JP2017103544A - Image pick-up device - Google Patents

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康大 篠塚
Yasuhiro Shinozuka
康大 篠塚
圭 白石
Kei Shiraishi
圭 白石
雅則 古田
Masanori Furuta
雅則 古田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To read out pixel data without using a PLL circuit.SOLUTION: According to one embodiment, an image pick-up device includes a pixel array in which a plurality of pixels is disposed in an array state. The pixel array can be divided into a plurality of sub arrays individually including the plurality of pixels. The plurality of sub arrays generates pixel data of a multiple value corresponding to incident light intensity in the sub arrays. The pixel includes a photodetector generating a pixel voltage corresponding to the incident light intensity. The photodetector is connected to a comparator comparing the pixel voltage with a reference voltage and generating binary information indicating a comparison result. The pixel data of the multiple value depend on a total number of "0" or "1" included in the binary information generated by the comparator connected to the plurality of photodetectors in the sub arrays corresponding thereto.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

実施形態は、撮像素子に関する。   Embodiments relate to an image sensor.

従来の撮像素子では、各画素はパルス幅変調を用いて当該画素における入射光強度(入射光量)を時間情報へと変換する。この時間情報を持つパルス信号は、2値の電圧で表現することができるので、雑音耐性に優れると共に、低電源電圧の利用を可能とするので撮像素子の低消費電力化に貢献する。   In a conventional image sensor, each pixel converts the incident light intensity (incident light amount) at the pixel into time information using pulse width modulation. Since the pulse signal having this time information can be expressed by a binary voltage, it has excellent noise resistance and can use a low power supply voltage, which contributes to low power consumption of the image sensor.

画素アレイの列毎に配置されたTDC(Time to Digital Converter)は、このパルス信号を多値のディジタル信号(画素データ)へと変換する。TDCは、基準クロック信号を用いて動作するカウンタ回路に相当する。故に、画素データの読み出しには、この基準クロック信号を生成するためのPLL(Phase Locked Loop)回路が必要となる。   A TDC (Time to Digital Converter) arranged for each column of the pixel array converts this pulse signal into a multi-value digital signal (pixel data). The TDC corresponds to a counter circuit that operates using a reference clock signal. Therefore, reading out pixel data requires a PLL (Phase Locked Loop) circuit for generating the reference clock signal.

PLL回路は、画素アレイ全体で共有することが可能である。このため、1つのイメージセンサIC(Integrated Circuit)につき通常は1つのPLL回路が配置される。他の条件を無視すれば、イメージセンサICの画素数が増加するほど、画素アレイならびにTDC(カウンタ回路)による消費電力は増大する。故に、イメージセンサICの解像度が高い場合には、PLL回路による消費電力はイメージセンサIC全体の消費電力のうちの僅かな割合を占めるに過ぎないからあまり問題とはならない。他方、イメージセンサICの解像度が低い場合には、PLL回路による消費電力がイメージセンサIC全体の消費電力のうちの大きな割合を占めるから低消費電力化の妨げとなる。   The PLL circuit can be shared by the entire pixel array. For this reason, one PLL circuit is normally arranged for one image sensor IC (Integrated Circuit). If other conditions are ignored, the power consumption by the pixel array and TDC (counter circuit) increases as the number of pixels of the image sensor IC increases. Therefore, when the resolution of the image sensor IC is high, the power consumption by the PLL circuit occupies only a small proportion of the power consumption of the entire image sensor IC, so that it does not matter much. On the other hand, when the resolution of the image sensor IC is low, the power consumption by the PLL circuit accounts for a large proportion of the power consumption of the entire image sensor IC, which hinders low power consumption.

特開昭58−179068号公報JP 58-179068 A 特許第2879670号公報Japanese Patent No. 2879670

Skyler Weaver, Benjamin Hershberg, Peter Kurahashi, Daniel Knierim, Un−Ku Moon, “Stochastic Flash Analog−to−Digital Conversion“, IEEE Transaction on Circuits and Systems−I, Vol.57, No.11, Nov. 2010, pp. 2825−2833.Skiler Weaver, Benjamin Hershberg, Peter Kurahashi, Daniel Knierim, Un-Ku Moon, “Stochastic Flash Analog-to-Digital Cons. 57, no. 11, Nov. 2010, pp. 2825-2833.

実施形態は、PLL回路を用いることなく画素データを読み出すことを目的とする。   The embodiment is intended to read pixel data without using a PLL circuit.

実施形態によれば、撮像素子は、複数の画素がアレイ状に配置された画素アレイを含む。画素アレイは、それぞれ複数の画素を含む複数のサブアレイへと分割可能である。サブアレイは、当該サブアレイにおける入射光強度に対応する多値の画素データを生成する。画素は、入射光強度に対応する画素電圧を発生する光検出器を含む。光検出器は、画素電圧を基準電圧と比較して比較結果を示す2値情報を生成する比較器に接続される。多値の画素データは、対応するサブアレイ内の複数の光検出器に接続された比較器によって生成される2値情報に含まれる「0」または「1」の総数に依存する。   According to the embodiment, the imaging device includes a pixel array in which a plurality of pixels are arranged in an array. The pixel array can be divided into a plurality of subarrays each including a plurality of pixels. The subarray generates multivalued pixel data corresponding to the incident light intensity in the subarray. The pixel includes a photodetector that generates a pixel voltage corresponding to the incident light intensity. The photodetector is connected to a comparator that compares the pixel voltage with a reference voltage and generates binary information indicating the comparison result. Multi-value pixel data depends on the total number of “0” or “1” included in the binary information generated by the comparators connected to the plurality of photodetectors in the corresponding subarray.

第1の実施形態に係る撮像素子に含まれるサブアレイを例示するブロック図。FIG. 3 is a block diagram illustrating a subarray included in the image sensor according to the first embodiment. 比較器のオフセット電圧の分布を例示するグラフ。The graph which illustrates distribution of the offset voltage of a comparator. 画素電圧および基準電圧の間の差分電圧と「1」を出力する比較器の総数との関係を例示するグラフ。The graph which illustrates the relationship between the difference voltage between a pixel voltage and a reference voltage, and the total number of the comparators which output "1". 第1の実施形態に係る撮像素子を例示するブロック図。1 is a block diagram illustrating an image sensor according to a first embodiment. 画素の回路構成を例示する図。FIG. 6 illustrates a circuit configuration of a pixel. 図5の画素の動作を例示するタイミングチャート。6 is a timing chart illustrating the operation of the pixel in FIG. 5. 画素の回路構成を例示する図。FIG. 6 illustrates a circuit configuration of a pixel. 図7の画素の動作を例示するタイミングチャート。8 is a timing chart illustrating the operation of the pixel in FIG. 画素の回路構成を例示する図。FIG. 6 illustrates a circuit configuration of a pixel. 第2の実施形態に係る撮像素子に含まれる画素を例示する図。The figure which illustrates the pixel contained in the image sensor concerning a 2nd embodiment. 図9および図10の画素の動作を例示するタイミングチャート。11 is a timing chart illustrating the operation of the pixel in FIGS. 9 and 10. 第3の実施形態に係る撮像素子を例示するブロック図。The block diagram which illustrates the image sensor concerning a 3rd embodiment. 第1の実施形態に係る撮像素子に含まれる加算回路を例示するブロック図。FIG. 3 is a block diagram illustrating an adder circuit included in the image sensor according to the first embodiment. 図13の加算回路の動作を例示するタイミングチャート。14 is a timing chart illustrating the operation of the addition circuit in FIG. 13. 第3の実施形態に係る撮像素子に含まれる加算回路を例示するブロック図。The block diagram which illustrates the addition circuit contained in the image sensor concerning a 3rd embodiment. 図15の加算回路の動作を例示するタイミングチャート。FIG. 16 is a timing chart illustrating the operation of the addition circuit in FIG. 15; FIG. 第4の実施形態に係る撮像素子を例示するブロック図。The block diagram which illustrates the image sensor concerning a 4th embodiment. 第5の実施形態に係る撮像素子を例示するブロック図。The block diagram which illustrates the image sensor concerning a 5th embodiment. 露光時間が短すぎる場合における、画素電圧および基準電圧の間の差分電圧と「1」を出力する比較器の総数との関係を例示するグラフ。The graph which illustrates the relationship between the difference voltage between a pixel voltage and a reference voltage, and the total number of the comparators which output "1" when exposure time is too short. 露光時間が適切である場合における、画素電圧および基準電圧の間の差分電圧と「1」を出力する比較器の総数との関係を例示するグラフ。The graph which illustrates the relationship between the difference voltage between a pixel voltage and a reference voltage, and the total number of the comparators which output "1" when exposure time is appropriate. 露光時間が長すぎる場合における、画素電圧および基準電圧の間の差分電圧と「1」を出力する比較器の総数との関係を例示するグラフ。The graph which illustrates the relationship between the difference voltage between a pixel voltage and a reference voltage, and the total number of the comparators which output "1" when exposure time is too long. 第6の実施形態に係る撮像素子を例示するブロック図。The block diagram which illustrates the image sensor concerning a 6th embodiment. 比較器のオフセット電圧の平均値が0の場合における画素電圧および基準電圧の間の差分電圧と「1」を出力する比較器の総数との関係を例示するグラフ。The graph which illustrates the relationship between the difference voltage between a pixel voltage and a reference voltage in case the average value of the offset voltage of a comparator is 0, and the total number of the comparators which output "1". 比較器のオフセット電圧の平均値が0より大きい場合における差分電圧と「1」を出力する比較器の総数との関係を例示するグラフ。The graph which illustrates the relationship between the difference voltage in case the average value of the offset voltage of a comparator is larger than 0, and the total number of the comparators which output "1". 基準電圧を比較器のオフセット電圧の平均値を相殺するように調整した場合における差分電圧と「1」を出力する比較器の総数との関係を例示するグラフ。6 is a graph illustrating the relationship between the differential voltage and the total number of comparators that output “1” when the reference voltage is adjusted to cancel the average value of the offset voltage of the comparator. 第7の実施形態に係る撮像素子を例示するブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating an image sensor according to a seventh embodiment. 互いに異なる複数の基準電圧を中心とする確率密度関数を例示するグラフ。6 is a graph illustrating a probability density function centered on a plurality of different reference voltages. 図27の複数の確率密度関数を合成することによって得られる確率密度関数を例示するグラフ。28 is a graph illustrating a probability density function obtained by combining a plurality of probability density functions in FIG. 図28の確率密度関数を用いた場合における、画素電圧および基準電圧の間の差分電圧と画素データとの関係を例示するグラフ。The graph which illustrates the relationship between the difference voltage between pixel voltage and a reference voltage, and pixel data at the time of using the probability density function of FIG. 第1のサブアレイ分割法の説明図。Explanatory drawing of the 1st subarray division | segmentation method. 第2のサブアレイ分割法の説明図。Explanatory drawing of the 2nd subarray division | segmentation method. 第3のサブアレイ分割法の説明図。Explanatory drawing of the 3rd subarray division | segmentation method. 第4のサブアレイ分割法の説明図。Explanatory drawing of the 4th subarray division | segmentation method. 第8の実施形態に係る撮像素子に含まれる加算回路を例示するブロック図。FIG. 20 is a block diagram illustrating an adder circuit included in an image sensor according to an eighth embodiment. 第9の実施形態に係る撮像素子に含まれる画素と当該画素と比較器を共有するSSADCを例示する図。The figure which illustrates SSADC which shares the pixel contained in the image sensor which concerns on 9th Embodiment, and the said pixel and a comparator.

以下、図面を参照しながら実施形態の説明が述べられる。尚、以降、説明済みの要素と同一または類似の要素には同一または類似の符号が付され、重複する説明は基本的に省略される。例えば、複数の同一または類似の要素が存在する場合に、各要素を区別せずに説明するために共通の符号を用いることがあるし、各要素を区別して説明するために当該共通の符号に加えて枝番号を用いることもある。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. Hereinafter, the same or similar elements as those already described are denoted by the same or similar reference numerals, and redundant description is basically omitted. For example, when there are a plurality of identical or similar elements, a common reference may be used to explain each element without distinction, and the common reference may be used to distinguish each element. In addition, branch numbers may be used.

(第1の実施形態)
一般的な撮像素子は、画素毎に、当該画素における入射光強度に対応する多値の画素データを生成する。他方、第1の実施形態に係る撮像素子は、図4に例示されるように、複数の画素100を含むサブアレイ310を1つ以上含み、サブアレイ310毎に当該サブアレイ310における入射光強度に対応する多値の画素データを生成する。
(First embodiment)
A general image sensor generates multivalued pixel data corresponding to the incident light intensity in each pixel. On the other hand, as illustrated in FIG. 4, the imaging device according to the first embodiment includes one or more subarrays 310 including a plurality of pixels 100, and each subarray 310 corresponds to the incident light intensity in the subarray 310. Multi-value pixel data is generated.

図4の撮像素子は、複数の画素100がアレイ状に配置された画素アレイ300と、複数の加算回路200と、基準電圧生成回路320と、垂直選択レジスタ330と、水平転送レジスタ340とを含む。   4 includes a pixel array 300 in which a plurality of pixels 100 are arranged in an array, a plurality of addition circuits 200, a reference voltage generation circuit 320, a vertical selection register 330, and a horizontal transfer register 340. .

画素アレイ300は、複数のサブアレイ310へと分割可能である。すなわち、サブアレイ310は、この画素アレイ300のサブセットに相当する。以降の説明において、サブアレイ310は、N行×N列(Nは2以上の整数)の正方形状に配置されたN個の画素100であるとするが、これには限定されない。 The pixel array 300 can be divided into a plurality of subarrays 310. That is, the subarray 310 corresponds to a subset of the pixel array 300. In the following description, the sub-array 310 is assumed to be N 2 pixels 100 arranged in a square shape of N rows × N columns (N is an integer of 2 or more), but is not limited thereto.

基準電圧生成回路320は、基準電圧を生成して各画素100に印加する。垂直選択レジスタ330は、画素アレイ300のうち読み出しの対象となる行を順番に選択する。垂直選択レジスタ330によって選択された行に配置された複数の画素100は、2値情報を加算回路200へと出力する。水平転送レジスタ340は、加算回路200から出力される多値の画素データを順番に読み出すことで、サブアレイ310毎の多値の画素データを得る。   The reference voltage generation circuit 320 generates a reference voltage and applies it to each pixel 100. The vertical selection register 330 sequentially selects rows to be read from the pixel array 300. The plurality of pixels 100 arranged in the row selected by the vertical selection register 330 outputs binary information to the addition circuit 200. The horizontal transfer register 340 obtains multivalued pixel data for each subarray 310 by sequentially reading the multivalued pixel data output from the adder circuit 200.

各画素100は、図1に例示されるように、フォトダイオード110および比較器120を含む。なお、フォトダイオード110は、光を検出することのできる他の種別の光検出器であってもよい。フォトダイオード110は光を検出し、その入射光強度に対応する画素電圧(VPD)を比較器120に印加する。比較器120は、画素電圧(VPD)を基準電圧生成回路320からの基準電圧(VREF)と比較して比較結果に応じた2値情報(COUT)を生成する。そして、撮像素子は、サブアレイ310毎に、当該サブアレイ310に含まれる複数の画素100において生成された2値情報(COUT)を組み合わせて計算を行うことで、当該サブアレイ310全体で1つの多値の画素データ(DOUT)を生成する。 Each pixel 100 includes a photodiode 110 and a comparator 120, as illustrated in FIG. The photodiode 110 may be another type of photodetector that can detect light. The photodiode 110 detects light and applies a pixel voltage (V PD ) corresponding to the incident light intensity to the comparator 120. The comparator 120 compares the pixel voltage (V PD ) with the reference voltage (V REF ) from the reference voltage generation circuit 320 and generates binary information (COUT) according to the comparison result. Then, the image pickup device performs calculation by combining binary information (COUT) generated in the plurality of pixels 100 included in the subarray 310 for each subarray 310, so that one multivalue can be obtained for the entire subarray 310. Pixel data (D OUT ) is generated.

なお、厳密には、サブアレイ310に含まれる複数の画素100における入射光強度は必ずしも完全に一様ではない。しかしながら、以降の説明では、これらの入射光強度は一様であることが仮定される。すなわち、サブアレイ310に含まれる複数(通常は全て)の画素100に含まれるフォトダイオード110が、同じ大きさの画素電圧(VPD)を比較器120へと供給する。 Strictly speaking, the incident light intensity in the plurality of pixels 100 included in the sub-array 310 is not necessarily completely uniform. However, in the following description, it is assumed that these incident light intensities are uniform. In other words, the photodiodes 110 included in a plurality of (usually all) pixels 100 included in the sub-array 310 supply pixel voltages (V PD ) having the same magnitude to the comparator 120.

仮に、サブアレイ310に含まれる複数の画素100の間で、比較器120の特性および基準電圧(VREF)が完全に同じであるならば、これらの比較器120から出力される2値情報(COUT)は全て「1」若しくは全て「0」となるであろう。しかしながら、実際の比較器120は、素子ばらつきによるランダムなオフセット電圧(VOS_CMP)を持っている。そして、これらのオフセット電圧(VOS_CMP)が互いに一致することは、極めて稀である。故に、各比較器120によって出力される2値情報(COUT)は、画素電圧(VPD)および基準電圧(VREF)の間の差分電圧(VPD−VREF)とオフセット電圧(VOS_CMP)との大小関係に依存して、図1に例示されるようにばらつくことになる。 If the characteristics of the comparator 120 and the reference voltage (V REF ) are completely the same among the plurality of pixels 100 included in the sub-array 310, binary information (COUT) output from the comparators 120 is used. ) Will be all "1" or all "0". However, the actual comparator 120 has a random offset voltage (V OS_CMP ) due to element variations. And it is very rare that these offset voltages (V OS_CMP ) match each other. Therefore, the binary information (COUT) output by each comparator 120 includes a differential voltage (V PD −V REF ) and an offset voltage (V OS_CMP ) between the pixel voltage (V PD ) and the reference voltage (V REF ). Depending on the magnitude relationship between and, it will vary as illustrated in FIG.

比較器120のオフセット電圧(VOS_CMP)は、一般的には、例えば平均値=0の正規分布に従って分布する。故に、サブアレイ310によって使用される比較器120の総数(すなわち、サブアレイ310に含まれる画素数)が十分に多いならば、オフセット電圧(VOS_CMP)は図2に例示されるように分布する。そして、差分電圧(VPD−VREF)よりも低いオフセット電圧(VOS_CMP)を持つ比較器120(図2の斜線部で示される)は「1」を出力し、差分電圧(VPD−VREF)よりも高いオフセット電圧(VOS_CMP)を持つ比較器120は「0」を出力する。 The offset voltage (V OS_CMP ) of the comparator 120 is generally distributed according to a normal distribution with an average value = 0, for example. Therefore, if the total number of comparators 120 used by the subarray 310 (ie, the number of pixels included in the subarray 310) is sufficiently large, the offset voltage (V OS_CMP ) is distributed as illustrated in FIG. Then, the comparator 120 (indicated by the hatched portion in FIG. 2) having an offset voltage (V OS_CMP ) lower than the differential voltage (V PD −V REF ) outputs “1”, and the differential voltage (V PD −V Comparator 120 having an offset voltage (V OS_CMP ) higher than REF ) outputs “0”.

従って、「1」を出力する比較器120の総数は、下記数式(1)に示されるように、図2の分布(平均値0の正規分布)を−∞からVPD−VREFまで積分することによって算出することができる。 Therefore, the total number of comparators 120 that output “1” is integrated from −∞ to V PD −V REF in the distribution of FIG. 2 (normal distribution of mean value 0) as shown in the following formula (1). It can be calculated by

ここで、Nは「1」を出力する比較器120の総数を表し、Nはサブアレイ310の水平方向および垂直方向の画素数を表し、Nはサブアレイ310の画素数を表し、σは比較器120のオフセット電圧(VOS_CMP)の標準偏差を表す。 Here, N 1 represents the total number of comparators 120 that output “1”, N represents the number of pixels in the horizontal and vertical directions of the subarray 310, N 2 represents the number of pixels in the subarray 310, and σ represents the comparison Represents the standard deviation of the offset voltage (V OS — CMP ) of the device 120.

「1」を出力する比較器120の総数(N)を縦軸とし、差分電圧(VPD−VREF)を横軸とすると、図3に例示されるグラフを描くことができる。図3より、NがVPD−VREFに対して単調増加することが読み取れる。故に、このような関係を利用すれば、「1」を出力する比較器120の総数(N)を、画素電圧(VPD)に対応する多値の画素データとして扱うことができる。 When the total number (N 1 ) of the comparators 120 that output “1” is the vertical axis and the differential voltage (V PD −V REF ) is the horizontal axis, the graph illustrated in FIG. 3 can be drawn. It can be seen from FIG. 3 that N 1 monotonically increases with respect to V PD −V REF . Therefore, by utilizing such a relationship, the total number (N 1 ) of the comparators 120 that output “1” can be handled as multi-value pixel data corresponding to the pixel voltage (V PD ).

具体的には、図1に例示されるように、各画素100の比較器120によって生成した2値情報(COUT)は加算回路200へと供給され、加算回路200がこれらの2値情報(COUT)の総和を計算することで、「1」を出力する比較器120の総数(N)が求められる。加算回路200は、この総和(N)を、多値の画素データ(DOUT)として出力する。なお、加算回路200は、「1」ではなく「0」を出力する比較器120の総数を計算してもよい。さらに、加算回路200は、他の計算を行う計算回路に置き換えられてもよい。 Specifically, as illustrated in FIG. 1, the binary information (COUT) generated by the comparator 120 of each pixel 100 is supplied to the adding circuit 200, and the adding circuit 200 outputs the binary information (COUT). ) To calculate the total number (N 1 ) of the comparators 120 that output “1”. The adder circuit 200 outputs the sum (N 1 ) as multi-value pixel data (D OUT ). The adding circuit 200 may calculate the total number of comparators 120 that output “0” instead of “1”. Furthermore, the addition circuit 200 may be replaced with a calculation circuit that performs other calculations.

加算回路200の具体例が図13に示される。加算回路200は、画素アレイ300の同一の列に配置された複数のサブアレイ310によって共有される。従って、画素アレイ300の第1列から第N列を占めるサブアレイ310は加算回路200−1に接続され、第N+1列から第2N列を占めるサブアレイ310は加算回路200−2に接続され、第M−N+1列から第M列を占めるサブアレイ310は加算回路200−M/Nに接続される。なお、Mは画素アレイ300の水平方向の画素数を表す。   A specific example of the adding circuit 200 is shown in FIG. The adder circuit 200 is shared by a plurality of subarrays 310 arranged in the same column of the pixel array 300. Accordingly, the subarray 310 occupying the first column to the Nth column of the pixel array 300 is connected to the adding circuit 200-1, the subarray 310 occupying the N + 1th column to the second Nth column is connected to the adding circuit 200-2, and the Mth The subarray 310 occupying the Mth column from the (N + 1) th column is connected to the adding circuit 200-M / N. Note that M represents the number of pixels in the horizontal direction of the pixel array 300.

各加算回路200は、マルチプレクサ210、ANDゲート220およびカウンタ230を含む。また、加算回路200−1,200−2,・・・,200−M/Nは、制御回路240、発振回路250およびカウンタ260を共有できる。   Each adder circuit 200 includes a multiplexer 210, an AND gate 220, and a counter 230. Further, the addition circuits 200-1, 200-2,..., 200-M / N can share the control circuit 240, the oscillation circuit 250, and the counter 260.

制御回路240は、カウンタ230およびカウンタ260にリセット信号RST1およびリセット信号RST2をそれぞれ与えてリセットしたり、発振回路250にイネーブル信号ENを与えて動作/非動作を制御したりする。   The control circuit 240 resets the counter 230 and the counter 260 with the reset signal RST1 and the reset signal RST2, respectively, and controls the operation / non-operation by supplying the enable signal EN to the oscillation circuit 250.

発振回路250は、制御回路240からのイネーブル信号ENに応じて発振し、クロック信号CLKを発生する。発振回路250は、クロック信号CLKを、ANDゲート220およびカウンタ260へと出力する。   The oscillation circuit 250 oscillates in response to the enable signal EN from the control circuit 240 and generates a clock signal CLK. Oscillation circuit 250 outputs clock signal CLK to AND gate 220 and counter 260.

カウンタ260は、発振回路250からクロック信号CLKを受け取り、当該クロック信号CLKに応じて1ずつカウントアップをする。カウンタ260は、カウント値を示す選択制御信号SELを、各加算回路200のマルチプレクサ210へと出力し、制御回路240にもフィードバックする。   The counter 260 receives the clock signal CLK from the oscillation circuit 250 and counts up by one according to the clock signal CLK. The counter 260 outputs a selection control signal SEL indicating the count value to the multiplexer 210 of each adder circuit 200 and feeds it back to the control circuit 240.

マルチプレクサ210−1は、カウンタ260からの選択制御信号SELを受け取る。さらに、マルチプレクサ210−1は、サブアレイ310に属する画素100のうち垂直選択レジスタ330によって選択されている行に配置されたN個の画素100から2値情報COUT,COUT・・・,COUTを受け取る。マルチプレクサ210−1は、選択制御信号SELに従って、2値情報COUT,COUT・・・,COUTのうちの1つを選択し、選択信号MOUTをANDゲート220−1へと導く。 The multiplexer 210-1 receives the selection control signal SEL from the counter 260. Further, the multiplexer 210-1 outputs binary information COUT 1 , COUT 2 ..., COUT N from N pixels 100 arranged in the row selected by the vertical selection register 330 among the pixels 100 belonging to the sub-array 310. Receive. The multiplexer 210-1 selects one of the binary information COUT 1 , COUT 2 ..., COUT N according to the selection control signal SEL, and guides the selection signal MOUT N to the AND gate 220-1.

ANDゲート220−1は、マルチプレクサ210−1から選択信号MOUTを受け取り、発振回路250からクロック信号CLKを受け取る。ANDゲート220−1は、選択信号MOUTおよびクロック信号CLKの論理積演算を行って、演算結果信号を得る。ANDゲート220−1は、演算結果信号をカウンタ230−1へと出力する。カウンタ230−1は、演算結果信号に応じて1ずつカウントアップをする。 The AND gate 220-1 receives the selection signal MOUT N from the multiplexer 210-1 and receives the clock signal CLK from the oscillation circuit 250. AND gate 220-1 performs a logical AND operation of the selection signal MOUT N and the clock signal CLK, and obtain the calculation result signal. The AND gate 220-1 outputs an operation result signal to the counter 230-1. The counter 230-1 counts up by one according to the calculation result signal.

選択信号MOUTが「1」の場合には、演算結果信号はクロック信号CLKと一致するので、カウンタ230−1はカウントアップをする。他方、選択信号MOUTが「0」の場合には、演算結果信号も「0」のままとなるので、カウンタ230−1はカウントアップをしない。そして、選択制御信号SELの示す値は、1ずつカウントアップされるので、2値情報COUT,COUT・・・,COUTの全てが順番に選択信号MOUTとして選択される。 When the selection signal MOUT N is “1”, the operation result signal matches the clock signal CLK, and the counter 230-1 counts up. On the other hand, when the selection signal MOUT N is "0", the calculation result signal also remains "0", the counter 230-1 does not count up. Since the value indicated by the selection control signal SEL is incremented by one , all of the binary information COUT 1 , COUT 2 ..., COUT N are sequentially selected as the selection signal MOUT N.

従って、カウンタ230−1は、図14に例示される1サイクルの動作で、サブアレイ310の1行分の画素100によって生成された2値情報COUT,COUT・・・,COUTに含まれる「1」の総数をカウントできる。そして、残りのN−1行分の画素100のために同様の動作をN−1サイクルに亘って繰り返すことで、カウンタ230−1は、サブアレイ310の全ての画素100によって生成された2値情報に含まれる「1」の総数を示す総和信号DOUTを得ることができる。 Accordingly, the counter 230-1 is included in the binary information COUT 1 , COUT 2 ..., COUT N generated by the pixels 100 for one row of the subarray 310 in the operation of one cycle illustrated in FIG. The total number of “1” can be counted. Then, by repeating the same operation for the remaining N−1 rows of pixels 100 over N−1 cycles, the counter 230-1 can generate binary information generated by all the pixels 100 of the sub-array 310. Can be obtained as a sum signal DOUT N indicating the total number of “1” s included in.

以下、図5、図6、図7、図8および図9を用いて画素100の回路構成の具体例が説明される。   Hereinafter, specific examples of the circuit configuration of the pixel 100 will be described with reference to FIGS. 5, 6, 7, 8, and 9.

図5の画素100は、1つのフォトダイオード110と、3つのNMOS(N−type Metal−Oxide−Semiconductor)トランジスタMTX、MRSTおよびMSFとを含む。図5の画素100は、入射光強度に対応する画素電圧を出力する一般的な画素回路に相当する。図5の回路構成では、図7および図9の回路構成に比べて、1つの画素100に配置されるトランジスタ数が少ないので、画素100の微細化、ならびに、画素100全体のうちフォトダイオード110の占める面積の割合の向上に有用である。 The pixel 100 in FIG. 5 includes one photodiode 110 and three NMOS (N-type Metal-Oxide-Semiconductor) transistors M TX , M RST, and M SF . The pixel 100 in FIG. 5 corresponds to a general pixel circuit that outputs a pixel voltage corresponding to the incident light intensity. In the circuit configuration in FIG. 5, the number of transistors arranged in one pixel 100 is smaller than that in the circuit configurations in FIGS. 7 and 9. It is useful for improving the ratio of the occupied area.

図6に例示されるように、図5の画素100の動作サイクルはリセットフェーズ、電荷蓄積フェーズおよび0/1変換フェーズに大別される。リセットフェーズでは、最初にNMOSトランジスタMTXおよびMRSTがオンにされる。そして、NMOSトランジスタMSFのゲート電位(VFD)およびフォトダイオード110のカソード端子の電位(VPD)がリセットされる。 As illustrated in FIG. 6, the operation cycle of the pixel 100 in FIG. 5 is roughly divided into a reset phase, a charge accumulation phase, and a 0/1 conversion phase. In the reset phase, the NMOS transistors MTX and MRST are first turned on. Then, the gate potential (V FD) and the cathode terminal of the photodiode 110 potential of the NMOS transistor M SF (V PD) is reset.

具体的には、NMOSトランジスタMTXおよびMRSTのゲートに電源電圧(VDD)が印加されると、NMOSトランジスタMSFのゲート電位(VFD)が上昇し始める。そして、NMOSトランジスタMSFのゲート電位(VFD)がVDD−VTHN(NMOSトランジスタMTXおよびMRSTの閾値電圧)に到達した時点で、NMOSトランジスタMTXおよびMRSTがオフとなる。故に、NMOSトランジスタMSFのゲート電位(VFD)は、VDD−VTHNにリセットされる。なお、NMOSトランジスタMSFのゲート電位(VFD)をVDDにリセットする必要がある場合には、リセットフェーズ中にNMOSトランジスタMTXおよびMRSTのゲートに印加する電圧をVDD+VTHNに調整すればよい。 Specifically, when the power supply voltage (V DD ) is applied to the gates of the NMOS transistors M TX and M RST , the gate potential (V FD ) of the NMOS transistor M SF starts to rise. Then, when the gate potential of the NMOS transistor M SF (V FD) reaches V DD -V THN (threshold voltage of the NMOS transistor M TX and M RST), NMOS transistors M TX and M RST is turned off. Therefore, the gate potential of the NMOS transistor M SF (V FD) is reset to V DD -V THN. If the gate potential (V FD ) of the NMOS transistor M SF needs to be reset to V DD , the voltage applied to the gates of the NMOS transistors M TX and M RST during the reset phase is adjusted to V DD + V THN do it.

リセットフェーズに続く電荷蓄積フェーズでは、NMOSトランジスタMTXおよびMRSTがオフにされる。そして、フォトダイオード110で発生した電荷が蓄積されることにより、当該フォトダイオード110のカソード電位(VPD)は時間経過に伴って低下する。入射光強度が大きい(明るい)場合にはフォトダイオード110のカソード電位(VPD)は大きく減少し、入射光強度が小さい(暗い)場合には当該カソード電位(VPD)はあまり減少しない。電荷蓄積フェーズの開始から所定時間が経過すると、NMOSトランジスタMTXのゲートに基準電圧(VREF)が印加され、0/1変換フェーズが開始する。 In the charge accumulation phase following the reset phase, the NMOS transistors MTX and MRST are turned off. Then, by accumulating charges generated in the photodiode 110, the cathode potential (V PD ) of the photodiode 110 decreases with time. When the incident light intensity is high (bright), the cathode potential (V PD ) of the photodiode 110 decreases greatly, and when the incident light intensity is low (dark), the cathode potential (V PD ) does not decrease so much. When a predetermined time elapses from the start of the charge accumulation phase, the reference voltage (V REF ) is applied to the gate of the NMOS transistor M TX and the 0/1 conversion phase starts.

0/1変換フェーズの開始時におけるフォトダイオード110のカソード電位(VPD)が、基準電圧(VREF)と比較される。具体的には、VREF−VPD≧VTHNの場合には、NMOSトランジスタMTXはオンとなり、フォトダイオードPD110の電荷がNMOSトランジスタMTXのチャネルを通過するので、NMOSトランジスタMSFのゲート電位(VFD)は低下する。他方、VREF−VPD<VTHNの場合には、NMOSトランジスタMTXはオフのままとなり、フォトダイオードPD110の電荷はNMOSトランジスタMTXによって遮られるので、NMOSトランジスタMSFのゲート電位(VFD)は変化しない。 The cathode potential (V PD ) of the photodiode 110 at the start of the 0/1 conversion phase is compared with the reference voltage (V REF ). Specifically, in the case of V REF -V PD ≧ V THN is, the NMOS transistor M TX is turned on, the charge of the photodiode PD110 is passing through the channel of the NMOS transistor M TX, the gate potential of the NMOS transistor M SF (V FD ) decreases. On the other hand, V REF -V PD <in the case of V THN is, the NMOS transistor M TX will remain off, the charge of the photodiode PD110 is blocked by the NMOS transistor M TX, the gate potential of the NMOS transistor M SF (V FD ) Does not change.

このようなNMOSトランジスタMSFのゲート電位(VFD)の変化の有無を利用すれば、以降に説明するように、0/1の2値情報を信号読み出し線BLを介して読み出すことができる。 By using the presence or absence of change in the gate potential (V FD) of such NMOS transistors M SF, as described later, the binary information of 0/1 can be read via the signal read line BL.

具体的には、NMOSトランジスタMTXがオンとなった場合のVFDの低下幅をΔVFDとすると、この場合のVFDは、VDD−VTHN−ΔVFDである。他方、NMOSトランジスタMTXがオフのままとなった場合のVFDは、VDD−VTHNである。そして、0/1変換フェーズの途中でNMOSトランジスタMPREがオンとなり、信号読み出し線BLはVDD−2×VTHN−ΔVに充電される。ここで、ΔVは、信号読み出し線BLの充電電位を調整するために用いられる値であって、適切な範囲(例えば、ΔV<ΔVFD)に設定される。 Specifically, when the decrease width of V FD when the NMOS transistor M TX is turned on is ΔV FD , V FD in this case is V DD −V THN −ΔV FD . On the other hand, V FD when NMOS transistor M TX remains off is V DD −V THN . The 0/1 middle NMOS transistor M PRE of the conversion phase is turned on, the signal read line BL is charged to V DD -2 × V THN -ΔV A . Here, ΔV A is a value used for adjusting the charging potential of the signal readout line BL, and is set to an appropriate range (for example, ΔV A <ΔV FD ).

それから、NMOSトランジスタMPREは再びオフに戻る。VFDがVDD−VTHNである場合には、NMOSトランジスタMSFのゲート−ソース間電位はVTHN+ΔVとなるので、NMOSトランジスタMSFはオンとなって信号読み出し線BLを充電する。故に、信号読み出し線BLの電位は、VDD−VTHNまで上昇する。他方、VFDがVDD−VTHN−ΔVFDである場合には、NMOSトランジスタMSFのゲート−ソース間電位はVTHN+ΔV−ΔVFDとなる。ここで、ΔV<ΔVFDであれば、VTHN+ΔVa−ΔVFD<VTHN、すなわち、NMOSトランジスタMSFはオフとなるので信号読み出し線BLの電位はVDD−2×VTHN−ΔVのままとなる。 The NMOS transistor M PRE is then turned off again. If V FD is V DD -V THN, the gate of the NMOS transistor M SF - since source potential becomes V THN + [Delta] V A, charging the NMOS transistor M SF is the signal read line BL turned on. Therefore, the potential of the signal read line BL rises to V DD -V THN . On the other hand, if V FD is V DD -V THN -ΔV FD, the gate of the NMOS transistor M SF - source potential becomes V THN + ΔV A -ΔV FD. Here, if ΔV A <ΔV FD , V THN + ΔVa−ΔV FD <V THN , that is, the NMOS transistor M SF is turned off, so that the potential of the signal read line BL is V DD −2 × V THN −ΔV A Will remain.

信号読み出し線BLは、例えばインバータ回路などの整形回路に接続される。この整形回路は、信号読み出し線BLの電位がVDD−VTHNの場合には「1」を出力し、当該電位がVDD−2×VTHN−ΔVの場合には「0」を出力する。そして、加算回路200は各整形回路の出力信号(2値情報(COUT))を集めて、これらの総和を多値の画素データ(DOUT)として出力する。 The signal readout line BL is connected to a shaping circuit such as an inverter circuit. The shaping circuit outputs "1" when the potential of the signal read line BL is V DD -V THN, when the potential of V DD -2 × V THN -ΔV A output to "0" To do. The adder circuit 200 collects output signals (binary information (COUT)) of each shaping circuit and outputs the sum of these as multi-valued pixel data (DOUT).

図5および図6の例では、NMOSトランジスタMTXが比較器120として機能しており、このNMOSトランジスタMTXの閾値電圧(VTHN)のばらつきが比較器120のオフセット電圧(VOS_CMP)のばらつきを生じさせる。 In the example of FIGS. 5 and 6, the NMOS transistor M TX functions as the comparator 120, and the variation in the threshold voltage (V THN ) of the NMOS transistor M TX is the variation in the offset voltage (V OS_CMP ) of the comparator 120. Give rise to

図7の画素100では、NMOSトランジスタMCMPNおよびPMOS(P−type MOS)トランジスタMCMPPがシングルエンド型の比較器120として機能する。図8に例示されるように、図7の画素100の動作サイクルもリセットフェーズ、電荷蓄積フェーズおよび0/1変換フェーズに大別される。 In the pixel 100 of FIG. 7, the NMOS transistor MCMPN and the PMOS (P-type MOS) transistor MCMPP function as a single-ended comparator 120. As illustrated in FIG. 8, the operation cycle of the pixel 100 of FIG. 7 is also roughly divided into a reset phase, a charge accumulation phase, and a 0/1 conversion phase.

リセットフェーズでは、最初にNMOSトランジスタMRSTがオンにされる。そして、NMOSトランジスタMSFのゲート電位(VFD)がリセットされる。リセットフェーズに続く電荷蓄積フェーズでは、NMOSトランジスタMRSTがオフにされる。そして、フォトダイオード110で発生した電荷が蓄積されることにより、当該フォトダイオード110のカソード電位(VPD)は時間経過に伴って低下する。電荷蓄積フェーズの開始から所定時間が経過すると、入射光強度に関わらずNMOSトランジスタMTXがオンとなり、0/1変換フェーズが開始する。すなわち、入射光強度に関わらず、フォトダイオードPD110の電荷は、NMOSトランジスタMTXのチャネルを通過してNMOSトランジスタMSFのゲート電位(VFD)を低下させる。NMOSトランジスタMSFのゲート電位(VFD)は、入射光強度が大きいほど大きく低下する。 In the reset phase, the NMOS transistor MRST is first turned on. Then, the gate potential of the NMOS transistor M SF (V FD) is reset. In the charge accumulation phase following the reset phase, the NMOS transistor MRST is turned off. Then, by accumulating charges generated in the photodiode 110, the cathode potential (V PD ) of the photodiode 110 decreases with time. When a predetermined time elapses from the start of the charge accumulation phase, the NMOS transistor MTX is turned on regardless of the incident light intensity, and the 0/1 conversion phase starts. That is, regardless of the incident light intensity, the charge of the photodiode PD110 reduces the gate potential (V FD) of the NMOS transistor M SF through the channel of the NMOS transistor M TX. The gate potential of the NMOS transistor M SF (V FD) is significantly reduced as the incident light intensity is high.

図7の画素100に含まれる比較器120の一部を形成するNMOSトランジスタMCMPNのドレイン電流ICMPNは、当該NMOSトランジスタMCMPNの出力抵抗が十分に高いと仮定すれば、NMOSトランジスタMSFのゲート電位(VFD)によって決まる。他方、同じく図7の画素100に含まれる比較器120の一部を形成するPMOSトランジスタMCMPPのドレイン電流ICMPPは、当該PMOSトランジスタMCMPPの出力抵抗が十分に高いと仮定すれば、そのゲートに印加される基準電圧(VREF)によって決まる。 Drain current I CMPN of the NMOS transistor M CMPN forming part of the comparator 120 included in the pixel 100 in FIG. 7, assuming the output resistance of the NMOS transistor M CMPN is sufficiently high, the NMOS transistor M SF It depends on the gate potential (V FD ). On the other hand, the drain current I CMPP of the PMOS transistor MCMPP , which also forms part of the comparator 120 included in the pixel 100 of FIG. 7, is assumed to have the gate resistance if the output resistance of the PMOS transistor MCMPP is sufficiently high. It is determined by the reference voltage (V REF ) applied to.

CMPP>ICMPNの場合には比較器120の出力電圧は上昇し、ICMPP<ICMPNの場合には比較器120の出力電圧は下降する。比較器120の出力抵抗が十分に高いと仮定すれば、当該比較器120の出力電圧はVDDまたは0となる。信号読み出し線BLの電位は事前(例えば、リセットフェーズ中)にPMOSトランジスタMPREを介した放電により0にリセットされている。故に、比較器120の出力電圧がVDDの場合に信号読み出し線BLの電位はVDD−VTHNとなり、比較器120の出力電圧が0の場合に信号読み出し線BLの電位は0のままとなる。 When I CMPP > I CMPN , the output voltage of the comparator 120 increases, and when I CMPP <I CMPN , the output voltage of the comparator 120 decreases. Assuming that the output resistance of the comparator 120 is sufficiently high, the output voltage of the comparator 120 is V DD or 0. The potential of the signal readout line BL is reset to 0 in advance (for example, during the reset phase) by discharging through the PMOS transistor MPRE . Therefore, when the output voltage of the comparator 120 is V DD , the potential of the signal readout line BL is V DD −V THN , and when the output voltage of the comparator 120 is 0, the potential of the signal readout line BL remains 0. Become.

信号読み出し線BLは、例えばインバータ回路などの整形回路に接続される。この整形回路は、信号読み出し線BLの電位がVDD−VTHNの場合には「1」を出力し、当該電位が0の場合には「0」を出力する。そして、加算回路200は各整形回路の出力信号(2値情報(COUT))を集めて、これらの総和を多値の画素データ(DOUT)として出力する。 The signal readout line BL is connected to a shaping circuit such as an inverter circuit. This shaping circuit outputs “1” when the potential of the signal readout line BL is V DD −V THN , and outputs “0” when the potential is 0. The adder circuit 200 collects output signals (binary information (COUT)) of each shaping circuit and outputs the sum of these as multi-valued pixel data (DOUT).

前述のように、図7および図8の例では、NMOSトランジスタMCMPNおよびPMOSトランジスタMCMPPがシングルエンド型の比較器120として機能しており、これらのNMOSトランジスタMCMPNおよびPMOSトランジスタMCMPPの閾値電圧のばらつきが比較器120のオフセット電圧(VOS_CMP)のばらつきを生じさせる。 As described above, in the example of FIGS. 7 and 8, the NMOS transistor M CMPN and the PMOS transistor MCMPP function as the single-ended comparator 120, and the threshold values of the NMOS transistor MCMPN and the PMOS transistor MCMPP are as follows . The variation in voltage causes a variation in the offset voltage (V OS_CMP ) of the comparator 120.

図7の回路構成では、図5の回路構成に比べて、1つの画素100に配置されるトランジスタ数は多いものの、比較器120の出力電圧および信号読み出し線BLの電位の振幅が大きい。故に、例えば整形回路におけるばらつきやノイズが問題となりにくい。   In the circuit configuration in FIG. 7, the number of transistors arranged in one pixel 100 is larger than that in the circuit configuration in FIG. 5, but the amplitude of the output voltage of the comparator 120 and the potential of the signal readout line BL is large. Therefore, for example, variations and noise in the shaping circuit are less likely to be a problem.

図9の画素100では、各画素100に含まれる1つのNMOSトランジスタと、同じ列に配置された他の画素100との間で共有される1つのNMOSトランジスタおよび2つのPMOSトランジスタとの計4個のトランジスタが、差動増幅器型の比較器120として機能する。図11に例示されるように、図9の画素100の動作サイクルもリセットフェーズ、電荷蓄積フェーズおよび0/1変換フェーズに大別される。   In the pixel 100 of FIG. 9, a total of four NMOS transistors, one NMOS transistor included in each pixel 100 and one NMOS transistor and two PMOS transistors shared between the other pixels 100 arranged in the same column. These transistors function as a differential amplifier type comparator 120. As illustrated in FIG. 11, the operation cycle of the pixel 100 in FIG. 9 is also roughly divided into a reset phase, a charge accumulation phase, and a 0/1 conversion phase.

リセットフェーズでは、最初にNMOSトランジスタMRSTがオンにされる。そして、NMOSトランジスタMSFのゲート電位(VFD)がリセットされる。これにより、VFD>VREFとなると、整形回路の出力信号(2値情報(COUT))は「0」から「1」へと反転する。リセットフェーズに続く電荷蓄積フェーズでは、NMOSトランジスタMRSTがオフにされる。そして、フォトダイオード110で発生した電荷が蓄積されることにより、当該フォトダイオード110のカソード電位(VPD)は時間経過に伴って低下する。電荷蓄積フェーズの開始から所定時間が経過すると、入射光強度に関わらずNMOSトランジスタMTXがオンとなり、0/1変換フェーズが開始する。すなわち、入射光強度に関わらず、フォトダイオードPD110の電荷は、NMOSトランジスタMTXのチャネルを通過してNMOSトランジスタMSFのゲート電位(VFD)を低下させる。NMOSトランジスタMSFのゲート電位(VFD)は、入射光強度が大きいほど大きく低下する。 In the reset phase, the NMOS transistor MRST is first turned on. Then, the gate potential of the NMOS transistor M SF (V FD) is reset. Thus, when V FD > V REF , the output signal (binary information (COUT)) of the shaping circuit is inverted from “0” to “1”. In the charge accumulation phase following the reset phase, the NMOS transistor MRST is turned off. Then, by accumulating charges generated in the photodiode 110, the cathode potential (V PD ) of the photodiode 110 decreases with time. When a predetermined time elapses from the start of the charge accumulation phase, the NMOS transistor MTX is turned on regardless of the incident light intensity, and the 0/1 conversion phase starts. That is, regardless of the incident light intensity, the charge of the photodiode PD110 reduces the gate potential (V FD) of the NMOS transistor M SF through the channel of the NMOS transistor M TX. The gate potential of the NMOS transistor M SF (V FD) is significantly reduced as the incident light intensity is high.

NMOSトランジスタMSFのゲート電位(VFD)が基準電圧(VREF)を下回れば、整形回路の出力信号(2値情報(COUT))は「1」から「0」へと戻る。他方、NMOSトランジスタMSFのゲート電位(VFD)が基準電圧(VREF)を下回らなければ、整形回路の出力信号(2値情報(COUT))は「1」のままとなる。そして、加算回路200は各整形回路の出力信号(2値情報(COUT))を集めて、これらの総和を多値の画素データ(DOUT)として出力する。 If the gate potential of the NMOS transistor M SF (V FD) falls below the reference voltage (V REF), the output signal of the shaping circuit (binary information (COUT)) returns to "0" from "1". On the other hand, if less than the gate potential (V FD) is the reference voltage of the NMOS transistor M SF (V REF), the output signal of the shaping circuit (binary information (COUT)) remains "1". The adder circuit 200 collects output signals (binary information (COUT)) of each shaping circuit and outputs the sum of these as multi-valued pixel data (DOUT).

図9の回路構成では、図5の回路構成に比べて、1つの画素100に配置されるトランジスタ数は同一であるが、比較器120の出力電圧および信号読み出し線の電位の振幅が大きい。故に、例えば整形回路におけるばらつきやノイズが問題となりにくい。   In the circuit configuration in FIG. 9, the number of transistors arranged in one pixel 100 is the same as that in the circuit configuration in FIG. 5, but the amplitude of the output voltage of the comparator 120 and the potential of the signal readout line is large. Therefore, for example, variations and noise in the shaping circuit are less likely to be a problem.

反面、図9の回路構成は、図5の回路構成に比べて信号読み出し線の数が多い。一般に、光を配線層側の面から照射する表面照射型の撮像素子では、配線により入射光の一部が遮られてしまうので信号読み出し線の数は少ない方がよい。他方、光を配線層と反対側の面から照射する裏面照射型の撮像素子では、配線による入射光への影響は小さい。   On the other hand, the circuit configuration in FIG. 9 has more signal readout lines than the circuit configuration in FIG. In general, in a front-illuminated imaging device that irradiates light from the surface on the wiring layer side, it is better that the number of signal readout lines is small because a part of incident light is blocked by the wiring. On the other hand, in the backside illuminating type imaging device that irradiates light from the surface opposite to the wiring layer, the influence of the wiring on the incident light is small.

以上説明したように、第1の実施形態に係る撮像素子は、複数の画素を含むサブアレイ毎に多値の画素データを生成する。具体的には、比較器は、画素毎に画素電圧および基準電圧の比較を行うが、比較結果は比較器のオフセット電圧の影響でばらつく。従って、この撮像素子によれば、サブアレイ毎に「1」を出力する比較器の総数をカウントすることによって、当該サブアレイにおける入射光強度に対応する多値の画素データを計算することができる。   As described above, the image sensor according to the first embodiment generates multivalued pixel data for each subarray including a plurality of pixels. Specifically, the comparator compares the pixel voltage and the reference voltage for each pixel, but the comparison result varies due to the influence of the offset voltage of the comparator. Therefore, according to this imaging device, by counting the total number of comparators that output “1” for each subarray, it is possible to calculate multivalued pixel data corresponding to the incident light intensity in the subarray.

なお、「1」を出力する比較器の総数のカウントは、例えば加算回路を用いて実現できるので高精度な基準クロックは不要である。故に、この撮像素子は、PLL回路を省略することで低消費電力化が可能である。さらに、比較器よりも後段の信号処理はディジタル回路で(すなわち、アナログ回路なしで)実現することができるので、低電源電圧を利用することによる低消費電力化が可能である。   Note that the count of the total number of comparators that output “1” can be realized by using, for example, an adder circuit, so that a highly accurate reference clock is not required. Therefore, this image sensor can reduce power consumption by omitting the PLL circuit. Furthermore, since the signal processing subsequent to the comparator can be realized by a digital circuit (that is, without an analog circuit), the power consumption can be reduced by using a low power supply voltage.

(第2の実施形態)
前述の第1の実施形態では、各画素が1つの比較器を内蔵している。しかしながら、画素アレイにおいて同じ列に配置された複数の画素が1つの比較器を共有してもよい。
(Second Embodiment)
In the first embodiment described above, each pixel incorporates one comparator. However, a plurality of pixels arranged in the same column in the pixel array may share one comparator.

第2の実施形態に係る撮像素子に含まれる画素100の具体例が、図10に示されている。図10の例では、画素アレイ300において同じ列に配置された複数の画素100によって発生した画素電圧は、信号読み出し線SIGを介して順番に読み出され、比較器120に印加される。   A specific example of the pixel 100 included in the image sensor according to the second embodiment is shown in FIG. In the example of FIG. 10, pixel voltages generated by a plurality of pixels 100 arranged in the same column in the pixel array 300 are sequentially read out via the signal read line SIG and applied to the comparator 120.

例えばサブアレイ310が16行×16列の256個の画素100に相当する場合に、このサブアレイ310に必要とされる比較器120の総数は、第1の実施形態によれば同じく256個となるが、第2の実施形態によれば16個となる。   For example, when the subarray 310 corresponds to 256 pixels 100 of 16 rows × 16 columns, the total number of comparators 120 required for the subarray 310 is also 256 according to the first embodiment. According to the second embodiment, the number is 16.

なお、仮に、同一の列に配置された16個の画素100の全てが同一の画素電圧を比較器120に印加したとすれば、当該比較器120が出力する16個の2値情報は全て同じとなってしまう。しかしながら、実際には、画素電圧は、画素100に内蔵されるソースフォロワアンプを介して出力され、このソースフォロワアンプのオフセット電圧を加えられる。そして、比較器120が出力する16個の2値情報は、このオフセット電圧の影響でばらつくことになる。従って、サブアレイ310は、第1の実施形態と同様に、最大256値の画素データを生成することができる。   If all of the 16 pixels 100 arranged in the same column apply the same pixel voltage to the comparator 120, the 16 binary information output by the comparator 120 is the same. End up. However, in actuality, the pixel voltage is output via a source follower amplifier built in the pixel 100, and an offset voltage of the source follower amplifier is added. The 16 pieces of binary information output from the comparator 120 vary due to the influence of the offset voltage. Accordingly, the subarray 310 can generate pixel data having a maximum value of 256 as in the first embodiment.

以上説明したように、第2の実施形態に係る撮像素子は、画素アレイにおいて同じ列に配置された複数の画素が1つの比較器を共有する。従って、この撮像素子によれば、画素毎に比較器を用意する場合に比べて、比較器の総数が削減されるので回路面積を抑制することができる。   As described above, in the imaging device according to the second embodiment, a plurality of pixels arranged in the same column in the pixel array share one comparator. Therefore, according to this image sensor, the total number of comparators is reduced compared to the case where a comparator is prepared for each pixel, so that the circuit area can be suppressed.

(第3の実施形態)
前述の第1の実施形態では、加算回路は画素アレイの同一の列に配置された複数のサブアレイによって共有されている。換言すれば、加算回路はサブアレイ1列につき1つ配置されている。しかしながら、画素アレイ全体で1つの加算回路を共有することもできる。
(Third embodiment)
In the first embodiment described above, the adder circuit is shared by a plurality of subarrays arranged in the same column of the pixel array. In other words, one adder circuit is arranged for each column of the subarray. However, one adder circuit can be shared by the entire pixel array.

第3の実施形態に係る撮像素子が図12に例示される。図12の撮像素子は、画素アレイ300と、基準電圧生成回路320と、垂直選択レジスタ330と、水平転送レジスタ440と、加算回路500とを含む。   An imaging device according to the third embodiment is illustrated in FIG. 12 includes a pixel array 300, a reference voltage generation circuit 320, a vertical selection register 330, a horizontal transfer register 440, and an addition circuit 500.

水平転送レジスタ440は、各サブアレイ310によって生成された2値情報を順番に読み出し、加算回路500へと転送する。加算回路500の具体例が図15に示される。   The horizontal transfer register 440 sequentially reads the binary information generated by each subarray 310 and transfers it to the adder circuit 500. A specific example of the adding circuit 500 is shown in FIG.

図15の加算回路500は、制御回路510と、発振回路520と、1/N分周回路530と、カウンタ540と、デマルチプレクサ550と、カウンタ560−1,560−2,・・・,560−M/Nと、ANDゲート570とを含む。   15 includes a control circuit 510, an oscillation circuit 520, a 1 / N frequency dividing circuit 530, a counter 540, a demultiplexer 550, counters 560-1, 560-2,. -M / N and AND gate 570 are included.

制御回路510は、1/N分周回路530およびカウンタ540にリセット信号RST2を与えてリセットしたり、カウンタ560にリセット信号RST1を与えてリセットしたり、発振回路520にイネーブル信号ENを与えて動作/非動作を制御したりする。   The control circuit 510 operates by applying the reset signal RST2 to the 1 / N frequency dividing circuit 530 and the counter 540, resetting the counter 560 by applying the reset signal RST1, or providing the enable signal EN to the oscillation circuit 520. / Control non-operation.

発振回路520は、制御回路510からのイネーブル信号ENに応じて発振し、クロック信号CLKを発生する。発振回路520は、クロック信号CLKを、水平転送レジスタ440、1/N分周回路530およびANDゲート570へと出力する。   The oscillation circuit 520 oscillates in response to the enable signal EN from the control circuit 510 and generates a clock signal CLK. The oscillation circuit 520 outputs the clock signal CLK to the horizontal transfer register 440, the 1 / N frequency dividing circuit 530, and the AND gate 570.

1/N分周回路530は、発振回路520からクロック信号CLKを受け取り、その周波数を1/N倍にする。1/N分周回路530は、分周クロック信号をカウンタ540へと出力する。   The 1 / N frequency dividing circuit 530 receives the clock signal CLK from the oscillation circuit 520 and multiplies the frequency by 1 / N. The 1 / N divider circuit 530 outputs the divided clock signal to the counter 540.

カウンタ540は、1/N分周回路530から分周クロック信号を受け取り、当該分周クロック信号に応じて1ずつカウントアップをする。カウンタ540は、カウント値を示す選択制御信号SELを、デマルチプレクサ550へと出力する。   The counter 540 receives the divided clock signal from the 1 / N frequency dividing circuit 530, and counts up by one according to the divided clock signal. Counter 540 outputs selection control signal SEL indicating the count value to demultiplexer 550.

水平転送レジスタ440は、垂直選択レジスタ330によって選択されている行に配置されたM個の画素100から2値情報COUT,COUT,・・・,COUTを受け取ってこれらを保持する。そして、水平転送レジスタ440は、発振回路520からクロック信号CLKに同期して、2値情報COUT,COUT,・・・,COUTを順番にANDゲート570へと転送する。 The horizontal transfer register 440 receives binary information COUT 1 , COUT 2 ,..., COUT M from the M pixels 100 arranged in the row selected by the vertical selection register 330 and holds them. Then, the horizontal transfer register 440 sequentially transfers the binary information COUT 1 , COUT 2 ,..., COUT M from the oscillation circuit 520 to the AND gate 570 in synchronization with the clock signal CLK.

ANDゲート570は、水平転送レジスタ440からの転送信号MOUTと発振回路520からのクロック信号CLKとを受け取る。ANDゲート570は、転送信号MOUTおよびクロック信号CLKの論理積演算を行って、演算結果信号を得る。ANDゲート570は、演算結果信号をデマルチプレクサ550へと出力する。   The AND gate 570 receives the transfer signal MOUT from the horizontal transfer register 440 and the clock signal CLK from the oscillation circuit 520. The AND gate 570 performs an AND operation on the transfer signal MOUT and the clock signal CLK to obtain an operation result signal. AND gate 570 outputs the operation result signal to demultiplexer 550.

デマルチプレクサ550は、カウンタ540から選択制御信号SELを受け取り、ANDゲート570から演算結果信号を受け取る。デマルチプレクサ550は、選択制御信号SELに従って、カウンタ560−1,560−2,・・・,560−M/Nのいずれかを選択し、選択されたカウンタ560へと演算結果信号を出力する。カウンタ560は、演算結果信号に応じて1ずつカウントアップをする。   The demultiplexer 550 receives the selection control signal SEL from the counter 540 and the operation result signal from the AND gate 570. The demultiplexer 550 selects any of the counters 560-1, 560-2,..., 560 -M / N according to the selection control signal SEL, and outputs an operation result signal to the selected counter 560. The counter 560 counts up by one according to the calculation result signal.

転送信号MOUTが「1」の場合には、演算結果信号はクロック信号CLKと一致するので、選択されたカウンタ560はカウントアップをする。他方、転送信号MOUTが「0」の場合には、演算結果信号も「0」のままとなるので、選択されたカウンタ560はカウントアップをしない。そして、選択制御信号SELの示す値は、1ずつカウントアップされるので、カウンタ560−1,560−2,・・・,560−M/Nの全てが順番にそれぞれ対応するサブアレイ310の1行分の2値情報に基づく演算結果信号を与えられる。   When the transfer signal MOUT is “1”, the operation result signal coincides with the clock signal CLK, so that the selected counter 560 counts up. On the other hand, when the transfer signal MOUT is “0”, the calculation result signal also remains “0”, so the selected counter 560 does not count up. Since the value indicated by the selection control signal SEL is incremented by one, all the counters 560-1, 560-2,..., 560-M / N sequentially correspond to one row of the subarray 310. An operation result signal based on the binary information of the minute is given.

従って、カウンタ560−1,560−2,・・・,560−M/Nは、図16に例示される1サイクルの動作で、それぞれ対応するサブアレイ310の1行分の画素100によって生成された2値情報に含まれる「1」の総数をカウントできる。そして、残りのN−1行分の画素100のために同様の動作をN−1サイクルに亘って繰り返すことで、カウンタ560−1,560−2,・・・,560−M/Nは、それぞれ対応するサブアレイ310の全ての画素100によって生成された2値情報に含まれる「1」の総数を示す総和信号DOUT,DOUT2N,・・・,DOUTを得ることができる。 Therefore, the counters 560-1, 560-2,..., 560 -M / N are generated by the pixels 100 corresponding to one row of the corresponding subarray 310 in the operation of one cycle illustrated in FIG. The total number of “1” included in the binary information can be counted. Then, by repeating the same operation for the remaining N-1 rows of pixels 100 over N-1 cycles, the counters 560-1, 560-2,. A sum signal DOUT N , DOUT 2N ,..., DOUT M indicating the total number of “1” included in the binary information generated by all the pixels 100 of the corresponding subarray 310 can be obtained.

以上説明したように、第3の実施形態に係る撮像素子は、画素アレイ全体で1つの加算回路を共有する。従って、この撮像素子によれば、画素アレイの列数に関わらず1個のデマルチプレクサを用いて加算回路を実現できるので、回路面積を抑制することができる。   As described above, the image sensor according to the third embodiment shares one adder circuit in the entire pixel array. Therefore, according to this imaging device, an adder circuit can be realized using one demultiplexer regardless of the number of columns of the pixel array, so that the circuit area can be suppressed.

(第4の実施形態)
前述のように、比較器120のオフセット電圧は例えば平均値=0の正規分布に従い、それ故に使用される比較器120の総数が十分に多いならば、「1」を出力する比較器120の総数(N)を多値の画素データとして扱うことができる。しかしながら、画素電圧と「1」を出力する比較器120の総数(N)との関係は、上記数式(1)および図3から分かるように、完全に線形ではなく特にNの上限および下限付近で歪んでいる。
(Fourth embodiment)
As described above, the offset voltage of the comparator 120 follows a normal distribution of, for example, average value = 0, and therefore if the total number of comparators 120 used is sufficiently large, the total number of comparators 120 that output “1”. (N 1 ) can be handled as multi-value pixel data. However, the relationship between the total number of comparator 120 to output a pixel voltage and a "1" (N 1), as can be seen from the above equation (1) and 3, perfectly particular upper limit and the lower limit of N 1 not linear It is distorted in the vicinity.

そこで、第4の実施形態に係る撮像素子は、上記正規分布を積分した関数の逆関数を用いて、サブアレイ310内で「1」を出力する比較器120の総数を補正することによって、上記関係を線形に近づける。或いは、上記正規分布を積分した関数を折れ線関数によって近似し、この折れ線関数を用いて補正を行うこともできる。後者の補正は、前者の補正に比べて誤差は大きくなるが計算は簡単になる。このような補正処理は、例えば図17に示されるように加算回路200の後段に配置される補正回路650によって行うことができる。   Therefore, the image sensor according to the fourth embodiment corrects the total number of comparators 120 that output “1” in the subarray 310 by using the inverse function of the function obtained by integrating the normal distribution. To be linear. Alternatively, a function obtained by integrating the normal distribution can be approximated by a line function, and correction can be performed using this line function. The latter correction has a larger error than the former correction, but the calculation is simplified. Such correction processing can be performed by, for example, a correction circuit 650 disposed at the subsequent stage of the addition circuit 200 as shown in FIG.

以上説明したように、第4の実施形態に係る撮像素子は、サブアレイ内で「1」を出力する比較器の総数を、正規分布を積分した関数の逆関数または当該関数を近似する折れ線関数を用いて補正する。従って、この撮像素子によれば、画素電圧と多値の画素データとの関係を略線形にすることができる。   As described above, the image sensor according to the fourth embodiment calculates the total number of comparators that output “1” in the subarray by using the inverse function of the function obtained by integrating the normal distribution or the line function approximating the function. Use to correct. Therefore, according to this imaging device, the relationship between the pixel voltage and the multivalued pixel data can be made substantially linear.

(第5の実施形態)
一般に、フォトダイオードの出力する画素電圧の範囲は、当該フォトダイオードにおいて生じた電荷を蓄積する露光時間の長さに依存する。例えば、入射光強度が同じであっても、露光時間が長ければより多くの電荷がフォトダイオードに蓄積されるので画素電圧は大きくなる。
(Fifth embodiment)
In general, the range of the pixel voltage output from a photodiode depends on the length of exposure time for accumulating charges generated in the photodiode. For example, even if the incident light intensity is the same, the pixel voltage increases because more charge is accumulated in the photodiode if the exposure time is longer.

各実施形態に係る撮像素子における画素電圧の許容範囲は、基準電圧を中心として、比較器120のオフセット電圧の標準偏差によって決まる幅を持つ。例えば、露光時間が長すぎると、図21に示されるように、画素電圧が上記許容範囲の上限を超過して画素データは飽和するかもしれない。他方、露光時間が短すぎると、図19に例示されるように、画素電圧は上記許容範囲のうち僅かな部分で変化するので、画素データのダイナミックレンジが狭くなる。   The allowable range of the pixel voltage in the image sensor according to each embodiment has a width determined by the standard deviation of the offset voltage of the comparator 120 with the reference voltage as the center. For example, if the exposure time is too long, the pixel voltage may exceed the upper limit of the allowable range and the pixel data may be saturated, as shown in FIG. On the other hand, if the exposure time is too short, as illustrated in FIG. 19, the pixel voltage changes in a small part of the allowable range, so that the dynamic range of the pixel data becomes narrow.

そこで、第5の実施形態に係る撮像素子は、露光時間を適切な長さに制御することで、図20に例示されるように、画素データの飽和を回避しつつ大きなダイナミックレンジを確保する。換言すれば、この撮像素子は、画素電圧が変化する範囲を、許容範囲に近づける。   Therefore, the imaging device according to the fifth embodiment secures a large dynamic range while avoiding saturation of pixel data as illustrated in FIG. 20 by controlling the exposure time to an appropriate length. In other words, this imaging device brings the range in which the pixel voltage changes closer to the allowable range.

第5の実施形態に係る撮像素子は、図18に例示されるように、画素アレイ300と、基準電圧生成回路320と、垂直選択レジスタ330と、水平転送レジスタ340と、カラム回路760と、露光時間制御回路770と、タイミング制御回路780とを含む。   As illustrated in FIG. 18, the imaging device according to the fifth embodiment includes a pixel array 300, a reference voltage generation circuit 320, a vertical selection register 330, a horizontal transfer register 340, a column circuit 760, and exposure. A time control circuit 770 and a timing control circuit 780 are included.

カラム回路760は、例えば、前述の比較器120、加算回路200、補正回路650などを含むことができる。   The column circuit 760 can include, for example, the above-described comparator 120, addition circuit 200, correction circuit 650, and the like.

露光時間制御回路770は、水平転送レジスタ340から出力される各サブアレイ310の画素データを検査する。いずれかのサブアレイ310の画素データが飽和している場合には、露光時間制御回路770は露光時間を短縮させ、図18の撮像素子は改めて撮像を行う。例えば、初期設定では露光時間が最大の長さに設定されていて、露光時間制御回路770は露光時間が適切な長さに短縮されるまで(全てのサブアレイ310の画素データが飽和しなくなるまで)繰り返し動作をしてもよい。   The exposure time control circuit 770 inspects the pixel data of each subarray 310 output from the horizontal transfer register 340. When the pixel data of any of the subarrays 310 is saturated, the exposure time control circuit 770 shortens the exposure time, and the image sensor in FIG. 18 performs imaging again. For example, the exposure time is set to the maximum length in the initial setting, and the exposure time control circuit 770 reduces the exposure time to an appropriate length (until the pixel data of all the subarrays 310 are not saturated). The operation may be repeated.

タイミング制御回路780は、例えば、加算回路200に対する制御、シフトレジスタなどを用いて加算回路200の出力をシリアル転送する水平転送レジスタ340に対する制御、画素アレイ300の読み出し行の選択制御などを行う。   The timing control circuit 780 performs, for example, control on the adder circuit 200, control on the horizontal transfer register 340 that serially transfers the output of the adder circuit 200 using a shift register, etc., and selection control on the readout row of the pixel array 300.

以上説明したように、第5の実施形態に係る撮像素子は、露光時間を適切な長さに制御する。従って、この撮像素子によれば、画素データの飽和を回避しつつ大きなダイナミックレンジを確保することができる。   As described above, the image sensor according to the fifth embodiment controls the exposure time to an appropriate length. Therefore, according to this imaging device, a large dynamic range can be secured while avoiding saturation of pixel data.

(第6の実施形態)
前述のように、比較器120のオフセット電圧は例えば平均値=0の正規分布に従い、上記数式(1)を用いて、画素電圧と「1」を出力する比較器120の総数(N)との関係を記述することができる。
(Sixth embodiment)
As described above, the offset voltage of the comparator 120 follows, for example, a normal distribution with an average value = 0, and uses the above formula (1) to calculate the pixel voltage and the total number (N 1 ) of the comparators 120 that output “1”. Can describe the relationship.

しかしながら、実際には、比較器120のオフセット電圧の平均値は、当該比較器120の回路構成に依存し、必ずしも0ではない。例えば、図9に例示される差動増幅器型の比較器120のオフセット電圧の平均値は略0となる。しかしながら、図5のような1個のトランジスタで構成される比較器120、ならびに、図7のようなシングルエンド型の比較器120のオフセット電圧は、トランジスタの閾値電圧の平均値に影響される。従って、これらの比較器120のオフセット電圧の平均値は、プロセスばらつきによって変動する。   However, in practice, the average value of the offset voltage of the comparator 120 depends on the circuit configuration of the comparator 120 and is not necessarily zero. For example, the average value of the offset voltage of the differential amplifier type comparator 120 illustrated in FIG. However, the offset voltage of the comparator 120 including one transistor as shown in FIG. 5 and the single-ended comparator 120 as shown in FIG. 7 is affected by the average value of the threshold voltages of the transistors. Therefore, the average value of the offset voltage of these comparators 120 varies due to process variations.

オフセット電圧の平均値をμで表すと、上記数式(1)は下記数式(2)に書き換えることができる。   When the average value of the offset voltage is expressed by μ, the above formula (1) can be rewritten as the following formula (2).

μ=0の場合における差分電圧(VPD−VREF)と「1」を出力する比較器120の総数(N)との関係が図23に例示される。図23のグラフでは、画素電圧の最小値VPD_Minから最大値VPD_MAXまで上記関係は概ね線形である。他方、μ>0の場合における差分電圧(VPD−VREF)と「1」を出力する比較器120の総数(N)との関係が図24に例示される。図23のグラフと比べて、図24のグラフは、画素電圧の最小値VPD_Min付近での歪みが大きく、上記関係が線形となる範囲が狭くなっている。 FIG. 23 illustrates the relationship between the differential voltage (V PD −V REF ) and the total number (N 1 ) of the comparators 120 that output “1” when μ = 0. In the graph of FIG. 23, the above relationship is substantially linear from the minimum value V PD_Min of the pixel voltage to the maximum value V PD_MAX . On the other hand, FIG. 24 illustrates the relationship between the differential voltage (V PD −V REF ) and the total number (N 1 ) of the comparators 120 that output “1” when μ> 0. Compared with the graph of FIG. 23, the graph of FIG. 24 has a large distortion near the minimum value V PD_Min of the pixel voltage, and the range in which the above relationship is linear is narrow.

そこで、第6の実施形態に係る撮像素子は、μを相殺するように基準電圧の大きさを調整する。換言すれば、この撮像素子は、基準電圧とオフセット電圧の平均値との和が画素電圧の中間値(最大値および最小値の平均値)に近づくように、当該基準電圧を調整する。故に、この撮像素子によれば、図25に例示されるように、μの大きさに関わらず、上記関係が線形となる範囲をμ=0の場合と同じ程度に確保することができる。   Therefore, the image sensor according to the sixth embodiment adjusts the magnitude of the reference voltage so as to cancel μ. In other words, the imaging device adjusts the reference voltage so that the sum of the reference voltage and the average value of the offset voltage approaches the intermediate value (average value of the maximum value and the minimum value) of the pixel voltage. Therefore, according to this image sensor, as illustrated in FIG. 25, a range in which the above relationship is linear can be ensured to the same extent as when μ = 0, regardless of the size of μ.

第6の実施形態に係る撮像素子は、図22に例示されるように、画素アレイ300と、基準電圧生成回路820と、垂直選択レジスタ330と、水平転送レジスタ340と、カラム回路760と、タイミング制御回路880とを含む。   As illustrated in FIG. 22, the imaging device according to the sixth embodiment includes a pixel array 300, a reference voltage generation circuit 820, a vertical selection register 330, a horizontal transfer register 340, a column circuit 760, and a timing. And a control circuit 880.

オフセット電圧の平均値が既知であるならば、基準電圧生成回路820は、基準電圧の大きさを例えば画素電圧の中間値から当該平均値を減じた値に設定してもよい。或いは、基準電圧生成回路820は、水平転送レジスタ340から出力される各サブアレイ310の画素データに基づいて基準電圧の大きさを負帰還制御してもよい。すなわち、いずれかのサブアレイ310の画素データが飽和している場合には、基準電圧生成回路820は基準電圧を増加(画素データが上限で飽和している場合)または減少(画素データが下限で飽和している場合)させ、図22の撮像素子は改めて撮像を行う。例えば、初期設定では基準電圧が所定の(例えば、画素電圧の中間値と同じ)大きさに設定されていて、基準電圧生成回路820は基準電圧が適切な大きさに調整されるまで(全てのサブアレイ310の画素データが飽和しなくなるまで)繰り返し動作をしてもよい。   If the average value of the offset voltage is known, the reference voltage generation circuit 820 may set the magnitude of the reference voltage to, for example, a value obtained by subtracting the average value from the intermediate value of the pixel voltage. Alternatively, the reference voltage generation circuit 820 may perform negative feedback control on the magnitude of the reference voltage based on the pixel data of each subarray 310 output from the horizontal transfer register 340. That is, when the pixel data of any of the sub-arrays 310 is saturated, the reference voltage generation circuit 820 increases (if the pixel data is saturated at the upper limit) or decreases (the pixel data is saturated at the lower limit). 22), the image pickup device in FIG. 22 picks up an image again. For example, in the initial setting, the reference voltage is set to a predetermined magnitude (for example, the same as the intermediate value of the pixel voltage), and the reference voltage generation circuit 820 adjusts the reference voltage to an appropriate magnitude (all The operation may be repeated (until the pixel data of the subarray 310 is no longer saturated).

以上説明したように、第6の実施形態に係る撮像素子は、基準電圧を適切な大きさに制御する。従って、この撮像素子によれば、比較器のオフセット電圧の平均値が0でない場合であっても、画素電圧と「1」を出力する比較器120の総数との関係が線形となる範囲を上記平均値が0の場合と同じ程度に確保することができる。   As described above, the image sensor according to the sixth embodiment controls the reference voltage to an appropriate magnitude. Therefore, according to this imaging device, even when the average value of the offset voltage of the comparator is not 0, the range in which the relationship between the pixel voltage and the total number of comparators 120 that output “1” is linear is described above. It can be ensured to the same extent as when the average value is zero.

(第7の実施形態)
前述のように、各実施形態に係る撮像素子における画素電圧の許容範囲は、基準電圧を中心として、比較器のオフセット電圧の標準偏差によって決まる幅を持つ。この許容範囲内では、画素電圧の変化に応じて「1」を出力する比較器の総数が増減する。他方、この許容範囲外では、「1」を出力する比較器の総数は、飽和するので画素電圧の変化に関わらず変化しない。
(Seventh embodiment)
As described above, the allowable range of the pixel voltage in the image sensor according to each embodiment has a width determined by the standard deviation of the offset voltage of the comparator with the reference voltage as the center. Within this allowable range, the total number of comparators that output “1” increases or decreases according to the change in pixel voltage. On the other hand, outside this tolerance, the total number of comparators that output “1” saturates and does not change regardless of the change in pixel voltage.

具体的には、画素電圧の許容範囲は、基準電圧を中心として比較器のオフセット電圧の標準偏差の±2〜3倍程度である。ここで、比較器のオフセット電圧の標準偏差は当該比較器の回路構成に依存するので、許容範囲の幅そのものを拡張することは容易でない。他方、基準電圧の大きさを変更することで、許容範囲の中心をシフトさせることはできる。一例として、第1の基準電圧を中心とする許容範囲の上限を超過する画素電圧を、当該第1の基準電圧よりも大きな第2の基準電圧を中心とする許容範囲に収めることは可能である。   Specifically, the allowable range of the pixel voltage is about ± 2 to 3 times the standard deviation of the offset voltage of the comparator with the reference voltage as the center. Here, since the standard deviation of the comparator offset voltage depends on the circuit configuration of the comparator, it is not easy to extend the width of the allowable range itself. On the other hand, the center of the allowable range can be shifted by changing the magnitude of the reference voltage. As an example, a pixel voltage that exceeds an upper limit of an allowable range centered on the first reference voltage can be included in an allowable range centered on a second reference voltage that is higher than the first reference voltage. .

そこで、第7の実施形態に係る撮像素子は、大きさの異なる複数の基準電圧を用意し、各比較器120において当該複数の基準電圧と画素電圧との比較を行う。そして、この撮像素子は、基準電圧毎に、「1」を出力する比較器120の総数を算出し、これらの総数を平均化することによって、画素データを得る。複数の基準電圧の使用は、例えば図26に例示されるように、大きさの異なる基準電圧を生成する基準電圧生成回路921および基準電圧生成回路922をスイッチ923を用いて切り替えることで実現可能である。この撮像素子によれば、以下に説明されるように、複数の基準電圧のそれぞれを中心とする複数の確率密度分布が合成されるので、画素電圧の許容範囲を実質的に拡張することができる。   Therefore, the imaging device according to the seventh embodiment prepares a plurality of reference voltages having different sizes, and each comparator 120 compares the plurality of reference voltages with the pixel voltage. The image sensor calculates the total number of comparators 120 that output “1” for each reference voltage, and averages the total number to obtain pixel data. The use of a plurality of reference voltages can be realized by switching a reference voltage generation circuit 921 and a reference voltage generation circuit 922 that generate reference voltages having different magnitudes using a switch 923 as illustrated in FIG. is there. According to this imaging device, as will be described below, a plurality of probability density distributions centered on each of the plurality of reference voltages are combined, so that the allowable range of the pixel voltage can be substantially expanded. .

まず、上記数式(1)は下記数式(3)に書き換えることができる。   First, the above formula (1) can be rewritten into the following formula (3).

ここで、簡単化のために、上記数式(3)において積分される確率密度関数に、N=1、σ=1をそれぞれ代入すると、下記数式(4)が得られる。 Here, for simplification, the following formula (4) is obtained by substituting N 2 = 1 and σ = 1 into the probability density function integrated in the formula (3).

REF=0,±1,±3の場合の確率密度関数が図27に例示される。 The probability density function in the case of V REF = 0, ± 1, ± 3 is illustrated in FIG.

例えば、VREF=±1の2つの基準電圧を用意して、これら基準電圧のそれぞれを中心とする2つの確率密度関数を合成(平均化)すると、下記数式(5)が得られる。 For example, when two reference voltages of V REF = ± 1 are prepared and two probability density functions centered on each of these reference voltages are synthesized (averaged), the following formula (5) is obtained.

また、VREF=±1、±3の4つの基準電圧を用意して、これら基準電圧のそれぞれを中心とする4つの確率密度関数を合成(平均化)すると、下記数式(6)が得られる。   Further, when four reference voltages VREF = ± 1 and ± 3 are prepared and four probability density functions centered on each of these reference voltages are synthesized (averaged), the following formula (6) is obtained.

これら合成された確率密度関数f2(x)およびf3(x)が、確率密度関数f1(x,0)との比較のため図28にプロットされている。   These synthesized probability density functions f2 (x) and f3 (x) are plotted in FIG. 28 for comparison with the probability density function f1 (x, 0).

図28にプロットされた確率密度関数f1(x,0)、f2(x)およびf3(x)を用いた場合における、画素データh1(VPD),h2(VPD)およびh3(VPD)は下記数式(7)によって算出することができる。 Pixel data h1 (V PD ), h2 (V PD ), and h3 (V PD ) when the probability density functions f1 (x, 0), f2 (x), and f3 (x) plotted in FIG. 28 are used. Can be calculated by the following equation (7).

画素データh1(VPD),h2(VPD)およびh3(VPD)はそれぞれ図29にプロットされている。図29に示されるように、より多くの基準電圧を用いることで、画素電圧の許容範囲を拡張することができる。なお、ここで説明されたよりも多くの基準電圧を用いて、画素電圧の許容範囲をさらに拡張することも可能である。 The pixel data h1 (V PD ), h2 (V PD ), and h3 (V PD ) are plotted in FIG. 29, respectively. As shown in FIG. 29, the allowable range of the pixel voltage can be expanded by using more reference voltages. It should be noted that the allowable range of the pixel voltage can be further expanded by using more reference voltages than described here.

以上説明したように、第7の実施形態に係る撮像素子は、複数の基準電圧を用いて画素電圧との比較を行い、基準電圧毎に、「1」を出力する比較器の総数を算出してこれらの総数を平均化することによって画素データを算出する。従って、この撮像素子によれば、複数の基準電圧のそれぞれを中心とする複数の確率密度分布が合成されるので、画素電圧の許容範囲を実質的に拡張することができる。   As described above, the image sensor according to the seventh embodiment compares a pixel voltage with a plurality of reference voltages, and calculates the total number of comparators that output “1” for each reference voltage. Then, pixel data is calculated by averaging these total numbers. Therefore, according to this image sensor, a plurality of probability density distributions centered on each of the plurality of reference voltages are combined, so that the allowable range of the pixel voltage can be substantially expanded.

(第8の実施形態)
前述の各実施形態に係る撮像素子は、複数の画素を含むサブアレイ毎に多値の画素データを生成する。故に、この撮像素子から読み出される出力画像の解像度は、画素アレイの総画素数に比べて低くなる。例えば、画素アレイが垂直3840画素×水平5120画素であって、サブアレイが16画素×16画素であるとすると、撮像素子から読み出される出力画像の解像度は垂直240画素×水平320画素となる。これらの関係は、下記数式(8)によって一般化することができる。
(Eighth embodiment)
The image sensor according to each of the above-described embodiments generates multivalued pixel data for each subarray including a plurality of pixels. Therefore, the resolution of the output image read from the image sensor is lower than the total number of pixels in the pixel array. For example, if the pixel array is vertical 3840 pixels × horizontal 5120 pixels and the sub-array is 16 pixels × 16 pixels, the resolution of the output image read from the image sensor is vertical 240 pixels × horizontal 320 pixels. These relationships can be generalized by the following mathematical formula (8).

数式(8)において、Nimageは撮像素子から読み出すことのできる出力画像の総画素数を表し、HおよびVは画素アレイの水平方向および垂直方向の画素数をそれぞれ表し、Nはサブアレイの総画素数を表す。 In Equation (8), N image represents the total number of pixels of the output image that can be read from the image sensor, H and V represent the number of pixels in the horizontal and vertical directions of the pixel array, and N 2 represents the total number of sub-arrays. Represents the number of pixels.

数式(8)によれば、サブアレイの総画素数を削減することで、撮像素子から読み出すことのできる出力画像の総画素数を向上させることはできる。しかしながら、サブアレイの総画素数を削減すると、当該サブアレイによって用いられる比較器の総数も減少するので、画素データの諧調は粗くなる。さらに、比較器の総数が減少するほど、比較器のオフセット電圧の分布が正規分布から乖離するので、画素電圧と画素データとの関係の線形性が損なわれやすい。   According to Equation (8), the total number of pixels of the output image that can be read from the image sensor can be improved by reducing the total number of pixels in the subarray. However, when the total number of pixels in the subarray is reduced, the total number of comparators used by the subarray is also reduced, so that the gradation of pixel data becomes coarse. Further, as the total number of comparators decreases, the offset voltage distribution of the comparators deviates from the normal distribution, so that the linearity of the relationship between the pixel voltage and the pixel data is likely to be impaired.

非特許文献1を参酌すると、有効分解能ENOBとサブアレイによって用いられる比較器の総数nとの間には下記数式(9)が成立する。 With reference to the non-patent document 1, the following equation (9) is established between the total number n c of the comparator to be used by the effective resolution ENOB and subarray.

ここでn=Nであるから、上記数式(8)および数式(9)から下記数式(10)を導出することができる。 Here, since n c = N 2 , the following formula (10) can be derived from the above formula (8) and formula (9).

数式(10)によれば、有効分解能ENOBを高くするほど、撮像素子から読み出すことのできる出力画像の総画素数Nimageは減少する。例えば、有効分解能5.5ビットを実現するためには、上記数式(9)によれば4096個の比較器が各サブアレイによって用いられる。すなわち、サブアレイは、4096画素を含む必要があり、例えば垂直64画素×水平64画素となる。このサブアレイを使用すると、画素アレイが垂直3840画素×水平5120画素の場合に、撮像素子から読み出される出力画像の解像度は垂直60画素×水平80画素となる。 According to Equation (10), the higher the effective resolution ENOB, the smaller the total number of pixels N image of the output image that can be read from the image sensor. For example, in order to realize an effective resolution of 5.5 bits, 4096 comparators are used by each subarray according to Equation (9) above. That is, the sub-array needs to include 4096 pixels, for example, vertical 64 pixels × horizontal 64 pixels. When this subarray is used, when the pixel array is vertical 3840 pixels × horizontal 5120 pixels, the resolution of the output image read from the image sensor is 60 vertical pixels × 80 horizontal pixels.

そこで、第8の実施形態に係る撮像素子は、画素アレイが複数のサブアレイ分割法を用いて分割されることを許容する。例えば、図30A、図30B、図30Cおよび図30Dに示されるように4種類のサブアレイ分割法を用いて画素アレイを分割すれば、単一のサブアレイ分割法が採用される場合に比べて、サブアレイの総数は4倍弱に増加するので、撮像素子から読み出される出力画像の解像度も4倍弱向上する。   Therefore, the image sensor according to the eighth embodiment allows the pixel array to be divided using a plurality of subarray division methods. For example, as shown in FIGS. 30A, 30B, 30C, and 30D, if the pixel array is divided by using four types of subarray division methods, the subarray is compared with the case where a single subarray division method is employed. Therefore, the resolution of the output image read from the image sensor is also improved by a factor of four.

図30Aに例示される第1のサブアレイ分割法では、画素アレイは左端および上端からそれぞれ垂直および水平にN画素ずつ分割される。図30Bに例示される第2のサブアレイ分割法では、画素アレイの垂直方向の分割位置が図30Aに比べて右にN/2画素ずつずれている。図30Cに例示される第3のサブアレイ分割法では、画素アレイの水平方向の分割位置が図30Aに比べて下にN/2画素ずつずれている。図30Dに例示される第4のサブアレイ分割法では、画素アレイの垂直方向および水平方向の分割位置がそれぞれ右にN/2画素および下にN/2画素ずつずれている。   In the first subarray division method illustrated in FIG. 30A, the pixel array is divided into N pixels vertically and horizontally from the left end and the upper end, respectively. In the second sub-array division method illustrated in FIG. 30B, the vertical division position of the pixel array is shifted by N / 2 pixels to the right as compared to FIG. 30A. In the third sub-array division method illustrated in FIG. 30C, the horizontal division position of the pixel array is shifted by N / 2 pixels downward as compared to FIG. 30A. In the fourth sub-array division method illustrated in FIG. 30D, the vertical and horizontal division positions of the pixel array are shifted by N / 2 pixels to the right and N / 2 pixels downward, respectively.

なお、図30A、図30B、図30Cおよび図30Dに例示されるような4種類のサブアレイ分割法を採用する場合には、図13の加算回路は図31に例示される加算回路に変形することができる。   When the four types of subarray division methods as exemplified in FIGS. 30A, 30B, 30C, and 30D are adopted, the adder circuit in FIG. 13 is modified to the adder circuit exemplified in FIG. Can do.

図31では、第1のサブアレイ分割法によって得られるサブアレイと垂直方向の分割位置において異なるサブアレイ(図30Bおよび図30D)からの2値情報の総和を計算するために、加算回路200−1.5,200−2.5,・・・が追加される。すなわち、画素アレイ300の第N/2+1列から第3N/2列を占めるサブアレイは加算回路200−1.5に接続され、第3N/2+1列から第5N/2列を占めるサブアレイは加算回路200−2.5に接続される。   In FIG. 31, in order to calculate the sum of binary information from subarrays (FIGS. 30B and 30D) that differ from the subarray obtained by the first subarray division method in the vertical division position, an adder circuit 200-1.5 , 200-2.5, ... are added. That is, the subarray occupying the N / 2 + 1th column to the third N / 2th column of the pixel array 300 is connected to the adder circuit 200-1.5, and the subarray occupying the third N / 2 + 1th column to the fifth N / 2th column is the adder circuit 200. Connected to -2.5.

また、第1のサブアレイ分割法によって得られるサブアレイと水平方向の分割位置において異なるサブアレイ(図30Cおよび図30D)については、図4の垂直選択レジスタ330の動作タイミングと加算回路200の動作タイミングとを適宜変形することで、適切に2値情報の総和を計算することができる。   For the subarrays (FIGS. 30C and 30D) that differ from the subarray obtained by the first subarray division method in the horizontal division position, the operation timing of the vertical selection register 330 and the operation timing of the adder circuit 200 in FIG. By appropriately modifying, the total sum of the binary information can be calculated appropriately.

以上説明したように、第8の実施形態に係る撮像素子は、画素アレイを複数の異なるサブアレイ分割法を用いて分割して、サブアレイを縮小することなく当該画素アレイ内で利用可能なサブアレイの数を実質的に増加させる。従って、この撮像素子によれば、有効分解能を犠牲とせずに、出力画像の解像度を向上させることができる。   As described above, the imaging device according to the eighth embodiment divides a pixel array using a plurality of different subarray division methods, and the number of subarrays that can be used in the pixel array without reducing the subarray. Is substantially increased. Therefore, according to this image sensor, the resolution of the output image can be improved without sacrificing the effective resolution.

(第9の実施形態)
前述の第8の実施形態に係る撮像素子は、複数の異なるサブアレイ分割法を利用して、出力画像の解像度の向上を達成する。しかしながら、それでもなお、画素毎に多値の画素データを生成する方式に比べると、サブアレイ毎に画素データを生成する場合の出力画像の解像度は低い。
(Ninth embodiment)
The imaging device according to the eighth embodiment described above achieves an improvement in the resolution of the output image by using a plurality of different subarray division methods. However, the resolution of the output image in the case of generating pixel data for each subarray is still lower than the method of generating multivalued pixel data for each pixel.

そこで、第9の実施形態に係る撮像素子は、前述の第1の実施形態乃至第8の実施形態に係る撮像素子に加えて、画素毎に多値の画素データを生成するための追加の読み出し回路を備える。すなわち、この撮像素子は、低消費電力な撮影モードと高解像度な撮影モードとを選択可能に提供することができる。故に、ユーザは、解像度の向上よりも消費電力の削減を望む場合にはサブアレイ毎に画素データを生成する撮影モードを選択し、消費電力の削減よりも解像度の向上を望む場合には画素毎に画素データを生成する撮影モードを選択すればよい。   Therefore, in addition to the image sensors according to the first to eighth embodiments, the image sensor according to the ninth embodiment performs additional reading for generating multivalued pixel data for each pixel. Provide a circuit. That is, this image sensor can provide a low power consumption shooting mode and a high resolution shooting mode in a selectable manner. Therefore, the user selects a shooting mode for generating pixel data for each sub-array when reduction of power consumption is desired rather than improvement of resolution, and for each pixel when improvement of resolution is desired rather than reduction of power consumption. A photographing mode for generating pixel data may be selected.

追加の読み出し回路は、例えば、画素電圧をアナログ/ディジタル変換することによって画素毎の画素データを生成するアナログ/ディジタル変換器(ADC)を含んでいてもよいし、画素電圧に対応する時間情報を時間/ディジタル変換することによって画素毎の画素データを生成する時間ディジタル変換器(TDC)を含んでいてもよい。   The additional readout circuit may include, for example, an analog / digital converter (ADC) that generates pixel data for each pixel by performing analog / digital conversion of the pixel voltage, and time information corresponding to the pixel voltage is obtained. A time digital converter (TDC) that generates pixel data for each pixel by time / digital conversion may be included.

なお、特定の種別のADCおよびTDCは、比較器を用いて変換を実現する。追加の読み出し回路が係る変換器を含む場合には、図32に例示されるように、当該変換器と画素100に含まれるフォトダイオード110とが比較器120を共用してもよい。変換器およびフォトダイオード110が比較器120を共用することで回路面積の削減が可能となる。   Note that specific types of ADCs and TDCs use a comparator to achieve conversion. When the additional readout circuit includes such a converter, the converter 120 and the photodiode 110 included in the pixel 100 may share the comparator 120 as illustrated in FIG. Since the converter and the photodiode 110 share the comparator 120, the circuit area can be reduced.

図32の例では、追加の読み出し回路は、シングルスロープ型ADC(SSADC)を含んでいる。しかしながら、追加の読み出し回路は、SSADCに限らず、比較器を用いる他の種別のADC(例えば、逐次比較型ADC、サイクリックADCなど)を含むことができる。   In the example of FIG. 32, the additional readout circuit includes a single slope ADC (SSADC). However, the additional readout circuit is not limited to the SSADC, and may include other types of ADCs using a comparator (for example, successive approximation ADCs, cyclic ADCs, etc.).

以上説明したように、第9の実施形態に係る撮像素子は、前述の第1の実施形態乃至第8の実施形態のようなサブアレイ毎に画素データを生成する撮影モードに加えて、画素毎に画素データを生成する撮影モードを提供する。従って、この撮像素子によれば、ユーザの要求により合致した撮影が可能となる。また、画素毎に画素データを生成する撮影モードを実現する追加の読み出し回路が比較器を用いるADCまたはTDCを含む場合には、このADCまたはTDCと画素に含まれるフォトダイオードとが比較器を共用する。比較器を共用することで、回路面積の削減が可能となる。   As described above, the image sensor according to the ninth embodiment is provided for each pixel in addition to the imaging mode for generating pixel data for each subarray as in the first to eighth embodiments. A shooting mode for generating pixel data is provided. Therefore, according to this imaging device, it is possible to perform photographing that matches the user's request. Further, when an additional readout circuit that realizes a photographing mode for generating pixel data for each pixel includes an ADC or TDC using a comparator, the ADC or TDC and the photodiode included in the pixel share the comparator. To do. By sharing the comparator, the circuit area can be reduced.

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.

100・・・画素
110・・・フォトダイオード
120・・・比較器
200,500・・・加算回路
210・・・マルチプレクサ
220,570,1110・・・ANDゲート
230,260,540,560,1120・・・カウンタ
240,510・・・制御回路
250,520・・・発振回路
300・・・画素アレイ
310・・・サブアレイ
320,820,921,922・・・基準電圧生成回路
330・・・垂直選択レジスタ
340,440・・・水平転送レジスタ
530・・・1/N分周回路
550・・・デマルチプレクサ
650・・・補正回路
760・・・カラム回路
770・・・露光時間制御回路
780,880,980・・・タイミング制御回路
923・・・スイッチ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Pixel 110 ... Photodiode 120 ... Comparator 200, 500 ... Adder circuit 210 ... Multiplexer 220, 570, 1110 ... AND gate 230, 260, 540, 560, 1120 ..Counter 240,510 ... Control circuit 250,520 ... Oscillator circuit 300 ... Pixel array 310 ... Subarray 320,820,921,922 ... Reference voltage generation circuit 330 ... Vertical selection Registers 340, 440 ... Horizontal transfer register 530 ... 1 / N frequency divider 550 ... Demultiplexer 650 ... Correction circuit 760 ... Column circuit 770 ... Exposure time control circuit 780, 880, 980 ... Timing control circuit 923 ... Switch

Claims (11)

複数の画素がアレイ状に配置された画素アレイを具備し、
前記画素アレイは、それぞれ複数の画素を含む複数のサブアレイへと分割可能であり、
前記サブアレイは、当該サブアレイにおける入射光強度に対応する多値の画素データを生成し、
前記画素は、入射光強度に対応する画素電圧を発生する光検出器を含み、
前記光検出器は、前記画素電圧を基準電圧と比較して比較結果を示す2値情報を生成する比較器に接続され、
前記多値の画素データは、対応するサブアレイ内の複数の光検出器に接続された比較器によって生成される2値情報に含まれる「0」または「1」の総数に依存する、
撮像素子。
Comprising a pixel array in which a plurality of pixels are arranged in an array;
The pixel array can be divided into a plurality of subarrays each including a plurality of pixels,
The subarray generates multi-value pixel data corresponding to the incident light intensity in the subarray,
The pixel includes a photodetector that generates a pixel voltage corresponding to incident light intensity;
The photodetector is connected to a comparator that compares the pixel voltage with a reference voltage and generates binary information indicating a comparison result;
The multi-value pixel data depends on the total number of “0” or “1” included in the binary information generated by the comparators connected to the plurality of photodetectors in the corresponding subarray.
Image sensor.
前記「0」または「1」の総数は、前記画素電圧と、前記基準電圧と、前記比較器のオフセット電圧の確率密度分布とに依存する、請求項1記載の撮像素子。   The image sensor according to claim 1, wherein the total number of “0” or “1” depends on the pixel voltage, the reference voltage, and a probability density distribution of the offset voltage of the comparator. 前記画素は、当該画素に含まれる光検出器に接続された比較器を内蔵する、請求項1または請求項2に記載の撮像素子。   The imaging device according to claim 1, wherein the pixel includes a comparator connected to a photodetector included in the pixel. 前記画素アレイにおいて同じ列に配置された複数の画素に含まれる光検出器が、共通の比較器に接続される、請求項1または請求項2に記載の撮像素子。   The imaging device according to claim 1, wherein photodetectors included in a plurality of pixels arranged in the same column in the pixel array are connected to a common comparator. 前記「0」または「1」の総数を算出する計算回路をさらに具備する、請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載の撮像素子。   The imaging device according to claim 1, further comprising a calculation circuit that calculates a total number of the “0” or “1”. 前記画素電圧と前記多値の画素データとの関係が略線形となるように、前記「0」または「1」の総数を補正する補正回路をさらに具備する、請求項1乃至請求項5のいずれか1項記載の撮像素子。   6. The correction circuit according to claim 1, further comprising a correction circuit that corrects the total number of the “0” or “1” so that a relationship between the pixel voltage and the multi-value pixel data is substantially linear. The imaging device according to claim 1. 前記多値の画素データが飽和している場合に前記光検出器の露光時間を短縮する制御回路をさらに具備する、請求項1乃至請求項6のいずれか1項記載の撮像素子。   The imaging device according to claim 1, further comprising a control circuit that shortens an exposure time of the photodetector when the multi-value pixel data is saturated. 前記基準電圧を生成する生成回路をさらに具備し、
前記生成回路は、前記画素電圧の中間値から前記比較器のオフセット電圧の平均値を減じた値に近づくように前記基準電圧を調整する、
請求項1乃至請求項7のいずれか1項記載の撮像素子。
A generator circuit for generating the reference voltage;
The generation circuit adjusts the reference voltage so as to approach a value obtained by subtracting an average value of the offset voltage of the comparator from an intermediate value of the pixel voltage.
The image sensor according to any one of claims 1 to 7.
前記多値の画素データは、対応するサブアレイ内の複数の光検出器に接続された比較器に第1の基準電圧を印加した場合に生成される2値情報に含まれる「0」または「1」の第1の総数と、当該比較器に前記第1の基準電圧とは異なる第2の基準電圧を印加した場合に生成される2値情報に含まれる「0」または「1」の第2の総数とに依存する、請求項1乃至請求項8のいずれか1項記載の撮像素子。   The multi-value pixel data is “0” or “1” included in binary information generated when a first reference voltage is applied to a comparator connected to a plurality of photodetectors in a corresponding sub-array. ”And the second number of“ 0 ”or“ 1 ”included in the binary information generated when a second reference voltage different from the first reference voltage is applied to the comparator. The imaging device according to claim 1, wherein the imaging device depends on the total number of the imaging elements. 前記画素アレイは、第1の分割法を用いて複数の第1のサブアレイへと分割され、前記第1の分割法とは垂直方向および水平方向の少なくとも一方の分割位置において異なる第2の分割法を用いて複数の第2のサブアレイへと分割され、
前記第1のサブアレイは、当該第1のサブアレイにおける入射光強度に対応する多値の画素データを生成し、
前記第2のサブアレイは、当該第2のサブアレイにおける入射光強度に対応する多値の画素データを生成する、
請求項1乃至請求項9のいずれか1項記載の撮像素子。
The pixel array is divided into a plurality of first sub-arrays using a first division method, and a second division method that differs from the first division method at at least one division position in the vertical direction and the horizontal direction. Is divided into a plurality of second sub-arrays using
The first subarray generates multi-value pixel data corresponding to the incident light intensity in the first subarray,
The second subarray generates multivalued pixel data corresponding to the incident light intensity in the second subarray.
The image sensor according to any one of claims 1 to 9.
前記画素電圧または当該画素電圧に対応する時間情報を、前記画素における入射光強度に対応する多値の画素データへと変換する変換器をさらに具備し、
前記比較器は、前記光検出器および前記変換器によって共用される、
請求項1乃至請求項10のいずれか1項記載の撮像素子。
A converter that converts the pixel voltage or time information corresponding to the pixel voltage into multi-value pixel data corresponding to incident light intensity in the pixel;
The comparator is shared by the photodetector and the converter;
The image sensor according to any one of claims 1 to 10.
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