JP2015100003A - Solid-state imaging element and imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子及びこれを用いた撮像装置に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device and an imaging apparatus using the same.
下記特許文献1には、複数の画素であって少なくとも2つの画素がそれぞれ(a)フォトディテクタ、(b)フローティング容量部をなす電荷電圧変換領域及び(c)増幅器への入力部を含む複数の画素と、前記電荷電圧変換領域同士を選択的に接続する連結スイッチとを備えた固体撮像素子が開示されている。
In
前記従来の固体撮像素子において、前記連結スイッチをオンして前記電荷電圧変換領域同士を接続することによって、接続された全体の電荷電圧変換領域での飽和電子数が拡大されるため、ダイナミックレンジを拡大させることができる。 In the conventional solid-state imaging device, by turning on the connection switch and connecting the charge-voltage conversion regions to each other, the number of saturated electrons in the entire connected charge-voltage conversion region is expanded, so that the dynamic range is increased. Can be enlarged.
また、前記従来の固体撮像素子において、前記連結スイッチをオフして前記電荷電圧変換領域を他の電荷電圧変換領域から切り離すことによって、電荷電圧変換容量が小さくなってその電荷電圧変換係数が大きくなるため、高感度読出し時のSN比が高くなる。 In the conventional solid-state imaging device, the charge-voltage conversion capacity is reduced and the charge-voltage conversion coefficient is increased by turning off the connection switch and separating the charge-voltage conversion region from other charge-voltage conversion regions. Therefore, the SN ratio at the time of high sensitivity reading becomes high.
しかし、前記従来の固体撮像素子では、前記連結スイッチをオフにしても、高感度読み出し時のSN比をさほど高くすることはできなかった。 However, in the conventional solid-state imaging device, even when the connection switch is turned off, the SN ratio at the time of high-sensitivity readout cannot be increased so much.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ダイナミックレンジを拡大させることができるとともに、高感度読出し時のSN比を向上させることができる固体撮像素子、及び、これを用いた撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, a solid-state imaging device capable of expanding the dynamic range and improving the SN ratio at the time of high-sensitivity reading, and imaging using the same. An object is to provide an apparatus.
前記課題を解決するための手段として、以下の各態様を提示する。第1の態様による固体撮像素子は、1つの光電変換部、第1のノード、及び、前記1つの光電変換部に対応して設けられ前記光電変換部から前記第1のノードに電荷を転送する1つの転送スイッチを有する複数の画素ブロックと、3つ以上の前記画素ブロックの前記第1のノードにそれぞれ対応する3つ以上の第2のノードと、
前記3つ以上の前記画素ブロックの第1のノードと前記3つ以上の第2のノードとの間を、それぞれ電気的に接続及び切断する3つ以上の第1のスイッチ部と、前記3つ以上の第2のノードを接続し、各々が2つの前記第2のノード間を電気的に接続及び切断する複数の第2のスイッチ部と、を備えたものである。
The following aspects are presented as means for solving the problems. The solid-state imaging device according to the first aspect is provided corresponding to one photoelectric conversion unit, a first node, and the one photoelectric conversion unit, and transfers charges from the photoelectric conversion unit to the first node. A plurality of pixel blocks having one transfer switch, and three or more second nodes respectively corresponding to the first nodes of three or more pixel blocks;
Three or more first switch units that electrically connect and disconnect between the first node of the three or more pixel blocks and the three or more second nodes, respectively, and the three A plurality of second switch units that connect the second nodes described above and each electrically connect and disconnect between the two second nodes are provided.
前記画素ブロックは、前記光電変換部を1つのみ有していて1つの画素で構成されたものでもよいし、前記光電変換部を2つ以上有していて複数の画素で構成されたものでもよい。この点は、後述する各態様についても同様である。 The pixel block may have only one photoelectric conversion unit and be configured by one pixel, or may have two or more photoelectric conversion units and be configured by a plurality of pixels. Good. This is the same for each aspect described later.
第2の態様による固体撮像素子は、前記第1の態様において、前記複数の第2のスイッチ部は、前記3つ以上の第2のノードを数珠繋ぎ状に接続するものである。 In the solid-state imaging device according to a second aspect, in the first aspect, the plurality of second switch units connect the three or more second nodes in a daisy chain.
第3の態様による固体撮像素子は、前記第1又は第2の態様において、所定動作モードにおいて、前記各第1のスイッチ部のうちのp個(pは1以上の整数)のオン状態の第1のスイッチ部及び前記各第2のスイッチ部のうちのq個(qはpよりも大きい整数)のオン状態の第2のスイッチ部が、前記3つ以上の画素ブロックのうちの1つの画素ブロックの前記第1のノードに対して電気的に接続された状態となるように、前記各第1のスイッチ部及び前記各第2のスイッチ部を制御する制御部を備えたものである。 In the first or second aspect, the solid-state imaging device according to the third aspect is the p-state (p is an integer of 1 or more) of the first switch sections in the predetermined operation mode. 1 switch unit and q (q is an integer greater than p) of the second switch units are ON pixels, and one of the three or more pixel blocks is one pixel. A control unit that controls each of the first switch units and each of the second switch units is provided so as to be electrically connected to the first node of the block.
第4の態様による固体撮像素子は、前記第3の態様において、前記pが1であるものである。 The solid-state imaging device according to the fourth aspect is the one in which the p is 1 in the third aspect.
第5の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第4のいずれかの態様において、前記制御部は、他の所定動作モードにおいて、前記3つ以上の画素ブロックのうちの1つの画素ブロックの前記第1のノードとこれに対応する前記第2のノードとの間を電気的に接続及び切断する前記第1のスイッチ部がオフするように、前記3つ以上の画素ブロックのうちの前記1つの画素ブロックの前記第1のスイッチ部を制御するものである。 A solid-state imaging device according to a fifth aspect is the solid-state imaging device according to any one of the first to fourth aspects, wherein the control unit has one pixel block of the three or more pixel blocks in another predetermined operation mode. The first of the three or more pixel blocks is turned off so that the first switch unit that electrically connects and disconnects between the first node and the second node corresponding to the first node. The first switch section of one pixel block is controlled.
第6の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第5のいずれかの態様において、前記各画素ブロックは、前記光電変換部及び前記転送スイッチをそれぞれ複数有するものである。 In the solid-state imaging device according to the sixth aspect, in any one of the first to fifth aspects, each of the pixel blocks includes a plurality of the photoelectric conversion units and the transfer switches.
第7の態様による撮像装置は、前記第1乃至第6のいずれかの固体撮像素子を備えたものである。 An imaging apparatus according to a seventh aspect includes any one of the first to sixth solid-state imaging elements.
第8の態様による撮像装置は、前記第7の態様において、ISO感度の設定値に応じて前記所定動作モードと前記他の所定動作モードとを切り替える制御手段を備えたものである。 In the seventh aspect, an imaging apparatus according to an eighth aspect includes control means for switching between the predetermined operation mode and the other predetermined operation mode according to a set value of ISO sensitivity.
本発明によれば、ダイナミックレンジを拡大させることができるとともに、高感度読出し時のSN比を向上させることができる固体撮像素子、及び、これを用いた撮像装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while being able to expand a dynamic range, the solid-state image sensor which can improve the S / N ratio at the time of highly sensitive reading, and an imaging device using the same can be provided.
以下、本発明による固体撮像素子及び撮像装置について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, a solid-state imaging device and an imaging apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態による電子カメラ1を模式的に示す概略ブロック図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic block diagram schematically showing the
本実施の形態による電子カメラ1は、例えば一眼レフのデジタルカメラとして構成されるが、本発明による撮像装置は、これに限らず、コンパクトカメラなどの他の電子カメラや、携帯電話に搭載された電子カメラや、動画を撮像するビデオカメラ等の電子カメラなどの種々の撮像装置に適用することができる。
The
電子カメラ1には、撮影レンズ2が装着される。この撮影レンズ2は、レンズ制御部3によってフォーカスや絞りが駆動される。この撮影レンズ2の像空間には、固体撮像素子4の撮像面が配置される。
A photographing
固体撮像素子4は、撮像制御部5の指令によって駆動され、デジタルの画像信号を出力する。通常の本撮影時(静止画撮影時)などでは、撮像制御部5は、例えば、全画素を同時にリセットするいわゆるグローバルリセット後に、図示しないメカニカルシャッタで露光した後に、所定の読み出し動作を行うように固体撮像素子4を制御する。また、電子ビューファインダーモード時や動画撮影時などでは、撮像制御部5は、例えばいわゆるローリング電子シャッタを行いつつ所定の読み出し動作を行うように固体撮像素子4を制御する。これらのとき、撮像制御部5は、後述するように、ISO感度の設定値に応じて、後述する各動作モードの読み出し動作を行うように、固体撮像素子4を制御する。デジタル信号処理部6は、固体撮像素子4から出力されるデジタルの画像信号に対して、デジタル増幅、色補間処理、ホワイトバランス処理などの画像処理等を行う。デジタル信号処理部6による処理後の画像信号は、メモリ7に一旦蓄積される。メモリ7は、バス8に接続されている。バス8には、レンズ制御部3、撮像制御部5、CPU9、液晶表示パネル等の表示部10、記録部11、画像圧縮部12及び画像処理部13なども接続される。CPU9には、レリーズ釦などの操作部14が接続される。操作部14によって、ISO感度を設定することができるようになっている。記録部11には記録媒体11aが着脱自在に装着される。
The solid-
電子カメラ1内のCPU9は、操作部14の操作により電子ビューファインダーモードや動画撮影や通常の本撮影(静止画撮影)などが指示されると、それに合わせて撮像制御部5を駆動する。このとき、レンズ制御部3によって、フォーカスや絞りが適宜調整される。固体撮像素子4は、撮像制御部5の指令によって駆動され、デジタルの画像信号を出力する。固体撮像素子4からのデジタルの画像信号は、デジタル信号処理部6で処理された後に、メモリ7に蓄積される。CPU9は、電子ビューファインダーモード時にはその画像信号を表示部10に画像表示させ、動画撮影時にはその画像信号を記録媒体11aに記録する。通常の本撮影時(静止画撮影時)などの場合は、CPU9は、固体撮像素子4からのデジタルの画像信号がデジタル信号処理部6で処理されてメモリ7に蓄積された後に、操作部14の指令に基づき、必要に応じて画像処理部13や画像圧縮部12にて所望の処理を行い、記録部11に処理後の信号を出力させ記録媒体11aに記録する。
When the
図2は、図1中の固体撮像素子4の概略構成を示す回路図である。図3は、図2中の列方向に順次並んだ4つの画素ブロックBLの付近を拡大して示す回路図である。本実施の形態では、固体撮像素子4は、CMOS型の固体撮像素子として構成されているが、これに限らず、例えば、他のXYアドレス型固体撮像素子として構成してもよい。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a schematic configuration of the solid-
固体撮像素子4は、図2及び図3に示すように、N行M列に2次元マトリクス状に配置されそれぞれ2つの画素PX(PXA,PXB)を有する画素ブロックBLと、後述する第1のノードPaとこれに対応する第2のノードPbとの間を電気的に接続及び切断する第1のスイッチ部としての第1のトランジスタSWAと、2つの第2のノードPb間を電気的に接続及び切断する第2のスイッチ部としての第2のトランジスタSWBと、垂直走査回路21と、画素ブロックBLの行毎に設けられた制御線22〜27と、画素PXの列毎に(画素ブロックBLの列毎に)設けられ対応する列の画素PX(画素ブロックBL)からの信号を受け取る複数の(M本の)垂直信号線28と、各垂直信号線28に設けられた定電流源29と、各垂直信号線28に対応して設けられたカラムアンプ30、CDS回路(相関2重サンプリング回路)31及びA/D変換器32と、水平読み出し回路33とを有している。
As shown in FIGS. 2 and 3, the solid-
なお、カラムアンプ30として、アナログ増幅器を用いてもよいし、いわゆるスイッチトキャパシタアンプを用いてもよい。また、カラムアンプ30は、必ずしも設けなくてもよい。
The
図面表記の便宜上、図2ではM=2として示しているが、列数Mは実際にはより多くの任意の数にされる。また、行数Nも限定されない。画素ブロックBLを行毎に区別する場合、j行目の画素ブロックBLは符号BL(j)で示す。この点は、他の要素や後述する制御信号についても同様である。図2及び図3には、4行に渡るn−1行目乃至n+2行目の画素ブロックBL(n−1)〜BL(n+2)が示されている。 For convenience of drawing, FIG. 2 shows M = 2, but the number of columns M is actually a larger arbitrary number. Further, the number N of rows is not limited. When distinguishing the pixel block BL for each row, the pixel block BL in the j-th row is indicated by a symbol BL (j). This also applies to other elements and control signals described later. 2 and 3 show pixel blocks BL (n−1) to BL (n + 2) in the (n−1) th to n + 2th rows over four rows.
なお、図面では、画素ブロックBLのうち図2及び図3中下側の画素の符号をPXAとし、図2及び図3中上側の画素の符号をPXBとして、両者を区別しているが、両者を区別しないで説明するときには両者に符号PXを付して説明する場合がある。また、図面では、画素PXAのフォトダイオードの符号をPDAとし、画素PXBのフォトダイオードの符号をPDBとして、両者を区別しているが、両者を区別しないで説明するときには両者に符号PDを付して説明する場合がある。同様に、画素PXAの転送トランジスタの符号をTXAとし、画素PXBの転送トランジスタの符号をTXBとして、両者を区別しているが、両者を区別しないで説明するときには両者に符号TXを付して説明する場合がある。なお、本実施の形態では、画素PXのフォトダイオードPDは、2N行M列に2次元マトリクス状に配置されている。 In the drawing, the pixel of the pixel block BL is distinguished from the lower pixel in FIGS. 2 and 3 by PXA and the upper pixel in FIGS. 2 and 3 is PXB. When the description is made without distinction, the description may be made with the reference numeral PX attached to both. In the drawings, the photodiode of the pixel PXA is identified by PDA, and the photodiode of the pixel PXB is identified by PDB. However, when the description is made without distinguishing both, the PD is denoted by PD. May explain. Similarly, the transfer transistor of the pixel PXA is denoted by TXA and the transfer transistor of the pixel PXB is denoted by TXB. The two are distinguished from each other. There is a case. In the present embodiment, the photodiodes PD of the pixels PX are arranged in 2N rows and M columns in a two-dimensional matrix.
本実施の形態では、各画素PXは、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部としてのフォトダイオードPDと、フォトダイオードPDから第1のノードPaに電荷を転送する転送スイッチとしての転送トランジスタTXとを有している。 In the present embodiment, each pixel PX is a photodiode PD as a photoelectric conversion unit that generates and accumulates signal charges according to incident light, and a transfer switch that transfers charges from the photodiode PD to the first node Pa. Transfer transistor TX.
本実施の形態では、複数の画素PXは、フォトダイオードPDが列方向に順次並んだ2個の画素PX(PXA,PXB)毎に画素ブロックBLをなしている。図2及び図3に示すように、各画素ブロックBL毎に、当該画素ブロックBLに属する2個の画素PX(PXA,PXB)が、1組の第1のノードPa、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRST及び選択トランジスタSELを共有している。第1のノードPaには基準電位との間に容量(電荷電圧変換容量)が形成され、その容量によって、第1のノードPaに転送されてきた電荷が電圧に変換される。増幅トランジスタAMPは、第1のノードPaの電位に応じた信号を出力する増幅部を構成している。リセットトランジスタRSTは、第1のノードPaの電位をリセットするリセットスイッチを構成している。選択トランジスタSELは、当該画素ブロックBLを選択するための選択部を構成している。フォトダイオードPD及び転送トランジスタTXは、2個の画素PX(PXA,PXB)で共有されることなく、画素PX毎に設けられている。図2及び図3では、nは画素ブロックBLの行を示している。例えば、1行目の画素PX(PXA)と2行目の画素PX(PXB)とにより1行目の画素ブロックBLが構成され、3行目の画素PX(PXA)と4行目の画素PX(PXB)とにより2行目の画素ブロックBLが構成されている。 In the present embodiment, the plurality of pixels PX form a pixel block BL for every two pixels PX (PXA, PXB) in which the photodiodes PD are sequentially arranged in the column direction. As shown in FIGS. 2 and 3, for each pixel block BL, two pixels PX (PXA, PXB) belonging to the pixel block BL include a set of first node Pa, amplification transistor AMP, and reset transistor. The RST and the selection transistor SEL are shared. A capacitance (charge-voltage conversion capacitance) is formed between the first node Pa and the reference potential, and the charge transferred to the first node Pa is converted into a voltage by the capacitance. The amplification transistor AMP constitutes an amplification unit that outputs a signal corresponding to the potential of the first node Pa. The reset transistor RST constitutes a reset switch that resets the potential of the first node Pa. The selection transistor SEL constitutes a selection unit for selecting the pixel block BL. The photodiode PD and the transfer transistor TX are provided for each pixel PX without being shared by the two pixels PX (PXA, PXB). 2 and 3, n indicates a row of the pixel block BL. For example, a pixel block BL in the first row is constituted by the pixel PX (PXA) in the first row and the pixel PX (PXB) in the second row, and the pixel PX (PXA) in the third row and the pixel PX in the fourth row. (PXB) constitutes the pixel block BL in the second row.
例えば、画素ブロックBL(n)の転送トランジスタTXA(n)は、フォトダイオードPDA(n)から第1のノードPa(n)に電荷を転送し、転送トランジスタTXB(n)はフォトダイオードPDB(n)から第1のノードPa(n)に電荷を転送する。第1のノードPa(n)には基準電位との間に容量(電荷電圧変換容量)が形成され、その容量によって、第1のノードPa(n)に転送されてきた電荷が電圧に変換される。増幅トランジスタAMP(n)は、第1のノードPa(n)の電位に応じた信号を出力する。リセットトランジスタRST(n)は、第1のノードPa(n)の電位をリセットする。これらの点は、他の画素ブロックBLの行についても同様である。 For example, the transfer transistor TXA (n) of the pixel block BL (n) transfers charge from the photodiode PDA (n) to the first node Pa (n), and the transfer transistor TXB (n) is the photodiode PDB (n ) To the first node Pa (n). A capacitance (charge-voltage conversion capacitance) is formed between the first node Pa (n) and the reference potential, and the charge transferred to the first node Pa (n) is converted into a voltage by the capacitance. The The amplification transistor AMP (n) outputs a signal corresponding to the potential of the first node Pa (n). The reset transistor RST (n) resets the potential of the first node Pa (n). The same applies to the rows of other pixel blocks BL.
なお、本発明では、例えば、フォトダイオードPDが列方向に順次並んだ3個以上の画素PX毎に画素ブロックBLを構成するようにしてもよい。 In the present invention, for example, the pixel block BL may be configured for each of three or more pixels PX in which the photodiodes PD are sequentially arranged in the column direction.
図面には示していないが、本実施の形態では、各々の画素PXのフォトダイオードPDの光入射側には、それぞれが異なる色成分の光を透過させる複数種類のカラーフィルタが、所定の色配列(例えば、ベイヤー配列)で配置されている。画素PXは、カラーフィルタでの色分解によって各色に対応する電気信号を出力する。 Although not shown in the drawings, in the present embodiment, a plurality of types of color filters that transmit light of different color components are arranged in a predetermined color array on the light incident side of the photodiode PD of each pixel PX. (For example, a Bayer array). The pixel PX outputs an electrical signal corresponding to each color by color separation with a color filter.
第1のトランジスタSWA(n)は、第1のノードPa(n)とこれに対応する第2のノードPb(n)との間を電気的に接続及び切断する第1のスイッチ部を構成している。このような第1のスイッチ部は、複数のトランジスタ等のスイッチを組み合わせて構成することも可能であるが、構造を簡単にするため、本実施の形態のように単一の第1のトランジスタSWA(n)で構成することが好ましい。これらの点は、他の第1のトランジスタSWAについても同様である。 The first transistor SWA (n) constitutes a first switch unit that electrically connects and disconnects between the first node Pa (n) and the corresponding second node Pb (n). ing. Such a first switch unit can be configured by combining a plurality of switches such as transistors, but in order to simplify the structure, a single first transistor SWA is used as in the present embodiment. (N) is preferable. The same applies to the other first transistors SWA.
各第2のトランジスタSWBは、各画素ブロックBLのうちの列方向に互いに隣り合う各2つの画素ブロックBLについて、一方の画素ブロックBLの第1のノードPaに対応する第2のノードPbと他方の画素ブロックBLの第1のノードPaに対応する第2のノードPbとの間を電気的に接続及び切断するように設けられた第2のスイッチ部を構成している。これによって、本実施の形態では、3つ以上の画素ブロックBLの第1のノードPaが、複数の前記第2のスイッチ部により数珠繋ぎ状に接続されている。前述したような第2のスイッチ部は、複数のトランジスタ等のスイッチを組み合わせて構成することも可能であるが、構造を簡単にするため、本実施の形態のように単一の第2のトランジスタSWBで構成することが好ましい。 Each second transistor SWB includes a second node Pb corresponding to the first node Pa of the one pixel block BL and the other of the two pixel blocks BL adjacent to each other in the column direction among the pixel blocks BL. The second switch unit is configured to be electrically connected to and disconnected from the second node Pb corresponding to the first node Pa of the pixel block BL. Thus, in the present embodiment, the first nodes Pa of three or more pixel blocks BL are connected in a daisy chain by a plurality of the second switch portions. The second switch portion as described above can be configured by combining a plurality of switches such as a plurality of transistors. However, in order to simplify the structure, a single second transistor is used as in the present embodiment. It is preferable to use SWB.
例えば、第2のトランジスタSWB(n)は、n行目の画素ブロックBL(n)の第1のノードPa(n)に対応する第2のノードPb(n)とn−1行目の画素ブロックBL(n−1)の第1のノードPa(n−1)に対応する第2のノードPb(n−1)との間を電気的に接続及び切断するように、設けられている。この点は、他の第2のトランジスタSWBについても同様である。 For example, the second transistor SWB (n) includes the second node Pb (n) corresponding to the first node Pa (n) of the pixel block BL (n) in the nth row and the pixel in the n−1th row. The block BL (n−1) is provided so as to be electrically connected to and disconnected from the second node Pb (n−1) corresponding to the first node Pa (n−1) of the block BL (n−1). This also applies to the other second transistors SWB.
画素ブロックBL(n)の増幅トランジスタAMP(n)のゲート電極、リセットトランジスタRST(n)のソース領域、転送トランジスタTXA(n),TXB(n)のドレイン拡散領域、及び、第1のトランジスタSWA(n)のソース拡散領域の間が、配線71(n)によって互いに電気的に接続されて導通している。第1のノードPa(n)は、配線71(n)及びこれに対して電気的に接続されて導通している箇所全体に相当している。これらの点は、他の画素ブロックBLの行についても同様である。 The gate electrode of the amplification transistor AMP (n) of the pixel block BL (n), the source region of the reset transistor RST (n), the drain diffusion region of the transfer transistors TXA (n) and TXB (n), and the first transistor SWA The source diffusion regions (n) are electrically connected to each other by the wiring 71 (n) and are conductive. The first node Pa (n) corresponds to the wiring 71 (n) and the entire portion that is electrically connected to and conductive with the wiring 71 (n). The same applies to the rows of other pixel blocks BL.
第1のトランジスタSWA(n)のドレイン拡散領域、第2のトランジスタSWB(n)のドレイン拡散領域及び第2のトランジスタSWB(n+1)のソース拡散領域の間が、配線72(n)によって互いに電気的に接続されて導通している。第2のノードPb(n)は、配線72(n)及びこれに対して電気的に接続されて導通している箇所全体に相当している。これらの点は、他の第1のトランジスタSWA及び他の第2のトランジスタSWBについても同様である。 The wiring 72 (n) electrically connects the drain diffusion region of the first transistor SWA (n), the drain diffusion region of the second transistor SWB (n), and the source diffusion region of the second transistor SWB (n + 1). Connected and conducting. The second node Pb (n) corresponds to the wiring 72 (n) and the entire portion that is electrically connected to and conductive with the wiring 72 (n). The same applies to other first transistors SWA and other second transistors SWB.
図2及び図3において、VDDは電源電位である。なお、本実施の形態では、トランジスタTXA,TXB,AMP,RST,SEL,SWA,SWBは、全てnMOSトランジスタである。 2 and 3, VDD is a power supply potential. In the present embodiment, the transistors TXA, TXB, AMP, RST, SEL, SWA, SWB are all nMOS transistors.
転送トランジスタTXAのゲートは行毎に制御線26に共通に接続され、そこには、制御信号φTXAが垂直走査回路21から供給される。転送トランジスタTXBのゲートは行毎に制御線25に共通に接続され、そこには、制御信号φTXBが垂直走査回路21から供給される。リセットトランジスタRSTのゲートは行毎に制御線24に共通に接続され、そこには、制御信号φRSTが垂直走査回路21から供給される。選択トランジスタSELのゲートは行毎に制御線23に共通に接続され、そこには、制御信号φSELが垂直走査回路21から供給される。第1のトランジスタSWAのゲートは行毎に制御線22に共通に接続され、そこには、制御信号φSWAが垂直走査回路21から供給される。第2のトランジスタSWBのゲートは行毎に制御線27に共通に接続され、そこには、制御信号φSWBが垂直走査回路21から供給される。例えば、転送トランジスタTXA(n)のゲートには制御信号φTXA(n)が供給され、転送トランジスタTXB(n)のゲートには制御信号φTXB(n)が供給され、リセットトランジスタRST(n)のゲートには制御信号φRST(n)が供給され、選択トランジスタSEL(n)のゲートには制御信号φSEL(n)が供給され、第1のトランジスタSWA(n)のゲートには制御信号φSWA(n)が供給され、第2のトランジスタSWB(n)のゲートには制御信号φSWB(n)が供給される。
The gate of the transfer transistor TXA is commonly connected to the
各トランジスタTXA,TXB,RST,SEL,SWA,SWBは、対応する制御信号φTXA,φTXB,φRST,φSEL,φSWA,φSWBがハイレベル(H)のときにオンし、ローレベル(L)のときにオフする。 Each transistor TXA, TXB, RST, SEL, SWA, SWB is turned on when the corresponding control signal φTXA, φTXB, φRST, φSEL, φSWA, φSWB is high level (H), and is low level (L). Turn off.
垂直走査回路21は、図1中の撮像制御部5による制御下で、画素ブロックBLの行毎に、制御信号φTXA,φTXB,φRST,φSEL,φSWA,φSWBをそれぞれ出力し、画素ブロックBL、第1のトランジスタSWA、第2のトランジスタSWBを制御し、静止画読み出し動作や動画読み出し動作などを実現する。この制御において、例えばISO感度の設定値に応じて、後述する各動作モードの読み出し動作が行われる。この制御によって、各垂直信号線28には、それに対応する列の画素PXの信号(アナログ信号)が供給される。
The
本実施の形態では、垂直走査回路21は、後述する各動作モードを、図1中の撮像制御部5からの指令(制御信号)に応じて切り替えて行う制御部を構成している。
In the present embodiment, the
垂直信号線28に読み出された信号は、各列毎に、カラムアンプ30で増幅され更にCDS回路31にて光信号(画素PXで光電変換された光情報を含む信号)と暗信号(光信号から差し引くべきノイズ成分を含む差分用信号)との差分を得る処理が施された後に、A/D変換器32にてデジタル信号に変換され、そのデジタル信号はA/D変換器32に保持される。各A/D変換器32に保持されたデジタルの画像信号は、水平読み出し回路33によって水平走査され、必要に応じて所定の信号形式に変換されて、外部(図1中のデジタル信号処理部6)へ出力される。
The signal read out to the
なお、CDS回路31は、図1中の撮像制御部5による制御下でタイミング発生回路(図示せず)から暗信号サンプリング信号φDARKCを受け、φDARKCがハイレベル(H)の場合にカラムアンプ30の出力信号を暗信号としてサンプリングするとともに、図1中の撮像制御部5による制御下で前記タイミング発生回路から光信号サンプリング信号φSIGCを受け、φSIGCがHの場合にカラムアンプ30の出力信号を光信号としてサンプリングする。そして、CDS回路31は、前記タイミング発生回路からのクロックやパルスに基づいて、サンプリングした暗信号と光信号との差分に応じた信号を出力する。このようなCDS回路31の構成としては、公知の構成を採用することができる。
The
図2及び図3おいて、CC(n)は、第1のトランジスタSWA(n)がオフしている場合の、第1のノードPa(n)と基準電位との間の容量である。容量CC(n)の容量値をCfd1とする。CD(n)は、第1のトランジスタSWA(n)及び第2のトランジスタSWB(n),SWB(n+1)がオフしている場合の、第2のノードPb(n)と基準電位との間の容量である。容量CD(n)の容量値をCfd2とする。これらの点は、他の第1のトランジスタSWA及び他の第2のトランジスタSWBについても同様である。 2 and 3, CC (n) is a capacitance between the first node Pa (n) and the reference potential when the first transistor SWA (n) is off. The capacitance value of the capacitor CC (n) is Cfd1. CD (n) is between the second node Pb (n) and the reference potential when the first transistor SWA (n) and the second transistors SWB (n) and SWB (n + 1) are off. Capacity. Let Cfd2 be the capacitance value of the capacitance CD (n). The same applies to other first transistors SWA and other second transistors SWB.
容量CD(n)は、配線72(n)の配線容量と、第1のトランジスタSWA(n)のドレイン拡散領域の容量と、第2のトランジスタSWB(n)のドレイン拡散領域の容量と、第2のトランジスタSWB(n+1)のソース拡散領域の容量とから構成される。トランジスタのソース拡散領域やドレイン拡散領域の容量は、加わる電圧が変化すると空乏層の寸法が変化するので、CD(n)に加わる電圧が変化するとCD(n)の容量値cfd2は変化する。しかし、第1のトランジスタSWA(n)のドレイン拡散領域の容量と、第2のトランジスタSWB(n)のドレイン拡散領域の容量と、第2のトランジスタSWB(n+1)のソース拡散領域の容量は、配線72(n)の配線容量に対して小さいので、CD(n)に加わる電圧が変化したときのCD(n)の容量値cfd2の変化量は無視可能である。したがって、CD(n)の容量値cfd2の電圧依存性は無視可能である。 The capacitance CD (n) includes the wiring capacitance of the wiring 72 (n), the capacitance of the drain diffusion region of the first transistor SWA (n), the capacitance of the drain diffusion region of the second transistor SWB (n), And the capacitance of the source diffusion region of the two transistors SWB (n + 1). Since the capacitance of the source diffusion region and the drain diffusion region of the transistor changes the size of the depletion layer when the applied voltage changes, the capacitance value cfd2 of CD (n) changes when the voltage applied to CD (n) changes. However, the capacitance of the drain diffusion region of the first transistor SWA (n), the capacitance of the drain diffusion region of the second transistor SWB (n), and the capacitance of the source diffusion region of the second transistor SWB (n + 1) are: Since the wiring capacity of the wiring 72 (n) is small, the amount of change in the capacitance value cfd2 of CD (n) when the voltage applied to CD (n) changes is negligible. Therefore, the voltage dependence of the capacitance value cfd2 of CD (n) is negligible.
容量CC(n)は、転送トランジスタTXA(n),TXB(n)のドレイン拡散領域の容量と、リセットトランジスタRST(n)のソース拡散領域の容量と、第1のトランジスタSWA(n)のソース拡散領域の容量と、増幅トランジスタAMP(n)のゲート電極の容量と、配線71(n)の配線容量とから構成され、それらの容量値の合計が容量CC(n)の容量値Cfd1となる。したがって、トランジスタのソース拡散領域の容量やゲート電極の容量は、加わる電圧が変化すると空乏層の寸法が変化することから、容量CC(n)の容量値Cfd1には電圧依存性がある。この点は、他の画素ブロックBLの行についても同様である。なお、第2のトランジスタSWB(n)のソース拡散領域の容量は容量CC(n)の構成要素とならないので、その分、容量CC(n)の容量値Cfd1は小さくなる。 The capacitance CC (n) includes the capacitance of the drain diffusion region of the transfer transistors TXA (n) and TXB (n), the capacitance of the source diffusion region of the reset transistor RST (n), and the source of the first transistor SWA (n). The capacitance of the diffusion region, the capacitance of the gate electrode of the amplification transistor AMP (n), and the wiring capacitance of the wiring 71 (n), and the sum of these capacitance values becomes the capacitance value Cfd1 of the capacitor CC (n). . Therefore, the capacitance of the source diffusion region of the transistor and the capacitance of the gate electrode change depending on the applied voltage, so that the dimension of the depletion layer changes. Therefore, the capacitance value Cfd1 of the capacitor CC (n) has voltage dependency. The same applies to the rows of other pixel blocks BL. Note that the capacitance of the source diffusion region of the second transistor SWB (n) does not become a constituent element of the capacitor CC (n), and accordingly, the capacitance value Cfd1 of the capacitor CC (n) becomes smaller.
ここで、第1のトランジスタSWAのオン時のチャネル容量の値及び第2のトランジスタSWBのオン時のチャネル容量の値を、両方ともCswとする。通常、容量値Cswは、容量値Cfd1,Cfd2に対して小さい値である。 Here, the value of the channel capacitance when the first transistor SWA is on and the value of the channel capacitance when the second transistor SWB is on are both Csw. Usually, the capacitance value Csw is smaller than the capacitance values Cfd1 and Cfd2.
今、画素ブロックBL(n)に着目して、第1のトランジスタSWA(n)がオフする(すなわち、各第1のトランジスタSWA及び各第2のトランジスタSWBのうちのオン状態のトランジスタが第1のノードPa(n)に対して電気的に接続された状態とならない)と、第1のノードPa(n)と基準電位との間の容量(電荷電圧変換容量)は、容量CC(n)となる。よって、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量の容量値は、Cfd1となる。この状態は、後述する第1の動作モードを示す図4中の期間T2の状態に相当している。 Now, paying attention to the pixel block BL (n), the first transistor SWA (n) is turned off (that is, the on-state transistor among the first transistors SWA and the second transistors SWB is the first one). And a capacitance (charge-voltage conversion capacitance) between the first node Pa (n) and the reference potential is a capacitance CC (n). It becomes. Therefore, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitor of the first node Pa (n) is Cfd1. This state corresponds to a state of a period T2 in FIG. 4 showing a first operation mode described later.
また、画素ブロックBL(n)に着目して、第1のトランジスタSWA(n)がオンすると、各第1のトランジスタSWA及び各第2のトランジスタSWBのうち、第1のトランジスタSWA(n)以外のオン状態のトランジスタが第1のノードPa(n)に対して電気的に接続された状態とならなければ(ここでは、具体的には、第2のトランジスタSWB(n),SWB(n+1)がオフであれば)、第1のノードPa(n)と基準電位との間の容量(電荷電圧変換容量)は、容量CC(n)に対して、容量CD(n)及び第1のトランジスタSWA(n)のオン時のチャネル容量を付加したものとなる。よって、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量の容量値は、Cfd1+Cfd2+Csw≒Cfd1+Cfd2となる。この状態は、後述する第2の動作モードを示す図5中の期間T2の状態に相当している。 When the first transistor SWA (n) is turned on by focusing on the pixel block BL (n), the first transistor SWA and the second transistor SWB other than the first transistor SWA (n) are turned on. Are not electrically connected to the first node Pa (n) (here, specifically, the second transistors SWB (n), SWB (n + 1) Is off), the capacitance (charge-voltage conversion capacitance) between the first node Pa (n) and the reference potential is the capacitance CD (n) and the first transistor with respect to the capacitance CC (n). The channel capacity when SWA (n) is turned on is added. Therefore, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa (n) is Cfd1 + Cfd2 + Csw≈Cfd1 + Cfd2. This state corresponds to a state of a period T2 in FIG. 5 showing a second operation mode described later.
さらに、画素ブロックBL(n)に着目して、第1のトランジスタSWA(n)及び第2のトランジスタSWB(n+1)がオンすると、各第1のトランジスタSWA及び各第2のトランジスタSWBのうち、トランジスタSWA(n),SWB(n+1)以外のオン状態のトランジスタが第1のノードPa(n)に対して電気的に接続された状態とならなければ(ここでは、具体的には、トランジスタSWB(n),SWA(n+1),SWB(n+2)がオフであれば)、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量は、容量CC(n)に対して、容量CD(n)、容量CD(n+1)及びトランジスタSWA(n),SWB(n+1)のオン時のチャネル容量を付加したものとなる。よって、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量の容量値は、Cfd1+2×Cfd2+2×Csw≒Cfd1+2×Cfd2となる。この状態は、後述する第3の動作モードを示す図6中の期間T2の状態に相当している。 Further, paying attention to the pixel block BL (n), when the first transistor SWA (n) and the second transistor SWB (n + 1) are turned on, among the first transistors SWA and the second transistors SWB, If the transistors other than the transistors SWA (n) and SWB (n + 1) are not electrically connected to the first node Pa (n) (here, specifically, the transistor SWB). (If (n), SWA (n + 1), SWB (n + 2) are off), the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa (n) is the capacitance CD (n), The capacitance CD (n + 1) and the channel capacitance when the transistors SWA (n) and SWB (n + 1) are turned on are added. Therefore, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa (n) is Cfd1 + 2 × Cfd2 + 2 × Csw≈Cfd1 + 2 × Cfd2. This state corresponds to a state of a period T2 in FIG. 6 showing a third operation mode described later.
さらにまた、画素ブロックBL(n)に着目して、第1のトランジスタSWA(n),SWA(n+1)及び第2のトランジスタSWB(n+1)がオンすると、各第1のトランジスタSWA及び各第2のトランジスタSWBのうち、トランジスタSWA(n),SWA(n+1),SWB(n+1)以外のオン状態のトランジスタが第1のノードPa(n)に対して電気的に接続された状態とならなければ(ここでは、具体的には、トランジスタSWB(n),SWB(n+2)がオフであれば)、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量は、容量CC(n)に対して、容量CD(n)、容量CD(n+1)、容量CC(n+1)及びトランジスタSWA(n),SWA(n+1),SWB(n+1)のオン時のチャネル容量を付加したものとなる。よって、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量の容量値は、2×Cfd1+2×Cfd2+3×Csw≒2×Cfd1+2×Cfd2となる。この状態は、後述する第4の動作モードを示す図7中の期間T2の状態に相当している。 Furthermore, paying attention to the pixel block BL (n), when the first transistors SWA (n), SWA (n + 1) and the second transistor SWB (n + 1) are turned on, the first transistors SWA and the second transistors SWA (n + 1) are turned on. Of the transistors SWB, transistors other than the transistors SWA (n), SWA (n + 1), and SWB (n + 1) must be in an electrically connected state with respect to the first node Pa (n). Here, specifically, if the transistors SWB (n) and SWB (n + 2) are off), the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa (n) is relative to the capacitance CC (n). Capacitance CD (n), capacitance CD (n + 1), capacitance CC (n + 1) and channel capacitance when the transistors SWA (n), SWA (n + 1) and SWB (n + 1) are turned on are added. The things. Therefore, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa (n) is 2 × Cfd1 + 2 × Cfd2 + 3 × Csw≈2 × Cfd1 + 2 × Cfd2. This state corresponds to a state of a period T2 in FIG. 7 showing a fourth operation mode described later.
また、画素ブロックBL(n)に着目して、第1のトランジスタSWA(n)及び第2のトランジスタSWB(n+1),SWB(n+2)がオンすると、各第1のトランジスタSWA及び各第2のトランジスタSWBのうち、トランジスタSWA(n),SWB(n+1),SWB(n+2)以外のオン状態のトランジスタが第1のノードPa(n)に対して電気的に接続された状態とならなければ(ここでは、具体的には、トランジスタSWA(n+1),SWA(n+2),SWB(n),SWB(n+3)がオフであれば)、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量は、容量CC(n)に対して、容量CD(n)、容量CD(n+1)、容量CD(n+2)及びトランジスタSWA(n),SWB(n+1),SWB(n+2)のオン時のチャネル容量を付加したものとなる。よって、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量の容量値は、Cfd1+3×Cfd2+3×Csw≒Cfd1+3×Cfd2となる。この状態は、後述する第5の動作モードを示す図8中の期間T2の状態に相当している。 Further, focusing on the pixel block BL (n), when the first transistor SWA (n) and the second transistors SWB (n + 1) and SWB (n + 2) are turned on, the first transistors SWA and the second transistors SWB (n + 1) and SWB (n + 2) are turned on. Of the transistors SWB, transistors in the on state other than the transistors SWA (n), SWB (n + 1), and SWB (n + 2) are not electrically connected to the first node Pa (n) ( Here, specifically, if the transistors SWA (n + 1), SWA (n + 2), SWB (n), and SWB (n + 3) are off), the charge-voltage conversion capacity of the first node Pa (n) is For the capacitor CC (n), the capacitor CD (n), the capacitor CD (n + 1), the capacitor CD (n + 2), and the transistors SWA (n), SWB (n + 1), SWB (n + 2) The obtained by adding the channel capacity when on. Therefore, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa (n) is Cfd1 + 3 × Cfd2 + 3 × Csw≈Cfd1 + 3 × Cfd2. This state corresponds to a state of a period T2 in FIG. 8 showing a fifth operation mode described later.
このように、各第1のトランジスタSWA及び各第2のトランジスタSWBのうち第1のノードPa(n)に対して電気的に接続されるオン状態のトランジスタがなければ、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量の容量値が最小の容量値Cfd1となり、その電荷電圧変換容量による電荷電圧変換係数が大きくなるため、最高のSN比での読出しが可能となる。 As described above, if there is no on-state transistor electrically connected to the first node Pa (n) among the first transistors SWA and the second transistors SWB, the first node Pa ( Since the capacitance value of the charge voltage conversion capacitor n) becomes the minimum capacitance value Cfd1, and the charge voltage conversion coefficient by the charge voltage conversion capacitor is increased, reading at the highest SN ratio is possible.
一方、各第1のトランジスタSWA及び各第2のトランジスタSWBのうち第1のノードPa(n)に対して電気的に接続されるオン状態のトランジスタの数を1つ以上の所望の数に増やしていけば、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量の容量値を所望の値に大きくすることができ、大きな信号電荷量を扱うことができるため、飽和電子数を拡大することができる。これにより、ダイナミックレンジを拡大することができる。 On the other hand, among the first transistors SWA and the second transistors SWB, the number of ON-state transistors electrically connected to the first node Pa (n) is increased to one or more desired numbers. If so, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa (n) can be increased to a desired value and a large amount of signal charge can be handled, so that the number of saturated electrons can be increased. it can. Thereby, the dynamic range can be expanded.
以上、画素ブロックBL(n)の第1のノードPa(n)について説明したが、他の画素ブロックBLの第1のノードPaについても同様である。 The first node Pa (n) of the pixel block BL (n) has been described above, but the same applies to the first nodes Pa of other pixel blocks BL.
図4は、図2に示す固体撮像素子4の第1の動作モードを示すタイミングチャートである。この第1の動作モードは、各画素ブロックBLを行毎に順次選択していき、各第1のトランジスタSWA及び各第2のトランジスタSWBのうち選択された画素ブロックBLの第1のノードPaに対して電気的に接続されるオン状態のトランジスタがない状態(当該第1のノードPaの電荷電圧変換容量が最小である状態)で、選択された画素ブロックBLの転送トランジスタTXA,TXBを順次選択的にオンさせて、選択された画素ブロックBLの各フォトダイオードPDA,PDBの信号を行毎に順次読み出す動作の例である。図4に示す例では、全画素PXA,PXBの信号を読み出すが、これに限らず、例えば、画素行を間引いて読み出す間引き読み出し等を行ってもよい。この点は、後述する図5乃至図8にそれぞれ示す各例についても同様である。
FIG. 4 is a timing chart showing a first operation mode of the solid-
図4は、期間T1においてn−1行目の画素ブロックBL(n−1)が選択され、期間T2においてn行目の画素ブロックBL(n)が選択され、期間T3においてn+1行目の画素ブロックBL(n+1)が選択されていく状況を示している。いずれの行の画素ブロックBLが選択された場合の動作も同様であるので、ここでは、n行目の画素ブロックBL(n)が選択された場合の動作についてのみ説明する。 In FIG. 4, the pixel block BL (n-1) in the (n-1) th row is selected in the period T1, the pixel block BL (n) in the nth row is selected in the period T2, and the pixels in the (n + 1) th row in the period T3. This shows a situation where the block BL (n + 1) is selected. Since the operation when the pixel block BL of any row is selected is the same, only the operation when the pixel block BL (n) of the n-th row is selected will be described here.
期間T2の開始前に既に、所定の露光期間において、フォトダイオードPDA(n),PDB(n)の露光が終了している。この露光は、通常の本撮影時(静止画撮影時)などでは、全画素を同時にリセットするいわゆるグローバルリセット後にメカニカルシャッタ(図示せず)により行われ、電子ビューファインダーモード時や動画撮影時などでは、いわゆるローリング電子シャッタ動作により行われる。期間T2の開始直前には、全てのトランジスタSEL,RST,TXA,TXB,SWA,SWBはオフしている。 The exposure of the photodiodes PDA (n) and PDB (n) has already been completed in the predetermined exposure period before the start of the period T2. This exposure is performed by a mechanical shutter (not shown) after a so-called global reset that resets all pixels at the same time during normal main shooting (still image shooting), and during electronic viewfinder mode or movie shooting. This is performed by a so-called rolling electronic shutter operation. Immediately before the start of the period T2, all the transistors SEL, RST, TXA, TXB, SWA, SWB are turned off.
期間T2において、n行目のφSEL(n)がHにされ、n行目の画素ブロックBL(n)の選択トランジスタSEL(n)がオンにされ、n行目の画素ブロックBL(n)が選択される。 In the period T2, φSEL (n) in the nth row is set to H, the selection transistor SEL (n) in the pixel block BL (n) in the nth row is turned on, and the pixel block BL (n) in the nth row is turned on. Selected.
また、期間T2において、φSWA(n)がLにされ、第1のトランジスタSWA(n)がオフにされる。これにより、期間T2において、各トランジスタSWA,SWBのうち選択された画素ブロックBL(n)の第1のノードPa(n)に対して電気的に接続されるオン状態のトランジスタがない状態となる。したがって、前述したように、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量の容量値は、Cfd1となり、最小となる。 Further, in the period T2, φSWA (n) is set to L, and the first transistor SWA (n) is turned off. Accordingly, in the period T2, there is no on-state transistor electrically connected to the first node Pa (n) of the selected pixel block BL (n) among the transistors SWA and SWB. . Therefore, as described above, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitor of the first node Pa (n) is Cfd1, which is the minimum.
期間T2の開始直後から一定期間だけ、φRST(n)がHにされてn行目のリセットトランジスタRST(n)が一旦オンにされ、第1のノードPa(n)の電位が一旦電源電位VDDにリセットされる。 For a certain period immediately after the start of the period T2, φRST (n) is set to H, the n-th row reset transistor RST (n) is once turned on, and the potential of the first node Pa (n) is once set to the power supply potential VDD. Reset to.
期間T2中のその後の時点t1から一定期間だけ、暗信号サンプリング信号φDARKCがHにされて、第1のノードPa(n)に現れる電位がn行目の増幅トランジスタAMP(n)で増幅された後に選択トランジスタSEL(n)及び垂直信号線28を経由し更にカラムアンプ30で増幅された信号が、暗信号として、CDS回路31によりサンプリングされる。
The dark signal sampling signal φDARKC is set to H for a certain period from the subsequent time t1 in the period T2, and the potential appearing at the first node Pa (n) is amplified by the amplification transistor AMP (n) in the n-th row. A signal amplified later by the
期間T2中のその後の時点t2から一定期間だけ、φTXA(n)がHにされてn行目の転送トランジスタTXA(n)がオンにされる。これにより、n行目の画素ブロックBL(n)のフォトダイオードPDA(n)に蓄積されていた信号電荷が、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量に転送される。第1のノードPa(n)の電位は、ノイズ成分を除くと、この信号電荷の量と第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量の容量値の逆数とに比例した値となる。 ΦTXA (n) is set to H and the transfer transistor TXA (n) in the n-th row is turned on for a certain period from time t2 thereafter in period T2. As a result, the signal charge accumulated in the photodiode PDA (n) of the pixel block BL (n) in the nth row is transferred to the charge-voltage conversion capacitor of the first node Pa (n). The potential of the first node Pa (n) is a value proportional to the amount of this signal charge and the reciprocal of the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitor of the first node Pa (n), excluding noise components.
期間T2中のその後の時点t3において、光信号サンプリング信号φSIGCがHにされて、第1のノードPa(n)に現れる電位がn行目の増幅トランジスタAMP(n)で増幅された後に選択トランジスタSEL(n)及び垂直信号線28を経由し更にカラムアンプ30で増幅された信号が、光信号として、CDS回路31によりサンプリングされる。
At a subsequent time t3 in the period T2, the optical signal sampling signal φSIGC is set to H, and the potential appearing at the first node Pa (n) is amplified by the amplification transistor AMP (n) in the nth row, and then the selection transistor A signal amplified by the
その後にφSIGCがLになった時点の後に、CDS回路31は、時点t1からの一定期間でサンプリングした暗信号と時点t3からの一定時間でサンプリングした光信号との差分に応じた信号を出力する。A/D変換器32は、この差分に応じた信号をデジタル信号に変換して保持する。各A/D変換器32に保持されたデジタルの画像信号は、水平読み出し回路33によって水平走査され、デジタル信号画像信号として外部(図1中のデジタル信号処理部6)へ出力される。
Thereafter, after φSIGC becomes L, the
そして、期間T2中の時点t4から一定期間だけ、φRST(n)がHにされてn行目のリセットトランジスタRST(n)が一旦オンにされ、第1のノードPa(n)の電位が一旦電源電位VDDにリセットされる。 Then, φRST (n) is set to H for a certain period from time t4 in the period T2, the reset transistor RST (n) in the n-th row is once turned on, and the potential of the first node Pa (n) is once set. Reset to power supply potential VDD.
期間T2中のその後の時点t5から一定期間だけ、暗信号サンプリング信号φDARKCがHにされて、第1のノードPa(n)に現れる電位がn行目の増幅トランジスタAMP(n)で増幅された後に選択トランジスタSEL(n)及び垂直信号線28を経由し更にカラムアンプ30で増幅された信号が、暗信号として、CDS回路31によりサンプリングされる。
The dark signal sampling signal φDARKC is set to H for a certain period from the subsequent time point t5 in the period T2, and the potential appearing at the first node Pa (n) is amplified by the n-th amplification transistor AMP (n). A signal amplified later by the
期間T2中のその後の時点t6から一定期間だけ、φTXB(n)がHにされてn行目の転送トランジスタTXB(n)がオンにされる。これにより、n行目の画素ブロックBL(n)のフォトダイオードPDB(n)に蓄積されていた信号電荷が、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量に転送される。第1のノードPa(n)の電位は、ノイズ成分を除くと、この信号電荷の量と第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量の容量値の逆数とに比例した値となる。 ΦTXB (n) is set to H and the transfer transistor TXB (n) in the n-th row is turned on for a certain period from time t6 thereafter in period T2. As a result, the signal charge accumulated in the photodiode PDB (n) of the pixel block BL (n) in the nth row is transferred to the charge-voltage conversion capacitor of the first node Pa (n). The potential of the first node Pa (n) is a value proportional to the amount of this signal charge and the reciprocal of the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitor of the first node Pa (n), excluding noise components.
期間T2中のその後の時点t7において、光信号サンプリング信号φSIGCがHにされて、第1のノードPa(n)に現れる電位がn行目の増幅トランジスタAMP(n)で増幅された後に選択トランジスタSEL(n)及び垂直信号線28を経由し更にカラムアンプ30で増幅された信号が、光信号として、CDS回路31によりサンプリングされる。
At a subsequent time t7 in the period T2, the optical signal sampling signal φSIGC is set to H, and the potential appearing at the first node Pa (n) is amplified by the amplification transistor AMP (n) in the n-th row, and then the selection transistor A signal amplified by the
その後にφSIGCがLになった時点の後に、CDS回路31は、時点t5からの一定期間でサンプリングした暗信号と時点t7からの一定時間でサンプリングした光信号との差分に応じた信号を出力する。A/D変換器32は、この差分に応じた信号をデジタル信号に変換して保持する。各A/D変換器32に保持されたデジタルの画像信号は、水平読み出し回路33によって水平走査され、デジタル信号画像信号として外部(図1中のデジタル信号処理部6)へ出力される。
Thereafter, after φSIGC becomes L, the
このように、前記第1の動作モードでは、各トランジスタSWA,SWBのうち選択された画素ブロックBLの第1のノードPaに対して電気的に接続されるオン状態のトランジスタがないので、選択された画素ブロックBLの第1のノードPaの電荷電圧変換容量の容量値が最小となり、その電荷電圧変換容量による電荷電圧変換係数が大きくなるため、最高のSN比での読出しが可能となる。例えば、ISO感度の設定値が最も高い場合に、撮像制御部5によって、前記第1の動作モードを行うように指令される。
As described above, in the first operation mode, the transistor SWA and SWB are selected because there is no transistor in the on state that is electrically connected to the first node Pa of the selected pixel block BL. In addition, since the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa of the pixel block BL is minimized and the charge-voltage conversion coefficient by the charge-voltage conversion capacitance is increased, reading with the highest SN ratio is possible. For example, when the ISO sensitivity setting value is the highest, the
図5は、図2に示す固体撮像素子4の第2の動作モードを示すタイミングチャートである。この第2の動作モードは、各画素ブロックBLを行毎に順次選択していき、各第1のトランジスタSWA及び各第2のトランジスタSWBのうちの1つのオン状態のトランジスタSWAが、選択された画素ブロックBLの第1のノードPaに対して電気的に接続された状態で、選択された画素ブロックBLの転送トランジスタTXA,TXBを順次選択的にオンさせて、選択された画素ブロックBLの各フォトダイオードPDA,PDBの信号を行毎に順次読み出す動作の例である。
FIG. 5 is a timing chart showing a second operation mode of the solid-
図5も、図4と同様に、期間T1においてn−1行目の画素ブロックBL(n−1)が選択され、期間T2においてn行目の画素ブロックBL(n)が選択され、期間T3においてn+1行目の画素ブロックBL(n+1)が選択されていく状況を示している。図5に示す第2の動作モードが図4に示す前記第1の動作モードと異なる所は、以下に説明する点である。 Similarly to FIG. 4, in FIG. 5, the pixel block BL (n−1) in the n−1th row is selected in the period T1, the pixel block BL (n) in the nth row is selected in the period T2, and the period T3 is selected. FIG. 9 shows a situation where the pixel block BL (n + 1) in the (n + 1) th row is selected. The second operation mode shown in FIG. 5 is different from the first operation mode shown in FIG. 4 in the following points.
図5に示す第2の動作モードでは、n行目の画素ブロックBL(n)が選択される期間T2において、φSWA(n)がHにされるとともにφSWB(n),φSWB(n+1)がLにされ、第1のトランジスタSWA(n)がオンにされるとともに第2のトランジスタSWB(n),φSWB(n+1)がオフにされる。これにより、期間T2において、各トランジスタSWA,SWBのうちの1つのオン状態の第1のトランジスタSW(ここでは、第1のトランジスタSWA(n))が、選択された画素ブロックBL(n)の第1のノードPa(n)に対して電気的に接続された状態となる。したがって、前述したように、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量の容量値は、Cfd1+Cfd2+Csw≒Cfd1+Cfd2となり、図4に示す前記第1の動作モードに比べていわば1段階大きくなる。 In the second operation mode shown in FIG. 5, in a period T2 in which the pixel block BL (n) in the n-th row is selected, φSWA (n) is set to H and φSWB (n), φSWB (n + 1) is set to L. The first transistor SWA (n) is turned on and the second transistors SWB (n) and φSWB (n + 1) are turned off. Thus, in the period T2, one of the transistors SWA and SWB that is in the on state is turned on by the first transistor SW (here, the first transistor SWA (n)) of the selected pixel block BL (n). The first node Pa (n) is electrically connected. Therefore, as described above, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitor of the first node Pa (n) is Cfd1 + Cfd2 + Csw≈Cfd1 + Cfd2, which is one step larger than the first operation mode shown in FIG.
ここでは、n行目の画素ブロックBL(n)が選択される期間T2について説明したが、他の画素ブロックBLが選択される期間についても同様である。 Here, the period T2 in which the pixel block BL (n) in the n-th row is selected has been described, but the same applies to the period in which another pixel block BL is selected.
このように、前記第2の動作モードでは、各トランジスタSWA,SWBのうちの1つのオン状態の第1のトランジスタSWAが、選択された画素ブロックBLの第1のノードPaに対して電気的に接続されるので、選択された画素ブロックBLの第1のノードPaの電荷電圧変換容量の容量値がいわば1段階大きくなり、第1のノードPaの電荷電圧変換容量での飽和電子数を1段階拡大することができる。これにより、ダイナミックレンジを1段階拡大することができる。例えば、ISO感度の設定値が最も高い値から1段階小さい値である場合に、撮像制御部5によって、前記第2の動作モードを行うように指令される。
As described above, in the second operation mode, one of the transistors SWA and SWB and the first transistor SWA in the on state are electrically connected to the first node Pa of the selected pixel block BL. Since they are connected, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa of the selected pixel block BL is increased by one level, and the number of saturated electrons in the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa is increased by one level. Can be enlarged. Thereby, the dynamic range can be expanded by one step. For example, when the ISO sensitivity setting value is one step smaller than the highest value, the
図6は、図2に示す固体撮像素子4の第3の動作モードを示すタイミングチャートである。この第3の動作モードは、各画素ブロックBLを行毎に順次選択していき、各第1のトランジスタSWA及び各第2のトランジスタSWBのうちの1つのオン状態の第1のトランジスタSWA及び1つのオン状態の第2のトランジスタSWBが、選択された画素ブロックBLの第1のノードPaに対して電気的に接続された状態で、選択された画素ブロックBLの転送トランジスタTXA,TXBを順次選択的にオンさせて、選択された画素ブロックBLの各フォトダイオードPDA,PDBの信号を行毎に順次読み出す動作の例である。
FIG. 6 is a timing chart showing a third operation mode of the solid-
図6も、図4と同様に、期間T1においてn−1行目の画素ブロックBL(n−1)が選択され、期間T2においてn行目の画素ブロックBL(n)が選択され、期間T3においてn+1行目の画素ブロックBL(n+1)が選択されていく状況を示している。図6に示す第3の動作モードが図4に示す前記第1の動作モードと異なる所は、以下に説明する点である。 In FIG. 6, similarly to FIG. 4, the pixel block BL (n−1) in the n−1th row is selected in the period T1, the pixel block BL (n) in the nth row is selected in the period T2, and the period T3 is selected. FIG. 9 shows a situation where the pixel block BL (n + 1) in the (n + 1) th row is selected. The third operation mode shown in FIG. 6 is different from the first operation mode shown in FIG. 4 in the following point.
図6に示す第3の動作モードでは、n行目の画素ブロックBL(n)が選択される期間T2において、φSWA(n)及びφSWB(n+1)がHにされるとともにφSWA(n+1),φSWB(n),φSWB(n+2)がLにされ、第1のトランジスタSWA(n)及び第2のトランジスタSWB(n+1)がオンにされるとともに第1のトランジスタSWA(n+1)及び第2のトランジスタSWB(n),SWB(n+2)がオフにされる。これにより、期間T2において、各トランジスタSWA,SWBのうちの1つのオン状態の第1のトランジスタSWA(ここでは、第1のトランジスタSWA(n))及び1つのオン状態の第2のトランジスタSWB(ここでは、第2のトランジスタSWB(n+1))が、選択された画素ブロックBL(n)の第1のノードPa(n)に対して電気的に接続された状態となる。したがって、前述したように、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量の容量値は、Cfd1+2×Cfd2+Csw≒Cfd1+2×Cfd2となり、図4に示す前記第1の動作モードに比べていわば2段階大きくなる。 In the third operation mode shown in FIG. 6, φSWA (n) and φSWB (n + 1) are set to H and φSWA (n + 1), φSWB in the period T2 in which the pixel block BL (n) in the n-th row is selected. (N), φSWB (n + 2) are set to L, the first transistor SWA (n) and the second transistor SWB (n + 1) are turned on, and the first transistor SWA (n + 1) and the second transistor SWB are turned on. (N), SWB (n + 2) is turned off. Thus, in the period T2, one of the transistors SWA and SWB is turned on, the first transistor SWA in the on state (here, the first transistor SWA (n)) and one second transistor SWB in the on state ( Here, the second transistor SWB (n + 1)) is electrically connected to the first node Pa (n) of the selected pixel block BL (n). Therefore, as described above, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitor of the first node Pa (n) is Cfd1 + 2 × Cfd2 + Csw≈Cfd1 + 2 × Cfd2, which is two stages compared to the first operation mode shown in FIG. growing.
ここでは、n行目の画素ブロックBL(n)が選択される期間T2について説明したが、他の画素ブロックBLが選択される期間についても同様である。 Here, the period T2 in which the pixel block BL (n) in the n-th row is selected has been described, but the same applies to the period in which another pixel block BL is selected.
このように、前記第3の動作モードでは、各トランジスタSWA,SWBのうちの1つのオン状態の第1のトランジスタSWA及び1つのオン状態の第2のトランジスタSWBが、選択された画素ブロックBLの第1のノードPaに対して電気的に接続されるので、選択された画素ブロックBLの第1のノードPaの電荷電圧変換容量の容量値がいわば2段階大きくなり、第1のノードPaの電荷電圧変換容量での飽和電子数を2段階拡大することができる。これにより、ダイナミックレンジを2段階拡大することができる。例えば、ISO感度の設定値が最も高い値から2段階小さい値である場合に、撮像制御部5によって、前記第3の動作モードを行うように指令される。
As described above, in the third operation mode, one of the transistors SWA and SWB is turned on by the first transistor SWA in the on state and the second transistor SWB in the on state of the selected pixel block BL. Since it is electrically connected to the first node Pa, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa of the selected pixel block BL increases by two levels, and the charge of the first node Pa The number of saturated electrons in the voltage conversion capacity can be increased by two stages. Thereby, the dynamic range can be expanded by two stages. For example, when the ISO sensitivity setting value is two steps lower than the highest value, the
図7は、図2に示す固体撮像素子4の第4の動作モードを示すタイミングチャートである。この第4の動作モードは、各画素ブロックBLを行毎に順次選択していき、各第1のトランジスタSWA及び各第2のトランジスタSWBのうちの2つのオン状態の第1のトランジスタSWA及び1つのオン状態の第2のトランジスタSWBが、選択された画素ブロックBLの第1のノードPaに対して電気的に接続された状態で、選択された画素ブロックBLの転送トランジスタTXA,TXBを順次選択的にオンさせて、選択された画素ブロックBLの各フォトダイオードPDA,PDBの信号を行毎に順次読み出す動作の例である。
FIG. 7 is a timing chart showing a fourth operation mode of the solid-
図7も、図4と同様に、期間T1においてn−1行目の画素ブロックBL(n−1)が選択され、期間T2においてn行目の画素ブロックBL(n)が選択され、期間T3においてn+1行目の画素ブロックBL(n+1)が選択されていく状況を示している。図7に示す第4の動作モードが図4に示す前記第1の動作モードと異なる所は、以下に説明する点である。 In FIG. 7, similarly to FIG. 4, the pixel block BL (n−1) in the n−1th row is selected in the period T1, the pixel block BL (n) in the nth row is selected in the period T2, and the period T3 is selected. FIG. 9 shows a situation where the pixel block BL (n + 1) in the (n + 1) th row is selected. The fourth operation mode shown in FIG. 7 is different from the first operation mode shown in FIG. 4 in the following point.
図7に示す第4の動作モードでは、n行目の画素ブロックBL(n)が選択される期間T2において、φSWA(n),φSWA(n+1)及びφSWB(n+1)がHにされるとともにφSWB(n),φSWB(n+2)がLにされ、第1のトランジスタSWA(n),SWA(n+1)及び第2のトランジスタSWB(n+1)がオンにされるとともに第2のトランジスタSWB(n),SWB(n+2)がオフにされる。これにより、期間T2において、各トランジスタSWA,SWBのうちの2つのオン状態の第1のトランジスタSWA(ここでは、第1のトランジスタSWA(n),SWA(n+1))及び1つのオン状態の第2のトランジスタSWB(ここでは、第2のトランジスタSWB(n+1))が、選択された画素ブロックBL(n)の第1のノードPa(n)に対して電気的に接続された状態となる。したがって、前述したように、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量の容量値は、2×Cfd1+2×Cfd2+3×Csw≒2×Cfd1+2×Cfd2となり、図4に示す前記第1の動作モードに比べていわば3段階大きくなる。 In the fourth operation mode shown in FIG. 7, φSWA (n), φSWA (n + 1), and φSWB (n + 1) are set to H and φSWB in the period T2 in which the pixel block BL (n) in the n-th row is selected. (N), φSWB (n + 2) are set to L, the first transistors SWA (n), SWA (n + 1) and the second transistor SWB (n + 1) are turned on, and the second transistors SWB (n), SWB (n + 2) is turned off. Accordingly, in the period T2, two of the transistors SWA and SWB, the first transistor SWA in the on state (here, the first transistors SWA (n) and SWA (n + 1)) and the first transistor in the on state. The second transistor SWB (here, the second transistor SWB (n + 1)) is electrically connected to the first node Pa (n) of the selected pixel block BL (n). Therefore, as described above, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa (n) is 2 × Cfd1 + 2 × Cfd2 + 3 × Csw≈2 × Cfd1 + 2 × Cfd2, and the first operation mode shown in FIG. Compared to, it will be three steps larger.
ここでは、n行目の画素ブロックBL(n)が選択される期間T2について説明したが、他の画素ブロックBLが選択される期間についても同様である。 Here, the period T2 in which the pixel block BL (n) in the n-th row is selected has been described, but the same applies to the period in which another pixel block BL is selected.
このように、前記第4の動作モードでは、各トランジスタSWA,SWBのうちの2つのオン状態の第1のトランジスタSWA及び1つのオン状態の第2のトランジスタSWBが、選択された画素ブロックBLの第1のノードPaに対して電気的に接続されるので、選択された画素ブロックBLの第1のノードPaの電荷電圧変換容量の容量値がいわば3段階大きくなり、第1のノードPaの電荷電圧変換容量での飽和電子数を3段階拡大することができる。これにより、ダイナミックレンジを3段階拡大することができる。例えば、ISO感度の設定値が最も高い値から3段階小さい値である場合に、撮像制御部5によって、前記第4の動作モードを行うように指令される。
As described above, in the fourth operation mode, of the transistors SWA and SWB, two on-state first transistors SWA and one on-state second transistor SWB are included in the selected pixel block BL. Since it is electrically connected to the first node Pa, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa of the selected pixel block BL increases by three levels, and the charge of the first node Pa The number of saturated electrons in the voltage conversion capacity can be increased by three levels. As a result, the dynamic range can be expanded by three levels. For example, when the ISO sensitivity setting value is three steps lower than the highest value, the
図8は、図2に示す固体撮像素子4の第5の動作モードを示すタイミングチャートである。この第5の動作モードは、各画素ブロックBLを行毎に順次選択していき、各第1のトランジスタSWA及び各第2のトランジスタSWBのうちの1つのオン状態の第1のトランジスタSWA及び2つのオン状態の第2のトランジスタSWBが、選択された画素ブロックBLの第1のノードPaに対して電気的に接続された状態で、選択された画素ブロックBLの転送トランジスタTXA,TXBを順次選択的にオンさせて、選択された画素ブロックBLの各フォトダイオードPDA,PDBの信号を行毎に順次読み出す動作の例である。
FIG. 8 is a timing chart showing a fifth operation mode of the solid-
図8も、図4と同様に、期間T1においてn−1行目の画素ブロックBL(n−1)が選択され、期間T2においてn行目の画素ブロックBL(n)が選択され、期間T3においてn+1行目の画素ブロックBL(n+1)が選択されていく状況を示している。図8に示す第5の動作モードが図4に示す前記第1の動作モードと異なる所は、以下に説明する点である。 Similarly to FIG. 4, in FIG. 8, the pixel block BL (n−1) in the n−1th row is selected in the period T1, the pixel block BL (n) in the nth row is selected in the period T2, and the period T3 is selected. FIG. 9 shows a situation where the pixel block BL (n + 1) in the (n + 1) th row is selected. The fifth operation mode shown in FIG. 8 is different from the first operation mode shown in FIG. 4 in the following points.
図8に示す第5の動作モードでは、n行目の画素ブロックBL(n)が選択される期間T2において、φSWA(n)及びφSWB(n+1),φSWB(n+2)がHにされるとともにφSWA(n+1),φSWA(n+2),φSWB(n),φSWB(n+3)がLにされ、第1のトランジスタSWA(n)及び第2のトランジスタSWB(n+1),SWB(n+2)がオンにされるとともに第1のトランジスタSWA(n+1),SWA(n+2)及び第2のトランジスタSWB(n),SWB(n+3)がオフにされる。これにより、期間T2において、各トランジスタSWA,SWBのうちの1つのオン状態の第1のトランジスタSWA(ここでは、第1のトランジスタSWA(n))及び2つのオン状態の第2のトランジスタSWB(ここでは、第2のトランジスタSWB(n+1),SWB(n+2))が、選択された画素ブロックBL(n)の第1のノードPa(n)に対して電気的に接続された状態となる。したがって、前述したように、第1のノードPa(n)の電荷電圧変換容量の容量値は、Cfd1+3×Cfd2+3×Csw≒Cfd1+3×Cfd2となり、図4に示す前記第1の動作モードに比べていわば3段階大きくなる。 In the fifth operation mode shown in FIG. 8, φSWA (n), φSWB (n + 1), φSWB (n + 2) are set to H and φSWA in a period T2 in which the pixel block BL (n) in the n-th row is selected. (N + 1), φSWA (n + 2), φSWB (n), φSWB (n + 3) are set to L, and the first transistor SWA (n) and the second transistors SWB (n + 1), SWB (n + 2) are turned on. At the same time, the first transistors SWA (n + 1) and SWA (n + 2) and the second transistors SWB (n) and SWB (n + 3) are turned off. Thus, in the period T2, one of the transistors SWA and SWB is turned on, the first transistor SWA in the on state (here, the first transistor SWA (n)) and the two second transistors SWB in the on state ( Here, the second transistors SWB (n + 1) and SWB (n + 2)) are electrically connected to the first node Pa (n) of the selected pixel block BL (n). Therefore, as described above, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa (n) is Cfd1 + 3 × Cfd2 + 3 × Csw≈Cfd1 + 3 × Cfd2, which is more than the first operation mode shown in FIG. Increase by 3 levels.
ここでは、n行目の画素ブロックBL(n)が選択される期間T2について説明したが、他の画素ブロックBLが選択される期間についても同様である。 Here, the period T2 in which the pixel block BL (n) in the n-th row is selected has been described, but the same applies to the period in which another pixel block BL is selected.
このように、前記第5の動作モードでは、各トランジスタSWA,SWBのうちの1つのオン状態の第1のトランジスタSWA及び2つのオン状態の第2のトランジスタSWBが、選択された画素ブロックBLの第1のノードPaに対して電気的に接続されるので、選択された画素ブロックBLの第1のノードPaの電荷電圧変換容量の容量値がいわば3段階大きくなり、第1のノードPaの電荷電圧変換容量での飽和電子数を3段階拡大することができる。これにより、ダイナミックレンジを3段階拡大することができる。例えば、ISO感度の設定値が最も高い値から3段階小さい値である場合に、撮像制御部5によって、前記第5の動作モードを行うように指令される。
As described above, in the fifth operation mode, one of the transistors SWA and SWB is turned on by the first transistor SWA in the on state and the second transistor SWB in the on state of the selected pixel block BL. Since it is electrically connected to the first node Pa, the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa of the selected pixel block BL increases by three levels, and the charge of the first node Pa The number of saturated electrons in the voltage conversion capacity can be increased by three levels. As a result, the dynamic range can be expanded by three levels. For example, when the ISO sensitivity setting value is three steps lower than the highest value, the
ここで、図7に示す第4の動作モードと前記図8に示す第5の動作モードとを比較する。前述したように、前記第4の動作モードでは、各トランジスタSWA,SWBのうちの2つのオン状態の第1のトランジスタSWA及び1つのオン状態の第2のトランジスタSWBが、選択された画素ブロックBLの第1のノードPaに対して電気的に接続され、その第1のノードPaの電荷電圧変換容量の容量値は、2×Cfd1+2×Cfd2+3×Csw≒2×Cfd1+2×Cfd2となる。一方、前記第5の動作モードでは、各トランジスタSWA,SWBのうちの1つのオン状態の第1のトランジスタSWA及び2つのオン状態の第2のトランジスタSWBが、選択された画素ブロックBLの第1のノードPaに対して電気的に接続され、その第1のノードPaの電荷電圧変換容量の容量値は、Cfd1+3×Cfd2+3×Csw≒Cfd1+3×Cfd2となる。 Here, the fourth operation mode shown in FIG. 7 is compared with the fifth operation mode shown in FIG. As described above, in the fourth operation mode, two on-state first transistors SWA and one on-state second transistor SWB among the transistors SWA and SWB are selected by the selected pixel block BL. The capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa is 2 × Cfd1 + 2 × Cfd2 + 3 × Csw≈2 × Cfd1 + 2 × Cfd2. On the other hand, in the fifth operation mode, of the transistors SWA and SWB, one on-state first transistor SWA and two on-state second transistors SWB are included in the first pixel block BL. The capacitance value of the charge-voltage conversion capacitor of the first node Pa is Cfd1 + 3 × Cfd2 + 3 × Csw≈Cfd1 + 3 × Cfd2.
したがって、容量CCの容量値Cfd1と容量CDの容量値Cfd2とが同一であれば、前記第4の動作モード及び前記第5の動作モードのいずれにおいても、選択された画素ブロックBLの第1のノードPaの容量値は同一となり、ダイナミックレンジを同程度拡大することができる。 Therefore, if the capacitance value Cfd1 of the capacitor CC and the capacitance value Cfd2 of the capacitor CD are the same, the first pixel block BL of the selected pixel block BL is used in both the fourth operation mode and the fifth operation mode. The capacity values of the nodes Pa are the same, and the dynamic range can be expanded to the same extent.
ところが、前述したように、容量値Cfd1には電圧依存性がある一方で、容量値Cfd2の電圧依存性は無視可能である。したがって、前記第5の動作モードにおいて選択された画素ブロックBLの第1のノードPaの電荷電圧変換容量の容量値の電圧依存性は、1個の容量CCの容量値Cfd1の電圧依存性の分だけ、前記第4の動作モードにおいて選択された画素ブロックBLの第1のノードPaの電荷電圧変換容量の容量値の電圧依存性よりも小さくなる。 However, as described above, while the capacitance value Cfd1 has voltage dependency, the voltage dependency of the capacitance value Cfd2 is negligible. Therefore, the voltage dependency of the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitor of the first node Pa of the pixel block BL selected in the fifth operation mode is the amount of the voltage dependency of the capacitance value Cfd1 of one capacitor CC. Only, the voltage dependency of the capacitance value of the charge-voltage conversion capacitance of the first node Pa of the pixel block BL selected in the fourth operation mode is smaller.
したがって、前記第5の動作モードによれば、前記第4の動作モードに比べて、ダイナミックレンジ拡大時の容量の電圧依存性の影響を低減することができ、ひいては、光電変換の線形性を高めることができる。 Therefore, according to the fifth operation mode, compared to the fourth operation mode, it is possible to reduce the influence of the voltage dependency of the capacitance at the time of dynamic range expansion, and thus increase the linearity of photoelectric conversion. be able to.
前記第5の動作モードは、各第1のトランジスタSWAのうちのp個(pは1以上の整数)のオン状態の第1のトランジスタSWA及び各第2のトランジスタSWBのうちのq個(qはpよりも大きい整数)のオン状態の第2のトランジスタSWBが、選択された1つの画素ブロックBLの第1のノードPaに対して電気的に接続された状態となるように、各第1のトランジスタSWA及び各第2のトランジスタSWBが制御される動作モードの一例であり、p=1かつq=2とした例である。先の説明から理解することができるように、この動作モードでは、p+qの値が3以上の任意の所定値であるとき、q≦pとした動作モード(その動作モードの一例としてp=2かつq=1としたものが前記第4の動作モードである。)に比べて、ダイナミックレンジ拡大時の容量の電圧依存性の影響を低減することができる。前記pは1以上の整数であればよいが、p+qの値が同一であれば、前記pが小さいほど容量の電圧依存性の影響を低減することができるので、好ましい。特に、p=1にすると、容量の電圧依存性の影響を最小限に抑えることができるので、最も好ましい。 In the fifth operation mode, p transistors (p is an integer of 1 or more) of the first transistors SWA and q transistors (q of the second transistors SWB). Each of the first transistors SWB in the ON state is electrically connected to the first node Pa of the selected one pixel block BL. This is an example of an operation mode in which the transistor SWA and the second transistor SWB are controlled, and is an example in which p = 1 and q = 2. As can be understood from the above description, in this operation mode, when the value of p + q is an arbitrary predetermined value of 3 or more, an operation mode in which q ≦ p (p = 2 and an example of the operation mode) Compared with the fourth operation mode in which q = 1, it is possible to reduce the influence of the voltage dependency of the capacitance when expanding the dynamic range. The p may be an integer equal to or greater than 1. However, it is preferable that the value of p + q is the same because the smaller the p, the more the influence of voltage dependency on the capacity can be reduced. In particular, p = 1 is most preferable because the influence of the voltage dependency on the capacitance can be minimized.
本実施の形態では、列方向に順次隣り合う全ての2つの第2のノードPb間に第2のトランジスタSWBを設けているが、本発明では、必ずしもこれに限らない。例えば、列方向に並ぶr個(rは2以上の整数)置きの第2のノードPbと当該第2のノードPbに対し図中下側に隣り合う第2のノードPbとの間には、第2のトランジスタSWBを設けずにその間を常に開放しておいてもよい。この場合、rの数が小さいほど、ダイナミックレンジの拡大の度合いが低下するが、高感度読出し時のSN比を向上させることができる。また、例えば、列方向に並ぶs個(sは4以上の整数)置きの第2のノードPbと当該第2のノードPbに対し図中下側に隣り合う第2のノードPbとの間には、第2のトランジスタSWBを設けずにその間を電気的に短絡させておいてもよい。 In the present embodiment, the second transistor SWB is provided between all the two second nodes Pb sequentially adjacent in the column direction. However, the present invention is not necessarily limited to this. For example, between r second nodes Pb arranged in the column direction (r is an integer of 2 or more) and the second node Pb adjacent to the lower side in the figure with respect to the second node Pb, The second transistor SWB may be left open without being provided. In this case, the smaller the number of r, the lower the degree of expansion of the dynamic range, but the SN ratio at the time of high sensitivity reading can be improved. Further, for example, between s second nodes Pb arranged in the column direction (s is an integer of 4 or more) and the second node Pb adjacent to the lower side in the figure with respect to the second node Pb. May be short-circuited electrically without providing the second transistor SWB.
なお、例えば配線72の幅等を調整することによって、容量CDの容量値を、容量CCの容量値に対して±20%の範囲内の値にしてもよいし、容量CCの容量値に対して±10%の範囲内の値にしてもよい。この点は、後述する第2の実施の形態についても同様である。
Note that, for example, by adjusting the width of the
なお、図4乃至図8を参照して説明した各動作例は、各画素PXのフォトダイオードPDの信号電荷を、他の画素PXのフォトダイオードPDの信号電荷と混合することなく読み出す動作の例であった。しかし、本発明では、各画素PXのフォトダイオードPDの信号電荷を、同色の他の画素PXのフォトダイオードPDの信号電荷と混合して読み出してもよい。 Each of the operation examples described with reference to FIGS. 4 to 8 is an example of an operation of reading the signal charge of the photodiode PD of each pixel PX without mixing with the signal charge of the photodiode PD of another pixel PX. Met. However, in the present invention, the signal charge of the photodiode PD of each pixel PX may be mixed and read with the signal charge of the photodiode PD of another pixel PX of the same color.
例えば、第1のトランジスタSWA(n−1),SWA(n),SWA(n+1)及び第2のトランジスタSWB(n),SWB(n+1)をオンにして第1のノードPa(n−1),Pa(n),Pa(n+1)を互いに連結し、TXA(n−1),TXA(n),TXA(n+1)を同時にオンにすると、ベイヤー配列等を前提とした場合における同色の3つの画素PXA(n−1),PXA(n),PXA(n−1)のフォトダイオードPDA(n−1),PDA(n),PDA(n−1)の信号電荷が互いに連結された第1のノードPa(n−1),Pa(n),Pa(n+1)で平均化され、同色3画素混合読出しの機能を実現することができる。このとき、第2のトランジスタSWB(n−2),SWB(n+2)をオフにし、第1のノードPa(n−1),Pa(n),Pa(n+1)に対して電気的に接続されるオン状態の第1又は第2のトランジスタの数を最小限にすることによって、連結された第1のノードPa(n−1),Pa(n),Pa(n+1)における電荷電圧変換容量値が最小となり、最高のSN比で同色3画素混合読出しを行うことができる。一方、第1のトランジスタSWA(n−1),SWA(n),SWA(n+1)及び第2のトランジスタSWB(n),SWB(n+1)の他に、各第1のトランジスタSWA及び各第2のトランジスタSWBのうちの1個以上のオン状態のトランジスタが第1のノードPa(n−1),Pa(n),Pa(n+1)に対して電気的に接続されるようにすれば、その数に応じて、連結された第1のノードPa(n−1),Pa(n),Pa(n+1)における電荷電圧変換容量値が大きくなり、同色3画素混合読出しのダイナミックレンジを拡大することができる。 For example, the first transistor SWA (n−1), SWA (n), SWA (n + 1) and the second transistor SWB (n), SWB (n + 1) are turned on and the first node Pa (n−1) is turned on. , Pa (n), Pa (n + 1) are connected to each other, and TXA (n-1), TXA (n), TXA (n + 1) are turned on at the same time, the three of the same color in the case of assuming the Bayer arrangement etc. First signal charges of the photodiodes PDA (n−1), PDA (n), and PDA (n−1) of the pixels PXA (n−1), PXA (n), and PXA (n−1) are connected to each other. The nodes Pa (n−1), Pa (n), and Pa (n + 1) are averaged, and the same color three-pixel mixed readout function can be realized. At this time, the second transistors SWB (n−2) and SWB (n + 2) are turned off and are electrically connected to the first nodes Pa (n−1), Pa (n) and Pa (n + 1). The charge-voltage conversion capacitance value at the connected first nodes Pa (n−1), Pa (n), Pa (n + 1) by minimizing the number of first or second transistors in the ON state And the same color three-pixel mixed readout can be performed with the highest SN ratio. On the other hand, in addition to the first transistors SWA (n−1), SWA (n), SWA (n + 1) and the second transistors SWB (n), SWB (n + 1), each first transistor SWA and each second transistor If one or more of the transistors SWB are electrically connected to the first nodes Pa (n−1), Pa (n), Pa (n + 1), Depending on the number, the charge-voltage conversion capacitance value at the connected first nodes Pa (n−1), Pa (n), Pa (n + 1) increases, and the dynamic range of the same color three-pixel mixed readout is expanded. Can do.
[第2の実施の形態]
図9は、本発明の第2の実施の形態による電子カメラの固体撮像素子84の概略構成を示す回路図であり、図2に対応している。図9において、図2中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
[Second Embodiment]
FIG. 9 is a circuit diagram showing a schematic configuration of the solid-
本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、本実施の形態では、前記第1の実施の形態において、各画素ブロックBLにおいて、フォトダイオードPDB及び転送トランジスタTXBが取り除かれ、各画素ブロックBLが画素PXAになっている点である。ただし、本実施の形態では、フォトダイオードPDAの列方向の密度は、前記第1の実施の形態におけるフォトダイオードPDAの列方向の密度の2倍にされ、前記第1の実施の形態におけるフォトダイオードPDA,PDB全体の列方向の密度と同一になっている。本実施の形態では、nは、画素ブロックBLの行を示すと同時に、画素PXAの行を示すことになる。 The present embodiment is different from the first embodiment in that the photodiode PDB and the transfer transistor TXB are removed from each pixel block BL in the first embodiment. The pixel block BL is a pixel PXA. However, in the present embodiment, the density in the column direction of the photodiode PDA is set to be twice the density in the column direction of the photodiode PDA in the first embodiment, and the photodiode in the first embodiment. The density in the column direction of the entire PDA and PDB is the same. In the present embodiment, n indicates the row of the pixel block BL and simultaneously indicates the row of the pixel PXA.
換言すれば、前記第1の実施の形態では、各画素ブロックBLは2個の画素PX(PXA,PXB)で構成されているのに対し、本実施の形態では、各画素ブロックBLは1個の画素PX(PXA)で構成されている。そして、前記第1の実施の形態では、画素ブロックBLに属する2個の画素PX(PXA,PXB)が、1組の第1のノードPa、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRST及び選択トランジスタSELを共有しているに対し、本実施の形態では、各画素PX(本実施の形態では、PXAのみ)が、それぞれ1組の第1のノードPa、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRST及び選択トランジスタSELを有している。 In other words, in the first embodiment, each pixel block BL is composed of two pixels PX (PXA, PXB), whereas in this embodiment, each pixel block BL is one. Pixel PX (PXA). In the first embodiment, two pixels PX (PXA, PXB) belonging to the pixel block BL share one set of the first node Pa, the amplification transistor AMP, the reset transistor RST, and the selection transistor SEL. On the other hand, in the present embodiment, each pixel PX (in this embodiment, only PXA) has a set of first node Pa, amplification transistor AMP, reset transistor RST, and selection transistor SEL. doing.
基本的に、前記第1の実施の形態の説明は、画素ブロックBLを画素PXAに置き換えることで、本実施の形態の説明として適合する。よって、ここでは、本実施の形態の詳細な説明は省略する。 Basically, the description of the first embodiment is applicable as the description of the present embodiment by replacing the pixel block BL with the pixel PXA. Therefore, detailed description of this embodiment is omitted here.
本実施の形態によっても、前記第1の実施の形態と同様の利点が得られる。 Also in this embodiment, the same advantages as those in the first embodiment can be obtained.
以上、本発明の各実施の形態及び変形例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。 As mentioned above, although each embodiment and modification of this invention were demonstrated, this invention is not limited to these.
4 固体撮像素子
BL 画素ブロック
PX 画素
PD フォトダイオード
TXA,TXB 転送トランジスタ
Pa 第1のノード
Pb 第2のノード
AMP 増幅トランジスタ
SWA 第1のトランジスタ
SWB 第2のトランジスタ
4 solid-state imaging device BL pixel block PX pixel PD photodiode TXA, TXB transfer transistor Pa first node Pb second node AMP amplification transistor SWA first transistor SWB second transistor
Claims (8)
3つ以上の前記画素ブロックの前記第1のノードにそれぞれ対応する3つ以上の第2のノードと、
前記3つ以上の前記画素ブロックの第1のノードと前記3つ以上の第2のノードとの間を、それぞれ電気的に接続及び切断する3つ以上の第1のスイッチ部と、
前記3つ以上の第2のノードを接続し、各々が2つの前記第2のノード間を電気的に接続及び切断する複数の第2のスイッチ部と、
を備えたことを特徴とする固体撮像素子。 A plurality of pixel blocks having one photoelectric conversion unit, a first node, and one transfer switch provided corresponding to the one photoelectric conversion unit and transferring charges from the photoelectric conversion unit to the first node When,
Three or more second nodes respectively corresponding to the first nodes of three or more pixel blocks;
Three or more first switch units that electrically connect and disconnect between the first node of the three or more pixel blocks and the three or more second nodes, respectively;
A plurality of second switch units connecting the three or more second nodes, each electrically connecting and disconnecting between the two second nodes;
A solid-state imaging device comprising:
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