JP2016010050A - Pixel circuit and imaging device mounting the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、CMOS型の撮像素子の各画素に信号電荷を蓄積して読み出す画素回路およびこれを搭載した撮像装置に関し、特に、電源周波数が50Hz圏において、強度変化が100Hzとなる照明下において、フレーム周波数が120Hzの撮像を行う際に生じるフリッカを低減したCMOS型の撮像装置に用いられる画素回路およびこれを搭載した撮像装置に関するものである。 The present invention relates to a pixel circuit that accumulates and reads out signal charges in each pixel of a CMOS type image sensor and an image pickup apparatus equipped with the same, and particularly under illumination where the power supply frequency is 50 Hz and the intensity change is 100 Hz. The present invention relates to a pixel circuit used in a CMOS type imaging device in which flicker generated when imaging with a frame frequency of 120 Hz is reduced, and an imaging device equipped with the pixel circuit.
近年、ビデオカメラや電子スチルカメラなどにCMOS型固体撮像装置を用いたものが広く使用されている。 In recent years, video cameras, electronic still cameras, and the like using CMOS solid-state imaging devices have been widely used.
このようなCMOS型固体撮像装置(以下、「固体撮像装置」ともいう)では、二次元のマトリクス状に配列された各画素で生成、蓄積された信号電荷を、行毎に順次読み出す方式が採用されている。この読み出し方式において、各画素回路の光電変換部における露光の期間は、信号電荷の読み出しの開始と終了によって決まり、露光のタイミングは行毎に異なる。この読み出し方式を「ローリングシャッタ」と称する。このため、このようなCMOS型固体撮像装置を用いて速い動きの被写体を撮像すると、被写体が歪んで撮像されてしまうことがある。 In such a CMOS type solid-state imaging device (hereinafter, also referred to as “solid-state imaging device”), a method of sequentially reading out signal charges generated and accumulated in each pixel arranged in a two-dimensional matrix for each row is adopted. Has been. In this readout method, the exposure period in the photoelectric conversion unit of each pixel circuit is determined by the start and end of signal charge readout, and the exposure timing differs for each row. This readout method is called “rolling shutter”. For this reason, if a fast-moving subject is imaged using such a CMOS solid-state imaging device, the subject may be distorted and imaged.
この被写体像の歪みをなくすための撮像手法として、全ての画素を同じタイミングで露光させることによって、全ての画素についての信号電荷を同時に生成して蓄積する同時撮像機能(以下、「グローバルシャッタ機能」と称する)を備えたものが知られている。 As an imaging method for eliminating the distortion of the subject image, a simultaneous imaging function (hereinafter referred to as “global shutter function”) that simultaneously generates and accumulates signal charges for all the pixels by exposing all the pixels at the same timing. Is known).
ところで、このようなグローバルシャッタ機能を有するCMOS型固体撮像装置では、各画素で生成された信号電荷を、全ての画素で同時に、各蓄積容量部に転送して一旦蓄積しておき、蓄積容量部に蓄積された信号電荷を、所定の読み出しタイミングで順次画素信号に変換するようにしている。 By the way, in such a CMOS type solid-state imaging device having a global shutter function, the signal charge generated in each pixel is transferred to each storage capacitor unit at the same time in all the pixels and temporarily stored. The signal charges accumulated in the signal are sequentially converted into pixel signals at a predetermined readout timing.
このようなグローバルシャッタ機能を有する画素回路(等価回路)としては、蓄積容量部を2段のアンプ部の間に配置したタイプのものが知られている。すなわち、例えば、図7に示すように、第1ソースフォロアアンプ部SF1と第2ソースフォロアアンプ部SF2との間に、一旦、電圧を保持する容量を設けて構成される(図7に示すタイプの回路についての詳細な説明は、例えば下記特許文献1および下記非特許文献1に記載されており、ここではその詳細な説明を省略する)。
As a pixel circuit (equivalent circuit) having such a global shutter function, a type in which a storage capacitor portion is disposed between two stages of amplifier portions is known. That is, for example, as shown in FIG. 7, the first source follower amplifier unit SF1 and the second source follower amplifier unit SF2 are temporarily provided with a capacitor for holding a voltage (the type shown in FIG. 7). The detailed description of the circuit is described in, for example,
また、図7に示す画素回路のように、2画素共有タイプのものとすることで、受光部の開口面積率を上げ、ある程度、画素の微細化を図るようにしたものも知られている(下記特許文献1、下記非特許文献1を参照)。
Further, it is also known that a pixel sharing type is used, such as the pixel circuit shown in FIG. 7, so that the aperture area ratio of the light receiving portion is increased and the pixel is miniaturized to some extent ( See the following
しかしながら、電圧保持容量を2段のアンプ部の間に配置したタイプのものは、回路構成上、受光部の開口率をさらに上げることが難しい。すなわち、図7に示すように、このタイプのものにおけるトランジスタとしては、2つのフォトダイオード(PD)から各浮遊拡散容量(FD)へ電荷を転送する2つの電荷転送トランジスタ(TX)と、FDをリセットするための浮遊拡散容量リセットトランジスタ(RFD)と、FDの電荷量に応じて電圧を次段に設定するソースフォロアアンプ1(SF1)と、SF1にバイアス電流を設定するカレントソース(CS)と、メモリ(MEM)をリセットする2つのメモリリセットトランジスタ(RM)と、SF1の出力電圧をMEMに設定する2つのサンプルトランジスタ(SAM)と、MEMの電圧に応じて電圧を出力する2つのソースフォロアアンプ2(SF)と、画素を選択する2つの選択トランジスタ(SEL)とが必要となり、この結果、総トランジスタ数としては、2画素あたりトランジスタ13個が最小限必要となる。
このように、トランジスタの数が多くなり過ぎると、受光部の開口率がトランジスタの面積によって大幅に低減し、画素の微細化を図ることが難しくなる、という問題があった。
However, in the type in which the voltage holding capacitor is arranged between the two-stage amplifier units, it is difficult to further increase the aperture ratio of the light receiving unit because of the circuit configuration. That is, as shown in FIG. 7, transistors of this type include two charge transfer transistors (TX) that transfer charges from two photodiodes (PD) to each floating diffusion capacitor (FD), and FD. A floating diffusion capacitance reset transistor (RFD) for resetting, a source follower amplifier 1 (SF1) for setting the voltage to the next stage according to the charge amount of FD, and a current source (CS) for setting a bias current to SF1 , Two memory reset transistors (RM) that reset the memory (MEM), two sample transistors (SAM) that set the output voltage of SF1 to MEM, and two source followers that output a voltage according to the voltage of MEM An amplifier 2 (SF) and two selection transistors (SEL) for selecting pixels are required. As a result, the total number of transistors is a transistor per two pixels. A minimum of 13 registers is required.
As described above, when the number of transistors is excessively large, the aperture ratio of the light receiving portion is significantly reduced depending on the area of the transistor, and there is a problem that it is difficult to miniaturize the pixel.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、従来から知られている画素回路に比べて、受光部の開口率をさらに上げることができ、より画素の微細化を図ることのできる画素回路およびこれを搭載した撮像装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and a pixel capable of further increasing the aperture ratio of the light receiving unit and further miniaturizing the pixel as compared with a conventionally known pixel circuit. An object of the present invention is to provide a circuit and an image pickup apparatus equipped with the circuit.
本発明の画素回路は、
複数の画素がXYマトリクス状に配置して形成され、画像フレーム読出し部により各画素の読出し走査が行われる画素アレイにおいて、前記画素に係る電荷を蓄積する信号蓄積部と、該信号蓄積部に蓄積された電荷を読み出す信号読出し部を備えた画素回路であって、
前記画素の読出し走査は、非プログレッシブ方式により行われ、
前記信号蓄積部は、光照射に応じた電荷を発生する電荷生成部と、該電荷生成部で生成された信号電荷を一旦蓄積する中間電荷蓄積手段と、前記電荷生成部で発生した信号電荷を、該信号電荷を蓄積する電荷蓄積時間の終了時に、前記中間電荷蓄積手段に転送するグローバルシャッタ用トランジスタと、該中間電荷蓄積手段に蓄積された信号電荷を前記信号読出し部に転送する読出選択用トランジスタとを備え、
前記信号読出し部は、前記中間電荷蓄積手段から転送された信号電荷量を蓄積する信号読出し用電荷蓄積手段と、前記電荷蓄積時間毎に、前記中間電荷蓄積手段からの信号電荷が転送される前に、該信号読出し用電荷蓄積手段に蓄積されていた電荷を排出するリセット用トランジスタと、前記信号読出し用電荷蓄積手段に蓄積されていた電荷に応じた信号を出力する増幅用トランジスタとを備え、
1つの前記画素回路につき、前記信号蓄積部は画素毎に設けられるとともに、前記信号読出し部は画素共有されるように構成されてなり、
前記グローバルシャッタ用トランジスタの動作によって前記電荷蓄積時間を終了するタイミングは、前記非プログレッシブ方式における飛越し走査の各グループ毎に同時にされることを特徴とするものである。
The pixel circuit of the present invention is
In a pixel array in which a plurality of pixels are arranged in an XY matrix and each pixel is read and scanned by an image frame reading unit, a signal storage unit that stores charges related to the pixels, and storage in the signal storage unit A pixel circuit including a signal reading unit for reading the generated charge,
The pixel readout scanning is performed by a non-progressive method,
The signal storage unit includes a charge generation unit that generates charges in response to light irradiation, intermediate charge storage unit that temporarily stores signal charges generated by the charge generation unit, and signal charges generated by the charge generation unit. A global shutter transistor for transferring to the intermediate charge storage means at the end of the charge storage time for storing the signal charge, and a read selection for transferring the signal charge stored in the intermediate charge storage means to the signal reading section. With a transistor,
The signal readout unit includes a signal readout charge storage unit that accumulates a signal charge amount transferred from the intermediate charge storage unit, and a signal charge from the intermediate charge storage unit before being transferred at each charge storage time. A reset transistor that discharges the charge accumulated in the signal readout charge storage means, and an amplification transistor that outputs a signal corresponding to the charge accumulated in the signal readout charge storage means,
For each of the pixel circuits, the signal storage unit is provided for each pixel, and the signal readout unit is configured to share pixels,
The timing of ending the charge accumulation time by the operation of the global shutter transistor is simultaneously performed for each group of interlaced scanning in the non-progressive method.
ここで、上記「XYマトリクス状」とは、撮像素子の素子面上で交差する2軸の一方をX軸、他方をY軸としたとき、これら両方向に配列された状態をいう。 Here, the “XY matrix shape” means a state in which two axes intersecting on the element surface of the image sensor are arranged in both directions when one of the two axes is the X axis and the other is the Y axis.
また、上記「非プログレッシブ方式」とは、撮像素子の1方向から順番に走査される方式であるプログレッシブ方式とは異なる、いわゆる飛越し走査方式を指称するものであり、インターレース方式のみならず、2以上のラインごとに飛越し走査を行う方式や、見かけ上列方向(Y方向)に走査され、その走査が飛越し走査であるような場合における走査方式も含まれるものとする。すなわち、上位概念的には、前記複数の画素を、N行またはM列ごとに選択してN個の行群またはM個の列群のグループそれぞれに対して順番に、信号蓄積動作および信号読出し動作を繰り返し行わせる方式である。 The “non-progressive method” refers to a so-called interlaced scanning method, which is different from the progressive method, which is a method of sequentially scanning from one direction of the image sensor. It is assumed that a method of performing interlaced scanning for each of the above lines and a scanning method in which scanning is apparently performed in the column direction (Y direction) and the scanning is interlaced scanning. That is, conceptually, the plurality of pixels are selected for every N rows or M columns, and the signal accumulation operation and the signal readout are sequentially performed for each group of N rows or M columns. In this method, the operation is repeated.
また、一般的には、上記「画像フレーム」に、飛越し走査により形成されたライン群、例えば奇数行のみによるフレーム(奇数フレーム:概念的にはNTSCによる第1フィールドに対応)あるいは偶数行のみによるフレーム(偶数フレーム:概念的にはNTSCによる第2フィールドに対応)も含まれ、奇数フレーム同士あるいは偶数フレーム同士のみならず、奇数フレームと偶数フレームの間隔も画像フレーム間隔と称されることが多い。
しかしながら、本願明細書においてそのようにすると、発明の本質的部分において紛らわしくなる可能性があるので、奇数フレーム同士、あるいは偶数フレーム同士の間隔は画像フレーム間隔と称するが、奇数フレームと偶数フレームの間隔は、便宜的に、分割画像フレーム間隔と称することとする。
Also, generally, in the “image frame”, a group of lines formed by interlaced scanning, for example, a frame consisting of only odd rows (odd frame: conceptually corresponding to the first field by NTSC) or even rows only. Frames (even frames: conceptually corresponding to the second field by NTSC), and not only between odd frames or even frames but also between odd frames and even frames may be referred to as image frame intervals. Many.
However, if this is done in the present specification, it may be confused in the essential part of the invention, so the interval between odd frames or even frames is called an image frame interval, but the interval between odd frames and even frames. Is referred to as a divided image frame interval for convenience.
また、前記画素回路において、
前記複数の画素は、X方向に7680画素でY方向に4320画素、またはX方向に3840画素でY方向に2160画素のいずれかに設定され、
前記画像フレーム読出し部は、非プログレッシブ方式を用い、分割画像フレーム間隔を8.333ミリ秒または8.342ミリ秒のいずれかに設定するとともに、前記画素アレイにおける各画素の電荷蓄積時間を10ミリ秒に設定することが好ましい。
In the pixel circuit,
The plurality of pixels are set to either 7680 pixels in the X direction and 4320 pixels in the Y direction, or 3840 pixels in the X direction and 2160 pixels in the Y direction,
The image frame reading unit uses a non-progressive method, sets the divided image frame interval to either 8.333 milliseconds or 8.342 milliseconds, and sets the charge accumulation time of each pixel in the pixel array to 10 milliseconds. Preferably it is set to seconds.
また、前記信号蓄積部は、前記電荷生成部で生成された電荷を排出する電荷生成部リセット用トランジスタを備えていることが好ましい。 The signal storage unit preferably includes a charge generation unit reset transistor that discharges the charge generated by the charge generation unit.
また、前記画像フレーム読出し部は、各画素の電荷蓄積時間が画像フレーム間隔に対して6/10となるように制御するように構成されていることが好ましい。
また、前記非プログレッシブ方式がインターレース方式であることが好ましい。
The image frame reading unit is preferably configured to control the charge accumulation time of each pixel to be 6/10 with respect to the image frame interval.
The non-progressive method is preferably an interlace method.
また、本発明の撮像装置は、
上述したいずれかに記載の画素回路と、
この画素回路に対応する複数の画素がXYマトリクス状に配置されてなる画素アレイと、
該画素アレイに対して、Y行のアドレスを選択して駆動する行選択回路部、およびX列ごとに信号を読み出す列並列読み出し回路部を含む前記画像フレーム読出し部とを有することを特徴とするものである。
The imaging device of the present invention is
Any one of the pixel circuits described above;
A pixel array in which a plurality of pixels corresponding to the pixel circuit are arranged in an XY matrix;
The pixel array includes: a row selection circuit unit that selects and drives an address of a Y row; and the image frame readout unit that includes a column parallel readout circuit unit that reads out a signal for each X column. Is.
本発明の画素回路および撮像装置においては、画素回路構成が、画素の共有化を図り得る構成とされるとともに、フォトダイオードと浮遊拡散容量(信号読出し用電荷蓄積手段)の間に中間電荷保持容量を配置した構成とされている。このような回路構成とした場合、従来から知られている、電圧保持容量をアンプ2段の間に配置した回路構成の場合と比べて、トランジスタ数を大幅に減少させることができ、画素の微細化を向上させることができる。 In the pixel circuit and the image pickup apparatus of the present invention, the pixel circuit configuration is configured to enable pixel sharing, and an intermediate charge holding capacitor is provided between the photodiode and the floating diffusion capacitor (signal reading charge storage unit). It is set as the structure which arranged. When such a circuit configuration is used, the number of transistors can be greatly reduced as compared with a conventionally known circuit configuration in which a voltage holding capacitor is arranged between two stages of amplifiers. Can be improved.
例えば、一例として示した図7に示す従来技術の場合(電圧保持容量をアンプ2段の間に配置した回路構成)は、トランジスタ数が2画素で13個になり、1画素あたり6.5個のトランジスタを用いていることになる。すなわち、このようなタイプの回路構成においては、フォトダイオード(PD)から浮遊拡散容量(FD)へ電荷を転送する2つの電荷転送トランジスタ(TX)と、FDをリセットするための浮遊拡散容量リセットトランジスタ(RFD)と、FDの電荷量に応じて電圧を次段に設定するソースフォロアアンプ1(SF1)と、SF1にバイアス電流を設定するカレントソース(CS)と、メモリ(MEM)をリセットする2つのメモリリセットトランジスタ(RM)と、SF1の出力電圧をMEMに設定する2つのサンプルトランジスタ(SAM)と、MEMの電圧に応じて電圧を出力する2つのソースフォロアアンプ2(SF2)と、画素を選択する2つの選択トランジスタ(SEL)とが最低限必要となり、1画素あたり6.5個のトランジスタを用いることが必要とされる。 For example, in the case of the prior art shown in FIG. 7 as an example (a circuit configuration in which a voltage holding capacitor is arranged between two amplifier stages), the number of transistors is 13 for 2 pixels, and 6.5 transistors per pixel. Will be used. That is, in this type of circuit configuration, two charge transfer transistors (TX) that transfer charges from the photodiode (PD) to the floating diffusion capacitor (FD), and a floating diffusion capacitance reset transistor for resetting the FD (RFD), source follower amplifier 1 (SF1) that sets the voltage to the next stage according to the charge amount of FD, current source (CS) that sets the bias current to SF1, and memory (MEM) 2 Two memory reset transistors (RM), two sample transistors (SAM) that set the output voltage of SF1 to MEM, two source follower amplifiers 2 (SF2) that output voltage according to the voltage of MEM, and pixels Two selection transistors (SEL) to be selected are at a minimum, and 6.5 transistors per pixel are required to be used.
これに対し、図1に示す、本発明の実施形態の画素回路の場合(電荷保持容量をフォトダイオードと浮遊拡散容量の間に配置した回路構成)は、トランジスタ数が2画素で9個になり、1画素あたり4.5個のトランジスタを用いていることになる。すなわち、本発明の回路は、フォトダイオード(PD11A,B)をリセットする2つのフォトダイオードリセットトランジスタ(RPD21A,B)と、PDからSDへ電荷を全画素一斉に転送する2つのグローバルシャッタトランジスタ(GS22A,B)と、電荷保持容量(SD23A,B)から浮遊拡散容量(FD13)へ選択した画素の電荷を順次転送する2つの転送トランジスタ(TX12A,B)と、FDをリセットする浮遊拡散容量リセットトランジスタ(RFD14)と、FDの電荷を電圧に変換して出力するソースフォロアアンプ(SF15)と、画素を選択する選択トランジスタ(SEL16)とにより構成され、1画素あたり4.5個のトランジスタにより形成することができる。 On the other hand, in the case of the pixel circuit of the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 (a circuit configuration in which a charge retention capacitor is arranged between a photodiode and a floating diffusion capacitor), the number of transistors is nine for two pixels. This means that 4.5 transistors are used per pixel. That is, the circuit of the present invention includes two photodiode reset transistors (RPD21A, B) that reset the photodiodes (PD11A, B) and two global shutter transistors (GS22A) that transfer charges from PD to SD all at once. , B), two transfer transistors (TX12A, B) for sequentially transferring the charge of the selected pixel from the charge holding capacitor (SD23A, B) to the floating diffusion capacitor (FD13), and a floating diffusion capacitor reset transistor for resetting the FD (RFD14), a source follower amplifier (SF15) that converts the electric charge of FD into a voltage and outputs it, and a selection transistor (SEL16) that selects a pixel, and can be formed by 4.5 transistors per pixel. it can.
このように、本発明の画素回路においては、従来技術に比べてトランジスタ数を大幅に減少させることができ、画素の微細化を向上させることができる。 As described above, in the pixel circuit of the present invention, the number of transistors can be greatly reduced as compared with the prior art, and the miniaturization of the pixel can be improved.
以下、本発明の実施形態について、上記図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<実施形態>
本発明の実施形態に係る画素回路の主要構成を、グローバルシャッタ機能を搭載した画素回路の等価回路図である図1を用いて説明する。この画素回路は、2画素共有タイプであって、1画素あたり4.5個のトランジスタを使用したものである。なおこの等価回路図に示す画素回路10は、列方向(Y方向)に並列した2画素に対応して設けられる。
<Embodiment>
A main configuration of a pixel circuit according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 which is an equivalent circuit diagram of a pixel circuit equipped with a global shutter function. This pixel circuit is a two-pixel shared type and uses 4.5 transistors per pixel. The
図1に示すように、この画素回路10は、2画素共有タイプであって、2つのフォトダイオード(PD)11A,Bと、2つのフォトダイオードリセットトランジスタ(RPD)21A,Bと、2つのグローバルシャッタトランジスタ(GS)22A,Bと、2つの中間電荷保持容量(SD)23A,Bと、2つの電荷転送トランジスタ(TX)12A,Bと、浮遊拡散容量(FD)13と、浮遊拡散容量リセットトランジスタ(RFD)14と、ソースフォロアアンプ(SF)15と、選択トランジスタ(SEL)16と、画素電源部(VDD)17と、画素出力部(OUT)18とから構成される。
As shown in FIG. 1, this
PD11A,Bと、RPD21A,Bと、GS22A,Bと、SD23A,Bと、TX12A,Bとは2画素に1つずつ設けられており、FD13と、RFD14と、SF15と、SEL16とは2画素共有の構成とされている。なお、PD11Aと、RPD21Aと、GS22Aと、SD23Aと、TX12Aとにより第1の蓄積部110が構成され、PD11Bと、RPD21Bと、GS22Bと、SD23Bと、TX12Bとにより第2の蓄積部120が構成される。
PD11A, B, RPD21A, B, GS22A, B, SD23A, B, and TX12A, B are provided for every two pixels, and FD13, RFD14, SF15, and SEL16 are two pixels. A shared configuration is used. The
また、FD13と、RFD14と、SF15と、SEL16とにより信号読出し部が構成される。
このように、2画素分を9つのトランジスタで構成しているから、1画素あたり4.5個のトランジスタで構成することができることとなり、後述のグローバルシャッタ機能を有しつつも、1画素あたりのトランジスタの個数を、最小限とすることができる。
Further, a signal reading unit is configured by the
In this way, since two pixels are composed of nine transistors, it can be composed of 4.5 transistors per pixel, and while having a global shutter function described later, the number of transistors per pixel The number can be minimized.
また、本実施形態においては、グローバルシャッタトランジスタ(GS)22A,Bを設けているので、全画素同時(実際には奇数フレーム画素間で同時および偶数フレーム画素間で同時)にシャッタ動作を行うことができる。これにより、特に、動きが高速である被写体については像の歪みを阻止することができる。 In this embodiment, since the global shutter transistors (GS) 22A and B are provided, the shutter operation is performed simultaneously for all pixels (actually, between odd frame pixels and simultaneously between even frame pixels). Can do. As a result, distortion of the image can be prevented particularly for a subject that moves at high speed.
また、この画素回路10に対応する画素は、X方向(行方向)およびY方向(列方向)に多数個配列されて画素アレイ501(図2参照)を構成している。
図2に示すように、画素アレイ501は、Y方向走査部(垂直方向走査部:以下同じ)502、X方向走査部(水平方向走査部:以下同じ)503、タイミングジェネレータ504および出力回路505とともに撮像装置(イメージセンサ)550を構成している。なお、撮像装置550のうち、Y方向走査部502、X方向走査部503、タイミングジェネレータ504および出力回路505は、画像フレーム読出し部を構成する。なお、第1の蓄積部110と第2の蓄積部120は、同一構成とされているので、説明の便宜のため、纏めて説明する。
A number of pixels corresponding to the
As shown in FIG. 2, the
各画素回路10において、PD11A,Bは、入射光の強度に応じた量の負電荷を蓄積する。このPD11A,Bのアノードは接地され、カソードは、RPD21A,Bを介してVDD17に接続されるとともに、GS22A,Bのソース/ドレイン部の一方に接続される。なお、RPD21A,Bのゲートは、Y方向走査部502からの信号線LRP1,LRP2に接続され、各々リセット信号が入力される。また、GS22A,Bのゲートは、Y方向走査部502からの信号線LG1,LG2に接続され、各々転送信号が入力される。
In each
GS22A,Bのソース/ドレイン部の他方は、中間的に電荷を保持するSD23A,BおよびTX12A,Bのソース/ドレイン部の一方に接続される。また、TX12A,Bのソース/ドレイン部の他方は、SF15のゲートに接続される。なお、TX12A,Bのゲートは、Y方向走査部502からの信号線LT1,LT2に接続され、各々転送信号が入力される。
The other of the source / drain portions of the
SF15およびSEL16は、VDD17と出力部18との間に直列接続される。SEL16のゲートは、Y方向走査部502からの信号線LSに接続され、画素選択用の選択信号が入力される。RFD14は、VDD17とSF15のゲートとの間に接続される。RFD14のゲートは、Y方向走査部502からの信号線LRに接続され、リセット信号を入力される。
また、FD13は、TX12A,Bのソース/ドレイン部の他方およびSF15のゲートに接続される。
The
PD11A,Bをリセットするためには、RPD21A,Bのゲートに、信号線LRP1,LRP2からのリセット信号を入力してRPD21A,Bをオン状態とする。これにより、PD11A,Bに蓄積されていた負電荷がRPD21A,Bを介して、VDD17に放出され、リセット動作が終了する。
In order to reset the
PD11A,Bのリセット動作終了時から入射光による電荷の蓄積が開始する。すなわち、RPD21A,Bのゲートへのリセット信号入力およびGS22A,Bのゲートへの転送信号入力が「L」レベルとなりRPD21A,BおよびGS22A,Bがオフ状態となると、入射光の強度に応じた量の電荷がPD11A,Bに蓄えられ、電荷蓄積時間が開始する。
Charge accumulation by incident light starts from the end of the reset operation of the
一方、蓄積時間の終了は以下のように行われる。すなわち、GS22A,Bのゲートへの転送信号を所定時間だけ「H」レベルにしてGS22A,Bをオン状態とすることでPD11A,Bの蓄積電荷がSD23A,Bに移動され、GS22A,Bのゲートへの転送信号入力が「L」レベルとなりGS22A,Bをオフ状態となった時点でPD11A,Bの蓄積時間が終了する。
On the other hand, the accumulation time is terminated as follows. That is, by setting the transfer signal to the gates of GS22A and B to “H” level for a predetermined time to turn on GS22A and B, the accumulated charges in PD11A and B are moved to SD23A and B, and the gates of GS22A and B The storage time of the
また、信号電荷の読出時には、まず、RFD14のゲートに、信号線LRからのリセット信号を「H」レベルの状態で入力してRFD14をオン状態とする。これにより、FD(フローティングディフュージョン部:以下同じ)13に蓄積されていた電荷がRFD14を介して、VDD17に放出され、リセット動作が終了する。次いで、TX12A,Bのゲートへの転送信号を所定時間だけ「H」レベル状態にしてTX12A,Bをオン状態とすることで、一旦SD23A,Bに蓄積されていた電荷がFD13に移動し、この電荷量が検出されることになる。
すなわち、このFD13はSF15のゲートに接続されており、SF15はFD13の電荷量を読み出すソースフォロワーの入力部として機能する。
When reading signal charges, first, a reset signal from the signal line L R is input to the gate of the
That is, the
また、図2に示すタイミングジェネレータ504は、Y方向走査部502に行選択アドレス信号および駆動制御信号を送出するとともに、X方向走査部503に列選択アドレス信号および読出し制御信号を送出する。Y方向走査部502は、Y方向走査回路および電圧レベルシフト回路の機能を有しており、入力された行選択アドレス信号および駆動制御信号に応じて、画素アレイ501の所定の複数行を順次選択し(奇数行グループと偶数行グループ毎に)、選択した行の信号線LRP1,LRP2、LG1,LG2、LT1,LT2、LR、LSを介して、その行の各画素回路10に転送信号、リセット信号および選択信号を送出する。
2 sends a row selection address signal and a drive control signal to the Y-
また、X方向走査部503は、X方向走査回路およびカラム回路の機能を有しており、Y方向走査部502によって選択された所定の行の複数の画素回路10から複数のY方向信号線LVに出力された電流を複数の所定の信号に変換する。
さらに、出力回路505は、X方向走査部503で生成された複数の画素信号を外部に出力する。
The X
Further, the
図3は、図1に示す画素回路10を用いて信号読出しを行った場合における各トランジスタの入力信号を表すタイムチャートである。なお、本実施形態においては、画像フレームレートが120Hzで、インターレース走査を採用している。また、SEL、RFD、TXへの入力信号波形において、SEL、RFD、TXに続くかっこ内の数字は画素の行を示している。1,2や3,4など、2つの数字が記載されている場合は、画素の共有がなされていることを示す。なお、各行の蓄積時間を黒帯で示す。また、本実施形態において、nは4320(行)に設定されている。
FIG. 3 is a time chart showing the input signal of each transistor when signal readout is performed using the
この画素回路10では、まず、奇数行(1、3、・・、n-1)について、PD11Aをリセットするために、RPD21Aがオン状態(図3でRPD(1、3、・・、n-1)が「H」レベル)とされ、しかる後にオフ状態(図3でRPD(1、3、・・、n-1)が「L」レベル)とされる。これにより、リセット終了時から、PD11Aにおいて電荷の蓄積が開始される(図3で矢印Aを参照)。
In this
この後、所定の蓄積時間経過後、GS22Aがオン状態(GS(1、3、・・、n-1)が「H」レベル)とされることで、PD11AからSD23Aへ電荷が移動し、この後GS22Aがオフ状態(GS(1、3、・・、n-1)が「L」レベル)とされることで蓄積時間が終了する(図3で矢印Bを参照)。また、1分割画像フレーム間隔ずれて偶数行(2、4・・、n)についても同様にして信号電荷の蓄積が行われる。すなわち、このGS22A,Bへの信号LG1,LG2の入力は奇数行および偶数行の各々毎に同時に行われるので、奇数行全画素の蓄積時間が同時に終了し、1分割画像フレーム間隔だけずれて、偶数行全画素の蓄積時間が同時に終了することになる。
Thereafter, after a predetermined accumulation time has elapsed, the
一方、奇数行(1、3、・・、n-1)において、PD11Aの読み出しが開始されると、SEL16がオン状態(SEL(1、2)が「H」レベル)となり、読み出すべき画素が選択され、当該画素において、RFD14がオン状態(RFD(1、2)が「H」レベル)となることでFD13がリセットされ、この後RFD14がオフ状態(RFD(1、2)が「L」レベル)となってから、TX12Aがオン状態(TX(1)が「H」レベル)となることでSD23Aに蓄積されていた電荷がFD13に移動する。これにより蓄積時間において、PD11Aに蓄積されていた信号電荷がSF15を介して読みだされる。この蓄積時間は(1/100)秒(=10ミリ秒)に設定されている。なお、1分割画像フレーム間隔だけずれた状態で、偶数行(2、4・・、n)についても同様にして信号電荷の読み出しが行われる。
On the other hand, in the odd-numbered rows (1, 3,..., N−1), when reading of the
このように構成された画素回路では、SD23A,BをPD11A,BとFD13の間に配置した回路構成とされている。このように構成した場合、従来から知られている、電圧保持容量をアンプ2段の間に配置した回路構成の場合と比べて、トランジスタ数を大幅に減少させることができ、画素の微細化を向上させることができる。
The pixel circuit configured as described above has a circuit configuration in which
また、本実施形態における画素回路および撮像装置においては、インターレース走査により読出し操作を行っているので、まず、1行目、3行目、・・n−1行目を順次選択して信号を読み出して全奇数行の信号を読み出し、奇数行の各画素に蓄積された画像信号を出力する。続いて、2行目、4行目、・・n行目を順次選択して全偶数行の信号を読み出し、偶数行の各画素に蓄積された画像信号を出力する。奇数行からなるフレーム(奇数フレーム)と偶数行からなるフレーム(偶数フレーム)の時間間隔(分割画像フレーム間隔)は(1/120)秒=8.333ミリ秒に設定される。 In the pixel circuit and the imaging apparatus according to the present embodiment, since the reading operation is performed by interlace scanning, first, the first row, the third row,. All the odd-numbered rows of signals are read out, and the image signals accumulated in the pixels of the odd-numbered rows are output. Subsequently, the second row, the fourth row,..., The nth row are sequentially selected to read out all even rows of signals, and output the image signals accumulated in the pixels of the even rows. The time interval (divided image frame interval) between a frame composed of odd rows (odd frames) and a frame composed of even rows (even frames) is set to (1/120) seconds = 8.333 milliseconds.
また、第1行目と第2行目の分割画像フレーム間隔は上述したように8.333ミリ秒となり、一方が電荷を蓄積しているときに他方が信号を読み出すように構成されている。このことは、第3行目と第4行目の関係や第n-1行目と第n行目の関係も同様である。また、奇数行目と、それに続く偶数行目の蓄積時間同士が一部重複するように設定しているのは、各蓄積時間を10ミリ秒に設定しながら、奇数フレーム同士あるいは偶数フレーム同士の間隔(画像フレーム間隔)を16.667ミリ秒(60Hz)に設定するためである。 In addition, as described above, the interval between the divided image frames in the first row and the second row is 8.333 milliseconds, and when one side is accumulating charges, the other side reads out a signal. The same applies to the relationship between the third row and the fourth row, and the relationship between the n−1th row and the nth row. In addition, the accumulation time of the odd-numbered row and the subsequent even-numbered row is set to partially overlap each other, while setting each accumulation time to 10 milliseconds, This is because the interval (image frame interval) is set to 16.667 milliseconds (60 Hz).
以下、上述した本実施形態における切替タイミングについて図4〜6を用いて説明する。
上述したように、本実施形態においては、画素アレイ501の画素読出し走査をインターレース方式を用いて行っている。すなわち、図4に示すように画素アレイ501の全行について、奇数行(図4では実線で表される)のみの画素読出しを行う操作と、偶数行(図4では破線で表される)のみの画素読出しを行う操作を交互に行うものである。このインターレース方式は、NTSC方式等において使用されているもので、飛越し走査等とも称される。
Hereinafter, the switching timing in the above-described embodiment will be described with reference to FIGS.
As described above, in this embodiment, pixel readout scanning of the
本実施形態によれば、図5および図6に示すように、照明機器等が100Hz(電源周波数が50Hz圏)の照明下において、インターレース方式を採用することにより、イメージセンサ(撮像装置)550の画素(フォトダイオード)の電荷蓄積時間を10ミリ秒に設定するとともに、撮像フレーム周波数を120Hzとしてスーパーハイビジョンに適合させつつ、フリッカの発生を阻止するようにしている。 According to the present embodiment, as shown in FIGS. 5 and 6, the illumination device or the like adopts an interlace method under illumination of 100 Hz (power frequency is 50 Hz), so that the image sensor (imaging device) 550 is configured. The charge accumulation time of the pixel (photodiode) is set to 10 milliseconds, and the imaging frame frequency is set to 120 Hz to prevent the occurrence of flicker while adapting to Super Hi-Vision.
すなわち、フリッカの発生を阻止するために、電子シャッター速度を10ミリ秒に設定した場合には、撮像フレーム間隔(分割画像フレーム間隔)が(1/120)秒=8.333ミリ秒であるため、撮像フレーム間隔に対する電子シャッター期間が1より大きい6/5に設定されることになる。 That is, when the electronic shutter speed is set to 10 milliseconds in order to prevent the occurrence of flicker, the imaging frame interval (division image frame interval) is (1/120) seconds = 8.333 milliseconds. The electronic shutter period with respect to the imaging frame interval is set to 6/5, which is larger than 1.
そこで、本実施形態においては、電子シャッター速度を10ミリ秒とし、撮像フレーム間隔を(1/120)秒=8.333ミリ秒としたとしても、インターレース方式を採用したことにより、画像フレーム間隔(奇数フレーム同士あるいは偶数フレーム同士)に対する電子シャッター期間を1より小さい値(本実施形態ではインターレース方式を採用しているので6/10)に設定することができるので、電源周波数50Hz圏の100Hzの照明強度変化下において120Hzの撮像を行うにあたり、生じるフリッカの発生を阻止することができる。 Therefore, in this embodiment, even if the electronic shutter speed is 10 milliseconds and the imaging frame interval is (1/120) seconds = 8.333 milliseconds, the image frame interval ( Since the electronic shutter period for odd frames or even frames can be set to a value smaller than 1 (6/10 because an interlace method is adopted in this embodiment), illumination of 100 Hz with a power frequency of 50 Hz is possible. It is possible to prevent the occurrence of flicker when imaging at 120 Hz under an intensity change.
なお、上記実施形態においては、画像フレーム間隔を、1/120秒=8.333ミリ秒としているが、これに替えて、1/120秒×1001/1000=8.342ミリ秒としても、上記実施形態のものと略同様の効果を奏することができる。また、上記実施形態においては、フレーム周波数を120Hzとしているが、これに替えて、120×1000/1001=119.88Hzとしても、上記実施形態のものと略同様の効果を奏することができる。 In the above-described embodiment, the image frame interval is 1/120 seconds = 8.333 milliseconds. Alternatively, 1/120 seconds × 1001/1000 = 8.342 milliseconds may be used instead. The same effects as those of the embodiment can be obtained. Moreover, in the said embodiment, although the frame frequency is 120 Hz, it can replace with this and can show an effect substantially the same as the thing of the said embodiment also by setting it as 120 * 1000/1001 = 119.88Hz.
なお、上述した実施形態に係る撮像装置は、撮像部の裏面から光を照射するタイプの裏面照射型とすることも可能である。 Note that the imaging apparatus according to the above-described embodiment may be a backside illumination type that irradiates light from the backside of the imaging unit.
さらに、本発明の画素回路および撮像装置としては、上記実施形態のものに限られるものではなく、その他の種々の態様のものを採用し得る。例えば、上記実施形態においては、Y軸方向に並ぶ2つの画素に共有の2画素共有タイプの素子の例を挙げているが、それ以外の種々の、複数画素に共有の素子を用いて信号読出しを行うことができる。例えば、Y軸方向に並ぶ3画素(行)以上に共有のタイプのもの、あるいはX軸方向に並ぶ複数の画素(列)に共有のタイプのもの、とすることもできる。 Furthermore, the pixel circuit and the imaging device of the present invention are not limited to those of the above-described embodiment, and other various modes can be adopted. For example, in the above-described embodiment, an example of a two-pixel sharing type element shared by two pixels arranged in the Y-axis direction is given. However, signal reading using various other elements shared by a plurality of pixels is performed. It can be performed. For example, it is possible to use a common type for three pixels (rows) aligned in the Y-axis direction or a common type for a plurality of pixels (columns) aligned in the X-axis direction.
また、画素回路自体の構成としても種々のタイプのものに変更可能である。要は、複数画素共有の画素回路であって、中間電荷保持容量をフォトダイオードと浮遊拡散容量(信号読出し用保持容量)との間に配置するように構成した種々のタイプのものに変更可能である。 Also, the configuration of the pixel circuit itself can be changed to various types. In short, it is a pixel circuit that shares a plurality of pixels, and can be changed to various types in which the intermediate charge holding capacitor is arranged between the photodiode and the floating diffusion capacitor (signal reading holding capacitor). is there.
210 画素回路
11A,B フォトダイオード(PD)
12A,B 電荷転送トランジスタ(TX)
13 浮遊拡散容量(FD)
14 浮遊拡散容量リセットトランジスタ(RFD)
15 ソースフォロアアンプ(SF)
16 選択トランジスタ(SEL)
17 画素電源部(VDD)
18 画素出力部(OUT)
21A,B フォトダイオードリセットトランジスタ(RPD)
22A,B グローバルシャッタトランジスタ(GS)
23A,B 電荷保持容量(SD)
110 第1の蓄積部
120 第2の蓄積部
130 信号読出し部
210
12A, B Charge transfer transistor (TX)
13 Floating diffusion capacitance (FD)
14 Floating diffusion capacitance reset transistor (RFD)
15 Source follower amplifier (SF)
16 Selection transistor (SEL)
17 Pixel power supply (VDD)
18 Pixel output section (OUT)
21A, B Photodiode reset transistor (RPD)
22A, B Global shutter transistor (GS)
23A, B Charge retention capacity (SD)
110 First accumulation unit 120 Second accumulation unit 130 Signal readout unit
Claims (6)
前記画素の読出し走査は、非プログレッシブ方式により行われ、
前記信号蓄積部は、光照射に応じた電荷を発生する電荷生成部と、該電荷生成部で生成された信号電荷を一旦蓄積する中間電荷蓄積手段と、前記電荷生成部で発生した信号電荷を、該信号電荷を蓄積する電荷蓄積時間の終了時に、前記中間電荷蓄積手段に転送するグローバルシャッタ用トランジスタと、該中間電荷蓄積手段に蓄積された信号電荷を前記信号読出し部に転送する読出選択用トランジスタとを備え、
前記信号読出し部は、前記中間電荷蓄積手段から転送された信号電荷量を蓄積する信号読出し用電荷蓄積手段と、前記電荷蓄積時間毎に、前記中間電荷蓄積手段からの信号電荷が転送される前に、該信号読出し用電荷蓄積手段に蓄積されていた電荷を排出するリセット用トランジスタと、前記信号読出し用電荷蓄積手段に蓄積されていた電荷に応じた信号を出力する増幅用トランジスタと、画素選択を行う画素選択トランジスタとを備え、
1つの前記画素回路につき、前記信号蓄積部は画素毎に設けられるとともに、前記信号読出し部は画素共有されるように構成されてなり、
前記グローバルシャッタ用トランジスタの動作によって前記電荷蓄積時間を終了するタイミングは、前記非プログレッシブ方式における飛越し走査の各グループ毎に同時にされることを特徴とする画素回路。 In a pixel array in which a plurality of pixels are arranged in an XY matrix and each pixel is read and scanned by an image frame reading unit, a signal storage unit that stores charges related to the pixels, and storage in the signal storage unit A pixel circuit including a signal reading unit for reading the generated charge,
The pixel readout scanning is performed by a non-progressive method,
The signal storage unit includes a charge generation unit that generates charges in response to light irradiation, intermediate charge storage unit that temporarily stores signal charges generated by the charge generation unit, and signal charges generated by the charge generation unit. A global shutter transistor for transferring to the intermediate charge storage means at the end of the charge storage time for storing the signal charge, and a read selection for transferring the signal charge stored in the intermediate charge storage means to the signal reading section. With a transistor,
The signal readout unit includes a signal readout charge storage unit that accumulates a signal charge amount transferred from the intermediate charge storage unit, and a signal charge from the intermediate charge storage unit before being transferred at each charge storage time. A reset transistor for discharging the charge accumulated in the signal readout charge accumulating means, an amplifying transistor for outputting a signal corresponding to the charge accumulated in the signal readout charge accumulating means, and pixel selection A pixel selection transistor for performing
For each of the pixel circuits, the signal storage unit is provided for each pixel, and the signal readout unit is configured to share pixels,
2. The pixel circuit according to claim 1, wherein the timing of ending the charge accumulation time by the operation of the global shutter transistor is simultaneously performed for each group of interlaced scanning in the non-progressive method.
前記複数の画素は、X方向に7680画素でY方向に4320画素、またはX方向に3840画素でY方向に2160画素のいずれかに設定され、
前記画像フレーム読出し部は、非プログレッシブ方式を用い、分割画像フレーム間隔を8.333ミリ秒または8.342ミリ秒のいずれかに設定するとともに、前記画素アレイにおける各画素の電荷蓄積時間を10ミリ秒に設定することを特徴とする請求項1記載の画素回路。 In the pixel circuit,
The plurality of pixels are set to either 7680 pixels in the X direction and 4320 pixels in the Y direction, or 3840 pixels in the X direction and 2160 pixels in the Y direction,
The image frame reading unit uses a non-progressive method, sets the divided image frame interval to either 8.333 milliseconds or 8.342 milliseconds, and sets the charge accumulation time of each pixel in the pixel array to 10 milliseconds. 2. The pixel circuit according to claim 1, wherein the pixel circuit is set to seconds.
この画素回路に対応する複数の画素がXYマトリクス状に配置されてなる画素アレイと、
該画素アレイに対してY行のアドレスを選択して駆動する行選択回路部、およびX列ごとに信号を読み出す列並列読み出し回路部を含む画像フレーム読出し部とを有することを特徴とする撮像装置。 A pixel circuit according to any one of claims 1 to 5;
A pixel array in which a plurality of pixels corresponding to the pixel circuit are arranged in an XY matrix;
An image pickup apparatus comprising: a row selection circuit unit that selects and drives an address of a Y row for the pixel array; and an image frame reading unit including a column parallel reading circuit unit that reads a signal for each X column .
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