JP2012244379A - Solid state image pickup device - Google Patents

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隆史 森本
Toshio Norita
寿夫 糊田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an output signal without losing color balance even if incident light changes from high luminance to low luminance during an exposure period.SOLUTION: A TX signal has a voltage value V3 at which Q1 is placed in a fully conductive state at the starting point of the exposure period. The TX signal decreases afterward in one direction of turning off the Q1 toward at the end point of the exposure period. At the starting point of the exposure period, light having quantities X1, X2 is incident, but the voltage value of the TX signal is V3, or high, so that a PD can be stored with only a small amount of electric charge. When the quantity of the incident light becomes 0, the amount of electric charge stored in the PD does not decrease below a sub-threshold level of the Q1, so it approximates a certain electric charge amount (y). In this case, the voltage value of the TX signal is set substantially to the voltage value V3 and the PD is stored with only a small amount of electric charge while the light having quantities X1, X2 is incident. Consequently, the electric charge amount (y) is much smaller than an electric charge amount (y) of a conventional pixel circuit.

Description

低輝度の入射光に対して線形、高輝度の入射光に対して対数の光電変換特性を持つ固体撮像装置に関するものである。   The present invention relates to a solid-state imaging device having photoelectric conversion characteristics that are linear with respect to incident light with low luminance and logarithm with respect to incident light with high luminance.

近年、デジタルカメラ等の撮像装置においては、高画質化の要請に伴い、撮像センサが扱うことのできる被写体の輝度範囲、すなわちダイナミックレンジ(DR)を拡大させることが1つの大きなテーマとなっている。ダイナミックレンジの拡大に関し、例えばMOSFETのサブスレッショルド特性を利用することで、低輝度の入射光量に応じて電気信号が線形に変換され、高輝度の入射光量に応じて電気信号が対数的に変換される出力特性を有する撮像センサ、すなわち線形特性領域及び対数特性領域からなる光電変換特性を有する撮像センサ(リニアログセンサという)が知られている(例えば、特許文献1)。   2. Description of the Related Art In recent years, in an imaging apparatus such as a digital camera, with the demand for higher image quality, it has become a major theme to expand the luminance range of a subject that can be handled by an imaging sensor, that is, the dynamic range (DR). . Regarding the expansion of the dynamic range, for example, by using the sub-threshold characteristic of the MOSFET, the electrical signal is converted linearly according to the incident light quantity with low brightness, and the electrical signal is converted logarithmically according to the incident light quantity with high brightness. There is known an imaging sensor having output characteristics, that is, an imaging sensor having a photoelectric conversion characteristic composed of a linear characteristic region and a logarithmic characteristic region (referred to as a linear log sensor) (for example, Patent Document 1).

リニアログセンサは、上述のように高輝度の入射光量に対して対数的に変換された出力が得られることから、線形特性領域だけの光電変換特性を有する撮像センサと比べてより広いダイナミックレンジが確保される。   Since the linear log sensor can obtain an output logarithmically converted with respect to the incident light quantity with high luminance as described above, the linear log sensor has a wider dynamic range than an imaging sensor having photoelectric conversion characteristics only in the linear characteristic region. Secured.

リニアログセンサでは、光電変換部(例えば、フォトダイオード)に隣接してサブスレッショルド特性を持った転送トランジスタが配置されている。そして、サブスレショルドレベルを超える電荷を発生させることができる高輝度の入射光に対しては、フォトダイオードで発生した電荷が、サブスレッショルド特性に従って転送トランジスタから外部に流出する。   In the linear log sensor, a transfer transistor having subthreshold characteristics is disposed adjacent to a photoelectric conversion unit (for example, a photodiode). For high-intensity incident light that can generate a charge exceeding the subthreshold level, the charge generated by the photodiode flows out of the transfer transistor according to the subthreshold characteristic.

このため、リニアログセンサからは、高輝度の入射光に対しては、入射光量と対数の関係を持った出力信号が出力される。このようなリニアログセンサの動作を対数領域動作と呼ぶことにする。この対数領域動作では、リニアログセンサから出力される出力信号は時間積分性を持たない。   For this reason, the linear log sensor outputs an output signal having a logarithmic relationship with the amount of incident light with respect to incident light with high luminance. Such an operation of the linear log sensor will be referred to as a logarithmic domain operation. In this logarithmic domain operation, the output signal output from the linear log sensor does not have time integration.

一方、転送トランジスタのサブスレショルドレベルを超えるような電荷を発生させることができない低輝度の入射光に対しては、フォトダイオードで発生した電荷はフォトダイオードに蓄積されていくのみである。よって、リニアログセンサからは、低輝度の入射光に対しては、入射光量の時間積分に比例した出力信号が出力される。ここで、このようなリニアログセンサの動作を線形領域動作と呼ぶことにする。この線形領域動作では、リニアログセンサから出力される出力信号は時間積分性を持つ。   On the other hand, for low-intensity incident light that cannot generate charges exceeding the subthreshold level of the transfer transistor, the charges generated in the photodiode are only accumulated in the photodiode. Therefore, the linear log sensor outputs an output signal proportional to the time integration of the incident light quantity for low-luminance incident light. Here, such an operation of the linear log sensor is referred to as a linear region operation. In this linear region operation, the output signal output from the linear log sensor has time integration.

以上が、露光期間中に入射光量が変化しない場合(定常光の場合)のリニアログセンサの動作説明となる。   The above is an explanation of the operation of the linear log sensor when the amount of incident light does not change during the exposure period (in the case of steady light).

一方、リニアログセンサでは、露光期間中に入射光量が大きく変化した場合、上記とは異なる挙動を示すことになる。以下、これについて図15、図16を参照して説明する。図15、図16は、例えば図3で詳述する画素回路11に示すリニアログセンサの従来の動作を示すタイミングチャートである。画素回路11は、露光期間において、転送トランジスタQ1のゲートに印加される転送信号TXとして電圧値V2を与えることで、リニアログセンサとして動作する。   On the other hand, the linear log sensor exhibits a behavior different from the above when the amount of incident light changes greatly during the exposure period. Hereinafter, this will be described with reference to FIGS. 15 and 16. FIGS. 15 and 16 are timing charts showing the conventional operation of the linear log sensor shown in the pixel circuit 11 described in detail in FIG. 3, for example. The pixel circuit 11 operates as a linear log sensor by applying a voltage value V2 as the transfer signal TX applied to the gate of the transfer transistor Q1 during the exposure period.

そして、図15は露光期間において入射光量が変化しない場合を示し、図16は露光期間において、入射光量が高い値から、低い値に変化した場合を示している。図15では、露光期間において、入射光量は、光量X1又はX2で一定である。ここで、光量X1又はX2は、露光期間において値が一定であれば、リニアログセンサを対数領域動作させる光量である。   FIG. 15 shows a case where the incident light amount does not change during the exposure period, and FIG. 16 shows a case where the incident light amount changes from a high value to a low value during the exposure period. In FIG. 15, the amount of incident light is constant at the amount of light X1 or X2 during the exposure period. Here, the light amount X1 or X2 is a light amount that causes the linear log sensor to operate in a logarithmic region if the value is constant during the exposure period.

図15では、露光期間中、リニアログセンサは対数領域動作を持続する。このため、フォトダイオードが蓄積する電荷量y1又は電荷量y2は入射光量の対数に対して線形の関係を持つことになる。したがって、リニアログセンサから出力される出力信号は、入射光量に依存した値を持つ。   In FIG. 15, the linear log sensor continues logarithmic domain operation during the exposure period. For this reason, the charge amount y1 or the charge amount y2 stored in the photodiode has a linear relationship with the logarithm of the incident light amount. Therefore, the output signal output from the linear log sensor has a value depending on the amount of incident light.

特開2002−077733号公報JP 2002-077733 A

これに対し、図16では、リニアログセンサは露光期間の初期の期間において入射光量は光量X1又はX2であるが、残りの露光期間において光量が0に低下している。   On the other hand, in FIG. 16, the linear log sensor has the incident light amount X1 or X2 in the initial period of the exposure period, but the light amount has decreased to 0 in the remaining exposure period.

そのため、リニアログセンサは、初期の期間において対数領域動作を行うが、残りの露光期間では、入射光量が減り、対数領域動作には積分性がないため、フォトダイオードの電荷量が減っていく。   Therefore, the linear log sensor performs the logarithmic region operation in the initial period. However, in the remaining exposure period, the amount of incident light is reduced, and the logarithmic region operation is not integrated, so that the charge amount of the photodiode decreases.

しかしながら、フォトダイオードが蓄積する電荷量は、転送トランジスタのサブスレショルドレベルよりも下回らないため、ある一定の電荷量yに近づくことになる。したがって、リニアログセンサから出力される出力信号は、厳密には、入射光量に依存はしているが、ある一定の値に近い値となる。このため、リニアログセンサから出力された出力信号から、入射光量の逆算が困難となり、画像形成時の画質劣化の原因となる。   However, since the amount of charge stored in the photodiode does not fall below the subthreshold level of the transfer transistor, it approaches a certain amount of charge y. Therefore, strictly speaking, the output signal output from the linear log sensor is a value close to a certain value, although it depends on the amount of incident light. For this reason, it is difficult to reversely calculate the amount of incident light from the output signal output from the linear log sensor, which causes deterioration in image quality during image formation.

具体的には、リニアログセンサがカラーセンサであれば、カラーフィルタの色ごとに光透過率が異なる。このため、入射光量は色毎に異なるはずであるが、露光期間中に光量が図16のように変化した場合、各色の出力信号はほぼ同じ値となるため、本来得られるはずの各色の出力信号の比を得ることができなくなる。そのため、カラーバランスが崩れ、画質が劣化する。   Specifically, if the linear log sensor is a color sensor, the light transmittance is different for each color of the color filter. For this reason, the amount of incident light should be different for each color, but if the amount of light changes during the exposure period as shown in FIG. 16, the output signal of each color will have almost the same value, so the output of each color that should originally be obtained The signal ratio cannot be obtained. Therefore, the color balance is lost and the image quality is deteriorated.

より具体的には、カラーフィルタとして補色フィルタが採用された場合、各色の出力信号の差分から色成分が算出される。例えば、補色フィルタとしてW(白)、Y(黄色)、R(赤)のフィルタが採用された場合、B(青色)はB=W−Yの値が採用され、G(緑色)はG=Y−Rの値が採用されるが、R(赤色)は出力信号の値がそのまま採用される。   More specifically, when a complementary color filter is employed as the color filter, the color component is calculated from the difference between the output signals of the respective colors. For example, when W (white), Y (yellow), and R (red) filters are employed as complementary color filters, B = W−Y is employed for B (blue), and G = green is employed for G (green). The value of YR is adopted, but the value of the output signal is adopted as it is for R (red).

したがって、露光期間中に光量が図16のように変化した場合、W,Y,Rの出力信号はほぼ同じレベルを持つことになる。このため、B,Gの出力信号は非常に小さな値に算出され、Rの出力信号のみが強調され、大きな色ノイズが観察されてしまう。   Therefore, when the light quantity changes as shown in FIG. 16 during the exposure period, the output signals of W, Y, and R have substantially the same level. For this reason, the B and G output signals are calculated to be very small values, only the R output signal is emphasized, and a large color noise is observed.

本発明の目的は、露光期間において、入射光が高輝度から低輝度に変化した場合であっても、カラーバランスを崩すことなく出力信号を得ることができる固体撮像装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of obtaining an output signal without losing color balance even when incident light changes from high luminance to low luminance during an exposure period.

(1)本発明による固体撮像装置は、低輝度の光に対しては線形、高輝度の光に対しては対数の光電変換特性を持ち、予め定められた複数の色成分のうちいずれかの色成分の分光特性を持つ画素回路を複数備える固体撮像装置であって、前記画素回路は、入射光量に応じた電荷を発生して蓄積する電荷蓄積部、前記電荷蓄積部が蓄積する電荷量を制御する制御トランジスタ、前記電荷蓄積部で蓄積された電荷を電圧信号に変換して出力信号として読み出す電荷読出部、及び前記電荷読出部により読み出された出力信号を増幅する増幅トランジスタを備え、露光期間の少なくとも終了時点において、前記制御トランジスタがオン状態にある全開導通状態と、前記制御トランジスタがオフ状態にある非導通状態との所定の中間導通状態で前記制御トランジスタを駆動させることで、前記電荷蓄積部に前記光電変換特性で電荷を蓄積させ、前記露光期間の少なくとも開始時点において、前記所定の中間導通状態より高い導通状態で前記制御トランジスタを駆動させる制御部を備える。   (1) The solid-state imaging device according to the present invention has a photoelectric conversion characteristic that is linear for low-luminance light and logarithm for high-luminance light, and is one of a plurality of predetermined color components. A solid-state imaging device including a plurality of pixel circuits having spectral characteristics of color components, wherein the pixel circuit generates a charge according to an incident light amount and stores the charge, and a charge amount stored by the charge storage unit. A control transistor for controlling, a charge reading unit for converting the charge accumulated in the charge accumulation unit into a voltage signal and reading it as an output signal, and an amplification transistor for amplifying the output signal read by the charge reading unit, At least at the end of the period, the control is performed in a predetermined intermediate conduction state between a fully open conduction state in which the control transistor is in an on state and a non-conduction state in which the control transistor is in an off state. A control unit that drives a transistor to cause the charge accumulation unit to accumulate charges with the photoelectric conversion characteristics, and to drive the control transistor in a conduction state higher than the predetermined intermediate conduction state at least at the start of the exposure period. Is provided.

この構成によれば、露光期間の開始時点において、中間導通状態よりも高い導通状態に制御トランジスタが駆動される。そのため、露光期間の最初の期間において、高輝度の光が入射した場合、電荷蓄積部には少量の電荷しか蓄積されなくなる。そのため、露光期間の終了時点で電荷蓄積部が蓄積する電荷量は、露光期間中、制御トランジスタを常時、中間状態で駆動させた場合に比べて大幅に小さくなる。その結果、色成分の異なる各画素回路から得られた出力信号を用いて、少なくとも1つの色成分が画素回路のいずれかの色成分と同じ色成分を持ち、残りの色成分が画素回路のいずれの色成分とも異なる色成分を持つ出力信号を求めたとしても、カラーバランスを崩すことなく出力信号を得ることができる。   According to this configuration, the control transistor is driven to a conductive state higher than the intermediate conductive state at the start of the exposure period. For this reason, when high-intensity light is incident during the first period of the exposure period, only a small amount of charge is stored in the charge storage portion. Therefore, the amount of charge stored in the charge storage unit at the end of the exposure period is significantly smaller than when the control transistor is constantly driven in the intermediate state during the exposure period. As a result, using output signals obtained from the pixel circuits having different color components, at least one color component has the same color component as any one of the color components of the pixel circuit, and the remaining color components are any of the pixel circuits. Even if an output signal having a color component different from the color component is obtained, the output signal can be obtained without losing the color balance.

(2)前記制御部は、前記露光期間において、前記制御トランジスタの導通状態を前記非導通状態に向かう一方向に変化させることが好ましい。   (2) It is preferable that the control unit changes the conduction state of the control transistor in one direction toward the non-conduction state during the exposure period.

この構成によれば、制御トランジスタの導通状態が全開導通状態から中間導通状態に向けて一方向に変化される。そのため、露光期間において線形領域の光が入射した場合、その時発生した電荷の全てが排出されることが防止される。したがって、時間積分性を持つ線形領域の光を受光した際に電荷蓄積部で蓄積される電荷量が、露光期間中、常時中間導通状態で維持される従来の構成に比べて大幅に低下することが防止される。   According to this configuration, the conduction state of the control transistor is changed in one direction from the fully open conduction state to the intermediate conduction state. Therefore, when light in a linear region is incident during the exposure period, it is possible to prevent all of the charges generated at that time from being discharged. Therefore, the amount of charge stored in the charge storage unit when receiving light in a linear region with time integration is greatly reduced compared to the conventional configuration that is always maintained in an intermediate conduction state during the exposure period. Is prevented.

(3)前記制御部は、前記露光期間の開始時点において、前記制御トランジスタの導通状態を前記全開導通状態にすることが好ましい。   (3) It is preferable that the control unit sets the conduction state of the control transistor to the fully open conduction state at the start of the exposure period.

この構成によれば、露光期間の開始時点において、制御トランジスタの導通状態が全開導通状態にされる。そのため、露光期間の初期の期間において高輝度の光が入射し、その後低輝度の光が入射した場合において、この初期の期間において電荷蓄積部からより多くの電荷が排出される。そのため、露光期間の終了時点において、電荷蓄積部で蓄積されている電荷量をより少なくすることができ、カラーバランスをより良く維持することができる。   According to this configuration, the conductive state of the control transistor is set to the fully open conductive state at the start of the exposure period. Therefore, when high-luminance light is incident in the initial period of the exposure period and then low-luminance light is incident, more charge is discharged from the charge storage portion in this initial period. Therefore, at the end of the exposure period, the amount of charge accumulated in the charge accumulation unit can be reduced, and the color balance can be better maintained.

(4)前記電荷蓄積部は、フォトダイオードにより構成され、前記電荷読出部は、浮遊拡散層により構成され、前記制御トランジスタは、前記電荷蓄積部と前記電荷読出部との間に接続されていることが好ましい。   (4) The charge storage unit is configured by a photodiode, the charge readout unit is configured by a floating diffusion layer, and the control transistor is connected between the charge storage unit and the charge readout unit. It is preferable.

この構成によれば、制御トランジスタを電荷蓄積部と電荷読出部との間に接続した構成、すなわち、制御トランジスタをいわゆる転送トランジスタで構成した場合であっても、カラーバランスの崩れを防止することができる。   According to this configuration, even when the control transistor is connected between the charge storage unit and the charge reading unit, that is, when the control transistor is configured by a so-called transfer transistor, color balance can be prevented from being lost. it can.

(5)前記電荷蓄積部は、フォトダイオードにより構成され、前記電荷読出部は、浮遊拡散層により構成され、前記制御トランジスタは、前記電荷読出部を介して前記電荷蓄積部に接続されていることが好ましい。   (5) The charge storage unit is configured by a photodiode, the charge readout unit is configured by a floating diffusion layer, and the control transistor is connected to the charge storage unit via the charge readout unit. Is preferred.

この構成によれば、この構成によれば、制御トランジスタを電荷読出部を介して電荷読出部に接続した構成、すなわち、制御トランジスタをいわゆるリセットトランジスタで構成した場合であっても、カラーバランスの崩れを防止することができる。   According to this configuration, according to this configuration, even when the control transistor is connected to the charge reading unit via the charge reading unit, that is, when the control transistor is configured by a so-called reset transistor, the color balance is lost. Can be prevented.

(6)前記制御部は、前記露光期間において、前記制御トランジスタの導通状態を連続的に変化させることが好ましい。   (6) It is preferable that the control unit continuously changes a conduction state of the control transistor in the exposure period.

この構成によれば、制御トランジスタの導通状態が連続的に変化されるため、制御トランジスタはきめ細かく電荷蓄積部が蓄積する電荷量を制御することができる。   According to this configuration, since the conduction state of the control transistor is continuously changed, the control transistor can finely control the amount of charge accumulated in the charge accumulation unit.

(7)前記制御部は、前記露光期間において、前記制御トランジスタの導通状態を段階的に変化させることが好ましい。   (7) It is preferable that the control unit changes the conduction state of the control transistor stepwise in the exposure period.

この構成によれば、制御トランジスタの導通状態が段階的に変化されるため、制御トランジスタの駆動の簡略化を図ることができる。   According to this configuration, since the conduction state of the control transistor is changed stepwise, the driving of the control transistor can be simplified.

本発明によれば、露光期間の開始時点において、制御トランジスタの導通状態が全開導通状態にされ、露光期間の終了時点において、制御トランジスタの導通状態が全開導通状態と非導通状態との所定の中間導通状態にされている。そのため、露光期間の初期の期間において高輝度の光が入射し、残りの期間に低輝度の光が入射したとしても、高輝度の光で発生した電荷は大部分が排出されてしまうため、露光期間の終了時点においてフォトダイオードに蓄積される電荷量は小さくなる。その結果、色成分の異なる各画素から得られた出力信号を用いて、少なくとも1つの色成分が画素回路のいずれかの色成分と同じ色成分を持ち、残りの色成分が画素回路のいずれの色成分とも異なる色成分を持つ出力信号を求めたとしても、カラーバランスを維持することができる。   According to the present invention, the conductive state of the control transistor is set to the fully open conductive state at the start of the exposure period, and the conductive state of the control transistor is a predetermined intermediate between the fully open conductive state and the nonconductive state at the end of the exposure period. It is in a conductive state. Therefore, even if high-intensity light is incident in the initial period of the exposure period and low-intensity light is incident in the remaining period, most of the charge generated by the high-intensity light is discharged. The amount of charge accumulated in the photodiode at the end of the period is reduced. As a result, using the output signals obtained from the pixels having different color components, at least one color component has the same color component as any one of the color components of the pixel circuit, and the remaining color components are any of the pixel circuits. Even when an output signal having a color component different from the color component is obtained, the color balance can be maintained.

本発明の実施の形態による固体撮像装置の全体的な構成概略を示すブロック図である。1 is a block diagram illustrating an overall configuration outline of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention. 図1の変形例による固体撮像装置の全体的な構成概略の別の例を示したブロック図である。It is the block diagram which showed another example of the whole structure outline of the solid-state imaging device by the modification of FIG. 図1又は図2に示す画素に対応する画素回路の回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram of a pixel circuit corresponding to the pixel shown in FIG. 1 or FIG. 2. 図3に示す画素回路の変形例の画素回路の回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram of a pixel circuit of a modification of the pixel circuit shown in FIG. 3. 図3に示す画素回路又は図4に示す画素回路のタイミングチャートである。5 is a timing chart of the pixel circuit shown in FIG. 3 or the pixel circuit shown in FIG. 露光期間において一定の光量の光が入射した場合の図3又は図4に示す画素回路のタイミングチャートである。FIG. 5 is a timing chart of the pixel circuit shown in FIG. 3 or FIG. 4 when a certain amount of light is incident during an exposure period. 実施例1の固体撮像装置の画素アレイ部と電圧印加回路との接続関係を示した図である。3 is a diagram illustrating a connection relationship between a pixel array unit and a voltage application circuit of the solid-state imaging device according to Embodiment 1. FIG. 実施例1の変形例の固体撮像装置における画素アレイ部と電圧印加回路との接続関係を示した図である。6 is a diagram illustrating a connection relationship between a pixel array unit and a voltage application circuit in a solid-state imaging device according to a modification of Example 1. FIG. 実施例2の固体撮像装置において、画素アレイ部と電圧印加回路との接続関係を示した図である。In the solid-state imaging device of Example 2, it is the figure which showed the connection relation of a pixel array part and a voltage application circuit. 実施例2の変形例の固体撮像装置の電圧印加回路と画素アレイ部との接続関係を示した図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a connection relationship between a voltage application circuit and a pixel array unit of a solid-state imaging device according to a modification of Example 2. 実施例3の固体撮像装置の画素アレイ部と電圧印加回路との接続関係を示した図である。6 is a diagram illustrating a connection relationship between a pixel array unit and a voltage application circuit of a solid-state imaging device according to Embodiment 3. FIG. 1つのブロック内の行#1〜#n(nは正の整数)について、電圧印加回路から出力されるTX信号と、各行のQ1に印加されるTX信号との関係を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the relationship between the TX signal output from a voltage application circuit and the TX signal applied to Q1 of each row for rows # 1 to #n (n is a positive integer) in one block. 1つのブロック内の行#1〜#n(nは正の整数)について、電圧印加回路から出力されるRST信号と、各行のQ2に印加されるRST信号との関係を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the relationship between the RST signal output from a voltage application circuit, and the RST signal applied to Q2 of each row about row # 1-#n (n is a positive integer) in one block. 画素の構成2における画素回路のタイミングチャートである。10 is a timing chart of a pixel circuit in a pixel configuration 2. 露光期間及び信号読み取り期間におけるリニアログセンサのタイミングチャートである。It is a timing chart of the linear log sensor in an exposure period and a signal reading period. 露光期間及び信号読み取り期間におけるリニアログセンサのタイミングチャートである。It is a timing chart of the linear log sensor in an exposure period and a signal reading period.

図1は、本発明の実施の形態による固体撮像装置の全体的な構成概略を示すブロック図である。固体撮像装置は、固体撮像素子1及び撮像回路60を備えている。固体撮像素子1は、画素アレイ部10、垂直走査回路20(制御部の一例)、タイミングジェネレータ(以下、「TG」と記述する。)30、読出ユニット40、及び出力アンプ50を備えている。固体撮像素子1には、固体撮像素子1を制御する撮像回路60が接続されている。なお、図1に示す固体撮像素子1は、出力アンプ50からアナログの信号が出力されるアナログ出力の固体撮像素子である。   FIG. 1 is a block diagram showing an overall schematic configuration of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention. The solid-state imaging device includes a solid-state imaging device 1 and an imaging circuit 60. The solid-state imaging device 1 includes a pixel array unit 10, a vertical scanning circuit 20 (an example of a control unit), a timing generator (hereinafter referred to as “TG”) 30, a readout unit 40, and an output amplifier 50. An imaging circuit 60 that controls the solid-state imaging device 1 is connected to the solid-state imaging device 1. The solid-state imaging device 1 shown in FIG. 1 is an analog output solid-state imaging device from which an analog signal is output from the output amplifier 50.

画素アレイ部10は、水平方向にm(mは1以上の整数)列、垂直方向にn(nは1以上の整数)行でマトリックス状に配列された画素GEを含む。画素GEとしては、低輝度の光に対しては線形、高輝度の光に対しては対数の光電変換特性を持ち、予め定められた複数の色成分のうちいずれかの色成分の分光特性を持つ画素である。   The pixel array unit 10 includes pixels GE arranged in a matrix with m (m is an integer of 1 or more) columns in the horizontal direction and n (n is an integer of 1 or more) rows in the vertical direction. The pixel GE has a photoelectric conversion characteristic that is linear for low-luminance light and logarithm for high-luminance light, and has a spectral characteristic of any one of a plurality of predetermined color components. It is a pixel that has.

ここで、各画素GEには、カラーフィルタが取り付けられている。カラーフィルタとしては、例えば、W(白)、Y(黄色)、R(赤)の色成分の光を透過させるフィルタが例えばベイヤー配列で配列された補色フィルタを採用することができる。つまり、画素GEは、W,Y,Rのいずれかの色成分の分光感度を持っている。   Here, a color filter is attached to each pixel GE. As the color filter, for example, a complementary color filter in which filters that transmit light of W (white), Y (yellow), and R (red) color components are arranged in a Bayer array, for example, can be employed. That is, the pixel GE has a spectral sensitivity of any one of W, Y, and R color components.

垂直走査回路20は、画素アレイ部10を垂直方向に走査し、各行を順次に選択する。垂直走査回路20により選択された行の各画素GEは、各種出力信号を読出ユニット40に出力する。   The vertical scanning circuit 20 scans the pixel array unit 10 in the vertical direction and sequentially selects each row. Each pixel GE in the row selected by the vertical scanning circuit 20 outputs various output signals to the reading unit 40.

TG30は、撮像回路60の制御の下、垂直走査回路20、サンプルホールド処理回路41、出力回路42、及び水平走査回路43に同期信号を出力し、これらの回路の動作を同期させる。   The TG 30 outputs synchronization signals to the vertical scanning circuit 20, the sample hold processing circuit 41, the output circuit 42, and the horizontal scanning circuit 43 under the control of the imaging circuit 60, and synchronizes the operations of these circuits.

読出ユニット40は、サンプルホールド処理回路41、出力回路42、及び水平走査回路43を含む。サンプルホールド処理回路41は、画素アレイ部10の各列に対応するm個のサンプルホールド要素411を含む。   The reading unit 40 includes a sample hold processing circuit 41, an output circuit 42, and a horizontal scanning circuit 43. The sample and hold processing circuit 41 includes m sample and hold elements 411 corresponding to each column of the pixel array unit 10.

サンプルホールド要素411は、垂直走査回路20によって選択された行のm個の画素GEのうち、対応する列の画素GEから出力信号を読み取り、読み取った出力信号を保持する。ここで、画素GEは、まず、ノイズ成分を示す出力信号を出力し、次いで、ノイズ成分+信号成分を示す出力信号を出力する。そのため、サンプルホールド要素411は、ノイズ成分を保持する処理、保持したノイズ成分からノイズ成分+信号成分を差し引き、信号成分を取り出す処理等を実行する。   The sample hold element 411 reads the output signal from the pixel GE of the corresponding column among the m pixels GE of the row selected by the vertical scanning circuit 20, and holds the read output signal. Here, the pixel GE first outputs an output signal indicating a noise component, and then outputs an output signal indicating a noise component + signal component. Therefore, the sample hold element 411 executes processing for holding a noise component, processing for subtracting the noise component + signal component from the held noise component, and extracting the signal component.

出力回路42は、画素アレイ部10の各列に対応するm個の出力要素421を含む。出力要素421は、水平走査回路43によって選択されると対応する列のサンプルホールド要素411から信号成分を読み取り、出力アンプ50を介して撮像回路60に出力する。   The output circuit 42 includes m output elements 421 corresponding to each column of the pixel array unit 10. When the output element 421 is selected by the horizontal scanning circuit 43, the signal element is read from the sample and hold element 411 in the corresponding column, and is output to the imaging circuit 60 via the output amplifier 50.

水平走査回路43は、TG30の制御の下、出力回路42を水平走査して出力要素421を順次に選択し、出力回路42から出力信号を順次に出力させる。   Under the control of the TG 30, the horizontal scanning circuit 43 horizontally scans the output circuit 42 to sequentially select the output elements 421, and sequentially outputs output signals from the output circuit 42.

以上の固体撮像素子1は下記のように動作する。まず、垂直走査回路20により画素アレイ部10の各行が上側から下側又は下側から上側に向けて順次に選択される。選択された行のm個の画素GEからは、まず、ノイズ成分の出力信号が出力され、続いて、ノイズ成分+信号成分の出力信号が出力される。各サンプルホールド要素411は、ノイズ成分からノイズ成分+信号成分を差し引き、信号成分を取り出して保持する。各サンプルホールド要素411により保持された1行分の出力信号は、水平走査回路43の水平走査によって出力要素421を介して順次に固体撮像素子1の外部に出力される。この1行分の処理が各行に対して行われ、1フレームの画像データが撮像回路60に取り込まれる。   The above solid-state imaging device 1 operates as follows. First, each row of the pixel array unit 10 is sequentially selected from the upper side to the lower side or from the lower side to the upper side by the vertical scanning circuit 20. From the m pixels GE in the selected row, first, an output signal of a noise component is output, and subsequently, an output signal of noise component + signal component is output. Each sample and hold element 411 subtracts the noise component + the signal component from the noise component, and extracts and holds the signal component. The output signal for one row held by each sample and hold element 411 is sequentially output to the outside of the solid-state imaging device 1 via the output element 421 by horizontal scanning of the horizontal scanning circuit 43. The processing for one row is performed for each row, and one frame of image data is taken into the imaging circuit 60.

そして、撮像回路60において、W、Y、Rの補色フィルタの欠落画素が補間されて、W,Y,Rの3つの色成分からなる画像データが生成される。そして、各画素において、W、Y、Rの出力信号に対して、B=W−Y,G=Y−Rの演算が行われ、R,G,Bの3つの色成分からなる画像データが生成される。つまり、撮像回路60は、少なくとも1つの色成分(R)が画素GEの色成分と同じ色成分を持ち、残りの色成分(B,G)が画素GEのいずれの色成分とも異なる色成分を持つ出力信号を算出する。   Then, in the imaging circuit 60, the missing pixels of the W, Y, and R complementary color filters are interpolated to generate image data including three color components of W, Y, and R. In each pixel, calculation of B = W−Y and G = Y−R is performed on the output signals of W, Y, and R, and image data including three color components of R, G, and B is obtained. Generated. That is, in the imaging circuit 60, at least one color component (R) has the same color component as the color component of the pixel GE, and the remaining color components (B, G) have different color components from any color component of the pixel GE. Calculate the output signal.

図2は、図1の変形例による固体撮像装置の全体的な構成概略の別の例を示したブロック図である。図2の固体撮像装置は固体撮像素子1aを含む。固体撮像素子1aは、デジタル出力を想定した固体撮像素子である。図1との主な相違点は、読出ユニット40が、出力回路42及びに代えてカラムADCアレイ部72を持つことにある。その他、固体撮像素子1aは、クロック入力端子80、PLL90、温度センサ100、ランプジェネレータ110、センスアンプ120、シリアライザ130、及び出力端子140を備えている。   FIG. 2 is a block diagram showing another example of the overall schematic configuration of the solid-state imaging device according to the modification of FIG. The solid-state imaging device of FIG. 2 includes a solid-state imaging element 1a. The solid-state imaging device 1a is a solid-state imaging device that assumes digital output. The main difference from FIG. 1 is that the reading unit 40 has an output circuit 42 and a column ADC array unit 72 instead. In addition, the solid-state imaging device 1 a includes a clock input terminal 80, a PLL 90, a temperature sensor 100, a lamp generator 110, a sense amplifier 120, a serializer 130, and an output terminal 140.

カラムADCアレイ部72は、画素アレイ部10の各列に対応するm個のカラムADC要素721と、温度センサ100のアナログの測定データをA/D変換する1個のカラムADC要素721とを備えている。   The column ADC array unit 72 includes m column ADC elements 721 corresponding to the respective columns of the pixel array unit 10 and one column ADC element 721 for A / D converting analog measurement data of the temperature sensor 100. ing.

カラムADC要素721は、サンプルホールド要素411により保持されたアナログの出力信号をA/D変換して所定ビット(例えば14ビット)のデジタルの出力信号にして保持する。ここで、カラムADC要素721は、ランプ信号が入力されてから、出力信号のレベルがランプ信号のレベルを超える又は下回るまでの時間をカウントし、そのカウント値を出力信号のデジタル値とする。   The column ADC element 721 A / D converts the analog output signal held by the sample hold element 411 and holds it as a digital output signal of a predetermined bit (for example, 14 bits). Here, the column ADC element 721 counts the time from when the ramp signal is input until the level of the output signal exceeds or falls below the level of the ramp signal, and sets the count value as the digital value of the output signal.

水平走査回路43は、左側から右側又は右側から左側に向けてカラムADC要素721を順次に選択し、カラムADC要素721にデジタルの出力信号を出力させる。   The horizontal scanning circuit 43 sequentially selects the column ADC elements 721 from the left side to the right side or from the right side to the left side, and causes the column ADC element 721 to output a digital output signal.

クロック入力端子80は、例えば固体撮像素子1aの外部に設けられたクロック発生回路(図略)から出力されたクロック信号を取り込む。PLL90は、クロック入力端子80により取り込まれたクロック信号の周波数を所定の値に逓倍する。TG30は、PLL90により逓倍されたクロック信号に基づいて、種々の同期信号を生成し、垂直走査回路20、サンプルホールド処理回路41、カラムADCアレイ部72、及び水平走査回路43の動作を同期させる。   The clock input terminal 80 takes in a clock signal output from, for example, a clock generation circuit (not shown) provided outside the solid-state imaging device 1a. The PLL 90 multiplies the frequency of the clock signal captured by the clock input terminal 80 to a predetermined value. The TG 30 generates various synchronization signals based on the clock signal multiplied by the PLL 90, and synchronizes the operations of the vertical scanning circuit 20, the sample hold processing circuit 41, the column ADC array unit 72, and the horizontal scanning circuit 43.

ランプジェネレータ110は、各カラムADC要素721が信号成分をA/D変換する際に使用するランプ信号を生成する。ランプ信号は、レベルが直線状に増大又は減少する信号である。   The ramp generator 110 generates a ramp signal that is used when each column ADC element 721 performs A / D conversion on the signal component. The ramp signal is a signal whose level increases or decreases linearly.

センスアンプ120は、カラムADCアレイ部72から順次に出力される出力信号の波形を成形する。シリアライザ130は、センスアンプから130からパラレルで出力される所定ビットの出力信号をシリアルの信号に変換し、出力端子140に出力する。出力端子140は、シリアライザ130から出力されるシリアルの出力信号を固体撮像素子1aの外部に設けられた例えば画像処理回路(図略)に出力する。   The sense amplifier 120 shapes the waveform of the output signal that is sequentially output from the column ADC array unit 72. The serializer 130 converts an output signal of a predetermined bit output in parallel from the sense amplifier 130 into a serial signal and outputs the serial signal to the output terminal 140. The output terminal 140 outputs a serial output signal output from the serializer 130 to, for example, an image processing circuit (not shown) provided outside the solid-state imaging device 1a.

以上の固体撮像素子1aは、下記のように動作する。各サンプルホールド要素411が信号成分を取り出すまでの動作は固体撮像素子1と同じである。各サンプルホールド要素411により保持された1行分の出力信号は、各カラムADC要素721に取り込まれ、A/D変換されて保持される。各カラムADC要素721に保持された出力信号は水平走査回路43の水平走査によって、センスアンプ120、シリアライザ130、及び出力端子140を介して順次に固体撮像素子1aの外部に出力される。この1行分の処理が各行に対して行われ、1フレームの画像データが画像処理回路(図略)に取り込まれる。そして、画像処理回路において、W、Y、Rの補色フィルタの欠落画素が補間されて、W,Y,Rの3つの色成分からなる画像データが生成される。そして、各画素において、W、Y、Rの出力信号に対して、B=W−Y,G=Y−Rの演算が行われ、R,G,Bの3つの色成分からなる画像データが生成される。   The above solid-state imaging device 1a operates as follows. The operation until each sample and hold element 411 extracts a signal component is the same as that of the solid-state imaging device 1. The output signal for one row held by each sample and hold element 411 is taken into each column ADC element 721 and A / D converted and held. The output signal held in each column ADC element 721 is sequentially output to the outside of the solid-state imaging device 1 a via the sense amplifier 120, the serializer 130, and the output terminal 140 by horizontal scanning of the horizontal scanning circuit 43. The processing for one row is performed on each row, and one frame of image data is taken into an image processing circuit (not shown). In the image processing circuit, the missing pixels of the W, Y, and R complementary color filters are interpolated to generate image data including the three color components of W, Y, and R. In each pixel, calculation of B = W−Y and G = Y−R is performed on the output signals of W, Y, and R, and image data including three color components of R, G, and B is obtained. Generated.

(画素の構成1)
図3は、図1又は図2に示す画素GEに対応する画素回路11の回路図である。この画素回路11は、フォトダイオード(以下、「PD」と記述する。)、転送トランジスタ「以下、「Q1」と記述する。)、リセットトランジスタ(以下、「Q2」と記述する。)、増幅トランジスタ(以下、「Q3」と記述する。)、行選択トランジスタ(以下、「Q4」と記述する。)、及び、浮遊拡散層(以下、「FD」と記述する。FD:Floating diffusion)を備えている。画素の構成1では、Q1が制御トランジスタに相当する。また、PDが電荷蓄積部に相当し、FDが電荷読出部に相当する。
(Pixel configuration 1)
FIG. 3 is a circuit diagram of the pixel circuit 11 corresponding to the pixel GE shown in FIG. 1 or FIG. The pixel circuit 11 is described as a photodiode (hereinafter referred to as “PD”) and a transfer transistor “hereinafter referred to as“ Q1 ”. ), A reset transistor (hereinafter referred to as “Q2”), an amplifying transistor (hereinafter referred to as “Q3”), a row selection transistor (hereinafter referred to as “Q4”), and a floating diffusion layer. (Hereinafter referred to as “FD”. FD: Floating diffusion). In the pixel configuration 1, Q1 corresponds to a control transistor. PD corresponds to a charge storage unit, and FD corresponds to a charge reading unit.

PDは、埋め込み型のフォトダイオードにより構成されている。Q1〜Q4はそれぞれ
、MOSFETにより構成されている。Q1はゲートに転送信号(以下、「TX信号」と記述する。)が印加され、ドレインがFDを介してQ2に接続され、ソースがPDに接続されている。そして、Q1はPDに蓄積された電荷をFDに転送する。
The PD is composed of an embedded photodiode. Each of Q1 to Q4 is configured by a MOSFET. In Q1, a transfer signal (hereinafter referred to as “TX signal”) is applied to the gate, the drain is connected to Q2 via the FD, and the source is connected to the PD. Q1 transfers the charge accumulated in the PD to the FD.

PDは、例えばアノードが基板に接地されて基準電圧VSS(以下、「VSS」と記述する。)が入力され、カソードがQ1に接続されている。PDは入射光量に応じた電荷を発生し、PDの寄生容量にその電荷を蓄積する。Q2はゲートにリセット信号(以下、「RST信号」と記述する。)が印加され、ドレインが駆動電圧VDD(以下、「VDD」と記述する。)の電圧源に接続され、ソースがFDに接続されている。Q2はFDに転送された電荷を排出することでFDをリセットする。   In the PD, for example, an anode is grounded to a substrate, a reference voltage VSS (hereinafter referred to as “VSS”) is input, and a cathode is connected to Q1. The PD generates charges according to the amount of incident light, and accumulates the charges in the parasitic capacitance of the PD. In Q2, a reset signal (hereinafter referred to as “RST signal”) is applied to the gate, the drain is connected to the voltage source of the drive voltage VDD (hereinafter referred to as “VDD”), and the source is connected to the FD. Has been. Q2 resets the FD by discharging the charge transferred to the FD.

Q3はゲートがFDに接続され、ソースがQ4に接続され、ドレインがVDDの電圧源に接続されている。Q3は、FDに蓄積された電荷を電流増幅する。Q4は、ゲートに読出信号(以下、「SX信号」と記述する。)が印加され、例えば、ドレインがQ3に接続され、ソースが読出線L_1に接続されている。そして、Q4は、画素回路11から出力信号を出力するスイッチとして機能する。   Q3 has a gate connected to FD, a source connected to Q4, and a drain connected to a voltage source of VDD. Q3 current-amplifies the charge accumulated in the FD. In Q4, a read signal (hereinafter referred to as "SX signal") is applied to the gate, and for example, the drain is connected to Q3 and the source is connected to the read line L_1. Q4 functions as a switch for outputting an output signal from the pixel circuit 11.

図4は、図3に示す画素回路の変形例の画素回路11aの回路図である。画素回路11aは、Q3とQ4との接続関係が画素回路11と異なっているが、それぞれの機能は、画素回路11のQ3とQ4と同じである。すなわち、Q3のドレインがQ4に接続され、Q3のソースが読出線L_1に接続されている。また、Q4のドレインはVDDの電圧源に接続されている。   FIG. 4 is a circuit diagram of a pixel circuit 11a which is a modification of the pixel circuit shown in FIG. The pixel circuit 11a is different from the pixel circuit 11 in the connection relationship between Q3 and Q4, but each function is the same as Q3 and Q4 of the pixel circuit 11. That is, the drain of Q3 is connected to Q4, and the source of Q3 is connected to the read line L_1. The drain of Q4 is connected to the VDD voltage source.

Q1、Q2、Q4は、それぞれTX配線、RST配線、SX配線を介して垂直走査回路20に接続されている。TX信号、RST信号、及びSX信号は、例えば、TX配線、RST配線、及びSX配線を介して垂直走査回路20により出力される。   Q1, Q2, and Q4 are connected to the vertical scanning circuit 20 through TX wiring, RST wiring, and SX wiring, respectively. The TX signal, the RST signal, and the SX signal are output by the vertical scanning circuit 20 through, for example, the TX wiring, the RST wiring, and the SX wiring.

TX配線には、TX信号をQ1のゲートに供給する電圧印加回路が接続されている。各行のQ1に個別のTX信号を印加するため、電圧印加回路は各行ごとに設けられても良い。また、電圧印加回路を複数設けておいて、各行には接続すべき電圧印加回路を選択する選択スイッチを設けるようにしてもよい。   A voltage application circuit for supplying a TX signal to the gate of Q1 is connected to the TX wiring. In order to apply individual TX signals to Q1 of each row, a voltage application circuit may be provided for each row. A plurality of voltage application circuits may be provided, and a selection switch for selecting a voltage application circuit to be connected may be provided in each row.

図5は、図3に示す画素回路11又は図4に示す画素回路11aのタイミングチャートである。図5は、露光期間の初期において、入射光量は光量X1又は光量X2と高いが、残りの露光期間において、光量が0となっている。   FIG. 5 is a timing chart of the pixel circuit 11 shown in FIG. 3 or the pixel circuit 11a shown in FIG. In FIG. 5, the amount of incident light is as high as the amount of light X1 or X2 at the beginning of the exposure period, but the amount of light is 0 in the remaining exposure period.

RST信号は露光期間中、Hiにされている。これにより、露光期間において、PDからQ1を介してFDに漏れ出た電荷がQ2によって画素回路11,11aの外部に排出される。   The RST signal is set to Hi during the exposure period. Thereby, in the exposure period, the charge leaked from the PD to the FD through Q1 is discharged to the outside of the pixel circuits 11 and 11a by Q2.

TX信号は、露光期間の開始前には、Q1を非導通状態、つまり、Q1をオフする状態にする電圧値V1を持ち、露光期間の開始時点においては、Q1を全開導通状態、つまり、Q1をオンする状態にする電圧値V3を持っている。以後、TX信号は、露光期間の終了時点に向けてQ1を非導通状態にする一方向に漸次減少する。そして、露光期間の終了時点において、TX信号は、電圧値V2を持っている。この電圧値V2は、電圧値V1と電圧値V3との中間の電圧値であり、従来の画素回路において、リニアログ特性を実現するために設定されていた電圧値である。つまり、電圧値V2は、リニアログ特性を実現するために、Q1を全開導通状態と非導通状態との中間導通状態にするための電圧値である。   The TX signal has a voltage value V1 that turns Q1 into a non-conducting state, that is, a state in which Q1 is turned off before the start of the exposure period. At the start of the exposure period, Q1 is in a fully open conduction state, that is, Q1. Has a voltage value V3 to turn on. Thereafter, the TX signal gradually decreases in one direction that makes Q1 non-conductive toward the end of the exposure period. At the end of the exposure period, the TX signal has a voltage value V2. The voltage value V2 is an intermediate voltage value between the voltage value V1 and the voltage value V3, and is a voltage value set in order to realize linear log characteristics in the conventional pixel circuit. That is, the voltage value V2 is a voltage value for setting Q1 to an intermediate conduction state between the fully open conduction state and the non-conduction state in order to realize the linear log characteristic.

光量X1,X2は、Q1をサブスレショルド状態にすることができる高い光量である。Q1がサブスレショルド状態になると、PDで蓄積された電荷の一部がQ1を介してFDに漏れ出るため、入射光量と出力信号との関係が対数となる。ここで、入射光量と出力信号との関係を対数にする高輝度の光を対数領域の光と記述する。なお、入射光量が低いとQ1がサブスレショルド状態にならない。この場合、PDで蓄積された電荷がQ1を介してFDに漏れ出ないため、入射光量と出力信号との関係は線形となる。ここで、入射光量と出力信号との関係を線形にする低輝度の光を線形領域の光と記述する。   The light amounts X1 and X2 are high light amounts that can bring Q1 into a subthreshold state. When Q1 enters the sub-threshold state, a part of the charge accumulated in the PD leaks to the FD through Q1, so that the relationship between the incident light quantity and the output signal becomes a logarithm. Here, high-intensity light that makes the relationship between the incident light quantity and the output signal logarithmically is described as light in the logarithmic region. If the amount of incident light is low, Q1 does not enter the subthreshold state. In this case, since the charge accumulated in the PD does not leak to the FD via Q1, the relationship between the incident light quantity and the output signal is linear. Here, low-luminance light that linearizes the relationship between the amount of incident light and the output signal is described as light in the linear region.

露光期間の開始時点において、光量X1,X2の光が入射しているが、TX信号の電圧値はV3であり高いため、PDは少量の電荷しか蓄積できていない。以後、光量X1,X2の光の入射が持続されているが、TX信号の電圧値が漸次に減少し、Q1のゲートが漸次に閉じられていくため、PDから漏れ出る電荷量が漸次に減少し、PDが蓄積する電荷は漸次に増大している。なお、光量及びPDの電荷量の波形において、点線は光量X1の光が入射した場合を示し、実線は光量X2の光が入射した場合を示している。   At the start of the exposure period, light of the light amounts X1 and X2 is incident. However, since the voltage value of the TX signal is V3 and high, the PD can store only a small amount of charge. Thereafter, the incidence of light of the light amounts X1 and X2 is continued, but the voltage value of the TX signal gradually decreases and the gate of Q1 is gradually closed, so that the amount of charge leaking from the PD gradually decreases. However, the charge accumulated in the PD gradually increases. In the waveform of the light amount and the charge amount of PD, the dotted line indicates the case where the light amount X1 is incident, and the solid line indicates the case where the light amount X2 is incident.

そして、入射光量が0になると、TX信号は電圧値V3未満、電圧値V2以上の電圧値を持っており、Q1が全開導通状態と中間導通状態との間の導通状態にあるため、PDが蓄積する電荷量が減っていく。但し、PDが蓄積する電荷量は、Q1のサブスレショルドレベルよりも下回らないため、ある一定の電荷量yに近づいていく。   When the amount of incident light becomes 0, the TX signal has a voltage value less than the voltage value V3 and greater than or equal to the voltage value V2, and Q1 is in a conduction state between the fully open conduction state and the intermediate conduction state. The amount of charge that accumulates decreases. However, the amount of charge accumulated in the PD does not fall below the sub-threshold level of Q1, and therefore approaches a certain amount of charge y.

露光期間が終了すると、信号読み取り期間が開始される。期間T1では、SX信号がHiとなり、FDの電圧値がノイズ成分の出力信号として読出ユニット40に出力される。期間T2では、TX信号が電圧値V3にされ、PDで蓄積された電荷がFDに転送される。これにより、FDの電圧値は、転送された電荷量に応じた値に変化する。その後、期間T3では、SX信号がHiとなり、FDの電圧値がノイズ成分+信号成分の出力信号として読出ユニット40に出力される。そして、ノイズ成分の出力信号からノイズ成分+信号成分の出力信号の差分がとられ、信号成分のみからなる出力信号が得られる。   When the exposure period ends, a signal reading period starts. In the period T1, the SX signal becomes Hi, and the voltage value of the FD is output to the reading unit 40 as an output signal of the noise component. In the period T2, the TX signal is set to the voltage value V3, and the charge accumulated in the PD is transferred to the FD. As a result, the voltage value of the FD changes to a value corresponding to the transferred charge amount. Thereafter, in the period T3, the SX signal becomes Hi, and the voltage value of the FD is output to the reading unit 40 as an output signal of noise component + signal component. Then, the difference between the noise component output signal and the noise component + signal component output signal is taken, and an output signal consisting only of the signal component is obtained.

ここで、光量X1,X2の光が入射していた期間では、TX信号の電圧値を電圧値V3付近の値に設定し、PDに少量の電荷しか蓄積させていない。そのため、電荷量yは図16で示す電荷量yに比べて大幅に小さくなる。その結果、カラーバランスが保てるのである。   Here, during the period when the light amounts X1 and X2 are incident, the voltage value of the TX signal is set to a value near the voltage value V3, and only a small amount of charge is accumulated in the PD. Therefore, the charge amount y is significantly smaller than the charge amount y shown in FIG. As a result, color balance can be maintained.

具体的には、光量X1はY(黄色)のカラーフィルタを持つ画素GEにより受光された光量を表し、光量X2はR(赤色)のカラーフィルタを持つ画素GEにより受光された光量を表すとする。この場合、R、Gの画素GEが蓄積する電荷量は共にyとなり同じとなる。したがって、Yの出力信号とRの出力信号との差分をとって、G(=Y−R)の出力信号を求めた場合、Gの出力信号は0となる。   Specifically, the amount of light X1 represents the amount of light received by the pixel GE having a Y (yellow) color filter, and the amount of light X2 represents the amount of light received by the pixel GE having an R (red) color filter. . In this case, the amount of charge accumulated in the R and G pixels GE is both y and the same. Therefore, when the difference between the Y output signal and the R output signal is taken to obtain the G (= Y−R) output signal, the G output signal becomes zero.

しかしながら、電荷量yは図16に示す電荷量yに比べて大幅に小さいため、Rの出力信号もほぼ0となる。よって、Rの出力信号がGの出力信号に比べて高くなることが防止され、カラーバランスを維持することができる。   However, since the charge amount y is significantly smaller than the charge amount y shown in FIG. 16, the output signal of R is also almost zero. Therefore, the R output signal is prevented from becoming higher than the G output signal, and the color balance can be maintained.

図6は、露光期間において一定の光量X1,X2の光が入射した場合の画素回路11,11aのタイミングチャートである。図6の場合、露光期間において入射光量はX1又はX2で一定である。一方、TX信号は露光開始時点において電圧値V3を持ち、そこから電圧値V2に向けて漸次に減少している。そのため、露光期間が経過するにつれて、Q1のゲートが漸次に閉じられ、PDから漏れ出る電荷量は漸次に減少し、PDが蓄積する電荷量は漸次に増大している。なお、図6において、光量及びPDの電荷量の波形において点線は光量X1の光が入射した場合を示し、実線は光量X2の光が入射した場合を示している。光量X1,2の光は対数領域の光であり、対数領域の光に対してPDが蓄積する電荷は時間積分性を持っていない。そのため、PDが蓄積する電荷量は、露光期間の最終時点におけるTX信号の電圧値で決まる。   FIG. 6 is a timing chart of the pixel circuits 11 and 11a when light of constant light amounts X1 and X2 is incident during the exposure period. In the case of FIG. 6, the amount of incident light is constant at X1 or X2 during the exposure period. On the other hand, the TX signal has a voltage value V3 at the start of exposure and gradually decreases from the voltage value V2 toward the voltage value V2. Therefore, as the exposure period elapses, the gate of Q1 is gradually closed, the amount of charge leaking from the PD is gradually decreased, and the amount of charge accumulated in the PD is gradually increased. In FIG. 6, in the waveform of the light amount and the charge amount of the PD, the dotted line indicates the case where the light amount X1 is incident, and the solid line indicates the case where the light amount X2 is incident. The light of the light amounts X1 and X2 is light in the logarithmic region, and the charge accumulated in the PD with respect to the light in the logarithmic region has no time integration. Therefore, the amount of charge accumulated in the PD is determined by the voltage value of the TX signal at the final point of the exposure period.

露光期間の最終時点ではTX信号は電圧値V2を持ち、従来のリニアログセンサと同じ電圧値を持っている。そのため、PDが蓄積する電荷量は、従来のリニアログセンサと同レベルとなる。その結果、露光期間において一定の光量X1,X2の光が入射した場合において、従来の画素回路と同様のレベルを持つ出力信号が得られる。   At the end of the exposure period, the TX signal has a voltage value V2 and the same voltage value as the conventional linear log sensor. Therefore, the amount of charge accumulated in the PD is at the same level as that of a conventional linear log sensor. As a result, an output signal having a level similar to that of a conventional pixel circuit is obtained when light of a constant light amount X1, X2 is incident during the exposure period.

また、本実施の形態では、TX信号は電圧値V3から漸次に低下している。これにより、線形領域の光にも対応することができる。   In the present embodiment, the TX signal gradually decreases from the voltage value V3. Thereby, it can respond also to the light of a linear area | region.

例えば、露光期間の開始時点から初期の一定期間、TX信号を電圧値V3に設定し、その後、電圧値V2に切り替える場合を考える。この場合、この初期の一定期間においてPDにはほとんど電荷が蓄積されなくなる。PDは線形領域の光に対して時間積分性を持っている。そのため、この初期の一定期間においてPDに電荷が蓄積されないとすると、従来のように露光期間の開始時点から終了時点まで、TX信号の電圧値を一定にした場合に比べ、線形領域の光に対する出力信号のレベルが大幅に低下してしまう。   For example, consider a case where the TX signal is set to the voltage value V3 for a certain initial period from the start of the exposure period and then switched to the voltage value V2. In this case, almost no charge is accumulated in the PD in this initial fixed period. PD has time integration with respect to light in the linear region. Therefore, if no charge is accumulated in the PD during this initial fixed period, the output for the light in the linear region is larger than when the voltage value of the TX signal is fixed from the start point to the end point of the exposure period as in the prior art. The signal level is greatly reduced.

一方、本実施の形態では、TX信号は電圧値V3から電圧値が漸次に低下しているため、上記のように初期の一定期間においてもPDには電荷が蓄積される結果、従来のように露光期間の開始時点から終了時点までTX信号の電圧値を一定にした場合に比べ、線形領域の光に対する出力信号のレベルの大幅な低下が抑制される。   On the other hand, in the present embodiment, since the voltage value of the TX signal gradually decreases from the voltage value V3, the charge is accumulated in the PD even during the initial fixed period as described above. Compared with the case where the voltage value of the TX signal is kept constant from the start point to the end point of the exposure period, a significant decrease in the level of the output signal with respect to the light in the linear region is suppressed.

なお、上記説明では、露光期間の開始時点において、TX信号の電圧値をV3としたが、これに限定されず、電圧値V2よりも大きく電圧値V3未満の電圧値であればどのような電圧値を採用してもよい。露光期間の開始時点の電圧値が電圧値V3より低くても、初期の期間に高い光量の光が入射し、残りの露光期間に低い光量の光が入射したとしても、本実施の形態では、最終的に蓄積される電荷量yが小さくなるため、カラーバランスを維持することができる。   In the above description, the voltage value of the TX signal is V3 at the start of the exposure period. However, the voltage value is not limited to this, and any voltage may be used as long as the voltage value is greater than the voltage value V2 and less than the voltage value V3. A value may be adopted. Even if the voltage value at the start of the exposure period is lower than the voltage value V3, even if a high amount of light is incident during the initial period and a low amount of light is incident during the remaining exposure period, Since the amount of charge y that is finally accumulated becomes small, the color balance can be maintained.

(画素の構成2)
画素の構成2の回路構成は図3又は図4に示す画素の構成1と同一であるが、露光期間中、Q1を常に全開導通状態にし、Q2でPDに蓄積される電荷量を制御する。つまり、画素の構成2では、Q1ではなくQ2が制御トランジスタに相当する。
(Pixel configuration 2)
The circuit configuration of the pixel configuration 2 is the same as that of the pixel configuration 1 shown in FIG. 3 or FIG. 4. However, during the exposure period, the Q1 is always in a fully open conduction state, and the charge amount stored in the PD is controlled by the Q2. That is, in the pixel configuration 2, Q2 instead of Q1 corresponds to the control transistor.

図14は、画素の構成2における画素回路11,11aのタイミングチャートである。画素の構成2においては、RST信号が画素の構成1のTX信号と同じ波形を持っている。つまり、RST信号は、露光期間の開始時点において電圧値V3を持ち、露光期間の終了時点において電圧値V2を持っている。そして、RST信号は、露光期間において、電圧値V3から電圧値V2まで漸次に電圧値が減少している。   FIG. 14 is a timing chart of the pixel circuits 11 and 11a in the pixel configuration 2. In pixel configuration 2, the RST signal has the same waveform as the TX signal in pixel configuration 1. That is, the RST signal has the voltage value V3 at the start of the exposure period and has the voltage value V2 at the end of the exposure period. The voltage value of the RST signal gradually decreases from the voltage value V3 to the voltage value V2 during the exposure period.

一方、TX信号は、常に電圧値V3(=Hi)を維持している。そのため、Q1は常時、オンとなり、PDとFDとが直接接続された状態になる。よって、図14では、図5においてPD電荷量を示していた波形がFD変化量の波形になっている。   On the other hand, the TX signal always maintains the voltage value V3 (= Hi). Therefore, Q1 is always on and PD and FD are directly connected. Therefore, in FIG. 14, the waveform indicating the PD charge amount in FIG. 5 is the waveform of the FD change amount.

なお、画素の構成2においても、各行のQ2に個別にRST信号を印加するために、電圧印加回路は各行ごとに設けられても良い。また、電圧印加回路を複数設けておいて、各行には接続すべき電圧印加回路を選択する選択スイッチを設けるようにしてもよい。   In the pixel configuration 2 as well, in order to individually apply the RST signal to Q2 of each row, a voltage application circuit may be provided for each row. A plurality of voltage application circuits may be provided, and a selection switch for selecting a voltage application circuit to be connected may be provided in each row.

画素の構成2においては、線形領域の光に対して、PDにて発生した電荷が、露光期間中もPDの寄生容量とFDとの中にとどまっており、PD及びFD内の電荷総量と入射光量とは線形の関係を持っている。一方、対数領域の光に対しては、Q2がサブスレッショルド状態となるため、PDにて発生した電荷が、Q2を通じてVDDの電圧源側に流れ出る。この時、PDが蓄積する電荷量と入射光量とは、対数の関係を持っている。よって、画素の構成2は、リニアログ特性を持つ。   In the configuration 2 of the pixel, the charge generated in the PD with respect to the light in the linear region remains in the parasitic capacitance and FD of the PD even during the exposure period, and the total amount of charges in the PD and FD and the incident light. There is a linear relationship with the amount of light. On the other hand, for the light in the logarithmic region, since Q2 is in a subthreshold state, the charge generated in the PD flows out to the voltage source side of VDD through Q2. At this time, the amount of charge accumulated in the PD and the amount of incident light have a logarithmic relationship. Therefore, the pixel configuration 2 has a linear log characteristic.

画素の構成2は、Q1ではなくQ2がPDにより蓄積される電荷量を制御している点以外は、画素の構成1と同じである。そして、Q2のゲートに印加されるRST信号は画素の構成1のQ1のゲートに印加されるTX信号と同じ波形を持っている。よって、画素の構成2では、露光期間の最初の期間に高い光量の光が入射し、残りの露光期間において低い光量の光が入射したとしても、露光期間の終了時点においてPDが蓄積される電荷量は低く抑えられ、画素の構成1と同様、カラーバランスを維持することができる。   The pixel configuration 2 is the same as the pixel configuration 1 except that Q2 instead of Q1 controls the amount of charge accumulated by the PD. The RST signal applied to the gate of Q2 has the same waveform as the TX signal applied to the gate of Q1 of the pixel configuration 1. Therefore, in the pixel configuration 2, even if a high amount of light enters during the first period of the exposure period and a low amount of light enters during the remaining exposure period, the charge accumulated in the PD at the end of the exposure period The amount is kept low, and the color balance can be maintained as in the pixel configuration 1.

また、露光期間中、一定の光量X1,X2の光が入射した場合、ログ領域の光に対しては時間積分性がなく、露光期間の最終時点においてRST信号が従来の画素回路と同様、電圧値V2を持っている。そのため、従来と同様のレベルの出力信号を出力することができる。更に、RST信号は画素の構成1と同様、露光期間の開始時点から終了時点に向けて電圧値が漸次に減少しているため、線形領域の光に対してPDが全く電荷を蓄積しない期間が発生するような事態が防止される。そのため、画素の構成1は、画素の構成1と同様、線形領域の光に対して得られる出力信号のレベルが、従来の画素回路で得られる出力信号のレベルに比べて大幅に低下することが抑制され、線形領域の光に対しても良好な挙動を示すことができる。   Further, when light having a constant light amount X1 or X2 is incident during the exposure period, there is no time integration for the light in the log area, and the RST signal at the final point of the exposure period is a voltage similar to the conventional pixel circuit. It has the value V2. Therefore, it is possible to output an output signal having the same level as the conventional one. Furthermore, the voltage value of the RST signal gradually decreases from the start time to the end time of the exposure period, as in the pixel configuration 1, and thus there is a period in which the PD does not accumulate any charge for light in the linear region. Such a situation is prevented. For this reason, in the configuration 1 of the pixel, as in the configuration 1 of the pixel, the level of the output signal obtained with respect to the light in the linear region may be significantly lower than the level of the output signal obtained in the conventional pixel circuit. It is suppressed and can exhibit good behavior even for light in the linear region.

(実施例1)
実施例1の固体撮像装置は、画素アレイ部10の電圧印加回路700との接続関係に特徴がある。図7は、実施例1の固体撮像装置の画素アレイ部10と電圧印加回路700との接続関係を示した図である。実施例1の固体撮像装置では、画素GEとして画素の構成1が採用され、画素アレイ部10の各行に電圧印加回路700が設けられている。電圧印加回路700は、TX配線を介して対応する行の画素GEのQ1のゲートに接続されている。そして、電圧印加回路700は、電圧値V3から電圧値V2に向けて階段状に電圧値が減少するTX信号を生成し、画素GEに供給している。
Example 1
The solid-state imaging device according to the first embodiment is characterized by a connection relationship with the voltage application circuit 700 of the pixel array unit 10. FIG. 7 is a diagram illustrating a connection relationship between the pixel array unit 10 and the voltage application circuit 700 of the solid-state imaging device according to the first embodiment. In the solid-state imaging device according to the first embodiment, the pixel configuration 1 is adopted as the pixel GE, and the voltage application circuit 700 is provided in each row of the pixel array unit 10. The voltage application circuit 700 is connected to the gate of Q1 of the pixel GE in the corresponding row via a TX wiring. The voltage application circuit 700 generates a TX signal whose voltage value decreases stepwise from the voltage value V3 toward the voltage value V2, and supplies the TX signal to the pixel GE.

このように、各行に電圧印加回路700を設けることで、各行の画素GEに一定の時間ずつずらして同じ波形のTX信号を印加することができ、固体撮像装置をローリングシャッター方式で駆動させた場合に各行に適切なTX信号を印加することができる。また、固体撮像装置をグローバルシャッター方式で駆動させる場合は、各行に同一タイミングでTX信号を印加すればよい。   As described above, by providing the voltage application circuit 700 in each row, the TX signal having the same waveform can be applied to the pixels GE in each row while being shifted by a certain time, and the solid-state imaging device is driven by the rolling shutter method. An appropriate TX signal can be applied to each row. Further, when the solid-state imaging device is driven by the global shutter method, the TX signal may be applied to each row at the same timing.

図8は、実施例1の変形例の固体撮像装置における画素アレイ部10と電圧印加回路700との接続関係を示した図である。図7との相違点は、電圧印加回路700が階段状ではなく、連続的に変化するTX信号を供給している点にある。この場合も、TX信号は、露光期間の開始時点において電圧値V3を持ち、露光期間の終了時点において電圧値V2を持ち、漸次に電圧値が減少している。図8においても図7と同じ効果が得られる。   FIG. 8 is a diagram illustrating a connection relationship between the pixel array unit 10 and the voltage application circuit 700 in the solid-state imaging device according to the modification of the first embodiment. The difference from FIG. 7 is that the voltage application circuit 700 supplies a continuously changing TX signal instead of a stepped shape. In this case as well, the TX signal has a voltage value V3 at the start of the exposure period and has a voltage value V2 at the end of the exposure period, and the voltage value gradually decreases. In FIG. 8, the same effect as in FIG. 7 can be obtained.

なお、画素の構成2では、読み取り期間において、露光期間が終了するとSX信号がHiにされFDの電圧値がノイズ成分+シグナル成分の出力信号として出力される。次に、リセット期間において、RST信号がHiになりFDがリセットされ、SX信号がHiにされFDの電圧値がノイズ成分の出力信号として出力される。   In the pixel configuration 2, in the reading period, when the exposure period ends, the SX signal is set to Hi and the voltage value of the FD is output as an output signal of noise component + signal component. Next, in the reset period, the RST signal becomes Hi and the FD is reset, the SX signal becomes Hi, and the voltage value of the FD is output as an output signal of the noise component.

(実施例2)
実施例2の固体撮像装置は、画素アレイ部10を接続部900を介して1つの電圧印加回路700に接続させたことを特徴としている。図9は、実施例2の固体撮像装置において、画素アレイ部10と電圧印加回路700との接続関係を示した図である。なお、実施例2の固体撮像装置では、画素GEとして画素の構成1が採用されている。
(Example 2)
The solid-state imaging device according to the second embodiment is characterized in that the pixel array unit 10 is connected to one voltage application circuit 700 via the connection unit 900. FIG. 9 is a diagram illustrating a connection relationship between the pixel array unit 10 and the voltage application circuit 700 in the solid-state imaging device according to the second embodiment. In the solid-state imaging device according to the second embodiment, the pixel configuration 1 is employed as the pixel GE.

電圧印加回路700は、図8の電圧印加回路700と同様、連続的に変化するTX信号を生成する。接続部900は、画素アレイ部10の各行に設けられている。接続部900は、信号読み取り波形発生回路910及びスイッチ920を備えている。   Similar to the voltage application circuit 700 of FIG. 8, the voltage application circuit 700 generates a continuously changing TX signal. The connection unit 900 is provided in each row of the pixel array unit 10. The connection unit 900 includes a signal reading waveform generation circuit 910 and a switch 920.

信号読み取り波形発生回路910は、図5、図6の信号読み取り期間のTX信号の波形を持つ信号を生成する。   The signal reading waveform generation circuit 910 generates a signal having the waveform of the TX signal in the signal reading period of FIGS.

実施例2では、電圧印加回路700が1つであるため、全行の露光期間が同一となるグローバルシャッター方式を採用することが好ましい。グローバルシャッター方式では、各行の画素GEからの出力信号の出力タイミングをずらす必要がある。よって、実施例2の固体撮像装置は以下のように動作する。   In the second embodiment, since there is one voltage application circuit 700, it is preferable to employ a global shutter system in which the exposure periods of all rows are the same. In the global shutter system, it is necessary to shift the output timing of output signals from the pixels GE in each row. Therefore, the solid-state imaging device of Example 2 operates as follows.

まず、露光期間が開始されると、各行のスイッチ920は、一斉に電圧印加回路700を画素アレイ部10に接続させる。これにより、画素アレイ部10の各行には一斉に露光期間のTX信号が印加される。   First, when the exposure period is started, the switches 920 in each row connect the voltage application circuit 700 to the pixel array unit 10 all at once. As a result, the TX signal of the exposure period is applied to each row of the pixel array unit 10 all at once.

そして、露光期間が終了され、信号読み取り期間が開始され、各行の画素GEには各行に対して予め定められたタイミングになると、SX信号がHiにされ、各行の画素GEからノイズ成分の出力信号が出力される。これにより、行毎にタイミングをずらして画素GEからノイズ成分の出力信号が出力される。   When the exposure period ends, the signal reading period starts, and the pixel GE in each row has a predetermined timing for each row, the SX signal is set to Hi, and the output signal of the noise component from the pixel GE in each row Is output. Thereby, the output signal of the noise component is output from the pixel GE with the timing shifted for each row.

次に、各行のスイッチ920は、各行に対して予め定められたタイミングになると、信号読み取り波形発生回路910を同一行の画素GEに接続させ、画素GEに信号読み取り期間のTX信号を印加させる。これにより、行毎にタイミングをずらしてPDからFDに電荷が転送される。次に、各行に対して予め定められたタイミングになると、SX信号がHiにされ、ノイズ成分+信号成分の出力信号が各行の画素GEから出力される。これにより、行毎にタイミングをずらして画素GEからノイズ成分+信号成分の出力信号が出力される。   Next, the switch 920 in each row connects the signal reading waveform generation circuit 910 to the pixel GE in the same row at a predetermined timing for each row, and causes the pixel GE to apply the TX signal in the signal reading period. As a result, charges are transferred from the PD to the FD at different timings for each row. Next, at a predetermined timing for each row, the SX signal is set to Hi, and an output signal of noise component + signal component is output from the pixel GE of each row. Thereby, the output signal of the noise component + the signal component is output from the pixel GE while shifting the timing for each row.

図10は、実施例2の変形例の固体撮像装置の電圧印加回路700と画素アレイ部10との接続関係を示した図である。図9との相違点は、電圧印加回路700が出力するTX信号が連続状ではなく階段状に変化している点にあり、それ以外は、図9と同じである。   FIG. 10 is a diagram illustrating a connection relationship between the voltage application circuit 700 and the pixel array unit 10 of the solid-state imaging device according to the modification of the second embodiment. The difference from FIG. 9 is that the TX signal output from the voltage application circuit 700 changes in a stepped manner instead of a continuous one, and the rest is the same as FIG.

実施例2では、電圧印加回路700を全行共通にしたので、回路規模を減少させるとが可能となる。その結果、固体撮像素子1を構成するチップの面積が減少し、固体撮像素子1のコストが下げることができる。また、固体撮像素子1のチップの面積を減少させることができるため、消費電力を低減させることもできる。   In the second embodiment, since the voltage application circuit 700 is common to all rows, the circuit scale can be reduced. As a result, the area of the chip constituting the solid-state image sensor 1 is reduced, and the cost of the solid-state image sensor 1 can be reduced. Moreover, since the area of the chip of the solid-state imaging device 1 can be reduced, power consumption can be reduced.

(実施例3)
実施例3の固体撮像装置は、画素アレイ部10を複数行毎に1つのブロック1100に区分し、ブロック1100毎に電圧印加回路700を設けた点に特徴がある。実施例3では画素GEとして画素の構成1が採用されている。図11は、実施例3の固体撮像装置の画素アレイ部10と電圧印加回路700との接続関係を示した図である。
(Example 3)
The solid-state imaging device according to the third embodiment is characterized in that the pixel array unit 10 is divided into one block 1100 for each plurality of rows, and a voltage application circuit 700 is provided for each block 1100. In the third embodiment, the pixel configuration 1 is employed as the pixel GE. FIG. 11 is a diagram illustrating a connection relationship between the pixel array unit 10 and the voltage application circuit 700 of the solid-state imaging device according to the third embodiment.

この構成は、グローバルシャッター方式、ローリングシャッター方式のいずれにも適用可能である。まず、全行の露光期間が同一となる、グローバルシャッター方式について説明する。グローバルシャッター方式を採用した場合の動作は実施例2と同じであるため、露光タイミングが行ごとに異なるローリングシャッター方式を採用した場合についてのみ説明する。   This configuration can be applied to both the global shutter method and the rolling shutter method. First, a global shutter method in which the exposure periods of all rows are the same will be described. Since the operation when the global shutter method is adopted is the same as that of the second embodiment, only the case where the rolling shutter method with different exposure timing for each row is adopted will be described.

図12は、1つのブロック1100内の行#1〜#n(nは正の整数)について、電圧印加回路700から出力されるTX信号と、各行のQ1に印加されるTX信号との関係を示すタイミングチャートである。図12の例では、電圧印加回路700が生成するTX信号は、電圧値の最大値がレベルLV1であり、露光期間が経過するにつれて、レベルLV2,LV3,・・・と一定レベルずつ電圧値が減少している。   FIG. 12 shows the relationship between the TX signal output from the voltage application circuit 700 and the TX signal applied to Q1 of each row for rows # 1 to #n (n is a positive integer) in one block 1100. It is a timing chart which shows. In the example of FIG. 12, the TX signal generated by the voltage application circuit 700 has a maximum voltage value of level LV1, and as the exposure period elapses, the voltage value increases by a certain level such as levels LV2, LV3,. is decreasing.

TX信号は各行の露光期間に適用されるのであるが、行ごとに露光期間の開始タイミングが異なるため、図12に示すように、実際に行#1〜#nに印加されるTX信号は行ごとずれている。具体的には、露光期間が開始されると、電圧印加回路700はTX信号の出力を開始する。それと同時に、行#1のスイッチ920が電圧印加回路700と行#1の画素GEとを接続する。そのため、行#1の画素GEに印加されるTX信号と電圧印加回路700から出力されるTX信号にずれはない。   The TX signal is applied to the exposure period of each row, but since the start timing of the exposure period is different for each row, the TX signal actually applied to the rows # 1 to #n is the row as shown in FIG. Everything is off. Specifically, when the exposure period starts, the voltage application circuit 700 starts outputting the TX signal. At the same time, the switch 920 in the row # 1 connects the voltage application circuit 700 and the pixel GE in the row # 1. Therefore, there is no difference between the TX signal applied to the pixel GE in the row # 1 and the TX signal output from the voltage application circuit 700.

次に、一定期間ΔT経過して、行#2のスイッチ920が電圧印加回路700と行#2の画素GEとを接続する。そのため、行#2の画素GEの露光期間の開始時点はTX信号の開始時点から一定期間ΔTだけずれる。よって、行#2の画素GEに印加されるTX信号のレベルLV1の期間が一定期間ΔTだけ短くなる。   Next, after a certain period ΔT has elapsed, the switch 920 in the row # 2 connects the voltage application circuit 700 and the pixel GE in the row # 2. Therefore, the start time of the exposure period of the pixel GE in row # 2 is deviated by a certain period ΔT from the start time of the TX signal. Therefore, the period of the level LV1 of the TX signal applied to the pixel GE in the row # 2 is shortened by a certain period ΔT.

以下、同様にブロック1100において、行#1〜#nに向けて一定期間ΔTずつずれて行#1〜#nの画素GEにTX信号が印加されている。そのため、行#2〜#nに向けて画素GEに印加されるTX信号のレベルLV1の期間が一定期間ΔTずつ短くなっている。なお、図12の例では、電圧印加回路700が生成するTX信号のレベルLV1の期間T_LV1は(n−1)・ΔTより大きく設定されている。   Similarly, in the block 1100, the TX signal is applied to the pixels GE in the rows # 1 to #n while being shifted by a certain period ΔT toward the rows # 1 to #n. Therefore, the period of the level LV1 of the TX signal applied to the pixels GE toward the rows # 2 to #n is shortened by a certain period ΔT. In the example of FIG. 12, the period T_LV1 of the level LV1 of the TX signal generated by the voltage application circuit 700 is set to be greater than (n−1) · ΔT.

また、次の行のブロック1100の電圧印加回路700は、1つ上の行のブロック1100の電圧印加回路700がTX信号の出力を開始した時点から、n・ΔTだけずらしてTX信号の出力を開始する。   Further, the voltage application circuit 700 of the block 1100 in the next row shifts the output of the TX signal by n · ΔT from the time when the voltage application circuit 700 of the block 1100 in the next row starts outputting the TX signal. Start.

このように、実施例3では、同一ブロック1100において、厳密には各行の画素GEに同一波形のTX信号を印加することはできない。しかしながら、画素アレイ部10の全行は複数のブロック1100毎に区分されているため、1ブロック1100内でのTX信号のずれを小さくすることができる。そして、各行の画素GEには漸次に電圧値が減少するTX信号が印加されているため、本実施の形態の固体撮像装置の効果を得ることができる。   Thus, in Example 3, in the same block 1100, strictly, TX signals having the same waveform cannot be applied to the pixels GE in each row. However, since all the rows of the pixel array unit 10 are divided into a plurality of blocks 1100, the TX signal shift within one block 1100 can be reduced. Since the TX signal whose voltage value gradually decreases is applied to the pixels GE in each row, the effect of the solid-state imaging device of the present embodiment can be obtained.

このように、実施例3では、画素アレイ部10の全行が複数のブロック1100に区分されているため、ブロック1100毎に電圧印加回路700を設ければよくなる結果、回路規模の縮小を図ることができる。   As described above, in Example 3, since all the rows of the pixel array unit 10 are divided into the plurality of blocks 1100, the voltage application circuit 700 may be provided for each block 1100. As a result, the circuit scale can be reduced. Can do.

(実施例4)
実施例4は、実施例1の固体撮像装置において画素GEとして画素の構成2を採用したものである。この場合、図7、図8において、電圧印加回路700が出力するTX信号をRST信号と読み替えて、このRST信号を画素GEのQ2に印加すればよい。こうすることで、画素の構成2を採用した場合も実施例1と同じ効果が得られる。
Example 4
The fourth embodiment employs the pixel configuration 2 as the pixel GE in the solid-state imaging device of the first embodiment. In this case, in FIG. 7 and FIG. 8, the TX signal output from the voltage application circuit 700 may be read as the RST signal, and this RST signal may be applied to Q2 of the pixel GE. By doing so, the same effects as those of the first embodiment can be obtained even when the pixel configuration 2 is adopted.

(実施例5)
実施例5は、実施例2の固体撮像装置において画素GEとして画素の構成2を採用したものである。この場合、図9、図10において、電圧印加回路700が出力するTX信号をRST信号と読み替えて、このRST信号を画素GEのQ2に印加すればよい。こうすることで、画素の構成2を採用した場合も実施例2と同じ効果が得られる。
(Example 5)
In Example 5, the pixel configuration 2 is adopted as the pixel GE in the solid-state imaging device of Example 2. In this case, in FIG. 9 and FIG. 10, the TX signal output from the voltage application circuit 700 may be read as the RST signal, and this RST signal may be applied to Q2 of the pixel GE. By doing so, the same effect as in the second embodiment can be obtained even when the pixel configuration 2 is adopted.

(実施例6)
実施例6は、実施例3の固体撮像装置において画素GEとして画素の構成2を採用したものである。この場合、図11において、電圧印加回路700が出力するTX信号をRST信号と読み替えて、このRST信号を画素GEのQ2に印加すればよい。こうすることで、画素の構成2を採用した場合も実施例1と同じ効果が得られる。
(Example 6)
In the sixth embodiment, the pixel configuration 2 is used as the pixel GE in the solid-state imaging device according to the third embodiment. In this case, in FIG. 11, the TX signal output from the voltage application circuit 700 may be read as an RST signal, and this RST signal may be applied to Q2 of the pixel GE. By doing so, the same effects as those of the first embodiment can be obtained even when the pixel configuration 2 is adopted.

図13は、1つのブロック1100内の行#1〜#n(nは正の整数)について、電圧印加回路700から出力されるRST信号と、各行のQ2に印加されるRST信号との関係を示すタイミングチャートである。   FIG. 13 shows the relationship between the RST signal output from the voltage application circuit 700 and the RST signal applied to Q2 of each row for rows # 1 to #n (n is a positive integer) in one block 1100. It is a timing chart which shows.

このように、実施例6では、同一ブロック1100において、厳密には各行の画素GEに同一波形のRST信号を印加することはできない。しかしながら、画素アレイ部10の全行は複数のブロック1100毎に区分されているため、1ブロック1100内でのRST信号のずれは小さくすることができる。よって、実施例6では、実施例3と同様の効果が得られる。   As described above, in the sixth embodiment, in the same block 1100, strictly, it is not possible to apply the RST signal having the same waveform to the pixels GE in each row. However, since all the rows of the pixel array section 10 are divided into a plurality of blocks 1100, the shift of the RST signal in one block 1100 can be reduced. Therefore, in Example 6, the same effect as Example 3 is acquired.

1,1a 固体撮像素子
10 画素アレイ部
11,11a 画素回路
20 垂直走査回路
30 タイミングジェネレータ
40 読出ユニット
50 出力アンプ
60 撮像回路
700 電圧印加回路
900 接続部
910 信号読み取り波形発生回路
920 スイッチ
1100 ブロック
GE 画素
V1,V2,V3 電圧値
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1a Solid-state image sensor 10 Pixel array part 11, 11a Pixel circuit 20 Vertical scanning circuit 30 Timing generator 40 Reading unit 50 Output amplifier 60 Imaging circuit 700 Voltage application circuit 900 Connection part 910 Signal reading waveform generation circuit 920 Switch 1100 Block GE Pixel V1, V2, V3 voltage value

Claims (7)

低輝度の光に対しては線形、高輝度の光に対しては対数の光電変換特性を持ち、予め定められた複数の色成分のうちいずれかの色成分の分光特性を持つ画素回路を複数備える固体撮像装置であって、
前記画素回路は、入射光量に応じた電荷を発生して蓄積する電荷蓄積部、前記電荷蓄積部が蓄積する電荷量を制御する制御トランジスタ、前記電荷蓄積部で蓄積された電荷を電圧信号に変換して出力信号として読み出す電荷読出部、及び前記電荷読出部により読み出された出力信号を増幅する増幅トランジスタを備え、
露光期間の少なくとも終了時点において、前記制御トランジスタがオン状態にある全開導通状態と、前記制御トランジスタがオフ状態にある非導通状態との所定の中間導通状態で前記制御トランジスタを駆動させることで、前記電荷蓄積部に前記光電変換特性で電荷を蓄積させ、前記露光期間の少なくとも開始時点において、前記所定の中間導通状態より高い導通状態で前記制御トランジスタを駆動させる制御部を備える固体撮像装置。
Multiple pixel circuits that have linear photoelectric conversion characteristics for low-luminance light and logarithmic photoelectric conversion characteristics for high-luminance light, and have spectral characteristics of any one of a plurality of predetermined color components A solid-state imaging device comprising:
The pixel circuit includes a charge accumulation unit that generates and accumulates charges according to the amount of incident light, a control transistor that controls the amount of charge accumulated in the charge accumulation unit, and converts the charges accumulated in the charge accumulation unit into a voltage signal. A charge reading unit that reads out as an output signal, and an amplification transistor that amplifies the output signal read out by the charge reading unit,
By driving the control transistor in a predetermined intermediate conduction state between a fully open conduction state in which the control transistor is in an on state and a non-conduction state in which the control transistor is in an off state at least at the end of the exposure period, A solid-state imaging device comprising: a control unit that accumulates charges with the photoelectric conversion characteristics in a charge accumulation unit and drives the control transistor in a conduction state higher than the predetermined intermediate conduction state at least at the start of the exposure period.
前記制御部は、前記露光期間において、前記制御トランジスタの導通状態を前記非導通状態に向かう一方向に変化させる請求項1記載の固体撮像装置。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the control unit changes a conduction state of the control transistor in one direction toward the non-conduction state during the exposure period. 前記制御部は、前記露光期間の開始時点において、前記制御トランジスタの導通状態を前記全開導通状態にする請求項1又は2記載の固体撮像装置。   3. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the control unit sets the conduction state of the control transistor to the fully open conduction state at a start time of the exposure period. 前記電荷蓄積部は、フォトダイオードにより構成され、
前記電荷読出部は、浮遊拡散層により構成され、
前記制御トランジスタは、前記電荷蓄積部と前記電荷読出部との間に接続されている請求項1〜3のいずれかに記載の固体撮像装置。
The charge storage unit is configured by a photodiode,
The charge reading unit is constituted by a floating diffusion layer,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the control transistor is connected between the charge storage unit and the charge reading unit.
前記電荷蓄積部は、フォトダイオードにより構成され、
前記電荷読出部は、浮遊拡散層により構成され、
前記制御トランジスタは、前記電荷読出部を介して前記電荷蓄積部に接続されている請求項1〜3のいずれかに記載の固体撮像装置。
The charge storage unit is configured by a photodiode,
The charge reading unit is constituted by a floating diffusion layer,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the control transistor is connected to the charge storage unit via the charge reading unit.
前記制御部は、前記露光期間において、前記制御トランジスタの導通状態を連続的に変化させる請求項1〜5のいずれかに記載の固体撮像装置。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the control unit continuously changes a conduction state of the control transistor during the exposure period. 前記制御部は、前記露光期間において、前記制御トランジスタの導通状態を段階的に変化させる請求項1〜5のいずれかに記載の固体撮像装置。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the control unit changes the conduction state of the control transistor stepwise during the exposure period.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015041854A (en) * 2013-08-21 2015-03-02 株式会社ニコン Image sensor and imaging apparatus
JP2018067965A (en) * 2013-08-21 2018-04-26 株式会社ニコン Imaging element and imaging apparatus
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