JP2017055350A - Solid state imaging device - Google Patents

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    • H04N25/581Control of the dynamic range involving two or more exposures acquired simultaneously
    • H04N25/585Control of the dynamic range involving two or more exposures acquired simultaneously with pixels having different sensitivities within the sensor, e.g. fast or slow pixels or pixels having different sizes

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid state imaging device capable of improving image quality under various lighting environments.SOLUTION: In a low illuminance mode, a switching transistor TC is turned off and a capacitive element CAP is disconnected from a floating diffusion FD. In a high illuminance mode, the switching transistor TC is turned on and the capacitive element CAP is connected to the floating diffusion FD. In an HDR mode, pixels S1 and S2 are used as high sensitivity pixels and pixels S3 and S4 are used as low sensitivity pixels.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。   Embodiments described herein relate generally to a solid-state imaging device.

固体撮像装置では、ダイナミックレンジ(撮像画像の最も暗い部分から最も明るい部分までの範囲)を向上させるために、個別に読み出し可能な感度の異なる複数の画素で1つの画素を構成することがある。   In a solid-state imaging device, in order to improve a dynamic range (a range from the darkest part to the brightest part of a captured image), a single pixel may be configured by a plurality of pixels with different sensitivities that can be individually read.

特開2014−168112号公報JP 2014-168112 A

本発明の一つの実施形態は、多種多様な照明環境下において、画質を向上させることが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。   An object of one embodiment of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of improving image quality under various illumination environments.

本発明の一つの実施形態によれば、互いに独立して読み出し可能な第1画素と第2画素とを含み、前記第1画素と前記第2画素とで第1浮遊拡散層が共有されるセルと、前記セルに設けられた容量素子と、前記セルに設けられ、前記容量素子と第1浮遊拡散層との間に設けられたトランジスタとを備える。   According to one embodiment of the present invention, a cell that includes a first pixel and a second pixel that can be read independently of each other, and a first floating diffusion layer is shared by the first pixel and the second pixel. And a capacitor provided in the cell, and a transistor provided in the cell and provided between the capacitor and the first floating diffusion layer.

図1は、第1実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of the solid-state imaging device according to the first embodiment. 図2(a)は、図1の画素アレイ部の構成例を示す平面図、図2(b)は、図2(a)の画素アレイ部の4画素分の構成例を示す平面図である。2A is a plan view showing a configuration example of the pixel array section of FIG. 1, and FIG. 2B is a plan view showing a configuration example of four pixels of the pixel array section of FIG. 2A. . 図3は、図1の画素アレイ部の1画素分の構成例を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a configuration example of one pixel of the pixel array unit of FIG. 図4は、図1の画素アレイ部の4画素分のレイアウト例を示す平面図である。FIG. 4 is a plan view showing a layout example for four pixels of the pixel array section of FIG. 図5は、図4の容量素子の構成例を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the capacitive element of FIG. 図6は、図4の容量素子のその他の構成例を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing another configuration example of the capacitive element of FIG. 図7(a)は、低照度モードでの画素の駆動方法を示すタイミングチャート、図7(b)は、高照度モードでの画素の駆動方法を示すタイミングチャート、図7(c)は、HDRモードでの画素の駆動方法を示すタイミングチャートである。7A is a timing chart showing a pixel driving method in the low illuminance mode, FIG. 7B is a timing chart showing a pixel driving method in the high illuminance mode, and FIG. 7C is HDR. 3 is a timing chart illustrating a pixel driving method in a mode. 図8は、図1の固体撮像装置のモード判定方法の一例を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a mode determination method of the solid-state imaging device of FIG. 図9は、図1の固体撮像装置の動作を示すフローチャートである。FIG. 9 is a flowchart showing the operation of the solid-state imaging device of FIG. 図10は、第2実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。FIG. 10 is a block diagram illustrating a schematic configuration of the solid-state imaging apparatus according to the second embodiment. 図11(a)は、図10の画素アレイ部の構成例を示す平面図、図11(b)は、図11(a)の画素アレイ部の4画素分の構成例を示す平面図である。FIG. 11A is a plan view showing a configuration example of the pixel array section of FIG. 10, and FIG. 11B is a plan view showing a configuration example of four pixels of the pixel array section of FIG. 11A. . 図12は、図10の画素アレイ部の1画素分の構成例を示す回路図である。FIG. 12 is a circuit diagram illustrating a configuration example of one pixel of the pixel array unit of FIG. 図13は、図10の画素アレイ部の4画素分のレイアウト例を示す平面図である。FIG. 13 is a plan view showing a layout example for four pixels in the pixel array section of FIG. 図14は、図10の固体撮像装置の電荷蓄積時間の設定例を示すタイミングチャートである。FIG. 14 is a timing chart showing an example of setting the charge accumulation time of the solid-state imaging device of FIG. 図15は、第3実施形態に係る固体撮像装置の1画素分の構成例を示す回路図である。FIG. 15 is a circuit diagram illustrating a configuration example of one pixel of the solid-state imaging device according to the third embodiment. 図16は、第4実施形態に係る固体撮像装置が適用されるデジタルカメラの概略構成を示すブロック図である。FIG. 16 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a digital camera to which the solid-state imaging device according to the fourth embodiment is applied. 図17は、第5実施形態に係る固体撮像装置が適用されるカメラモジュールの概略構成を示す断面図である。FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a camera module to which the solid-state imaging device according to the fifth embodiment is applied.

以下に添付図面を参照して、実施形態に係る固体撮像装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。   Hereinafter, a solid-state imaging device according to an embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to these embodiments.

(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
図1において、固体撮像装置には、センサ部B1および画像処理部B2が設けられている。センサ部B1には、複数のセルが設けられた画素アレイ部1、読み出し対象となる画素を垂直方向に走査する垂直走査回路2、各画素の信号成分をCDSにてカラムごとに検出し、AD変換して出力するカラムADC回路3、読み出し対象となる画素を水平方向に走査する水平走査回路4および各画素の読み出しや蓄積のタイミングを制御するタイミング制御回路5が設けられている。水平走査回路4は、カラムADC回路3でカラムごとに並列に生成されたAD変換値を水平方向に直列に転送する水平レジスタを用いることができる。画素アレイ部1には、垂直OB(Optical Black)部6が設けられている。垂直OB部6には、撮像時の黒レベル基準の設定に用いられるOB画素が設けられている。この時、タイミング制御回路5は、OB画素から読み出された黒レベルが目標値に一致するようにOB画素の出力値を調整することができる。
画像処理部B2には、デジタルクランプ部21、感度調整部22、遅延素子23、25、キズ補正部24、画像切り出し部26、駆動モード設定部27、自動露光制御部28およびインターフェース部29が設けられている。
デジタルクランプ部21は、OB画素から読み出された黒レベルに基づいて画素PXから読み出された画像信号をクランプ(レベル固定)する。この時、デジタルクランプ部21は、OB画素からの出力値の平均値を画素PXの画像信号から減算し、所定の黒レベル値を加算することができる。
感度調整部22は、画素S1〜S4間で感度または蓄積時間が異なる時に、画素S1〜S4間で感度比が合うように、画素S1〜S4の出力値のデジタルゲインを調整する。画素S1〜S4間で感度比を合わせるため、感度比の逆数をデジタルゲイン倍することができる。なお、画素S1〜S4については後述する。
遅延素子23、25は、有効画素の判定時における画像信号の出力タイミングを合わせるための遅延に用いることができる。この時、遅延素子23、25はSRAMを用いることができる。なお、ここで言う有効画素は、画素S1〜S4の中から選択された1以上の画素である。この時、画素S1〜S4のうち出力値が所定範囲内にある画素を有効画素とすることができる。
キズ補正部24は、セルのキズが修復されるようにセルから読み出された画素信号を補正する。
画像切り出し部26は、画像の所定領域を切り出す(以下、デジタルクロップと言うことがある)。
駆動モード設定部27は、画素PXからの出力値の分布に基づいて画素PXの駆動モードを設定する。駆動モードとして、ノーマルモードと、HDR(High Dynamic Range)モードを設定することができる。ノーマルモードには、低照度モード(被写体が暗い時に起動されるモード)と高照度モード(被写体が明るい時に起動されるモード) を設定することができる。この時、ノーマルモードでは、画素S1〜S4に蓄積されている電荷をまとめて読み出すことができる(複数の画素から電荷をまとめて読み出すことを電荷加算ビニングと言うことがある)。HDRモードでは、画素S1〜S4を2以上のグループに分けた時に、そのグループごとに別個に電荷を読み出すことができる。この時、グループごとに感度が異なるように設定することができる。
自動露光制御部28は、画素PXの輝度値に基づいて自動露光制御を行う。この時、自動露光制御部28は、画像の所定領域における出力値の平均値が所定値になるように蓄積時間またはアナログゲインを調整することができる。
インターフェース部29は、画素信号を所定のフォーマットで出力する。このフォーマットは、例えば、CSI(Camera Serial Interface)2規格に準拠することができる。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
In FIG. 1, the solid-state imaging device includes a sensor unit B1 and an image processing unit B2. The sensor unit B1 includes a pixel array unit 1 provided with a plurality of cells, a vertical scanning circuit 2 that scans a pixel to be read out in a vertical direction, a signal component of each pixel is detected for each column by CDS, and AD A column ADC circuit 3 for conversion and output, a horizontal scanning circuit 4 for scanning pixels to be read out in the horizontal direction, and a timing control circuit 5 for controlling the timing of reading and accumulation of each pixel are provided. The horizontal scanning circuit 4 can use a horizontal register that transfers AD conversion values generated in parallel for each column by the column ADC circuit 3 in series in the horizontal direction. The pixel array unit 1 is provided with a vertical OB (Optical Black) unit 6. The vertical OB unit 6 is provided with OB pixels used for setting a black level reference at the time of imaging. At this time, the timing control circuit 5 can adjust the output value of the OB pixel so that the black level read from the OB pixel matches the target value.
The image processing unit B2 includes a digital clamp unit 21, a sensitivity adjustment unit 22, delay elements 23 and 25, a defect correction unit 24, an image cutout unit 26, a drive mode setting unit 27, an automatic exposure control unit 28, and an interface unit 29. It has been.
The digital clamp unit 21 clamps (fixes the level of) the image signal read from the pixel PX based on the black level read from the OB pixel. At this time, the digital clamp unit 21 can subtract the average value of the output values from the OB pixel from the image signal of the pixel PX and add a predetermined black level value.
The sensitivity adjustment unit 22 adjusts the digital gain of the output values of the pixels S1 to S4 so that the sensitivity ratios match between the pixels S1 to S4 when the sensitivity or accumulation time differs between the pixels S1 to S4. Since the sensitivity ratio is matched between the pixels S1 to S4, the reciprocal of the sensitivity ratio can be multiplied by the digital gain. The pixels S1 to S4 will be described later.
The delay elements 23 and 25 can be used for delay for matching the output timing of the image signal when determining the effective pixel. At this time, SRAMs can be used as the delay elements 23 and 25. The effective pixel referred to here is one or more pixels selected from the pixels S1 to S4. At this time, a pixel having an output value within a predetermined range among the pixels S1 to S4 can be set as an effective pixel.
The defect correction unit 24 corrects the pixel signal read from the cell so that the defect of the cell is repaired.
The image cutout unit 26 cuts out a predetermined area of the image (hereinafter sometimes referred to as digital crop).
The drive mode setting unit 27 sets the drive mode of the pixel PX based on the distribution of output values from the pixel PX. As the drive mode, a normal mode and an HDR (High Dynamic Range) mode can be set. In the normal mode, a low illumination mode (a mode activated when the subject is dark) and a high illumination mode (a mode activated when the subject is bright) can be set. At this time, in the normal mode, charges accumulated in the pixels S1 to S4 can be read together (reading charges from a plurality of pixels collectively may be referred to as charge addition binning). In the HDR mode, when the pixels S1 to S4 are divided into two or more groups, charges can be read out separately for each group. At this time, the sensitivity can be set to be different for each group.
The automatic exposure control unit 28 performs automatic exposure control based on the luminance value of the pixel PX. At this time, the automatic exposure control unit 28 can adjust the accumulation time or the analog gain so that the average value of the output values in a predetermined area of the image becomes a predetermined value.
The interface unit 29 outputs the pixel signal in a predetermined format. This format can conform to, for example, the CSI (Camera Serial Interface) 2 standard.

デジタルクランプ部21において、水平走査回路4を介して出力された画素信号の黒レベルが補正される。HDRモードでは、感度調整部22において、画素S1〜S4のグループ間で感度比が合うように、画素S1〜S4の出力値のデジタルゲインが調整される。一方、ノーマルモードでは、感度調整部22の処理が省略される。
キズ補正部24において画素信号のキズ補正が行なわれた後、画像切り出し部26において画像の所定領域が切り出される。
駆動モード設定部27において画素PXの駆動モードが設定されるとともに、自動露光制御部28において自動露光制御が行われる。ここで、駆動モード設定部27において駆動モードが設定されると、感度調整部22およびタイミング制御回路5に通知される。
タイミング制御回路5において、駆動モードに応じて画素S1〜S4の読み出しタイミング、画素S1〜S4の蓄積時間および画素S1〜S4のアナログゲインが設定される。
In the digital clamp unit 21, the black level of the pixel signal output via the horizontal scanning circuit 4 is corrected. In the HDR mode, the sensitivity adjustment unit 22 adjusts the digital gain of the output values of the pixels S1 to S4 so that the sensitivity ratio is matched between the groups of the pixels S1 to S4. On the other hand, in the normal mode, the processing of the sensitivity adjustment unit 22 is omitted.
After the defect correction unit 24 corrects the pixel signal, the image cutout unit 26 cuts out a predetermined area of the image.
The drive mode setting unit 27 sets the drive mode of the pixel PX, and the automatic exposure control unit 28 performs automatic exposure control. Here, when the drive mode is set in the drive mode setting unit 27, the sensitivity adjustment unit 22 and the timing control circuit 5 are notified.
In the timing control circuit 5, the readout timing of the pixels S1 to S4, the accumulation time of the pixels S1 to S4, and the analog gain of the pixels S1 to S4 are set according to the drive mode.

次に、第1実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイ部について図2を用いて説明する。
図2(a)は、図1の画素アレイ部の構成例を示す平面図、図2(b)は、図2(a)の画素アレイ部の4画素分の構成例を示す平面図である。
図2(a)および図2(b)において、画素アレイ部1には、セルがロウ方向RDおよびカラム方向CDにアレイ状に配置されている。第1実施形態において、セルは4つの画素S1〜S4を含むとして説明する。セルPは、同色画素では互いに感度を等しくすることができる。画素S1〜S4は、同色画素について画素S1〜S4のうち少なくとも1個は他の画素と感度を異ならせることができる。画素S1〜S4は、互いに独立して読み出し可能である。また、画素S1〜S4は、互いに独立して蓄積時間を設定することができる。画素S1〜S4のうち少なくとも少なくとも1個は他の画素と感度を異ならせる方法として、感光面の受光量を異ならせるようにしてもよいし、蓄積時間を異ならせるようにしてもよい。画素S1〜S4の感光面の受光量を異ならせる方法としては、遮光層を設けるようにしてもよいし、受光面の面積を異ならせるようにしてもよいし、マイクロレンズのサイズを異ならせるようにしてもよい。
画素アレイ部1では、撮像画像をカラー化するために、4個のセルP1〜P4を1組としたベイヤ配列HPを用いることができる。このベイヤ配列HPでは、ベイヤ配列HPの第1の対角方向に2個の緑色画素Gr、Gbが配置され、ベイヤ配列HPの第2の対角方向に1個の赤色画素Rと1個の青色画素Bが配置される。なお、各画素S1〜S4は少なくとも光電変換部を持つ。光電変換部から信号を読み出す読み出し回路は、画素S1〜S4間で共有してもよいし、画素S1〜S4ごとに別個に設けるようにしてもよい。
なお、セルPを画素S1〜S4の構成とすることで、セルPに対する読み出しタイミング制御を画素S1〜S4に流用することを可能としつつ、セルPから感度の異なる画素信号を得ることができる。
Next, the pixel array unit of the solid-state imaging device according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
2A is a plan view showing a configuration example of the pixel array section of FIG. 1, and FIG. 2B is a plan view showing a configuration example of four pixels of the pixel array section of FIG. 2A. .
2A and 2B, in the pixel array section 1, cells are arranged in an array in the row direction RD and the column direction CD. In the first embodiment, the cell will be described as including four pixels S1 to S4. The cells P can have the same sensitivity in the same color pixels. Regarding the pixels S1 to S4, at least one of the pixels S1 to S4 can have a sensitivity different from that of the other pixels with respect to the same color pixel. The pixels S1 to S4 can be read independently of each other. In addition, the pixels S1 to S4 can set the accumulation time independently of each other. As a method of making at least one of the pixels S1 to S4 have different sensitivity from other pixels, the amount of light received on the photosensitive surface may be made different, or the accumulation time may be made different. As a method of varying the light receiving amount of the photosensitive surface of the pixels S1 to S4, a light shielding layer may be provided, the area of the light receiving surface may be varied, or the size of the microlens may be varied. It may be.
In the pixel array unit 1, a Bayer array HP having a set of four cells P1 to P4 can be used to colorize a captured image. In this Bayer array HP, two green pixels Gr and Gb are arranged in the first diagonal direction of the Bayer array HP, and one red pixel R and one pixel are arranged in the second diagonal direction of the Bayer array HP. A blue pixel B is arranged. Each pixel S1 to S4 has at least a photoelectric conversion unit. A readout circuit that reads a signal from the photoelectric conversion unit may be shared between the pixels S1 to S4, or may be provided separately for each of the pixels S1 to S4.
In addition, by setting the cell P to the configuration of the pixels S1 to S4, it is possible to obtain pixel signals having different sensitivities from the cell P while making it possible to apply the read timing control for the cell P to the pixels S1 to S4.

図3は、図1の画素アレイ部の1画素分の構成例を示す回路図である。
図3において、1つのセルPには、画素S1〜S4、容量素子CAP、行選択トランジスタTD、増幅トランジスタTA、リセットトランジスタTR、読み出しトランジスタTE1〜TE4および切替トランジスタTC、浮遊拡散層としてのフローティングディフュージョンFDを含む。画素S1〜S4には、フォトダイオードPD1〜PD4がそれぞれ含まれている。ここで、行選択トランジスタTD、増幅トランジスタTA、リセットトランジスタTRおよび切替トランジスタTCはフォトダイオードPD1〜PD4にて共用されている。読み出しトランジスタTE1〜TE4は、フォトダイオードPD1〜PD4ごとに設けられている。また、増幅トランジスタTAとリセットトランジスタTRと読み出しトランジスタTE1〜TE4と切替トランジスタTCとの接続点には検出ノードとしてフローティングディフュージョンFDが形成されている。
FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a configuration example of one pixel of the pixel array unit of FIG.
In FIG. 3, one cell P includes pixels S1 to S4, a capacitive element CAP, a row selection transistor TD, an amplification transistor TA, a reset transistor TR, readout transistors TE1 to TE4, a switching transistor TC, and a floating diffusion layer as a floating diffusion layer. Includes FD. The pixels S1 to S4 include photodiodes PD1 to PD4, respectively. Here, the row selection transistor TD, the amplification transistor TA, the reset transistor TR, and the switching transistor TC are shared by the photodiodes PD1 to PD4. The read transistors TE1 to TE4 are provided for the photodiodes PD1 to PD4. In addition, a floating diffusion FD is formed as a detection node at a connection point between the amplification transistor TA, the reset transistor TR, the read transistors TE1 to TE4, and the switching transistor TC.

読み出しトランジスタTE1のソースは、フォトダイオードPD1に接続され、読み出しトランジスタTE2のソースは、フォトダイオードPD2に接続され、読み出しトランジスタTE3のソースは、フォトダイオードPD3に接続され、読み出しトランジスタTE4のソースは、フォトダイオードPD4に接続されている。
リセットトランジスタTRのソースは、読み出しトランジスタTE1〜TE4のドレインに接続されている。
リセットトランジスタTRおよび増幅トランジスタTAのドレインは、電源電位VDDに接続されている。増幅トランジスタTAのゲートは、読み出しトランジスタTE1〜TE4のドレインに接続されている。
行選択トランジスタTDのソースは、行選択トランジスタTDのソースは、垂直信号線Vlinに接続されて、行選択トランジスタTDのドレインは、増幅トランジスタTAのソースに接続されている。
切替トランジスタTCのドレインはフローティングディフュージョンFDに接続され、切替トランジスタTCのソースは容量素子CAPに接続されている。
各読み出しトランジスタTE1〜TE4のゲートには、リード信号READ1〜READ4が入力される。リセットトランジスタTRのゲートには、リセット信号RESETが入力される。行選択トランジスタTDのゲートには、行選択信号ADRが入力される。切替トランジスタTCのゲートには、切替信号FDWが入力される。各フォトダイオードPD1〜PD4から読み出された画素信号Vsigは、垂直信号線Vlinを介してカラム方向CDに伝送される。
The source of the read transistor TE1 is connected to the photodiode PD1, the source of the read transistor TE2 is connected to the photodiode PD2, the source of the read transistor TE3 is connected to the photodiode PD3, and the source of the read transistor TE4 is connected to the photo diode It is connected to the diode PD4.
The source of the reset transistor TR is connected to the drains of the read transistors TE1 to TE4.
The drains of the reset transistor TR and the amplification transistor TA are connected to the power supply potential VDD. The gate of the amplification transistor TA is connected to the drains of the read transistors TE1 to TE4.
The source of the row selection transistor TD is connected to the vertical signal line Vlin, and the drain of the row selection transistor TD is connected to the source of the amplification transistor TA.
The drain of the switching transistor TC is connected to the floating diffusion FD, and the source of the switching transistor TC is connected to the capacitive element CAP.
Read signals READ1 to READ4 are input to the gates of the read transistors TE1 to TE4. A reset signal RESET is input to the gate of the reset transistor TR. A row selection signal ADR is input to the gate of the row selection transistor TD. A switching signal FDW is input to the gate of the switching transistor TC. The pixel signal Vsig read from each of the photodiodes PD1 to PD4 is transmitted in the column direction CD through the vertical signal line Vlin.

図4は、図1の画素アレイ部の4画素分のレイアウト例を示す平面図である。
図4において、セルP1〜P4が2行2列に渡って正方状に配置されることでベイヤ配列HPが構成されている。例えば、セルP1において、フォトダイオードPD1〜PD4が半導体基板SBに正方状に配置されることで画素S1〜S4がそれぞれ構成されている。なお、半導体基板SBの材料は、例えば、Si、Ge、SiGe、SiC、SiSn、PbS、GaAs、InP、InGaAsP、GaP、GaNおよびZnSeなどから選択することができる。
半導体基板SBの導電型はP型、フォトダイオードPD1〜PD4の導電型はN型に設定することができる。セルP1〜P4間には、容量素子CAP、行選択トランジスタTD、増幅トランジスタTA、リセットトランジスタTRおよび切替トランジスタTCが配置されている。行選択トランジスタTDおよび増幅トランジスタTAはロウ方向RDに隣接して配置されている。容量素子CAP、切替トランジスタTCおよびリセットトランジスタTRはカラム方向CDに隣接して配置されている。フォトダイオードPD1〜PD4の正方配置の中央には、フローティングディフュージョンFDが配置されている。この時、各フォトダイオードPD1〜PD4からフローティングディフュージョンFDまでの距離を互いに等しくすることができる。各フォトダイオードPD1〜PD4とフローティングディフュージョンFDとの間には、読み出しトランジスタTE1〜TE4が配置されている。増幅トランジスタTAのゲート電極とフローティングディフュージョンFDは配線H1を介して接続され、リセットトランジスタTRのソースとフローティングディフュージョンFDは配線H2を介して接続されている。行選択トランジスタTDのソースは垂直信号線Vlinに接続されている。フォトダイオードPD1〜PD4上にはマイクロレンズMLが別個に設けられている。
FIG. 4 is a plan view showing a layout example for four pixels of the pixel array section of FIG.
In FIG. 4, a Bayer array HP is configured by arranging cells P1 to P4 in a square shape over 2 rows and 2 columns. For example, in the cell P1, the photodiodes PD1 to PD4 are arranged in a square shape on the semiconductor substrate SB, so that the pixels S1 to S4 are configured. Note that the material of the semiconductor substrate SB can be selected from, for example, Si, Ge, SiGe, SiC, SiSn, PbS, GaAs, InP, InGaAsP, GaP, GaN, and ZnSe.
The conductivity type of the semiconductor substrate SB can be set to P type, and the conductivity types of the photodiodes PD1 to PD4 can be set to N type. Between the cells P1 to P4, a capacitive element CAP, a row selection transistor TD, an amplification transistor TA, a reset transistor TR, and a switching transistor TC are arranged. The row selection transistor TD and the amplification transistor TA are disposed adjacent to the row direction RD. The capacitive element CAP, the switching transistor TC, and the reset transistor TR are disposed adjacent to the column direction CD. A floating diffusion FD is arranged in the center of the square arrangement of the photodiodes PD1 to PD4. At this time, the distances from the photodiodes PD1 to PD4 to the floating diffusion FD can be made equal to each other. Read transistors TE1 to TE4 are arranged between the photodiodes PD1 to PD4 and the floating diffusion FD. The gate electrode of the amplification transistor TA and the floating diffusion FD are connected via the wiring H1, and the source of the reset transistor TR and the floating diffusion FD are connected via the wiring H2. The source of the row selection transistor TD is connected to the vertical signal line Vlin. Microlenses ML are separately provided on the photodiodes PD1 to PD4.

図5は、図4の容量素子の構成例を示す断面図である。
図5において、半導体基板SBには、不純物拡散層HU1、HU2が分離して形成されている。不純物拡散層HU1、HU2上には、ゲート絶縁膜31が形成されている。不純物拡散層HU1、HU2間のチャネル層上には、ゲート絶縁膜31を介してゲート電極32が形成されている。不純物拡散層HU2上には、ゲート絶縁膜31を介して容量電極33が形成されている。この時、不純物拡散層HU1は、リセットトランジスタTRのソースに用いることができる。不純物拡散層HU2および容量電極33は、容量素子CAPの容量電極に用いることができる。
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the capacitive element of FIG.
In FIG. 5, impurity diffusion layers HU1 and HU2 are separately formed on the semiconductor substrate SB. A gate insulating film 31 is formed on the impurity diffusion layers HU1 and HU2. A gate electrode 32 is formed on the channel layer between the impurity diffusion layers HU1 and HU2 via the gate insulating film 31. A capacitive electrode 33 is formed on the impurity diffusion layer HU2 with a gate insulating film 31 interposed therebetween. At this time, the impurity diffusion layer HU1 can be used as the source of the reset transistor TR. The impurity diffusion layer HU2 and the capacitor electrode 33 can be used as a capacitor electrode of the capacitor element CAP.

図6は、図4の容量素子のその他の構成例を示す断面図である。なお、図6では、裏面照射型CMOSセンサを例にとった。また、図6では、容量素子としてMIM(Metal Insulator Metal)構造を示した。
図6において、半導体基板SBには、フォトダイオードPD1、PD2およびフローティングディフュージョンFDが分離して形成されている。フォトダイオードPD1、PD2およびフローティングディフュージョンFD上には、ゲート絶縁膜40が形成されている。フォトダイオードPD1とフローティングディフュージョンFDとの間のチャネル層上には、ゲート絶縁膜40を介してゲート電極41が形成されている。ゲート電極41は読み出しトランジスタTE1に用いることができる。フォトダイオードPD2とフローティングディフュージョンFDとの間のチャネル層上には、ゲート絶縁膜40を介してゲート電極42が形成されている。ゲート電極42は読み出しトランジスタTE2に用いることができる。ゲート絶縁膜40上には、ゲート電極41、42を覆うように層間絶縁膜43が形成されている。層間絶縁膜43上には、容量電極44、46で挟まれた誘電体層45が形成されている。容量電極44、46の材料は、AlまたはCuなどの金属を用いることができる。誘電体層45の材料は、SiOまたはSiNなどの絶縁体を用いることができる。この時、容量電極44、46および誘電体層45は容量素子CAPとして用いることができる。半導体基板SBには、透明スペーサ層SPが形成されている。透明スペーサ層SP上にはカラーフィルタFLが配置されている。カラーフィルタFL上には、マイクロレンズMLが配置されている。マイクロレンズMLの材料は、例えば、アクリルまたはポリカーボネートなどの透明樹脂を用いることができる。
図6の構成では、図5の構成に比べて容量素子CAPの面積を容易に増大させることができ、容量素子CAPの大容量化を図ることができる。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing another configuration example of the capacitive element of FIG. In FIG. 6, a back-illuminated CMOS sensor is taken as an example. In FIG. 6, an MIM (Metal Insulator Metal) structure is shown as the capacitor.
In FIG. 6, photodiodes PD1 and PD2 and a floating diffusion FD are separately formed on the semiconductor substrate SB. A gate insulating film 40 is formed on the photodiodes PD1 and PD2 and the floating diffusion FD. A gate electrode 41 is formed on the channel layer between the photodiode PD1 and the floating diffusion FD via a gate insulating film 40. The gate electrode 41 can be used for the read transistor TE1. A gate electrode 42 is formed on the channel layer between the photodiode PD2 and the floating diffusion FD via a gate insulating film 40. The gate electrode 42 can be used for the read transistor TE2. An interlayer insulating film 43 is formed on the gate insulating film 40 so as to cover the gate electrodes 41 and 42. On the interlayer insulating film 43, a dielectric layer 45 sandwiched between capacitive electrodes 44 and 46 is formed. As the material of the capacitance electrodes 44 and 46, a metal such as Al or Cu can be used. As a material of the dielectric layer 45, an insulator such as SiO 2 or SiN can be used. At this time, the capacitive electrodes 44 and 46 and the dielectric layer 45 can be used as the capacitive element CAP. A transparent spacer layer SP is formed on the semiconductor substrate SB. A color filter FL is disposed on the transparent spacer layer SP. A microlens ML is disposed on the color filter FL. As the material of the microlens ML, for example, a transparent resin such as acrylic or polycarbonate can be used.
In the configuration of FIG. 6, the area of the capacitive element CAP can be easily increased compared to the configuration of FIG. 5, and the capacitance of the capacitive element CAP can be increased.

次に、第1実施形態に係る固体撮像装置の動作について図7を用いて説明する。
図7(a)は、低照度モードでの画素の駆動方法を示すタイミングチャート、図7(b)は、高照度モードでの画素の駆動方法を示すタイミングチャート、図7(c)は、HDRモードでの画素の駆動方法を示すタイミングチャートである。
図7(a)において、低照度モードでは、リセット信号RESETおよびリード信号READ1〜READ4が立ち上がることで、リセットトランジスタTRおよび読み出しトランジスタTE1〜TE4がオンされる。この時、フォトダイオードPD1〜PD4に蓄積されていた電荷が排出される。リセット信号RESETおよびリード信号READ1〜READ4が立ち下がることで、リセットトランジスタTRおよび読み出しトランジスタTE1〜TE4がオフされ、フォトダイオードPD1〜PD4での電荷の蓄積が開始される(時刻t1)。
次に、リセット信号RESETが立ち上がることで、リセットトランジスタTRがオンされる。この時、フローティングディフュージョンFDに蓄積されていた電荷が排出される(時刻t2)。
次に、リード信号READ1〜READ4が立ち上がることで、読み出しトランジスタTE1〜TE4がオンされる。この時、フォトダイオードPD1〜PD4に蓄積されていた電荷がフローティングディフュージョンFDに転送される(時刻t3)。
増幅トランジスタTAは、行選択トランジスタTDがオンしている時に、フローティングディフュージョンFDの電位に応じてソースフォロア動作を行うことで、フローティングディフュージョンFDの電位に対応した画素信号Vsigを垂直信号線Vlinを介して伝送することができる。この時、時刻t1から時刻t3までをフォトダイオードPD1〜PD4の電荷蓄積時間HT1とする。また、フォトダイオードPD1〜PD4に蓄積されていた電荷をフローティングディフュージョンFDに同時に読み出すことにより、画素S1〜S4の電荷加算ビニングを行うことができる。この電荷加算ビニングでは、画素S1〜S4に蓄積されている電荷が加算され、同時に読み出される。このため、画素S1〜S4から信号を別個に読み出した場合に比べて、感度を向上させることが可能となるとともに、読み出し速度を向上させることができる。
ここで、時刻t2、t3では切替信号FDWをロウレベルに設定し、切替トランジスタTCをオフすることができる。この時、容量素子CAPはフローティングディフュージョンFDから切り離される。このため、フローティングディフュージョンFDの容量素子CAPによる付加容量(以下、フローティングディフュージョンFDの容量素子CAPによる付加容量を単に付加容量と言う)をなくすことができ、電荷を電圧に変換する時の変換効率を上げることが可能となる。なお、この変換効率ηはη=q/CF・Gで与えることができる。ただし、qは電子の電荷量、Gは増幅トランジスタTAのゲイン、CFはフローティングディフュージョンFDの容量(容量素子CAPによる付加容量がある時は、フローティングディフュージョンFDの容量と容量素子CAPの容量との加算値)である。ここで言うフローティングディフュージョンFDの容量には、拡散容量の他、フローティングディフュージョンFDに接続される配線の配線容量も含む。変換効率を上げることで、少ない電荷からより大きな電圧を得ることが可能となる。この結果、信号読み出し時のSN比(信号対雑音比 (signal−to− noise ratio))を向上させることができ、低照度における撮像画像のノイズを低減することができる。
Next, the operation of the solid-state imaging device according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
7A is a timing chart showing a pixel driving method in the low illuminance mode, FIG. 7B is a timing chart showing a pixel driving method in the high illuminance mode, and FIG. 7C is HDR. 3 is a timing chart illustrating a pixel driving method in a mode.
In FIG. 7A, in the low illuminance mode, the reset transistor TR and the read transistors TE1 to TE4 are turned on when the reset signal RESET and the read signals READ1 to READ4 rise. At this time, charges accumulated in the photodiodes PD1 to PD4 are discharged. When the reset signal RESET and the read signals READ1 to READ4 fall, the reset transistor TR and the read transistors TE1 to TE4 are turned off, and charge accumulation in the photodiodes PD1 to PD4 is started (time t1).
Next, when the reset signal RESET rises, the reset transistor TR is turned on. At this time, the charge accumulated in the floating diffusion FD is discharged (time t2).
Next, when the read signals READ1 to READ4 rise, the read transistors TE1 to TE4 are turned on. At this time, the charges accumulated in the photodiodes PD1 to PD4 are transferred to the floating diffusion FD (time t3).
The amplification transistor TA performs a source follower operation according to the potential of the floating diffusion FD when the row selection transistor TD is turned on, so that the pixel signal Vsig corresponding to the potential of the floating diffusion FD is transmitted via the vertical signal line Vlin. Can be transmitted. At this time, the charge accumulation time HT1 of the photodiodes PD1 to PD4 is from time t1 to time t3. Further, the charge accumulation binning of the pixels S1 to S4 can be performed by simultaneously reading out the charges accumulated in the photodiodes PD1 to PD4 to the floating diffusion FD. In this charge addition binning, the charges accumulated in the pixels S1 to S4 are added and read out simultaneously. For this reason, it is possible to improve the sensitivity and improve the reading speed as compared with the case where the signals are read separately from the pixels S1 to S4.
Here, at time t2 and t3, the switching signal FDW can be set to a low level, and the switching transistor TC can be turned off. At this time, the capacitive element CAP is disconnected from the floating diffusion FD. For this reason, it is possible to eliminate the additional capacitance due to the capacitance element CAP of the floating diffusion FD (hereinafter, the additional capacitance due to the capacitance element CAP of the floating diffusion FD is simply referred to as additional capacitance), and the conversion efficiency when converting charges into voltage is improved. It is possible to raise. The conversion efficiency η can be given by η = q / CF · G. Where q is the amount of charge of electrons, G is the gain of the amplification transistor TA, and CF is the capacitance of the floating diffusion FD (when there is additional capacitance due to the capacitive element CAP, the addition of the capacitance of the floating diffusion FD and the capacitance of the capacitive element CAP Value). The capacitance of the floating diffusion FD mentioned here includes not only the diffusion capacitance but also the wiring capacitance of the wiring connected to the floating diffusion FD. Increasing the conversion efficiency makes it possible to obtain a larger voltage from a small amount of charge. As a result, the signal-to-noise ratio (signal-to-noise ratio) at the time of signal readout can be improved, and noise in the captured image at low illuminance can be reduced.

図7(b)において、高照度モードでは、リセット信号RESETおよびリード信号READ1〜READ4が立ち上がることで、リセットトランジスタTRおよび読み出しトランジスタTE1〜TE4がオンされる。この時、フォトダイオードPD1〜PD4に蓄積されていた電荷が排出される。リセット信号RESETおよびリード信号READ1〜READ4が立ち下がることで、リセットトランジスタTRおよび読み出しトランジスタTE1〜TE4がオフされ、フォトダイオードPD1〜PD4での電荷の蓄積が開始される(時刻t4)。
次に、リセット信号RESETが立ち上がることで、リセットトランジスタTRがオンされる。この時、フローティングディフュージョンFDに蓄積されていた電荷が排出される(時刻t5)。
次に、リード信号READ1〜READ4が立ち上がることで、読み出しトランジスタTE1〜TE4がオンされる。この時、フォトダイオードPD1〜PD4に蓄積されていた電荷がフローティングディフュージョンFDに転送される(時刻t6)。
増幅トランジスタTAは、行選択トランジスタTDがオンしている時に、フローティングディフュージョンFDの電位に応じてソースフォロア動作を行うことで、フローティングディフュージョンFDの電位に対応した画素信号Vsigを垂直信号線Vlinを介して伝送することができる。この時、時刻t4から時刻t6までをフォトダイオードPD1〜PD4の電荷蓄積時間HT2とする。電荷蓄積時間HT2は、電荷蓄積時間HT1よりも小さくすることができる。電荷蓄積時間HT2を小さくすることで、高照度時にフォトダイオードPD1〜PD4から電荷が溢れるのを防止することができ、画像の明るい部分が潰れるのを防止することができる。また、フォトダイオードPD1〜PD4に蓄積されていた電荷をフローティングディフュージョンFDに同時に読み出すことにより、画素S1〜S4の電荷加算ビニングを行うことができる。
ここで、時刻t5、t6では切替信号FDWをハイレベルに設定し、切替トランジスタTCをオンにする。この時、容量素子CAPはフローティングディフュージョンFDに接続される。このため、フローティングディフュージョンFDの付加容量を増大させることができ、フォトダイオードPD1〜PD4からフローティングディフュージョンFDに転送された電荷がフローティングディフュージョンFDから溢れるのを防止することが可能となる。この結果、フローティングディフュージョンFDの電荷の飽和レベルを向上させることができ、高照度における撮像画像のダイナミックレンジを向上させることができる。
In FIG. 7B, in the high illuminance mode, the reset transistor TR and the read transistors TE1 to TE4 are turned on when the reset signal RESET and the read signals READ1 to READ4 rise. At this time, charges accumulated in the photodiodes PD1 to PD4 are discharged. When the reset signal RESET and the read signals READ1 to READ4 fall, the reset transistor TR and the read transistors TE1 to TE4 are turned off, and charge accumulation in the photodiodes PD1 to PD4 is started (time t4).
Next, when the reset signal RESET rises, the reset transistor TR is turned on. At this time, the electric charge accumulated in the floating diffusion FD is discharged (time t5).
Next, when the read signals READ1 to READ4 rise, the read transistors TE1 to TE4 are turned on. At this time, the charges accumulated in the photodiodes PD1 to PD4 are transferred to the floating diffusion FD (time t6).
The amplification transistor TA performs a source follower operation according to the potential of the floating diffusion FD when the row selection transistor TD is turned on, so that the pixel signal Vsig corresponding to the potential of the floating diffusion FD is transmitted via the vertical signal line Vlin. Can be transmitted. At this time, the period from time t4 to time t6 is defined as the charge accumulation time HT2 of the photodiodes PD1 to PD4. The charge accumulation time HT2 can be made shorter than the charge accumulation time HT1. By reducing the charge storage time HT2, it is possible to prevent the charge from overflowing from the photodiodes PD1 to PD4 at high illuminance, and to prevent the bright part of the image from being crushed. Further, the charge accumulation binning of the pixels S1 to S4 can be performed by simultaneously reading out the charges accumulated in the photodiodes PD1 to PD4 to the floating diffusion FD.
Here, at times t5 and t6, the switching signal FDW is set to the high level, and the switching transistor TC is turned on. At this time, the capacitive element CAP is connected to the floating diffusion FD. For this reason, it is possible to increase the additional capacity of the floating diffusion FD, and it is possible to prevent the charges transferred from the photodiodes PD1 to PD4 to the floating diffusion FD from overflowing from the floating diffusion FD. As a result, the saturation level of the charge of the floating diffusion FD can be improved, and the dynamic range of the captured image at high illuminance can be improved.

図7(c)において、HDRモードでは、画素S1〜S4が2以上のグループに分けられる。図7(c)の例では、画素S1〜S4を2個のグループに分け、画素S1、S2からなるグループを高感度画素(感度が高い画素)、画素S3、S4からなるグループを低感度画素(感度が低い画素)として用いる場合を示した。
リセット信号RESETおよびリード信号READ1、READ2が立ち上がることで、リセットトランジスタTRおよび読み出しトランジスタTE1、TE2がオンされる。この時、フォトダイオードPD1、PD2に蓄積されていた電荷が排出される。
リセット信号RESETおよびリード信号READ1、READ2が立ち下がることで、リセットトランジスタTRおよび読み出しトランジスタTE1、TE2がオフされ、フォトダイオードPD1、PD2での電荷の蓄積が開始される(時刻t11)。
次に、リセット信号RESETおよびリード信号READ3、READ4が立ち上がることで、リセットトランジスタTRおよび読み出しトランジスタTE3、TE4がオンされる。この時、フォトダイオードPD3、PD4に蓄積されていた電荷が排出される。
リセット信号RESETおよびリード信号READ3、READ4が立ち下がることで、リセットトランジスタTRおよび読み出しトランジスタTE3、TE4がオフされ、フォトダイオードPD3、PD4での電荷の蓄積が開始される(時刻t12)。
次に、リセット信号RESETが立ち上がることで、リセットトランジスタTRがオンされる。この時、フローティングディフュージョンFDに蓄積されていた電荷が排出される(時刻t13)。
In FIG. 7C, in the HDR mode, the pixels S1 to S4 are divided into two or more groups. In the example of FIG. 7C, the pixels S1 to S4 are divided into two groups, a group including the pixels S1 and S2 is a high sensitivity pixel (a pixel having high sensitivity), and a group including the pixels S3 and S4 is a low sensitivity pixel. The case where it is used as (a pixel with low sensitivity) is shown.
As the reset signal RESET and the read signals READ1 and READ2 rise, the reset transistor TR and the read transistors TE1 and TE2 are turned on. At this time, charges accumulated in the photodiodes PD1 and PD2 are discharged.
When the reset signal RESET and the read signals READ1 and READ2 fall, the reset transistor TR and the read transistors TE1 and TE2 are turned off, and charge accumulation in the photodiodes PD1 and PD2 is started (time t11).
Next, when the reset signal RESET and the read signals READ3 and READ4 rise, the reset transistor TR and the read transistors TE3 and TE4 are turned on. At this time, the charges accumulated in the photodiodes PD3 and PD4 are discharged.
When the reset signal RESET and the read signals READ3 and READ4 fall, the reset transistor TR and the read transistors TE3 and TE4 are turned off, and charge accumulation in the photodiodes PD3 and PD4 is started (time t12).
Next, when the reset signal RESET rises, the reset transistor TR is turned on. At this time, the charges accumulated in the floating diffusion FD are discharged (time t13).

次に、リード信号READ1、READ2が立ち上がることで、読み出しトランジスタTE1、TE2がオンされる。この時、フォトダイオードPD1、PD2に蓄積されていた電荷がフローティングディフュージョンFDに転送される(時刻t14)。
増幅トランジスタTAは、行選択トランジスタTDがオンしている時に、フローティングディフュージョンFDの電位に応じてソースフォロア動作を行うことで、フローティングディフュージョンFDの電位に対応した画素信号Vsigを垂直信号線Vlinを介して伝送することができる。この時、時刻t11から時刻t14までをフォトダイオードPD1、PD2の電荷蓄積時間HT3とする。また、フォトダイオードPD1、PD2に蓄積されていた電荷をフローティングディフュージョンFDに同時に読み出すことにより、画素S1、S2の電荷加算ビニングを行うことができる。電荷加算ビニングでは、画素S1、S2に蓄積されている電荷を加算することができ、感度を向上させることが可能となる。
次に、リセット信号RESETが立ち上がることで、リセットトランジスタTRがオンされる。この時、フローティングディフュージョンFDに蓄積されていた電荷が排出される(時刻t15)。
次に、リード信号READ3、READ4が立ち上がることで、読み出しトランジスタTE3、TE4がオンされる。この時、フォトダイオードPD3、PD4に蓄積されていた電荷がフローティングディフュージョンFDに転送される(時刻t16)。
増幅トランジスタTAは、行選択トランジスタTDがオンしている時に、フローティングディフュージョンFDの電位に応じてソースフォロア動作を行うことで、フローティングディフュージョンFDの電位に対応した画素信号Vsigを垂直信号線Vlinを介して伝送することができる。この時、時刻t12から時刻t16までをフォトダイオードPD3、PD4の電荷蓄積時間HT4とする。ここで、電荷蓄積時間HT4を電荷蓄積時間HT3より短くすることで、画素S1、S2を高感度化し、画素S3、S4を低感度化することができる。高感度化された画素S1、S2では、画像の暗い部分がノイズに埋もれるのを防止することができる。低感度化された画素S3、S4では、画像の明るい部分が飽和するのを防止することができる。また、フォトダイオードPD3、PD4に蓄積されていた電荷をフローティングディフュージョンFDに同時に読み出すことにより、画素S3、S4の電荷加算ビニングを行うことができる。電荷加算ビニングでは、画素S3、S4に蓄積されている電荷を加算することができ、感度を向上させることが可能となる。
Next, when the read signals READ1 and READ2 rise, the read transistors TE1 and TE2 are turned on. At this time, the charges accumulated in the photodiodes PD1 and PD2 are transferred to the floating diffusion FD (time t14).
The amplification transistor TA performs a source follower operation according to the potential of the floating diffusion FD when the row selection transistor TD is turned on, so that the pixel signal Vsig corresponding to the potential of the floating diffusion FD is transmitted via the vertical signal line Vlin. Can be transmitted. At this time, the period from time t11 to time t14 is defined as the charge accumulation time HT3 of the photodiodes PD1 and PD2. Further, by simultaneously reading the charges accumulated in the photodiodes PD1 and PD2 to the floating diffusion FD, the charge addition binning of the pixels S1 and S2 can be performed. In the charge addition binning, the charges accumulated in the pixels S1 and S2 can be added, and the sensitivity can be improved.
Next, when the reset signal RESET rises, the reset transistor TR is turned on. At this time, the electric charge accumulated in the floating diffusion FD is discharged (time t15).
Next, when the read signals READ3 and READ4 rise, the read transistors TE3 and TE4 are turned on. At this time, the charges accumulated in the photodiodes PD3 and PD4 are transferred to the floating diffusion FD (time t16).
The amplification transistor TA performs a source follower operation according to the potential of the floating diffusion FD when the row selection transistor TD is turned on, so that the pixel signal Vsig corresponding to the potential of the floating diffusion FD is transmitted via the vertical signal line Vlin. Can be transmitted. At this time, the period from time t12 to time t16 is defined as the charge accumulation time HT4 of the photodiodes PD3 and PD4. Here, by making the charge accumulation time HT4 shorter than the charge accumulation time HT3, it is possible to increase the sensitivity of the pixels S1 and S2 and decrease the sensitivity of the pixels S3 and S4. In the high-sensitivity pixels S1 and S2, dark portions of the image can be prevented from being buried in noise. In the pixels S3 and S4 that have been reduced in sensitivity, it is possible to prevent saturation of bright portions of the image. Further, by simultaneously reading out the charges accumulated in the photodiodes PD3 and PD4 to the floating diffusion FD, the charge addition binning of the pixels S3 and S4 can be performed. In the charge addition binning, the charges accumulated in the pixels S3 and S4 can be added, and the sensitivity can be improved.

ここで、時刻t13、t14では切替信号FDWをハイレベルに設定し、切替トランジスタTCをオンすることができる。この時、容量素子CAPはフローティングディフュージョンFDに接続される。このため、フローティングディフュージョンFDの付加容量を増大させることができ、フォトダイオードPD1、PD2からフローティングディフュージョンFDに転送された電荷がフローティングディフュージョンFDから溢れるのを防止することが可能となる。この結果、フローティングディフュージョンFDの電荷の飽和レベルを向上させることができ、高感度化された画素S1、S2における撮像画像のダイナミックレンジを向上させることができる。
また、時刻t15、t16では切替信号FDWをロウレベルに設定し、切替トランジスタTCをオフすることができる。この時、容量素子CAPはフローティングディフュージョンFDから切り離される。このため、フローティングディフュージョンFDの付加容量を低減することができ、電荷を電圧に変換する時の変換効率を上げることが可能となる。この結果、信号読み出し時のSN比を向上させることができ、低感度化された画素S3、S4における撮像画像のノイズを低減することができる。
Here, at time t13 and t14, the switching signal FDW can be set to a high level, and the switching transistor TC can be turned on. At this time, the capacitive element CAP is connected to the floating diffusion FD. For this reason, it is possible to increase the additional capacitance of the floating diffusion FD, and it is possible to prevent the charges transferred from the photodiodes PD1 and PD2 to the floating diffusion FD from overflowing from the floating diffusion FD. As a result, the saturation level of the charge of the floating diffusion FD can be improved, and the dynamic range of the captured image in the highly sensitive pixels S1 and S2 can be improved.
At times t15 and t16, the switching signal FDW can be set to a low level, and the switching transistor TC can be turned off. At this time, the capacitive element CAP is disconnected from the floating diffusion FD. For this reason, it is possible to reduce the additional capacity of the floating diffusion FD, and it is possible to increase the conversion efficiency when converting charges into voltage. As a result, the signal-to-noise ratio at the time of signal readout can be improved, and noise in the captured image in the pixels S3 and S4 with reduced sensitivity can be reduced.

図8は、図1の固体撮像装置のモード判定方法の一例を示す図である。
図8において、図1の駆動モード設定部27は、モードを判定するために、セルPからの出力値の分布を示すヒストグラムを生成することができる。このヒストグラムの生成には、ノーマルモードでの1フレーム目の出力値を用いることができる。この時、セルPからの出力値が大きい場合は、その画素で撮像される被写体が明るいことを示す。セルPからの出力値が小さい場合は、その画素で撮像される被写体が暗いことを示す。また、セルPからの出力値の頻度は、その出力値を示すセルPが幾つあるかを示す。
そして、例えば、ヒストグラムH1が得られた時は低照度モードを選択し、ヒストグラムH2が得られた時は高照度モードを選択し、ヒストグラムH3が得られた時はHDRモードを選択することができる。ヒストグラムH1は、極大値が1つで画素PXからの出力値の最大値が上限値Thを超えない場合である。ヒストグラムH2は、極大値が1つでセルPからの出力値の最大値が上限値Thを超えた場合である。ヒストグラムH3は、極大値が複数ある場合である。
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a mode determination method of the solid-state imaging device of FIG.
In FIG. 8, the drive mode setting unit 27 in FIG. 1 can generate a histogram indicating the distribution of output values from the cell P in order to determine the mode. For the generation of this histogram, the output value of the first frame in the normal mode can be used. At this time, if the output value from the cell P is large, it indicates that the subject imaged by the pixel is bright. When the output value from the cell P is small, it indicates that the subject imaged by the pixel is dark. The frequency of the output value from the cell P indicates how many cells P indicating the output value are present.
For example, the low illumination mode can be selected when the histogram H1 is obtained, the high illumination mode can be selected when the histogram H2 is obtained, and the HDR mode can be selected when the histogram H3 is obtained. . The histogram H1 is a case where the maximum value is one and the maximum value of the output value from the pixel PX does not exceed the upper limit value Th. The histogram H2 is a case where the maximum value is one and the maximum value of the output value from the cell P exceeds the upper limit value Th. The histogram H3 is a case where there are a plurality of maximum values.

ヒストグラムH1は被写体が暗い場合である。このため、低照度モードを選択することにより、変換効率を向上させることができ、ノイズを減らすことができる。ヒストグラムH2は被写体が明るい場合である。このため、高照度モードを選択することにより、飽和レベルを向上させることができ、ダイナミックレンジを向上させることができる。ヒストグラムH3は被写体の輝度範囲が広い場合である。このため、HDRモードを選択することにより、被写体の暗い部分では変換効率を向上させることが可能となるとともに、被写体の明るい部分では飽和レベルを向上させることができ、ダイナミックレンジを向上させることができる。   The histogram H1 is when the subject is dark. For this reason, by selecting a low illumination mode, conversion efficiency can be improved and noise can be reduced. The histogram H2 is when the subject is bright. For this reason, by selecting the high illuminance mode, the saturation level can be improved and the dynamic range can be improved. The histogram H3 is when the subject has a wide luminance range. For this reason, by selecting the HDR mode, it is possible to improve the conversion efficiency in the dark part of the subject, improve the saturation level in the bright part of the subject, and improve the dynamic range. .

図9は、図1の固体撮像装置の動作を示すフローチャートである。
図9において、初期設定ではノーマルモードに設定されている(S0)。そして、自動露光制御が収束したかどうかが判断される(S1)。そして、自動露光制御が収束していない場合、ノーマルモードで画素PXが駆動され(S2)、黒レベル補正が行われる(S3)。一方、S1で自動露光制御が収束したと判断された場合、HDRモードかどうかが判断される(S7)。そして、HDRモードの場合、HDRモードで画素PXが駆動され(S8)、黒レベル補正が行われる(S3)。一方、S7でHDRモードでないと判断された場合、ノーマルモードで画素PXが駆動され(S2)、黒レベル補正が行われる(S3)。
黒レベル補正後、HDRモードかどうかが判断される(S4)。そして、HDRモードでない場合、キズ補正が行われる(S5)。一方、S4でHDRモードと判断された場合、HDR合成が行われた後(S9)、キズ補正が行われる(S5)。
キズ補正後、デジタルクロップが行われる(S6)。次に、自動露出制御が行われ(S10)、被写体の輝度に応じて蓄積時間またはアナログゲインが調整された後(S11)、S1に戻る。
また、デジタルクロップ後、画素PXからの出力値のヒストグラムが生成される(S12)。そして、セルPからの出力値のヒストグラムに基づいてモード設定が行われ(S13)、S1に戻る。
FIG. 9 is a flowchart showing the operation of the solid-state imaging device of FIG.
In FIG. 9, the normal mode is set as the initial setting (S0). Then, it is determined whether or not the automatic exposure control has converged (S1). If the automatic exposure control has not converged, the pixel PX is driven in the normal mode (S2), and black level correction is performed (S3). On the other hand, if it is determined in S1 that the automatic exposure control has converged, it is determined whether or not the HDR mode is set (S7). In the HDR mode, the pixel PX is driven in the HDR mode (S8), and black level correction is performed (S3). On the other hand, if it is determined in S7 that the mode is not the HDR mode, the pixel PX is driven in the normal mode (S2), and black level correction is performed (S3).
After the black level correction, it is determined whether or not the mode is the HDR mode (S4). If the mode is not HDR mode, scratch correction is performed (S5). On the other hand, if it is determined in S4 that the HDR mode is selected, after HDR synthesis is performed (S9), scratch correction is performed (S5).
After flaw correction, digital cropping is performed (S6). Next, automatic exposure control is performed (S10), the accumulation time or analog gain is adjusted according to the luminance of the subject (S11), and the process returns to S1.
Further, after digital cropping, a histogram of output values from the pixel PX is generated (S12). And mode setting is performed based on the histogram of the output value from the cell P (S13), and it returns to S1.

(第2実施形態)
図10は、第2実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
図10の構成では、図1のセンサ部B1の代わりにセンサ部B1´が設けられている。センサ部B1´では、画素アレイ部1およびタイミング制御回路5の代わりに画素アレイ部1´およびタイミング制御回路5´が設けられるとともに、カラムADC回路3´および水平走査回路4´が追加されている。カラムADC回路3´および水平走査回路4´は、画素アレイ部1´に対してカラムADC回路3および水平走査回路4と反対側に設けることができる。
(Second Embodiment)
FIG. 10 is a block diagram illustrating a schematic configuration of the solid-state imaging apparatus according to the second embodiment.
In the configuration of FIG. 10, a sensor unit B1 ′ is provided instead of the sensor unit B1 of FIG. In the sensor unit B1 ′, a pixel array unit 1 ′ and a timing control circuit 5 ′ are provided instead of the pixel array unit 1 and the timing control circuit 5, and a column ADC circuit 3 ′ and a horizontal scanning circuit 4 ′ are added. . The column ADC circuit 3 ′ and the horizontal scanning circuit 4 ′ can be provided on the side opposite to the column ADC circuit 3 and the horizontal scanning circuit 4 with respect to the pixel array unit 1 ′.

図11(a)は、図10の画素アレイ部の構成例を示す平面図、図11(b)は、図11(a)の画素アレイ部の4画素分の構成例を示す平面図である。
図11(a)および図11(b)において、画素アレイ部1´には、光電変換した電荷を蓄積するセルP´がロウ方向RDおよびカラム方向CDにアレイ状に配置されている。セルP´に含まれる各セルP1´〜P4´は、4個の画素S1〜S3、S4´から構成されている。この時、画素S4´は各画素S1〜S3よりも面積を小さくすることができる。画素S1〜S3、S4´は、互いに独立して読み出し可能である。また、画素S1〜S3、S4´は、互いに独立して蓄積時間を設定することができる。画素S1〜S3の画素信号はカラムADC回路3で検出し、水平走査回路4を介してタイミング制御回路5´に転送することができる。画素S4´の画素信号はカラムADC回路3´で検出し、水平走査回路4´を介してタイミング制御回路5´に転送することができる。
また、駆動モード設定部27では、ノーマルモードおよびHDRモードの場合、画素S1〜S3からの画素信号を用いることができる。画素S4´は、光源の間欠発光に起因する点滅防止用画素として用いることができる。
FIG. 11A is a plan view showing a configuration example of the pixel array section of FIG. 10, and FIG. 11B is a plan view showing a configuration example of four pixels of the pixel array section of FIG. 11A. .
In FIG. 11A and FIG. 11B, in the pixel array portion 1 ′, cells P ′ for accumulating photoelectrically converted charges are arranged in an array in the row direction RD and the column direction CD. Each of the cells P1 ′ to P4 ′ included in the cell P ′ is composed of four pixels S1 to S3 and S4 ′. At this time, the area of the pixel S4 ′ can be made smaller than that of each of the pixels S1 to S3. The pixels S1 to S3 and S4 ′ can be read independently of each other. Further, the accumulation times of the pixels S1 to S3 and S4 ′ can be set independently of each other. Pixel signals of the pixels S1 to S3 can be detected by the column ADC circuit 3 and transferred to the timing control circuit 5 ′ via the horizontal scanning circuit 4. The pixel signal of the pixel S4 ′ can be detected by the column ADC circuit 3 ′ and transferred to the timing control circuit 5 ′ via the horizontal scanning circuit 4 ′.
In the drive mode setting unit 27, pixel signals from the pixels S1 to S3 can be used in the normal mode and the HDR mode. The pixel S4 ′ can be used as a blinking prevention pixel caused by intermittent light emission of the light source.

図12は、図10の画素アレイ部の1画素分の構成例を示す回路図である。
図12において、1つのセルP´には、フォトダイオードPD1〜PD3、PD4´、容量素子CAP、行選択トランジスタTD1、TD2、増幅トランジスタTA1、TA2、リセットトランジスタTR1、TR2、読み出しトランジスタTE1〜TE3、TE4´および切替トランジスタTCが設けられている。
画素S1〜S3、S4´には、フォトダイオードPD1〜PD3、PD4´がそれぞれ含まれている。ここで、行選択トランジスタTD1、増幅トランジスタTA1、リセットトランジスタTR1および切替トランジスタTCはフォトダイオードPD1〜PD3にて共用されている。
行選択トランジスタTD2、増幅トランジスタTA2およびリセットトランジスタTR2はフォトダイオードPD4´に固有に設けられている。
読み出しトランジスタTE1〜TE3、TE4´は、フォトダイオードPD1〜PD3、PD´4ごとに設けられている。また、増幅トランジスタTA1とリセットトランジスタTR1と読み出しトランジスタTE1〜TE3と切替トランジスタTCとの接続点には検出ノードとしてフローティングディフュージョンFD1が形成されている。増幅トランジスタTA2とリセットトランジスタTR2と読み出しトランジスタTE4´との接続点には検出ノードとしてフローティングディフュージョンFD2が形成されている。
FIG. 12 is a circuit diagram illustrating a configuration example of one pixel of the pixel array unit of FIG.
In FIG. 12, one cell P ′ includes photodiodes PD1 to PD3 and PD4 ′, a capacitive element CAP, row selection transistors TD1 and TD2, amplification transistors TA1 and TA2, reset transistors TR1 and TR2, read transistors TE1 to TE3, TE4 ′ and a switching transistor TC are provided.
The pixels S1 to S3 and S4 ′ include photodiodes PD1 to PD3 and PD4 ′, respectively. Here, the row selection transistor TD1, the amplification transistor TA1, the reset transistor TR1, and the switching transistor TC are shared by the photodiodes PD1 to PD3.
The row selection transistor TD2, the amplification transistor TA2, and the reset transistor TR2 are uniquely provided in the photodiode PD4 ′.
The read transistors TE1 to TE3 and TE4 ′ are provided for each of the photodiodes PD1 to PD3 and PD′4. In addition, a floating diffusion FD1 is formed as a detection node at a connection point between the amplification transistor TA1, the reset transistor TR1, the read transistors TE1 to TE3, and the switching transistor TC. A floating diffusion FD2 is formed as a detection node at a connection point between the amplification transistor TA2, the reset transistor TR2, and the read transistor TE4 ′.

そして、読み出しトランジスタTE1のソースは、フォトダイオードPD1に接続され、読み出しトランジスタTE2のソースは、フォトダイオードPD2に接続され、読み出しトランジスタTE3のソースは、フォトダイオードPD3に接続されている。読み出しトランジスタTE4´のソースは、フォトダイオードPD4´に接続されている。
リセットトランジスタTR1のソースは、読み出しトランジスタTE1〜TE3のドレインに接続され、リセットトランジスタTR1および増幅トランジスタTA1のドレインは、電源電位VDDに接続されている。
リセットトランジスタTR2のソースは、読み出しトランジスタTE4´のドレインに接続され、リセットトランジスタTR2および増幅トランジスタTA2のドレインは、電源電位VDDに接続されている。
行選択トランジスタTD1のソースは、垂直信号線Vlin1に接続され、行選択トランジスタTD2のソースは、垂直信号線Vlin2に接続されている。
増幅トランジスタTA1のゲートは、読み出しトランジスタTE1〜TE3のドレインに接続されている。増幅トランジスタTA1のソースは、行選択トランジスタTD1のドレインに接続されている。
増幅トランジスタTA2のゲートは、読み出しトランジスタTE4´のドレインに接続されている。増幅トランジスタTA2のソースは行選択トランジスタTD2のドレインに接続されている。
切替トランジスタTCのドレインはフローティングディフュージョンFD1に接続されている。切替トランジスタTCのソースは容量素子CAPに接続されている。
各読み出しトランジスタTE1〜TE3、TE4´のゲートには、リード信号READ1〜READ4が印加される。リセットトランジスタTR1のゲートには、リセット信号RESET1が印加され、リセットトランジスタTR2のゲートには、リセット信号RESET2が印加される。行選択トランジスタTD1のゲートには、行選択信号ADR1が印加され、行選択トランジスタTD2のゲートには、行選択信号ADR2が印加される。切替トランジスタTCのゲートには、切替信号FDWが印加される。各フォトダイオードPD1〜PD3から読み出された画素信号Vsig1は、垂直信号線Vlin1を介してカラム方向CDに伝送され、フォトダイオードPD4´から読み出された画素信号Vsig2は、垂直信号線Vlin2を介してカラム方向CDに伝送される。
The source of the read transistor TE1 is connected to the photodiode PD1, the source of the read transistor TE2 is connected to the photodiode PD2, and the source of the read transistor TE3 is connected to the photodiode PD3. The source of the read transistor TE4 ′ is connected to the photodiode PD4 ′.
The source of the reset transistor TR1 is connected to the drains of the read transistors TE1 to TE3, and the drains of the reset transistor TR1 and the amplification transistor TA1 are connected to the power supply potential VDD.
The source of the reset transistor TR2 is connected to the drain of the read transistor TE4 ′, and the drains of the reset transistor TR2 and the amplification transistor TA2 are connected to the power supply potential VDD.
The source of the row selection transistor TD1 is connected to the vertical signal line Vlin1, and the source of the row selection transistor TD2 is connected to the vertical signal line Vlin2.
The gate of the amplification transistor TA1 is connected to the drains of the read transistors TE1 to TE3. The source of the amplification transistor TA1 is connected to the drain of the row selection transistor TD1.
The gate of the amplification transistor TA2 is connected to the drain of the read transistor TE4 ′. The source of the amplification transistor TA2 is connected to the drain of the row selection transistor TD2.
The drain of the switching transistor TC is connected to the floating diffusion FD1. The source of the switching transistor TC is connected to the capacitive element CAP.
Read signals READ1 to READ4 are applied to the gates of the read transistors TE1 to TE3 and TE4 ′. A reset signal RESET1 is applied to the gate of the reset transistor TR1, and a reset signal RESET2 is applied to the gate of the reset transistor TR2. A row selection signal ADR1 is applied to the gate of the row selection transistor TD1, and a row selection signal ADR2 is applied to the gate of the row selection transistor TD2. A switching signal FDW is applied to the gate of the switching transistor TC. The pixel signal Vsig1 read from each of the photodiodes PD1 to PD3 is transmitted in the column direction CD via the vertical signal line Vlin1, and the pixel signal Vsig2 read from the photodiode PD4 ′ is transmitted via the vertical signal line Vlin2. Transmitted in the column direction CD.

図13は、図10の画素アレイ部の4画素分のレイアウト例を示す平面図である。
図13において、セルP1´〜P4´が2行2列に渡って正方状に配置されることでベイヤ配列HPが構成されている。ここで、フォトダイオードPD1〜PD3、容量素子CAP、行選択トランジスタTD、増幅トランジスタTA、リセットトランジスタTR、読み出しトランジスタTE1〜TE3および切替トランジスタTCについては、図4と同様のレイアウトをとることができる。
フォトダイオードPD4´は、図4のフォトダイオードPD4よりも感度を小さくするため、図4のフォトダイオードPD4よりも小さくすることができる。フォトダイオードPD4´と分離されてフローティングディフュージョンFD2が配置され、フォトダイオードPD4´とフローティングディフュージョンFD2との間に読み出しトランジスタTE4´が配置されている。また、フォトダイオードPD4´を小さくした時の空スペースに行選択トランジスタTD2、増幅トランジスタTA2およびリセットトランジスタTR2を配置することができる。
FIG. 13 is a plan view showing a layout example for four pixels in the pixel array section of FIG.
In FIG. 13, the Bayer array HP is configured by arranging cells P1 ′ to P4 ′ in a square shape over 2 rows and 2 columns. Here, the photodiodes PD1 to PD3, the capacitive element CAP, the row selection transistor TD, the amplification transistor TA, the reset transistor TR, the read transistors TE1 to TE3, and the switching transistor TC can have the same layout as that in FIG.
The photodiode PD4 ′ can be made smaller than the photodiode PD4 of FIG. 4 in order to make the sensitivity smaller than that of the photodiode PD4 of FIG. A floating diffusion FD2 is disposed separately from the photodiode PD4 ′, and a read transistor TE4 ′ is disposed between the photodiode PD4 ′ and the floating diffusion FD2. Further, the row selection transistor TD2, the amplification transistor TA2, and the reset transistor TR2 can be arranged in an empty space when the photodiode PD4 ′ is reduced.

図14は、図10の固体撮像装置の電荷蓄積時間の設定例を示すタイミングチャートである。
図14において、道路および標識などの照明に発光ダイオードが用いられることがある。発光ダイオードの照明では、発光ダイオードの駆動方法によっては間欠光PLが発生し、フリッカが発生することがある。間欠光PLとは、一定の時間間隔で離散的に発光する光である。このフリッカ(光の点滅)による撮像画像のチラつきを防止するために、間欠光PLの発光周期SY(間欠光PLが点灯と消灯を繰り返す時に今回点灯してから次回点灯するまでの時間)と等しくなるように各フレームF1、F2ごとに画素S4´の電荷蓄積時間TH5を設定することができる。このように電荷蓄積時間TH5を設定することにより、各フレームF1、F2の電荷蓄積がどのタイミングで開始された場合においても、間欠光PLの発光タイミングを外すことなく、常に点灯状態における撮像を実現することができる。
この時、間欠光PLの発光周期SYが長い場合は、それに伴って電荷蓄積時間TH5も長くなる。電荷蓄積時間TH5が長くなると、画素S4´に蓄積される電荷量も増大する。ここで、画素S4´を低感度化することにより、画素S4´に蓄積される電荷が飽和しにくくすることができる。このため、間欠光PLによる照明下で画素S4´で撮像された画像がつぶれるのを防止することができる。
間欠光PLの検出に画素S4´を使用せず、画素S1〜S3と同様に画素S4´を太陽光などの照明下での撮像に使用する場合には、感度調整部22において、画素S1〜S3と画素S4´とで感度比が合うように、画素S4´の出力値のデジタルゲインを調整することができる。そして、画素S1〜S3の出力値と画素S4´の出力値とをデジタル的に加算することで各セルP1´〜P4´の感度を向上させることができる。
FIG. 14 is a timing chart showing an example of setting the charge accumulation time of the solid-state imaging device of FIG.
In FIG. 14, light emitting diodes may be used for lighting such as roads and signs. In the illumination of the light emitting diode, intermittent light PL may be generated depending on the driving method of the light emitting diode, and flicker may occur. The intermittent light PL is light emitted discretely at a constant time interval. In order to prevent flickering of the picked-up image due to this flicker (flashing of light), it is equal to the light emission cycle SY of the intermittent light PL (the time from when the intermittent light PL is repeatedly turned on and off until it is turned on next time). Thus, the charge accumulation time TH5 of the pixel S4 ′ can be set for each of the frames F1 and F2. By setting the charge accumulation time TH5 in this manner, the imaging in the lighting state is always realized without taking off the emission timing of the intermittent light PL, regardless of the timing at which the charge accumulation of each frame F1, F2 is started. can do.
At this time, if the light emission period SY of the intermittent light PL is long, the charge accumulation time TH5 is also increased accordingly. As the charge accumulation time TH5 increases, the amount of charge accumulated in the pixel S4 ′ also increases. Here, by reducing the sensitivity of the pixel S4 ′, the charge accumulated in the pixel S4 ′ can be less likely to be saturated. For this reason, it can prevent that the image imaged by pixel S4 'under the illumination by intermittent light PL is crushed.
When the pixel S4 ′ is not used for the detection of the intermittent light PL, and the pixel S4 ′ is used for imaging under illumination such as sunlight like the pixels S1 to S3, the sensitivity adjustment unit 22 uses the pixels S1 to S1. The digital gain of the output value of the pixel S4 ′ can be adjusted so that the sensitivity ratio matches between S3 and the pixel S4 ′. And the sensitivity of each cell P1'-P4 'can be improved by adding the output value of pixel S1-S3, and the output value of pixel S4' digitally.

(第3実施形態)
図15は、第3実施形態に係る固体撮像装置の1画素分の構成例を示す回路図である。
図15の構成では、図12の構成に結合トランジスタTPが追加されている。結合トランジスタTPは、フローティングディフュージョンFD1、FD2間に接続されている。結合トランジスタTPのゲートには、切替信号FDW´が印加される。
そして、図14の間欠光PLの検出に画素S4´を使用する場合には、結合トランジスタTPをオフすることができる。そして、画素S4´からの画素信号を個別に読み出すことで常に点灯状態における撮像を実現することができる。
一方、図14の間欠光PLの検出に画素S4´を使用しない場合には、結合トランジスタTPをオンすることができる。画素S1〜S3、S4´の電荷加算ビニングにて画素信号を垂直信号線Vlin1を介して読み出すことにより、感度を向上させることが可能となる。この時、カラムADC回路3´および水平走査回路4´を停止させることができ、省電力化を図ることができる。
(Third embodiment)
FIG. 15 is a circuit diagram illustrating a configuration example of one pixel of the solid-state imaging device according to the third embodiment.
In the configuration of FIG. 15, a coupling transistor TP is added to the configuration of FIG. The coupling transistor TP is connected between the floating diffusions FD1 and FD2. A switching signal FDW ′ is applied to the gate of the coupling transistor TP.
When the pixel S4 ′ is used for detection of the intermittent light PL in FIG. 14, the coupling transistor TP can be turned off. Then, the pixel signals from the pixels S4 ′ are individually read out, so that imaging in the lighting state can always be realized.
On the other hand, when the pixel S4 ′ is not used for the detection of the intermittent light PL in FIG. 14, the coupling transistor TP can be turned on. By reading out the pixel signal through the vertical signal line Vlin1 by the charge addition binning of the pixels S1 to S3 and S4 ′, the sensitivity can be improved. At this time, the column ADC circuit 3 'and the horizontal scanning circuit 4' can be stopped, and power saving can be achieved.

(第4実施形態)
図16は、第4実施形態に係る固体撮像装置が適用されるデジタルカメラの概略構成を示すブロック図である。
図16において、デジタルカメラ51は、カメラモジュール52および後段処理部53を有する。カメラモジュール52は、撮像光学系54および固体撮像装置55を有する。後段処理部53は、イメージシグナルプロセッサ(ISP)56、記憶部57および表示部58を有する。なお、図1の画像処理部B2はイメージシグナルプロセッサ56に設けることができる。また、ISP56の少なくとも一部の構成は固体撮像装置55とともに1チップ化するようにしてもよい。固体撮像装置55は、図1または図10の構成を用いることができる。図1または図10の構成のうち画像処理部B2はISP56に設けるようにしてもよい。
(Fourth embodiment)
FIG. 16 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a digital camera to which the solid-state imaging device according to the fourth embodiment is applied.
In FIG. 16, the digital camera 51 includes a camera module 52 and a post-processing unit 53. The camera module 52 includes an imaging optical system 54 and a solid-state imaging device 55. The post-processing unit 53 includes an image signal processor (ISP) 56, a storage unit 57, and a display unit 58. 1 can be provided in the image signal processor 56. Further, at least a part of the configuration of the ISP 56 may be integrated into one chip together with the solid-state imaging device 55. The solid-state imaging device 55 can use the configuration shown in FIG. 1 or FIG. In the configuration of FIG. 1 or FIG. 10, the image processing unit B <b> 2 may be provided in the ISP 56.

撮像光学系54は、入射光LIを取り込み、被写体像を結像させる。固体撮像装置55は、被写体像を撮像する。ISP56は、固体撮像装置55での撮像により得られた画像信号を信号処理する。記憶部57は、ISP56での信号処理を経た画像を格納する。記憶部57は、ユーザの操作等に応じて、表示部58へ画像信号を出力する。表示部58は、ISP56あるいは記憶部57から入力される画像信号に応じて、画像を表示する。表示部58は、例えば、液晶ディスプレイである。なお、カメラモジュール52は、デジタルカメラ51以外にも、例えばカメラ付き携帯端末またはスマートフォン等の電子機器に適用するようにしてもよい。   The imaging optical system 54 takes in the incident light LI and forms a subject image. The solid-state imaging device 55 captures a subject image. The ISP 56 performs signal processing on an image signal obtained by imaging with the solid-state imaging device 55. The storage unit 57 stores an image that has undergone signal processing in the ISP 56. The storage unit 57 outputs an image signal to the display unit 58 in accordance with a user operation or the like. The display unit 58 displays an image according to an image signal input from the ISP 56 or the storage unit 57. The display unit 58 is, for example, a liquid crystal display. In addition to the digital camera 51, the camera module 52 may be applied to an electronic device such as a camera-equipped mobile terminal or a smartphone.

(第5実施形態)
図17は、第5実施形態に係る固体撮像装置が適用されるカメラモジュールの概略構成を示す断面図である。
図17において、レンズ21で集光された入射光LIは、メインミラー101、サブミラー102及びメカシャッタ106を経て撮像素子107へ進行する。カメラモジュール100は、撮像素子107において被写体像を撮像する。撮像素子107は、図1または図10のセンサ部B1、B1´を用いることができる。
サブミラー102で反射した光は、オートフォーカス(AF)センサ103へ進行する。カメラモジュール100は、AFセンサ103での検出結果を使用するフォーカス調整を行う。メインミラー101で反射した光は、レンズ104及びプリズム105を経てファインダー108へ進行する。
(Fifth embodiment)
FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a camera module to which the solid-state imaging device according to the fifth embodiment is applied.
In FIG. 17, the incident light LI collected by the lens 21 proceeds to the image sensor 107 through the main mirror 101, the sub mirror 102, and the mechanical shutter 106. The camera module 100 captures a subject image with the image sensor 107. The image sensor 107 can use the sensor portions B1 and B1 ′ of FIG. 1 or FIG.
The light reflected by the sub mirror 102 travels to the autofocus (AF) sensor 103. The camera module 100 performs focus adjustment using the detection result of the AF sensor 103. The light reflected by the main mirror 101 travels to the finder 108 through the lens 104 and the prism 105.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

1 画素アレイ部、2 垂直走査回路、3 カラムADC回路、4 水平走査回路、5 タイミング制御回路、6 垂直OB部、21 デジタルクランプ部、22 感度調整部、23、25 遅延素子、24 キズ補正部、26 画像切り出し部、27 駆動モード設定部、28 自動露光制御部、29 インターフェース部、P1〜P4 セル、S1〜S4 画素、HP ベイヤ配列、Gr、Gb 緑色画素、R 赤色画素、B 青色画素   1 pixel array section, 2 vertical scanning circuit, 3 column ADC circuit, 4 horizontal scanning circuit, 5 timing control circuit, 6 vertical OB section, 21 digital clamp section, 22 sensitivity adjustment section, 23, 25 delay element, 24 defect correction section , 26 Image cutout unit, 27 Drive mode setting unit, 28 Automatic exposure control unit, 29 Interface unit, P1 to P4 cells, S1 to S4 pixels, HP Bayer array, Gr, Gb green pixels, R red pixels, B blue pixels

Claims (5)

互いに独立して読み出し可能な第1画素と第2画素とを含み、前記第1画素と前記第2画素とで第1浮遊拡散層が共有されるセルと、
前記セルに設けられた容量素子と、
前記セルに設けられ、前記容量素子と第1浮遊拡散層との間に設けられたトランジスタとを備える固体撮像装置。
A cell including a first pixel and a second pixel that can be read independently of each other, and the first floating diffusion layer is shared by the first pixel and the second pixel;
A capacitive element provided in the cell;
A solid-state imaging device including a transistor provided in the cell and provided between the capacitor and the first floating diffusion layer.
前記セルは、
前記第1画素と前記第2画素とに対して独立して読み出し可能な第3画素と、
前記第3画素に対して設けられた第2浮遊拡散層とを備え、
前記第3画素は、前記第1画素および前記第2画素よりも感度が小さい請求項1に記載の固体撮像装置。
The cell is
A third pixel that can be read independently of the first pixel and the second pixel;
A second floating diffusion layer provided for the third pixel,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the third pixel is less sensitive than the first pixel and the second pixel.
前記第1画素と前記第2画素とで感度が異なる時に、前記第1画素と前記第2画素との感度比が合うように、前記第1画素の出力値と前記第2画素の出力値のゲインを調整する感度調整部を備える請求項1または2に記載の固体撮像装置。   When the sensitivity is different between the first pixel and the second pixel, the output value of the first pixel and the output value of the second pixel are set so that the sensitivity ratio between the first pixel and the second pixel matches. The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising a sensitivity adjustment unit that adjusts the gain. 前記セルが複数設けられた画素アレイ部と、
前記第1画素と前記第2画素とで別個に蓄積時間を制御可能なタイミング制御回路と、
前記セルからの出力値の分布に基づいて前記セルの駆動モードを設定する駆動モード設定部を備え、
前記駆動モードは、前記第1画素の出力値と前記第2画素の出力値との少なくともいずれか1つを選択したり、前記第1画素の蓄積時間および前記第2画素の蓄積時間を設定したり、前記トランジスタのオンとオフを切り替えたりする請求項1から3のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
A pixel array section provided with a plurality of the cells;
A timing control circuit capable of separately controlling an accumulation time in the first pixel and the second pixel;
A drive mode setting unit that sets the drive mode of the cell based on the distribution of output values from the cell,
In the driving mode, at least one of the output value of the first pixel and the output value of the second pixel is selected, or the accumulation time of the first pixel and the accumulation time of the second pixel are set. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the transistor is switched on and off.
前記駆動モード設定部は、前記セルからの出力値の分布が上限値を超える場合は、前記第1画素の蓄積時間および前記第2画素の蓄積時間を最大値に設定するとともに、前記トランジスタをオンする請求項4に記載の固体撮像装置。   The drive mode setting unit sets the accumulation time of the first pixel and the accumulation time of the second pixel to maximum values and turns on the transistor when the distribution of output values from the cell exceeds an upper limit value. The solid-state imaging device according to claim 4.
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