JP2014143508A - Imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging apparatus.
従来から、撮像装置のダイナミックレンジ(信号レベルとノイズレベルの比)を拡大するために、感度の異なる複数の画素出力を合成する方法(例えば、特許文献1参照)、露光時間の異なる複数の画素出力を合成する方法(例えば、特許文献2参照)などがある。 Conventionally, in order to expand the dynamic range (ratio of signal level to noise level) of an imaging apparatus, a method of combining a plurality of pixel outputs with different sensitivities (for example, see Patent Document 1), a plurality of pixels with different exposure times There is a method of synthesizing outputs (see, for example, Patent Document 2).
また、複数画素の光電変換素子をフローティングディフュージョン(FD:Floating Diffusion)で接合した画素共有型の撮像素子において、各画素で得られる信号をFDで加算しながら読み出す方法がある(例えば、特許文献3参照)。 In addition, in a pixel sharing type image pickup device in which photoelectric conversion elements of a plurality of pixels are joined by floating diffusion (FD), there is a method of reading out signals obtained from each pixel while adding them by FD (for example, Patent Document 3). reference).
しかしながら、特許文献1では、サイズの異なる複数の画素を製作する必要がある。サイズの異なる画素を製作することは、製造工程の複雑化、製造コストの増大をもたらすという課題がある。
However, in
また、特許文献2では、画素間における露光時間の違いにより、動画像にずれが生じるという課題がある。
Moreover, in
また、特許文献3では、FDを用いることによって信号の高速読み出しが可能になるが、ダイナミックレンジを拡大ができないという課題がある。 Japanese Patent Laid-Open No. 2004-228688 can use a FD to read a signal at a high speed, but has a problem that the dynamic range cannot be expanded.
そこで、本発明は、ダイナミックレンジを拡大した撮像装置を提供することを目的とする。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is that it provides an imaging apparatus with an expanded dynamic range.
本発明の一局面の撮像装置は、複数画素に1つずつ配設される複数の光電変換部と、複数の光電変換部の出力端子にそれぞれ接続される複数のスイッチ素子と、複数のスイッチ素子の出力側に接続され、複数のスイッチ素子を介して、複数の光電変換部の出力信号を順番に加算して蓄積するフローティングディフュージョンと、フローティングディフュージョンに接続される信号読み出し回路とを含み、信号読み出し回路は、フローティングディフュージョンに蓄積される電荷量がフローティングディフュージョンの飽和容量に達した場合は、電荷量が飽和容量に達する前までに光電変換部の出力信号が加算された画素数をm、複数画素の全画素数をNとすると、電荷量が飽和容量に達する前までに光電変換部の出力信号を加算して得た信号のレベルをN/m倍して出力する。 An imaging device according to one aspect of the present invention includes a plurality of photoelectric conversion units arranged one by one in a plurality of pixels, a plurality of switch elements respectively connected to output terminals of the plurality of photoelectric conversion units, and a plurality of switch elements Including a floating diffusion that sequentially adds and accumulates output signals of a plurality of photoelectric conversion units via a plurality of switch elements, and a signal readout circuit that is connected to the floating diffusion. When the amount of charge accumulated in the floating diffusion reaches the saturation capacity of the floating diffusion, the circuit calculates the number of pixels to which the output signal of the photoelectric conversion unit is added before the amount of charge reaches the saturation capacity, m Where N is the total number of pixels, the signal obtained by adding the output signals of the photoelectric conversion unit before the charge amount reaches the saturation capacity And it outputs the level N / m times to.
本発明によれば、ダイナミックレンジを拡大した撮像装置を提供できるという特有の効果が得られる。 According to the present invention, it is possible to provide a specific effect that an imaging device with an expanded dynamic range can be provided.
以下、本発明の撮像装置を適用した実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments to which the imaging apparatus of the present invention is applied will be described.
<実施の形態1>
図1は、実施の形態1の撮像装置に含まれるピクセル部100を示す図である。
<
FIG. 1 is a diagram illustrating a
ピクセル部100は、複数のフォトダイオードPD0、PD1、スイッチ素子TX0、TX1、フローティングディフュージョンFD、リセット用スイッチ素子RT、出力段110、及び出力端子100Aを含む。
The
フォトダイオードPD0及びPD1は、互いに近接する画素に配設されている。近接する画素とは、画素がマトリクス状に配列されている場合において、平面視で隣り合う画素同士、あるいは、平面視で対角線方向において隣り合う画素同士をいう。なお、画素の配置はベイヤー配列であってもよい。 The photodiodes PD0 and PD1 are disposed in pixels that are close to each other. The adjacent pixels mean pixels adjacent in a plan view or pixels adjacent in a diagonal direction in a plan view when the pixels are arranged in a matrix. The pixel arrangement may be a Bayer arrangement.
フォトダイオードPD0、PD1は、光電変換部の一例である。ここでは、光電変換部の一例としてフォトダイオードPD0、PD1を示すが、光電変換部はフォトダイオードに限らず、入射光を光電変換して、撮像信号を出力できる素子であればよい。 The photodiodes PD0 and PD1 are examples of photoelectric conversion units. Here, photodiodes PD0 and PD1 are shown as examples of the photoelectric conversion unit. However, the photoelectric conversion unit is not limited to the photodiode, and may be any element that can photoelectrically convert incident light and output an imaging signal.
フォトダイオードPD0、PD1は、それぞれ、入力端子が接地されており、出力端子がスイッチ素子TX0、TX1に接続されている。 The photodiodes PD0 and PD1 have their input terminals grounded and their output terminals connected to the switch elements TX0 and TX1, respectively.
なお、図1には、一例として、2つのフォトダイオードPD0、PD1を示すが、実際には多数(N個)の画素があるため、ピクセル部100は、多数のフォトダイオードPD0〜PD(N−1)を含む。ここで、Nは2以上の任意の整数である。
FIG. 1 shows two photodiodes PD0 and PD1 as an example. However, since there are actually a large number (N) of pixels, the
スイッチ素子TX0、TX1は、例えば、FET(Field Effect Transistor)で構成される。ここでは、一例として、スイッチ素子TX0、TX1がn型のFETである形態について説明する。しかしながら、スイッチ素子TX0、TX1は、n型のFETに限らず、他の形式のトランジスタであってもよい。 The switch elements TX0 and TX1 are configured by, for example, FET (Field Effect Transistor). Here, as an example, a mode in which the switch elements TX0 and TX1 are n-type FETs will be described. However, the switch elements TX0 and TX1 are not limited to n-type FETs, but may be other types of transistors.
スイッチ素子TX0、TX1は、それぞれ、ソースがフォトダイオードPD0、PD1の出力端子に接続され、ドレインがフローティングディフュージョンFDに接続される。スイッチ素子TX0、TX1のゲートは、実施の形態1のピクセル部100を含む撮像装置の駆動部によって駆動される。
The switch elements TX0 and TX1 have sources connected to the output terminals of the photodiodes PD0 and PD1, respectively, and drains connected to the floating diffusion FD. The gates of the switch elements TX0 and TX1 are driven by the drive unit of the imaging device including the
なお、スイッチ素子TX0、TX1の数は、フォトダイオードPD0、PD1の数と等しい。すなわち、スイッチ素子(TX0、TX1)は、フォトダイオード(PD0、PD1)の出力側に、1つずつ接続される。 The number of switch elements TX0 and TX1 is equal to the number of photodiodes PD0 and PD1. That is, the switch elements (TX0, TX1) are connected one by one to the output side of the photodiodes (PD0, PD1).
フローティングディフュージョンFDは、スイッチ素子TX0、TX1のドレインに接続されている。フローティングディフュージョンFDは、例えば、pn接合ダイオードのn型領域であり、電気的に浮遊している。 The floating diffusion FD is connected to the drains of the switch elements TX0 and TX1. The floating diffusion FD is, for example, an n-type region of a pn junction diode and is electrically floating.
フローティングディフュージョンFDは、コンデンサのような機能を有しており、スイッチ素子TX0、TX1を介して接続されるフォトダイオードPD0、PD1から出力される撮像信号(負の電荷)を蓄積する。 The floating diffusion FD has a function like a capacitor and accumulates imaging signals (negative charges) output from the photodiodes PD0 and PD1 connected via the switch elements TX0 and TX1.
フローティングディフュージョンFDには所定の飽和容量があるため、所定の飽和容量以上の電荷を蓄積することはできない。フローティングディフュージョンFDは、撮像装置500の用途等に応じて、所定の飽和容量を有するように構成されている。この飽和容量は、フローティングディフュージョンFDの飽和レベルに対応する。飽和レベルとは、それ以上撮像信号による電荷を蓄積できないレベルである。
Since the floating diffusion FD has a predetermined saturation capacity, it is not possible to accumulate electric charges exceeding the predetermined saturation capacity. The floating diffusion FD is configured to have a predetermined saturation capacity depending on the application of the
リセット用スイッチ素子RTは、例えば、n型のFETであり、ソースがフローティングディフュージョンFDに接続され、ドレインが電源(VDD)に接続される。リセット用スイッチ素子RTは、実施の形態1のピクセル部100を含む撮像装置の駆動部によって駆動される。リセット用スイッチ素子RTがオンにされると、フローティングディフュージョンは電源(VDD)に接続され、リセットされる。なお、リセット用スイッチ素子RTは、n型のFETに限らず、他の形式のトランジスタであってもよい。
The reset switch element RT is, for example, an n-type FET, the source is connected to the floating diffusion FD, and the drain is connected to the power supply (VDD). The reset switch element RT is driven by the drive unit of the imaging apparatus including the
出力段110は、フローティングディフュージョンFDに蓄積される電荷を信号読み出し回路に取り出すための回路である。実施の形態1では、出力段110は、例えば、一対のn型のFET110A、110Bで構成される。
The
出力段110に含まれる一対のn型のFETは、縦積みされており、FET110Aのドレインは電源(VDD)に接続され、ソースはFET110Bのドレインに接続され、ゲートは、フローティングディフュージョンFDに接続される。FET110Aは、ゲートにフローティングディフュージョンFDが接続されることにより、所謂ソースフォロア回路を構成している。
A pair of n-type FETs included in the
FET110Bのドレインは、FET110Aのソースに接続され、ソースは出力端子120に接続される。FET110Bのゲートは、撮像装置500のセレクト信号(SL)が印加される。セレクト信号は、フォトダイオードPD0、PD1を含む2つの画素を選択するための信号であり、撮像装置500の駆動部から出力される。
The drain of the FET 110B is connected to the source of the FET 110A, and the source is connected to the output terminal 120. The select signal (SL) of the
出力端子100Aは、ピクセル部100の出力端子である。ピクセル部100は、フローティングディフュージョンFDに蓄積した撮像信号を出力段110を介して、(PIXEL OUTとして)出力端子100Aから出力する。出力端子100Aは、実施の形態1のピクセル部100を含む撮像装置の信号読み出し部の入力端子に接続される。
The
図2は、実施の形態1の撮像装置500を示す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating the
撮像装置500は、ピクセル部100、CDS回路510、PGA回路520、ADC回路530、ADCLOG回路540、及び判定回路550を含む。
The
ピクセル部100は、図1に示す出力端子100AがCDS回路510に接続されており、FDに蓄積される電荷による撮像信号をCDS回路510に出力する。
The
CDS回路510は、相関二重サンプリング(CDS:Correlated Double Sampling)を行う回路であり、ピクセル部100から入力される撮像信号のノイズを低減するための信号処理を行う。CDS回路510は、ピクセル部100から入力される撮像信号からフローティングディフュージョンFDのリセットレベル(SRST)を差し引いた電位で表す撮像信号を出力する。CDS回路510から出力される撮像信号は、PGA回路520に入力される。
The
PGA(Programmable Gain Amplifier)回路520は、CDS回路510から入力される撮像信号を所定の増幅率で増幅して出力する。所定の増幅率は、ピクセル部100の出力レベル等に応じて設定される固定値である。PGA回路520で増幅された撮像信号は、ADC回路530に入力される。
A PGA (Programmable Gain Amplifier)
ADC回路530は、PGA回路520で増幅された撮像信号(アナログ値)をデジタル値に変換するアナログデジタルコンバータ(Analog to Digital Converter)である。ADC回路530がデジタル変換した撮像信号は、ADCLOG回路540に入力される。
The
ADCLOG回路540は、ADCLOG回路部541、542を含む。ADCLOG回路部541、542は、ADC回路530の出力端子に接続されており、それぞれ、撮像信号の最初のサンプル値、撮像信号の2回目のサンプル値を保持する。
The
ここで、撮像信号の最初のサンプル値とは、ピクセル部100のフォトダイオードPD0によって得られた撮像信号がフローティングディフュージョンFDに蓄積された状態におけるフローティングディフュージョンFDの電荷レベル(SRA)から、フローティングディフュージョンFDのリセットレベル(SRST)を引いた値(SRA−SRST)である。ADCLOG回路部541は、撮像信号の最初のサンプル値をサンプリングし、保持する。
Here, the first sample value of the imaging signal refers to the floating diffusion from the charge level (S RA ) of the floating diffusion FD when the imaging signal obtained by the photodiode PD0 of the
また、撮像信号の2回目のサンプル値とは、フォトダイオードPD0によって得られた撮像信号を蓄積したフローティングディフュージョンFDが、フォトダイオードPD1によって得られた撮像信号をさらに蓄積した状態における(フローティングディフュージョンFDの)電荷レベル(SRB)から、フローティングディフュージョンFDのリセットレベル(SRST)を引いた値(SRB−SRST)である。ADCLOG回路部542は、撮像信号の2回目のサンプル値をサンプリングし、保持する。
Further, the second sample value of the imaging signal means that the floating diffusion FD that accumulates the imaging signal obtained by the photodiode PD0 further accumulates the imaging signal obtained by the photodiode PD1 (of the floating diffusion FD). ) A value (S RB -S RST ) obtained by subtracting the reset level (S RST ) of the floating diffusion FD from the charge level (S RB ). The
実施の形態1では、ピクセル部100が2つのフォトダイオードPD0、PD1を含む形態について説明するため、ADCLOG回路540は、2つのADCLOG回路部541、542を含む。ADCLOG回路部(541、542)の数は、ピクセル部100に含まれるフォトダイオード(PD0、PD1)の数に等しい。
In the first embodiment, the
実際にはピクセル部100には多数(N個)の画素があり、ピクセル部100は多数(N個)のフォトダイオードPD0〜PD(N−1)を含むため、ADCLOG回路部(541、542)も多数(N個)設けられる。Nは2以上の任意の整数である。
Actually, the
判定回路550は、ADCLOG回路部542によって保持される撮像信号の2回目のサンプル値(SRB−SRST)が、フローティングディフュージョンFDの飽和レベル(SF)からリセットレベル(SRST)を引いた値(SF−SRST)に達したか否かを判定する。ここで、飽和レベルとは、フローティングディフュージョンFDの飽和容量を表すレベルであり、それ以上撮像信号による電荷を蓄積できないレベルである。
In the
判定回路550は、2回目のサンプル値(SRB−SRST)が、フローティングディフュージョンFDの飽和レベル(SF)からリセットレベル(SRST)を引いた値(SF−SRST)に達したと判定した場合は、ADCLOG回路部541によって保持される撮像信号の最初のサンプル値(SRA−SRST)を、N/m倍して出力する。
In the
ここで、Nはピクセル部100の画素数(全画素数)であり、一般的にはNは2以上の任意の整数であるが、実施の形態1ではN=2の場合について説明を行う。
Here, N is the number of pixels (total number of pixels) of the
なお、フローティングディフュージョンFDは電子を蓄積するため、撮像信号を蓄積するに従って、フローティングディフュージョンFDの電荷のレベルはリセットレベル(SRST)よりも低下する。すなわち、フローティングディフュージョンFDの飽和レベルは、フローティングディフュージョンFDがリセットされた状態における電荷のレベルよりも低い。 Since the floating diffusion FD accumulates electrons, the charge level of the floating diffusion FD becomes lower than the reset level (S RST ) as the imaging signal is accumulated. That is, the saturation level of the floating diffusion FD is lower than the charge level in the state where the floating diffusion FD is reset.
従って、撮像信号の2回目のサンプル値(SRB−SRST)が、フローティングディフュージョンFDの飽和レベル(SF)からリセットレベル(SRST)を引いた値(SF−SRST)に達する(達した)とは、(SRB−SRST)=(SF−SRST)が成り立つことをいう。 Accordingly, the second sample value (S RB −S RST ) of the imaging signal reaches a value (S F −S RST ) obtained by subtracting the reset level (S RST ) from the saturation level (S F ) of the floating diffusion FD ( “Achieved” means that (S RB −S RST ) = (S F −S RST ) holds.
なお、フォトダイオードPD0によって得られた撮像信号を蓄積したフローティングディフュージョンFDが、フォトダイオードPD1によって得られた撮像信号をさらに蓄積した状態における(フローティングディフュージョンFDの)電荷レベル(SRB)が、飽和レベル(SF)より低くなることは生じ得ない。これは、フローティングディフュージョンFDは、フローティングディフュージョンFDの電荷レベルが飽和レベル(SF)を下回るまでには(飽和容量を超えるまでには)電荷を蓄積することはできないからである。 The charge level (S RB ) in the state where the floating diffusion FD storing the imaging signal obtained by the photodiode PD0 further accumulates the imaging signal obtained by the photodiode PD1 is the saturation level. It cannot occur lower than (S F ). This is because the floating diffusion FD cannot accumulate charges until the charge level of the floating diffusion FD falls below the saturation level (S F ) (before the saturation capacity is exceeded).
従って、実際には、撮像信号の2回目のサンプル値(SRB−SRST)が、フローティングディフュージョンFDの飽和レベル(SF)からリセットレベル(SRST)を引いた値(SF−SRST)に達する場合には、(SRB−SRST)=(SF−SRST)となる。すなわち、電荷レベル(SRB)が飽和レベル(SF)に到達した場合に相当する。 Therefore, actually, the second sample value (S RB −S RST ) of the imaging signal is a value obtained by subtracting the reset level (S RST ) from the saturation level (S F ) of the floating diffusion FD (S F −S RST). ), (S RB −S RST ) = (S F −S RST ). That is, this corresponds to the case where the charge level (S RB ) reaches the saturation level (S F ).
また、mは、フローティングディフュージョンFDに蓄積される撮像信号の信号レベルが飽和レベルに達する前までに、フローティングディフュージョンFDにおいて撮像信号が加算された画素数を表す。 Further, m represents the number of pixels to which the imaging signal is added in the floating diffusion FD before the signal level of the imaging signal accumulated in the floating diffusion FD reaches the saturation level.
2回目のサンプル値を得た場合にフローティングディフュージョンFDに蓄積される撮像信号の信号レベルが飽和レベルに達した場合には、その1回前の最初のサンプル値を得るまでに、フローティングディフュージョンFDにおいて撮像信号が加算された画素数を表すため、m=1である。なお、一般的には、1≦m≦N−1である。 When the signal level of the imaging signal accumulated in the floating diffusion FD reaches the saturation level when the second sample value is obtained, the floating diffusion FD has the first sample value before the first sampling value is obtained. In order to represent the number of pixels to which the imaging signal is added, m = 1. In general, 1 ≦ m ≦ N−1.
このため、実施の形態1では、判定回路550は、ADCLOG回路部542によって保持される撮像信号の2回目のサンプル値(SRB−SRST)が、フローティングディフュージョンFDの飽和レベル(SF)からリセットレベル(SRST)を引いた値(SF−SRST)に達したと判定した場合は、ADCLOG回路部541によって保持される撮像信号の最初のサンプル値(SRA−SRST)を2倍して出力する。この場合は、N=2、m=1であり、N/m=2になるからである。
For this reason, in the first embodiment, the
このように、2回目のサンプル値(SRB−SRST)がフローティングディフュージョンFDの飽和レベル(SF)からリセットレベル(SRST)を引いた値に達した場合には、2回目のサンプル値は、フォトダイオードPD0とPD1で得られた撮像信号の合計値を正しく反映していない。これは、信号レベルがフローティングディフュージョンFDの飽和レベルによって頭打ちになっているからである。このような場合にはダイナミックレンジが低減してしまう。 Thus, when the second sample value (S RB −S RST ) reaches the value obtained by subtracting the reset level (S RST ) from the saturation level (S F ) of the floating diffusion FD, the second sample value Does not correctly reflect the total value of the imaging signals obtained by the photodiodes PD0 and PD1. This is because the signal level reaches a peak due to the saturation level of the floating diffusion FD. In such a case, the dynamic range is reduced.
このため、実施の形態1の撮像装置500では、フローティングディフュージョンFDが飽和する直前に得られた撮像信号をN/m倍して出力することにより、ダイナミックレンジの拡大を図っている。
For this reason, in the
実施の形態1では、N/m=2であるため、2回目のサンプル値(SRB−SRST)がフローティングディフュージョンFDの飽和レベル(SF)からリセットレベル(SRST)を引いた値に達した場合には、ADCLOG回路部541によって保持される撮像信号の最初のサンプル値(SRA−SRST)を2倍して出力する。
In the first embodiment, since N / m = 2, the second sample value (S RB −S RST ) is a value obtained by subtracting the reset level (S RST ) from the saturation level (S F ) of the floating diffusion FD. If it has reached, the first sample value (S RA −S RST ) of the imaging signal held by the
一方、判定回路550は、ADCLOG回路部542によって保持される撮像信号の2回目のサンプル値(SRB−SRST)が、フローティングディフュージョンFDの飽和レベル(SF)からリセットレベル(SRST)を引いた値に達してないと判定した場合は、ADCLOG回路部542によって保持される撮像信号の2回目のサンプル値をそのまま出力する。
On the other hand, in the
2回目のサンプル値(SRB−SRST)が、フローティングディフュージョンFDの飽和レベル(SF)からリセットレベル(SRST)を引いた値に達していない場合は、フォトダイオードPD0、PD1の撮像信号の信号レベルは、正しい値が得られており、ダイナミックレンジの低下は生じないからである。 When the second sample value (S RB −S RST ) does not reach the value obtained by subtracting the reset level (S RST ) from the saturation level (S F ) of the floating diffusion FD, the imaging signals of the photodiodes PD0 and PD1 This is because the correct signal level is obtained and the dynamic range does not deteriorate.
ここで、図3及び図4を用いて、実施の形態1の撮像装置500の駆動シーケンスについて説明する。
Here, a drive sequence of the
図3及び図4は、実施の形態1の撮像装置500の駆動シーケンスを示す図である。図3及び図4には、リセット用スイッチ素子RT、スイッチ素子TX0、TX1、セレクト信号SL、及び、出力端子110Aの信号レベルPIXEL OUTを示す。PIXEL OUTは、フローティングディフュージョンFDに蓄積された撮像信号の信号レベルである。
3 and 4 are diagrams illustrating a driving sequence of the
また、リセットレベルSRSTは、リセット用スイッチ素子RTがオンされてフローティングディフュージョンFDがリセットされた状態におけるPIXEL OUTのレベルである。 The reset level SRST is the level of PIXEL OUT in a state where the reset switch element RT is turned on and the floating diffusion FD is reset.
電荷レベルSRAは、ピクセル部100のフォトダイオードPD0によって得られた撮像信号が、フローティングディフュージョンFDに蓄積された状態におけるフローティングディフュージョンFDの電荷レベルである。
The charge level S RA is a charge level of the floating diffusion FD in a state where an imaging signal obtained by the photodiode PD0 of the
電荷レベルSRBは、フォトダイオードPD0によって得られた撮像信号を蓄積したフローティングディフュージョンFDが、フォトダイオードPD1によって得られた撮像信号をさらに蓄積した状態における(フローティングディフュージョンFDの)電荷レベルである。 The charge level SRB is a charge level (of the floating diffusion FD) in a state in which the floating diffusion FD storing the imaging signal obtained by the photodiode PD0 further accumulates the imaging signal obtained by the photodiode PD1.
SFは、フローティングディフュージョンFDの飽和レベルである。 S F is the saturation level of the floating diffusion FD.
図3は、判定回路550によって、撮像信号の像信号の2回目のサンプル値(SRB−SRST)が、フローティングディフュージョンFDの飽和レベル(SF)からリセットレベル(SRST)を引いた値(SF−SRST)に達していないと判定される場合である。
FIG. 3 shows a value obtained by subtracting the reset level (S RST ) from the saturation level (S F ) of the floating diffusion FD by the
この場合は、時刻t0でリセット用スイッチ素子RTとセレクト信号SLがHレベルになり、これにより、フローティングディフュージョンFDの電荷レベルがSRSTにリセットされる。 In this case, at time t0, the reset switch element RT and the select signal SL become H level, and thereby the charge level of the floating diffusion FD is reset to SRST .
次に、時刻t1で、スイッチ素子TX0がオンにされると、フォトダイオードPD0の撮像信号が読み出されることにより、出力端子110Aの信号レベルPIXEL OUTがSRAに低下する。
Next, at time t1, the switching element TX0 is turned on, by the image pickup signal of the photodiode PD0 is read, the signal level PIXEL OUT of the
その後、リセット用スイッチ素子RTをオンにすることなく、時刻t2において、スイッチ素子TX1がオンにされると、フォトダイオードPD1の撮像信号が読み出されることにより、出力端子110Aの信号レベルPIXEL OUTがSRBに低下する。
After that, when the switch element TX1 is turned on at time t2 without turning on the reset switch element RT, the image signal of the photodiode PD1 is read, and the signal level PIXEL OUT of the
電荷レベルSRBは、飽和レベル(SF)に達していないため、判定回路550は、撮像信号の像信号の2回目のサンプル値(SRB−SRST)が、フローティングディフュージョンFDの飽和レベル(SF)からリセットレベル(SRST)を引いた値(SF−SRST)に達していないと判定する。
Since the charge level S RB has not reached the saturation level (S F ), the
その後、時刻t3では、リセット用スイッチ素子RTがHレベルにされることにより、フローティングディフュージョンFDの電荷レベルがSRSTにリセットされる。 Thereafter, at time t3, the reset switch element RT is set to H level, whereby the charge level of the floating diffusion FD is reset to SRST .
この場合は、判定回路550は、ADCLOG回路部542によって保持される撮像信号の2回目のサンプル値をそのまま出力する。
In this case, the
一方、図4は、判定回路550によって、撮像信号の像信号の2回目のサンプル値(SRB−SRST)が、フローティングディフュージョンFDの飽和レベル(SF)からリセットレベル(SRST)を引いた値(SF−SRST)に達したと判定される場合である。
On the other hand, in FIG. 4, the
この場合は、時刻t0でリセット用スイッチ素子RTとセレクト信号SLがHレベルになり、これにより、フローティングディフュージョンFDの電荷レベルがSRSTにリセットされる。 In this case, at time t0, the reset switch element RT and the select signal SL become H level, and thereby the charge level of the floating diffusion FD is reset to SRST .
次に、時刻t1で、スイッチ素子TX0がオンにされると、フォトダイオードPD0の撮像信号が読み出されることにより、出力端子110Aの信号レベルPIXEL OUTがSRAに低下する。ここまでは、図3の動作と同じである。
Next, at time t1, the switching element TX0 is turned on, by the image pickup signal of the photodiode PD0 is read, the signal level PIXEL OUT of the
その後、リセット用スイッチ素子RTをオンにすることなく、時刻t2において、スイッチ素子TX1がオンにされると、フォトダイオードPD1の撮像信号が読み出されることにより、出力端子110Aの信号レベルPIXEL OUTがSRBに低下する。
After that, when the switch element TX1 is turned on at time t2 without turning on the reset switch element RT, the image signal of the photodiode PD1 is read, and the signal level PIXEL OUT of the
図4では、フォトダイオードPD1の撮像信号を表す電荷量が図3におけるフォトダイオードPD1の撮像信号を表す電荷量よりも多いため(電子の量が多いため)、時刻t2以降における電荷レベルSRBは、図3よりも低く、飽和レベル(SF)に達する。 In Figure 4, (for the amount of electrons is large) charge amount representing the imaging signals of the photodiodes PD1 because more than the charge amount representing the imaging signals of the photodiodes PD1 in Figure 3, the charge level S RB at later time t2 The saturation level (S F ) is reached, lower than in FIG.
このため、判定回路550は、撮像信号の像信号の2回目のサンプル値(SRB−SRST)が、フローティングディフュージョンFDの飽和レベル(SF)からリセットレベル(SRST)を引いた値(SF−SRST)に達したと判定する。
Therefore, the
その後、時刻t3では、リセット用スイッチ素子RTがHレベルにされることにより、フローティングディフュージョンFDの電荷レベルがSRSTにリセットされる。 Thereafter, at time t3, the reset switch element RT is set to H level, whereby the charge level of the floating diffusion FD is reset to SRST .
この場合は、判定回路550は、ADCLOG回路部541によって保持される撮像信号の最初のサンプル値(SRA−SRST)を2倍して出力する。
In this case, the
なお、飽和レベルを無視して考えれば、図4では、時刻t2から時刻t3の前までの期間において、電荷レベルSRBは、破線で示すように飽和レベル(SF)よりも低くなる。 If the saturation level is ignored, in FIG. 4, the charge level SRB is lower than the saturation level (S F ) as shown by the broken line in the period from time t2 to time t3.
しかしながら、上述したように、フローティングディフュージョンFDは、実際には、フローティングディフュージョンFDの電荷レベルが飽和レベル(SF)を下回るまで電荷を蓄積することはできない。 However, as described above, the floating diffusion FD cannot actually store charges until the charge level of the floating diffusion FD falls below the saturation level (S F ).
このため、フォトダイオードPD1の撮像信号の信号レベルが大きくて、フォトダイオードPD0の撮像信号の信号レベルと、フォトダイオードPD1の撮像信号の信号レベルとの合計が、リセットレベル(SRST)とフローティングディフュージョンFDの飽和レベル(SF)との差よりも大きい場合は、出力端子110Aの信号レベルPIXEL OUTは、飽和レベル(SF)で底を打つことになる。
Therefore, the signal level of the imaging signal of the photodiode PD1 is large, and the sum of the signal level of the imaging signal of the photodiode PD0 and the signal level of the imaging signal of the photodiode PD1 is equal to the reset level (S RST ) and the floating diffusion. When the difference is larger than the difference between the saturation level (S F ) of FD, the signal level PIXEL OUT of the
なお、上述のような判定回路550は、例えば、組み合わせ回路によって実現することができる。
The
以上、実施の形態1の撮像装置500では、判定回路550は、ADCLOG回路部542によって保持される撮像信号の2回目のサンプル値(SRB−SRST)が、フローティングディフュージョンFDの飽和レベル(SF)からリセットレベル(SRST)を引いた値(SF−SRST)に達したか否かを判定し、飽和レベルに達したと判定した場合は、ADCLOG回路部541によって保持される撮像信号の最初のサンプル値(SRA−SRST)を、N/m倍して出力する。
As described above, in the
実施の形態1ではN=2であり、m=1である。 In the first embodiment, N = 2 and m = 1.
このため、実施の形態1では、判定回路550は、ADCLOG回路部542によって保持される撮像信号の2回目のサンプル値(SRB−SRST)が、フローティングディフュージョンFDの飽和レベル(SF)からリセットレベル(SRST)を引いた値(SF−SRST)に達したと判定した場合は、ADCLOG回路部541によって保持される撮像信号の最初のサンプル値(SRA−SRST)を2倍して出力する。
For this reason, in the first embodiment, the
すなわち、(SRB−SRST)=(SF−SRST)が成り立つ場合には、判定回路550は、(SRA−SRST)×2で表される信号レベルの撮像信号を出力する。
That is, when (S RB −S RST ) = (S F −S RST ) holds, the
従って、フォトダイオードPD1の撮像信号をフローティングディフュージョンFDで蓄積しきれない状態においても、ダイナミックレンジを2倍に拡大することができる。 Therefore, the dynamic range can be doubled even when the imaging signal of the photodiode PD1 cannot be stored in the floating diffusion FD.
なお、実施の形態1では、撮像装置500のピクセル部100が2つのフォトダイオードPD0、PD1を含む場合について説明するが、ピクセル部100は実際には多数(N個)のフォトダイオードを含む。また、これに対応して、ADCLOG回路540は、N個のADCLOG回路部を含む。
In
また、ピクセル部100が多数(N個)のフォトダイオードを含む場合に、フローティングディフュージョンFDに蓄積される撮像信号の信号レベルが飽和レベルに達する前までに、フローティングディフュージョンFDにおいて撮像信号が加算された画素数はmである。mは、1≦m≦N−1を満たす整数である。
In addition, when the
このため、実施の形態1の撮像装置500では、ピクセル部100のN個のフォトダイオードの撮像信号を順番にフローティングディフュージョンFDに蓄積して行く場合に、m+1番目のフォトダイオードの撮像信号をフローティングディフュージョンFDに蓄積したときに、フローティングディフュージョンFDの電荷レベルが飽和レベルに達した場合には、判定回路550は、m番目のADCLOG回路部が保持するm回目のサンプル値をN/m倍して出力する。
For this reason, in the
これにより、フローティングディフュージョンFDで電荷を蓄積しきれないような場合において、撮像装置500のダイナミックレンジをN/m倍に拡大することができる。
Thereby, in the case where charges cannot be accumulated in the floating diffusion FD, the dynamic range of the
一方、判定回路550は、N番目のADCLOG回路部によって保持される撮像信号のN回目のサンプル値が、フローティングディフュージョンFDの飽和レベル(SF)からリセットレベル(SRST)を引いた値に達していないと判定した場合は、N番目のADCLOG回路部によって保持される撮像信号のN回目のサンプル値をそのまま出力する。
On the other hand, in the
N回目のサンプル値が、フローティングディフュージョンFDの飽和レベル(SF)からリセットレベル(SRST)を引いた値に達していない場合は、N個のフォトダイオードの撮像信号の信号レベルは、正しい値が得られており、ダイナミックレンジの低下は生じないからである。 If the N-th sample value does not reach the value obtained by subtracting the reset level (S RST ) from the saturation level (S F ) of the floating diffusion FD, the signal levels of the imaging signals of the N photodiodes are correct values. This is because the dynamic range is not reduced.
以上、実施の形態1の撮像装置500によれば、複数の画素で得られる撮像信号をフローティングディフュージョンFDに蓄積した場合に、蓄積した撮像信号による電荷量がフローティングディフュージョンFDの飽和容量に達した場合には、撮像装置500のダイナミックレンジをN/m倍に拡大することができる。
As described above, according to the
また、ダイナミックレンジの低下を抑制するために、複数回のサンプルの平均をとる方法が提案されているが(例えば、特許文献3参照)、サンプル回数が増えることにより、撮影速度の低下を招いている。 Further, in order to suppress a decrease in dynamic range, a method of taking an average of a plurality of samples has been proposed (see, for example, Patent Document 3). However, an increase in the number of samples causes a decrease in shooting speed. Yes.
これに対して、実施の形態1の撮像装置500は、上述のように平均値を求めるような処理は必要ないため、撮影速度の低下が生じることもない。
On the other hand, the
ここで、低照度の場合(電荷量が飽和容量に達しない場合)のノイズレベルは、通常の1画素ずつ読み出す場合のノイズレベルとなる。これに対し、高照度の場合(電荷量が飽和容量に達する場合)のノイズレベルは、N/m倍となるが、高照度側では光ショットノイズが支配的となることから、ノイズレベルは無視できる。 Here, the noise level in the case of low illuminance (when the charge amount does not reach the saturation capacity) is the noise level when reading one pixel at a time. On the other hand, the noise level at high illuminance (when the charge amount reaches the saturation capacity) is N / m times, but the light level is ignored on the high illuminance side, so the noise level is ignored. it can.
このため、低照度側のノイズレベルは同じでありながら最大信号レベルはN/m倍になる。これによりダイナミックレンジをN/m倍に拡大できる。ここで、フローティングディフュージョンFDの飽和容量(飽和レベル)は任意に決めることができる。 For this reason, while the noise level on the low illuminance side is the same, the maximum signal level is N / m times. As a result, the dynamic range can be expanded to N / m times. Here, the saturation capacity (saturation level) of the floating diffusion FD can be determined arbitrarily.
各画素には、製造誤差による飽和レベルのばらつきがあることから、加算処理した時の各画素の飽和レベルのばらつきの最小値以下に設定することで、誤判定をなくすことができる。 Since each pixel has a saturation level variation due to a manufacturing error, it is possible to eliminate an erroneous determination by setting the saturation level variation or less for each pixel when the addition processing is performed.
<実施の形態2>
実施の形態2では、フォトダイオードPD0、PD1の入射光量に比較的大きな差がある場合について説明する。
<
In the second embodiment, a case where there is a relatively large difference in the amount of incident light of the photodiodes PD0 and PD1 will be described.
実施の形態2の撮像装置は、ピクセル部の構成が実施の形態1の撮像装置500と異なる。ピクセル部以外の構成は、実施の形態1の撮像装置500と同様である。このため、以下では、実施の形態2のピクセル部200と駆動シーケンスについて説明する。
The imaging device of the second embodiment is different from the
図5は、実施の形態2のピクセル部200を示す図である。図6は、駆動シーケンスの一例を示す図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating the
実施の形態2のピクセル部200は、実施の形態1のピクセル部100(図1参照)に、フォトダイオードPD0とPD1の出力端子を接続するスイッチ素子SPを追加したものである。スイッチ素子SPは、フォトダイオードPD0とPD1の出力信号を合成する(等分する)合成部の一例である。
The
スイッチ素子SPは、例えば、n型のFETで構成され、ドレインがフォトダイオードPD0の出力端子に接続され、ソースがフォトダイオードPD1の出力端子に接続され、ゲートが実施の形態2の撮像装置の駆動部に接続される。なお、ドレインとソースの接続は逆であってもよい。 The switch element SP is composed of, for example, an n-type FET, the drain is connected to the output terminal of the photodiode PD0, the source is connected to the output terminal of the photodiode PD1, and the gate is the drive of the imaging device of the second embodiment. Connected to the part. The drain and source connection may be reversed.
例えば、フォトダイオードPD0とPD1の位置が、実施の形態1のフォトダイオードPD0とPD1の位置関係に比べて離れている場合や、画素ピッチが比較的大きい場合において、コントラストが激しい被写体を撮像する場合において、フォトダイオードPD0とPD1の信号量に差異が生じる。 For example, when the positions of the photodiodes PD0 and PD1 are far apart from the positional relationship between the photodiodes PD0 and PD1 of the first embodiment or when the subject has a high contrast when the pixel pitch is relatively large. Therefore, a difference occurs in the signal amount between the photodiodes PD0 and PD1.
それはフォトダイオードPD0とPD1は撮像面上で別位置に存在し、入射光量に差が生じるためである。 This is because the photodiodes PD0 and PD1 exist at different positions on the imaging surface, and a difference occurs in the amount of incident light.
例えば、フォトダイオードPD0の入射光量が、フォトダイオードPD1の入射光量に比べて小さく、フォトダイオードPD0とPD1撮像信号をフローティングディフュージョンFDに蓄積すると、合計の電荷量が飽和レベルに達してしまう場合について考える。 For example, consider a case where the incident light amount of the photodiode PD0 is smaller than the incident light amount of the photodiode PD1, and when the photodiode PD0 and the PD1 imaging signal are accumulated in the floating diffusion FD, the total charge amount reaches a saturation level. .
このような場合には、図6に示すように、最初のサンプル値(SRA−SRST)を2倍した信号量2×(SRA−SRST)と、飽和レベルを無視して考えた場合の2回目のサンプル値(SRB−SRST)とに大きな相違が生じる。これらの値は、フォトダイオードPD0とPD1の入射光量が略等しい状態では、略同一の値になるはずである。実施の形態1の撮像装置500は、このような前提に基づいている。
In such a case, as shown in FIG. 6, the first sample value (S RA -S RST) twice the amount of signal 2 × (S RA -S RST) , considered ignoring saturation level In this case, there is a great difference from the second sample value (S RB −S RST ). These values should be substantially the same when the incident light amounts of the photodiodes PD0 and PD1 are substantially equal. The
このような状態に対応するのが実施の形態2の撮像装置である。 The imaging apparatus according to the second embodiment corresponds to such a state.
図7は、フォトダイオードPD0、PD1の電荷量を模式的に示す図である。図7(A)〜(C)では、フォトダイオードPD0とPD1の電荷量を縦軸に示す。図7(A)では、スイッチ素子TX0、TX1、SPは、すべてオフである。図7(B)では、スイッチ素子TX0、TX1はオフであり、スイッチ素子SPはオンである。図7(C)では、スイッチ素子TX0、TX1、SPは、すべてオフである。 FIG. 7 is a diagram schematically showing the charge amounts of the photodiodes PD0 and PD1. 7A to 7C, the vertical axes indicate the charge amounts of the photodiodes PD0 and PD1. In FIG. 7A, the switch elements TX0, TX1, and SP are all off. In FIG. 7B, the switch elements TX0 and TX1 are off, and the switch element SP is on. In FIG. 7C, the switch elements TX0, TX1, and SP are all off.
例えば、図7(A)に示すように、スイッチ素子SPがオフの状態で、フォトダイオードPD0で得る電荷量が少なく、フォトダイオードPD1で得る電荷量の方が多くなったとする。 For example, as shown in FIG. 7A, it is assumed that the amount of charge obtained by the photodiode PD0 is small and the amount of charge obtained by the photodiode PD1 is larger when the switch element SP is off.
このような場合には、図7(B)に示すように、スイッチ素子SPをオンにすれば、フォトダイオードPD0とPD1の電荷量を等しくすることができる。 In such a case, as shown in FIG. 7B, the charge amounts of the photodiodes PD0 and PD1 can be made equal by turning on the switch element SP.
図7(B)のようにスイッチ素子SPをオンにしてフォトダイオードPD0とPD1の電荷量を等しくした後は、スイッチ素子SPをオフにしても、図7(C)に示すように、フォトダイオードPD0とPD1の電荷量は等しいままである。 After the switch element SP is turned on as shown in FIG. 7B and the charge amounts of the photodiodes PD0 and PD1 are made equal, even if the switch element SP is turned off, as shown in FIG. The charge amounts of PD0 and PD1 remain equal.
実施の形態2では、スイッチ素子SPをオンにすることにより、フォトダイオードPD0とPD1の入射光量の異なる場合であっても、両者の電荷量を等しくすることができる。 In the second embodiment, by turning on the switching element SP, the charge amounts of the photodiodes PD0 and PD1 can be made equal even when the incident light amounts of the photodiodes PD0 and PD1 are different.
図8は、実施の形態2の撮像装置の駆動シーケンスを示す図である。 FIG. 8 is a diagram illustrating a driving sequence of the imaging apparatus according to the second embodiment.
図8に示すように、スイッチ素子SPは、時刻t1の直前にオンにされる。これにより、フォトダイオードPD0とPD1の電荷量を等しくすることができる。 As shown in FIG. 8, the switch element SP is turned on immediately before time t1. Thereby, the charge amounts of the photodiodes PD0 and PD1 can be made equal.
ここで、図8には、飽和レベルを無視して考えれば、図4で示した場合と同様に、時刻t2から時刻t3の前までの期間において、電荷レベルSRBは、破線で示すように飽和レベル(SF)よりも低くなる。しかし、実際には、電荷レベルSRBが飽和レベル(SF)よりも低くなることはあり得ない。 Here, in FIG. 8, if the saturation level is ignored, as in the case shown in FIG. 4, the charge level SRB is indicated by a broken line in the period from time t2 to before time t3. It becomes lower than the saturation level (S F ). However, in practice, the charge level S RB cannot be lower than the saturation level (S F ).
しかしながら、実施の形態2では、時刻t1の直前にスイッチ素子SPをオンにすることにより、フォトダイオードPD0とPD1の電荷量を等しくしているため、時刻t2以降において、電荷レベルSRBが飽和レベル(SF)に達した場合に、最初のサンプル値(SRA−SRST)を2倍した信号量2×(SRA−SRST)と、飽和レベルを無視して考えた場合の2回目のサンプル値(SRB−SRST)とを等しくすることができる。
However, in
このため、実施の形態2の撮像装置では、フォトダイオードPD0、PD1の入射光量に比較的大きな差がある場合でも、実施の形態1と同様にダイナミックレンジを拡大することができる。 For this reason, in the imaging apparatus according to the second embodiment, the dynamic range can be expanded as in the first embodiment even when there is a relatively large difference in the amount of incident light between the photodiodes PD0 and PD1.
実施の形態2の撮像装置は、例えば、自然画像のようにコントラストが激しくて空間周波数が高い場合であっても、ダイナミックレンジを拡大することができる。
The imaging apparatus of
なお、以上では、ピクセル部200が2つのフォトダイオードPD0、PD1を含む形態について説明したが、一般的にN個のフォトダイオードを含む場合には、N個のフォトダイオードの出力端子をN−1個のスイッチ素子SPで接続すればよい。
In the above description, the
以上、本発明の例示的な実施の形態の撮像装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。 The imaging device according to the exemplary embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the specifically disclosed embodiment, and does not depart from the scope of the claims. Various modifications and changes are possible.
100 ピクセル部
100A 出力端子
110 出力段
PD0、PD1 フォトダイオード
TX0、TX1 スイッチ素子
FD フローティングディフュージョン
RT リセット用スイッチ素子
500 撮像装置
510 CDS回路
520 PGA回路
530 ADC回路
540 ADCLOG回路
541、542 ADCLOG回路部
550 判定回路
200 ピクセル部
SP スイッチ素子
DESCRIPTION OF
Claims (4)
複数の光電変換部の出力端子にそれぞれ接続される複数のスイッチ素子と、
複数のスイッチ素子の出力側に接続され、複数のスイッチ素子を介して、複数の光電変換部の出力信号を順番に加算して蓄積するフローティングディフュージョンと、
フローティングディフュージョンに接続される信号読み出し回路と
を含み、
信号読み出し回路は、フローティングディフュージョンに蓄積される電荷量がフローティングディフュージョンの飽和容量に達した場合は、電荷量が飽和容量に達する前までに光電変換部の出力信号が加算された画素数をm、複数画素の全画素数をNとすると、電荷量が飽和容量に達する前までに光電変換部の出力信号を加算して得た信号のレベルをN/m倍して出力する、撮像装置。 A plurality of photoelectric conversion units disposed one by one in a plurality of pixels;
A plurality of switch elements respectively connected to output terminals of the plurality of photoelectric conversion units;
Floating diffusion that is connected to the output side of the plurality of switch elements and accumulates the output signals of the plurality of photoelectric conversion units in order through the plurality of switch elements;
A signal readout circuit connected to the floating diffusion,
When the amount of charge accumulated in the floating diffusion reaches the saturation capacity of the floating diffusion, the signal readout circuit sets the number of pixels to which the output signal of the photoelectric conversion unit is added before the amount of charge reaches the saturation capacity, m, An imaging apparatus that outputs a signal obtained by adding N / m times the level of a signal obtained by adding output signals of a photoelectric conversion unit before the amount of charge reaches a saturation capacity, where N is the total number of pixels.
フローティングディフュージョンの出力信号をデジタル変換するADコンバータと、
ADコンバータの出力側に接続され、フローティングディフュージョンが順番に加算して蓄積する信号を加算回毎に順番に保持する、光電変換部と同一数の複数の保持回路と、
複数の保持回路のうちのいずれかが保持する信号が飽和容量に達したか否かを判定し、いずれかの信号が飽和容量に達した場合は、信号が飽和容量に達する前の加算回に対応する保持回路で保持された信号をN/m倍して出力する判定回路と
を有する、請求項1又は2記載の撮像装置。 The signal readout circuit
An AD converter for digitally converting the output signal of the floating diffusion;
A plurality of holding circuits that are connected to the output side of the AD converter and hold the signals that the floating diffusion sequentially adds and stores in order for each addition, and the same number of photoelectric conversion units;
Determine whether the signal held by any of the multiple holding circuits has reached the saturation capacity, and if any of the signals has reached the saturation capacity, add it before the signal reaches the saturation capacity. The imaging apparatus according to claim 1, further comprising: a determination circuit that outputs a signal held by a corresponding holding circuit by N / m times.
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