solid-state imaging device having a plurality of CMOS sensors arranged in a matrix and having a global shutter function,
The CMOS sensor photoelectrically converts incident light to generate electric charges, and accumulates the generated electric charges as signal charges;
A floating diffusion section for accumulating the signal charge transferred from the photodiode;
A transfer transistor for transferring the signal charge, interposed between the photodiode and the floating diffusion portion;
An amplification MOS transistor that outputs a signal current corresponding to the signal charge accumulated in the floating diffusion portion, and
In all the CMOS sensors of the solid-state imaging device, a terminal to which the power of the amplification MOS transistor is supplied is commonly connected, and a gate electrode of the transfer transistor is commonly connected. .
全てのCMOSセンサにおける前記フローティングディヒュージョン部の端子間電圧を同時に昇圧し、前記端子間電圧が昇圧により飽和するタイミングにおいて前記信号電流を基準電流として順次検出し、基準電流の読み込みが終了した後、全てのCMOSセンサにおける前記転送トランジスタをオン状態として前記フォトダイオードから前記フローティングディヒュージョン部に前記信号電荷を転送させ、前記信号電荷転送後の前記信号電流を露光電流として順次検出する制御部
をさらに有することを特徴とする固体撮像装置。
The voltage between the terminals of the floating diffusion part in all CMOS sensors is boosted at the same time, and the signal current is sequentially detected as a reference current at the timing when the voltage between the terminals is saturated by boosting, and after the reading of the reference current is completed, A controller that sequentially turns on the transfer transistor in all CMOS sensors to transfer the signal charge from the photodiode to the floating diffusion unit, and sequentially detects the signal current after the signal charge transfer as an exposure current; A solid-state imaging device.
前記増幅MOSトランジスタのゲート電極の対接地容量の容量値をCFDとし、当該増幅MOSトランジスタのゲート電極と前記電源が供給される端子との容量値をCVVとした場合、
CVV>CFD
となるよう、前記増幅MOSトランジスタが形成されていることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。
When the capacitance value of the grounding capacitance of the gate electrode of the amplification MOS transistor is CFD and the capacitance value of the gate electrode of the amplification MOS transistor and the terminal to which the power is supplied is CVV,
CVV> CFD
The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the amplification MOS transistor is formed so that
前記フローティングディヒュージョン部と電源との間に介挿されたリセットトランジスタをさらに有し、
前記制御部が昇圧する前に、前記フローティングディヒュージョン部の端子間電圧を電源の電圧とするリセットを処理を行うことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の固体撮像装置。
A reset transistor interposed between the floating diffusion part and a power source;
4. The solid-state imaging device according to claim 2, wherein a reset process using a voltage between terminals of the floating diffusion unit as a power supply voltage is performed before the control unit boosts the voltage. 5.
前記フォトダイオードが露光されることにより発生する前記信号電荷の蓄積を制御する、前記フォトダイオードと前記電源との間に設けられたドレイントランジスタをさらに有し、
前記制御部が露光により発生した前記信号電荷を前記フォトダイオードに蓄積しない場合、前記ドレイントランジスタをオン状態とし、前記電源に発生した前記信号電荷を転送することを特徴とする請求項2から請求項4のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
A drain transistor provided between the photodiode and the power supply for controlling accumulation of the signal charge generated by the photodiode being exposed;
3. The control circuit according to claim 2, wherein when the control unit does not accumulate the signal charge generated by exposure in the photodiode, the drain transistor is turned on to transfer the signal charge generated to the power source. 5. The solid-state imaging device according to claim 4.
複数のCMOSセンサがマトリクス状に配置され、グローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置の撮像方法において、
前記CMOSセンサにおいて、
フォトダイオードが入射光を光電変換して電荷を発生し、発生した電荷を信号電荷として蓄積し、
前記フォトダイオードとフローティングディヒュージョン部との間に介挿された転送トランジスタを介して、前記フォトダイオードから転送される前記信号電荷を前記フローティングディヒュージョン部に蓄積し、
増幅MOSトランジスタが前記フローティングディヒュージョン部に蓄積された前記信号電荷に対応する信号電流を出力し、
昇圧時に前記固体撮像装置の全ての前記CMOSセンサに対し、前記増幅MOSトランジスタの電源が供給される端子に同時に電源電圧が供給され、またシャッタ時に前記固体撮像装置の全ての前記転送トランジスタのゲート電極に対し、前記信号電荷を転送させる信号を印加することを特徴とする固体撮像装置の撮像方法。
In the imaging method of the solid-state imaging device having a plurality of CMOS sensors arranged in a matrix and having a global shutter function,
In the CMOS sensor,
A photodiode photoelectrically converts incident light to generate charges, accumulates the generated charges as signal charges,
The signal charge transferred from the photodiode is accumulated in the floating diffusion portion via a transfer transistor interposed between the photodiode and the floating diffusion portion,
The amplification MOS transistor outputs a signal current corresponding to the signal charge accumulated in the floating diffusion portion,
The power supply voltage is simultaneously supplied to the terminals to which the power of the amplification MOS transistor is supplied to all the CMOS sensors of the solid-state imaging device at the time of boosting, and the gate electrodes of all the transfer transistors of the solid-state imaging device at the time of shuttering On the other hand, the imaging method of the solid-state imaging device, wherein a signal for transferring the signal charge is applied.
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の固体撮像装置を搭載することを特徴とする2足歩行ロボット。   A bipedal walking robot equipped with the solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 5.
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