JP2020136686A - Solid-state image pickup device and driving method of solid-state image pickup device - Google Patents

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山本 秀彦
Hidehiko Yamamoto
秀彦 山本
鉄平 中野
Teppei Nakano
鉄平 中野
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Imaging Device Tech Co Ltd
Imaging Device Technologies Co Ltd
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Abstract

To provide a solid-state image pickup device having a wide dynamic range at one imaging, and a solid-state image pickup device.SOLUTION: A solid-state image pickup device includes: a pixel part having Y×X pixels arranged in a first direction and a second direction which is crossed to the first direction; an exposure control circuit ; and an exposure time calculation circuit. The pixel part includes: a first photoelectric conversion element provided so as to correspond to the Y×X pixels; and a second photoelectric conversion element provided to each of the Y×X pixels in the Y×X pixels. The second photoelectric conversion element is overlapped to the first photoelectric conversion element, and the first photoelectric conversion element outputs a brightness signal corresponding to a light reception intensity to the exposure time calculation circuit. The exposure time calculation circuit calculates an exposure time of the second photoelectric conversion element on the basis of the brightness signal. The exposure control circuit controls an exposure of the second photoelectric conversion element in each of the Y×X pixels per Y×X pixel unit.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の一実施形態は固体撮像装置、及び固体撮像装置の駆動方法に関する。 One embodiment of the present invention relates to a solid-state image sensor and a method for driving the solid-state image sensor.

近年、固体撮像装置を備えた電子機器が広く普及している。固体撮像装置は、携帯情報端末、デジタルカメラなど、固体を撮像するための機能を有する電子機器に備えられている。固体撮像装置は、イメージセンサとも呼ばれる。イメージセンサには、例えば、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサ、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサなどがある。 In recent years, electronic devices equipped with a solid-state image sensor have become widespread. The solid-state image sensor is provided in an electronic device having a function for photographing a solid-state, such as a portable information terminal and a digital camera. The solid-state image sensor is also called an image sensor. Examples of the image sensor include a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor, a CCD (Charge Coupled Device) image sensor, and the like.

固体撮像装置は、例えば、行(ロウ)方向と列(カラム)方向とのマトリクス状に配置された複数の画素、読み出し対象となる画素をロウ単位で選択する行選択走査回路、及びアナログデジタルコンバータ変換器(Analog to Digital Converter(ADC、AD変換器))を含む。画素は受光素子を有する。受光素子は、例えば、光電変換素子である。光電変換素子は、例えば、フォトダイオード(Photo Diode、PD)である。CMOSイメージセンサにおいては、例えば、行(ロウ)選択走査回路によって、一行目の画素からP(Pは自然数)行目の画素までの各画素が選択される。選択された行毎に、各画素が受光した光が各画素に対応する光電変換素子によってアナログ信号(アナログ電圧とも呼ぶ)に変換される。各行毎に光電変換された各アナログ信号が、各画素から出力される。AD変換器によって、各行毎に出力されたアナログ信号が、デジタル信号に変換される。一行目の画素からP行目の画素までの各画素におけるデジタル信号が、例えば、画像処理回路において画像処理されることで、被写体に対する一枚の画像が得られる。 The solid-state image sensor is, for example, a plurality of pixels arranged in a matrix in a row (row) direction and a column (column) direction, a row selection scanning circuit that selects pixels to be read in row units, and an analog-digital converter. Includes a converter (Analog to Digital Converter (ADC, AD converter)). The pixel has a light receiving element. The light receiving element is, for example, a photoelectric conversion element. The photoelectric conversion element is, for example, a photodiode (Photo Diode, PD). In the CMOS image sensor, for example, each pixel from the pixel in the first row to the pixel in the P (P is a natural number) row is selected by a row (row) selection scanning circuit. For each selected row, the light received by each pixel is converted into an analog signal (also called an analog voltage) by the photoelectric conversion element corresponding to each pixel. Each analog signal photoelectrically converted for each line is output from each pixel. The AD converter converts the analog signal output for each line into a digital signal. The digital signal in each pixel from the pixel in the first row to the pixel in the Pth row is image-processed in, for example, an image processing circuit to obtain one image for the subject.

ダイナミックレンジ(明暗比又は照度比ともいう)は、固体撮像装置の性能を表す指標の一つである。ダイナミックレンジが広いこと(Wide Dynamic Range、WDR)は、明暗差を明確に映し出すことが可能であることを意味する。すなわち、ダイナミックレンジが広い固体撮像装置は、明暗比が大きい被写体を撮像でき、明るい場所と暗い場所との両方を明確に撮像することができる。 The dynamic range (also referred to as light-dark ratio or illuminance ratio) is one of the indexes showing the performance of the solid-state image sensor. The wide dynamic range (Wide Dynamic Range, WDR) means that it is possible to clearly project the difference in brightness. That is, a solid-state image sensor having a wide dynamic range can image a subject having a large light-dark ratio, and can clearly image both a bright place and a dark place.

例えば、非特許文献1に記載された画像処理装置では、異なる露光時間で撮像された2枚の画像を合成し1枚の合成画像を生成する技術が開示されている。また、非特許文献2に記載された撮像装置では、露光時間を独立して変化可能な複数の受光素子を有し、それぞれの受光素子によって撮像された複数枚の画像から1枚の画像を生成する技術が開示されている。 For example, the image processing apparatus described in Non-Patent Document 1 discloses a technique of synthesizing two images taken at different exposure times to generate one composite image. Further, the image pickup apparatus described in Non-Patent Document 2 has a plurality of light receiving elements whose exposure time can be changed independently, and generates one image from the plurality of images captured by each light receiving element. The technology to be used is disclosed.

みるみるコラム・その10 ワイドダイナミックレンジ機能とは、[online]、[平成30年12月5日検索]、インターネット〈URL:https://www.toa.co.jp/miru2/column/column10.htm〉Mirumiru Column, Part 10 The wide dynamic range function is [online], [Search on December 5, 2018], Internet <URL: https: // www. toa. co. jp / miru2 / volume / volume10. htm> 小林 寛和、外6名、一眼レフ用広ダイナミックレンジ撮像素子スーパーCCDハニカムSRIIの開発、FUJIFILM RESERCH & DEVELOPMENT No.50−2005 pp.1−3、[online]、平成17年3月22日発光、富士フィルム株式会社R&D統括本部材料研究本部、[平成30年12月5日検索]、インターネット〈URL:https://www.fujifilm.co.jp/rd/report/rd050/pack/pdf/ff_rd050_001.pdf〉Hirokazu Kobayashi, 6 outsiders, Development of Super CCD Honeycomb SRII, a wide dynamic range image sensor for single-lens reflex cameras, FUJIFILM RESERCH & DEVELOPMENT No. 50-2005 pp. 1-3, [online], Light emission on March 22, 2005, Material Research Headquarters, R & D Headquarters, Fuji Film Co., Ltd., [Search on December 5, 2018], Internet <URL: https: // www. FUJIFILM. co. jp / rd / report / rd050 / pack / pdf / ff_rd050_001. pdf>

しかしながら、非特許文献1に開示された技術においては、受光素子によって撮像された複数枚の画像から1枚の画像を生成するため、動体が存在する環境下においての撮像が困難であるという課題がある。また、非特許文献1及び非特許文献2に開示された技術においては、受光素子によって撮像された複数枚の画像から1枚の画像を生成するため、画像を合成するためのフレームメモリが必要であり、データ転送量が多いためフレームレートが低下するという課題があった。 However, in the technique disclosed in Non-Patent Document 1, since one image is generated from a plurality of images captured by the light receiving element, there is a problem that it is difficult to image in an environment where a moving object exists. is there. Further, in the techniques disclosed in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, since one image is generated from a plurality of images captured by the light receiving element, a frame memory for synthesizing the images is required. There is a problem that the frame rate is lowered due to the large amount of data transfer.

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、複数枚の画像でなく、一度の撮像でダイナミックレンジが広い固体撮像装置、及び固体撮像装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a solid-state image sensor and a solid-state image sensor having a wide dynamic range in one image capture instead of a plurality of images.

本発明の一実施形態に係る固体撮像装置は、第1の方向及び前記第1の方向と交差する第2の方向に配列されたY×X個(Y及びXはそれぞれ独立に設定される自然数)の画素を有する画素部と、露光制御回路と、露光時間算出回路と、を有し、画素部は、前記Y×X個の画素において、y×x個(y及びxはそれぞれ独立に設定される自然数)の画素に対応して設けられた第1光電変換素子と、前記Y×X個の画素のそれぞれに設けられた第2光電変換素子と、を有し、第2光電変換素子は第1光電変換素子に重なり、第1光電変換素子は受光強度に対応する輝度信号を露光時間算出回路に供給し、露光時間算出回路は輝度信号に基づいて第2光電変換素子の露光時間を算出し、露光制御回路は、前記y×x個の画素単位で、前記y×x個の画素のそれぞれの第2光電変換素子の露光を制御する。 The solid-state image sensor according to an embodiment of the present invention has Y × X pixels arranged in a first direction and a second direction intersecting the first direction (Y and X are natural numbers set independently of each other). ), An exposure control circuit, and an exposure time calculation circuit, and the pixel unit is set to y × x (y and x are independently set) in the Y × X pixels. The second photoelectric conversion element has a first photoelectric conversion element provided corresponding to the pixels of the natural number) and a second photoelectric conversion element provided for each of the Y × X pixels. Overlapping with the first photoelectric conversion element, the first photoelectric conversion element supplies a brightness signal corresponding to the light receiving intensity to the exposure time calculation circuit, and the exposure time calculation circuit calculates the exposure time of the second photoelectric conversion element based on the brightness signal. Then, the exposure control circuit controls the exposure of the second photoelectric conversion element of each of the y × x pixels in units of the y × x pixels.

本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法は、第1の方向及び第1の方向と交差する第2の方向に配列されたY×X個(Y及びXはそれぞれ独立に設定される自然数)の画素を有する画素部と、y×x個(y及びxはそれぞれ独立に設定される自然数)の画素に対応して設けられた第1光電変換素子と、第1光電変換素子と重なり前記y×x個の画素のそれぞれに設けられた第2光電変換素子と、露光時間算出回路と、露光制御回路と、信号処理回路と、を含む固体撮像素子の駆動方法であって、第1光電変換素子が、受光強度に応じて輝度信号を生成し、露光時間算出回路が、輝度信号に応じて第2光電変換素子の露光時間を算出し、露光制御回路が、露光時間に基づいて第2光電変換素子の露光を制御し、信号処理回路が、前記y×x個の画素のそれぞれに設けられた第2光電変換素子の前記露光時間に応じた信号を生成する。 In the driving method of the solid-state image sensor according to the embodiment of the present invention, Y × X pieces (Y and X are set independently) arranged in the first direction and the second direction intersecting the first direction. A first photoelectric conversion element and a first photoelectric conversion element provided corresponding to y × x (natural numbers in which y and x are set independently) of a pixel portion having (natural number) pixels. A method for driving a solid-state image sensor including a second photoelectric conversion element, an exposure time calculation circuit, an exposure control circuit, and a signal processing circuit provided for each of the y × x pixels. 1 The photoelectric conversion element generates a brightness signal according to the light receiving intensity, the exposure time calculation circuit calculates the exposure time of the second photoelectric conversion element according to the brightness signal, and the exposure control circuit calculates the exposure time based on the exposure time. The exposure of the second photoelectric conversion element is controlled, and the signal processing circuit generates a signal corresponding to the exposure time of the second photoelectric conversion element provided in each of the y × x pixels.

本発明の一実施形態によれば、一度の撮像でダイナミックレンジが広い固体撮像装置、及び固体撮像装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a solid-state image sensor and a solid-state image sensor having a wide dynamic range in one imaging.

本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the solid-state image sensor which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the solid-state image sensor which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the solid-state image sensor which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の画素部の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the pixel part of the solid-state image sensor which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の画素部の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the pixel part of the solid-state image sensor which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の画素部の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the pixel part of the solid-state image sensor which concerns on one Embodiment of this invention. (A)は本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の画素の明暗を示す概略図である。(B)は(A)に示された固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。(A) is a schematic diagram showing the brightness and darkness of the pixels of the solid-state image sensor according to the embodiment of the present invention. (B) is a timing chart showing a driving method of the solid-state image sensor shown in (A). 本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the driving method of the solid-state image sensor which concerns on one Embodiment of this invention. (A)は本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の第t−1番目のフレームにおける画素の明暗を示す概略図である。(B)は本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の第t番目のフレームにおける画素の明暗を示す概略図である。(C)は本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の第t+1番目のフレームにおける画素の明暗を示す概略図である。(A) is a schematic diagram showing the brightness and darkness of pixels in the t-1st frame of the solid-state image sensor according to the embodiment of the present invention. (B) is a schematic diagram showing the brightness and darkness of pixels in the t-th frame of the solid-state image sensor according to the embodiment of the present invention. (C) is a schematic diagram showing the brightness and darkness of pixels in the t + 1th frame of the solid-state image sensor according to the embodiment of the present invention. 図9(A)に示された第t−1番目及び図9(B)に示された第t番目のフレームにおける本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。9 is a timing chart showing a driving method of a solid-state image sensor according to an embodiment of the present invention in the t-1st frame shown in FIG. 9A and the tth frame shown in FIG. 9B. .. 図9(B)に示された第t番目及び図9(C)に示された第t+1番目のフレームにおける本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。9 is a timing chart showing a driving method of the solid-state image sensor according to the embodiment of the present invention in the t-th frame shown in FIG. 9B and the t + 1th frame shown in FIG. 9C.

以下に、本発明の各実施の形態について、図面を参照し、説明する。なお、開示はあくまで一例にすぎない。つまり、当業者が、発明の主旨を保ち、適宜変更することによって容易に想到し得る構成は、当然に本発明の範囲に含有される構成である。図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合がある。しかし、これらはあくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。 Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The disclosure is just an example. That is, a configuration that can be easily conceived by a person skilled in the art by maintaining the gist of the invention and appropriately modifying the invention is naturally included in the scope of the present invention. In order to clarify the explanation, the drawings may be schematically represented by the width, thickness, shape, etc. of each part as compared with the actual aspect. However, these are merely examples and do not limit the interpretation of the present invention.

以下の説明において、受光素子として、光によって起電力が発生する光電変換素子が用いられた構成について例示するが、この構成に限定されない。例えば、受光素子として、光によって電気伝導度が変化する光電変換素子が用いられてもよい。又は、受光素子として、受光した光の特性(例えば、光の波長)を電気的な信号に変換するタイプの光電変換素子が用いられてもよい。又は、受光素子として、受光した光を電気的な情報ではない情報に変換する素子が用いられてもよい。なお、以下の説明において、受光した光は露光した光と呼んでもよく、受光する光は露光する光と呼んでもよい。また、光を受光することは光を露光することと呼んでもよい。また、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置は、トランジスタ、容量素子及び抵抗素子などを含む。トランジスタ、容量素子及び抵抗素子などの構造、トランジスタ、容量素子及び抵抗素子などを形成する膜、層、及び各部分の材料は、本発明の技術分野で通常使用される公知技術を採用することができる。例えば、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置はシリコンなどの半導体特性を利用した半導体デバイスであり、公知技術である半導体デバイスの製造プロセスによって固体撮像装置に含まれるトランジスタがCMOSで形成されてもよい。 In the following description, a configuration in which a photoelectric conversion element in which an electromotive force is generated by light is used as the light receiving element will be illustrated, but the present invention is not limited to this configuration. For example, as the light receiving element, a photoelectric conversion element whose electric conductivity changes with light may be used. Alternatively, as the light receiving element, a photoelectric conversion element of a type that converts the characteristics of the received light (for example, the wavelength of light) into an electrical signal may be used. Alternatively, as the light receiving element, an element that converts the received light into information other than electrical information may be used. In the following description, the received light may be referred to as exposed light, and the received light may be referred to as exposed light. In addition, receiving light may be referred to as exposing light. Further, the solid-state image sensor according to the embodiment of the present invention includes a transistor, a capacitive element, a resistance element, and the like. As the structure of a transistor, a capacitive element, a resistance element, etc., the film, the layer, and the material of each part forming the transistor, the capacitive element, the resistance element, etc., a known technique usually used in the technical field of the present invention may be adopted. it can. For example, the solid-state image sensor according to an embodiment of the present invention is a semiconductor device that utilizes semiconductor characteristics such as silicon, and a transistor included in the solid-state image sensor is formed of CMOS by a semiconductor device manufacturing process, which is a known technique. May be good.

なお、本明細書等における「第1」、「第2」、「第3」などの序数は、説明を簡潔にするためだけに用いられており、限定的に解釈されるべきではない。 It should be noted that the ordinal numbers such as "first", "second", and "third" in the present specification and the like are used only for the sake of brevity and should not be construed in a limited manner.

なお、以下の各実施形態は、技術的な矛盾を生じない限り、互いに組み合わせることができる。 The following embodiments can be combined with each other as long as there is no technical contradiction.

1.第1実施形態
1−1.固体撮像装置10の構成
図1〜図3を用いて、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10の概要について説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10の概要を示す概略図である。図2は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10の構成を示す断面図である。図3は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10の構成を示す断面図である。なお、図2は図1に示されるA1からA2に沿った断面概略図であり、固体撮像装置10のX方向に沿って平行又は略平行な面である。図3は図2に示されるB1からB2に沿った断面概略図であり、固体撮像装置10のY方向に沿って平行又は略平行な面である。
1. 1. First Embodiment 1-1. Configuration of Solid-State Image Sensor 10 The outline of the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3. FIG. 1 is a schematic view showing an outline of a solid-state image sensor 10 according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention. Note that FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along the lines A1 to A2 shown in FIG. 1, and is a plane parallel or substantially parallel along the X direction of the solid-state image sensor 10. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along the lines B1 to B2 shown in FIG. 2, and is a plane parallel or substantially parallel along the Y direction of the solid-state image sensor 10.

図1に示されるように、固体撮像装置10は、画素部101及び周辺部103に大別される。画素部101は、複数の輝度グループ150を有する。周辺部103は画素部101に対して周辺の領域である。周辺部103は、撮像タイミング制御回路210、第2光電変換素子露光制御回路220、記憶回路230、露光時間算出回路240、読み出し回路300、及び画像処理回路500が配置された領域である。 As shown in FIG. 1, the solid-state image sensor 10 is roughly classified into a pixel portion 101 and a peripheral portion 103. The pixel unit 101 has a plurality of luminance groups 150. The peripheral portion 103 is a peripheral region with respect to the pixel portion 101. The peripheral portion 103 is an area in which the image pickup timing control circuit 210, the second photoelectric conversion element exposure control circuit 220, the storage circuit 230, the exposure time calculation circuit 240, the readout circuit 300, and the image processing circuit 500 are arranged.

輝度グループ150は、矩形の画素部101にマトリクス状に配列されている。輝度グループ150は、N行M列のマトリクス状に配列される。すなわち、画素部101は、N×M個の輝度グループ150が配列される。ここで、N及びMはそれぞれ独立に設定される自然数である。輝度グループ150は、一つの第1光電変換素子62、及びy×x個の画素100を有する。ここで、y及びxはそれぞれ独立に設定される自然数である。また、本明細書等において、一つの第1光電変換素子62、及びy×x個の画素又は画素の組を一つの輝度グループ150と言い換えてもよい。図1の例では、輝度グループ150の配列はN=3、M=4であるが、この値に限定されない。また、図1の例では、輝度グループ150は画素100をy=x=2の2×2個有するが、この例に限定されない。また、輝度グループ150が有する第1光電変換素子62は、露光した光の強度に基づき生成された電力に対応した第1信号(又は第1電圧)を生成する。第1信号(又は第1電圧)はアナログ信号(又はアナログ電圧)である。また、第1信号(又は第1電圧)は輝度信号とも呼ばれる。光の強度は明るさと呼んでもよい。露光した光の強度は、露光強度、又は受光強度とも呼ばれる。なお、輝度グループ150の構成についての詳細は後述される。 The luminance groups 150 are arranged in a matrix in the rectangular pixel portion 101. The brightness groups 150 are arranged in a matrix of N rows and M columns. That is, N × M luminance groups 150 are arranged in the pixel unit 101. Here, N and M are natural numbers that are set independently. The luminance group 150 has one first photoelectric conversion element 62 and y × x pixels 100. Here, y and x are natural numbers that are set independently. Further, in the present specification and the like, one first photoelectric conversion element 62 and y × x pixels or a set of pixels may be paraphrased as one luminance group 150. In the example of FIG. 1, the arrangement of the luminance group 150 is N = 3 and M = 4, but is not limited to this value. Further, in the example of FIG. 1, the luminance group 150 has 2 × 2 pixels 100 of y = x = 2, but is not limited to this example. Further, the first photoelectric conversion element 62 included in the luminance group 150 generates a first signal (or a first voltage) corresponding to the electric power generated based on the intensity of the exposed light. The first signal (or first voltage) is an analog signal (or analog voltage). The first signal (or first voltage) is also called a luminance signal. The intensity of light may be called brightness. The intensity of the exposed light is also called the exposure intensity or the light receiving intensity. The details of the configuration of the luminance group 150 will be described later.

画素100は、Y行X列のマトリクス状に配置される。すなわち、画素部101は、Y×X個の画素100が配列される。ここで、Y及びXはそれぞれ独立に設定される自然数である。図1の例では輝度グループは、y=x=2の2×2個の画素100が配列され、画素部101内は6×8個の画素100が配列されるが、この値に限定されない。また、画素100は第2光電変換素子72を有する。第2光電変換素子72は露光した光の強度に基づき生成した電力に対応した第2信号(又は第2電圧)を生成する。なお、第2信号(又は第2電圧)はアナログ信号(又はアナログ電圧)である。本明細書等において、xはX以下であり、yはY以下である。また、Xはxの倍数であり、Yはyの倍数であることが好ましいが、この例に限定されない。 Pixels 100 are arranged in a matrix of Y rows and X columns. That is, in the pixel unit 101, Y × X pixels 100 are arranged. Here, Y and X are natural numbers that are set independently. In the example of FIG. 1, the luminance group is arranged with 2 × 2 pixels 100 of y = x = 2, and 6 × 8 pixels 100 are arranged in the pixel portion 101, but the value is not limited to this value. Further, the pixel 100 has a second photoelectric conversion element 72. The second photoelectric conversion element 72 generates a second signal (or a second voltage) corresponding to the electric power generated based on the intensity of the exposed light. The second signal (or second voltage) is an analog signal (or analog voltage). In the present specification and the like, x is X or less and y is Y or less. Further, X is preferably a multiple of x and Y is preferably a multiple of y, but is not limited to this example.

また、図2及び図3に示されるように、画素100は、信号処理回路52、及び第2光電変換素子72を有する。さらに、画素100は、赤色カラーフィルタ82、緑色カラーフィルタ84、青色カラーフィルタ86のいずれか一つ、及び光学素子92を有してもよい。ここで、信号処理回路52は、第1光電変換素子62、及び第2光電変換素子72に電気的に接続されてもよい。例えば、信号処理回路52が第1光電変換素子62に接続されることによって、信号処理回路52は、第1光電変換素子62によって実行される第1信号(輝度信号)を生成するタイミングを制御することができる。また、信号処理回路52が第2光電変換素子72に接続されることによって、信号処理回路52は、第2光電変換素子72によって実行される第2信号の生成のタイミングを制御することができる。 Further, as shown in FIGS. 2 and 3, the pixel 100 includes a signal processing circuit 52 and a second photoelectric conversion element 72. Further, the pixel 100 may have any one of the red color filter 82, the green color filter 84, the blue color filter 86, and the optical element 92. Here, the signal processing circuit 52 may be electrically connected to the first photoelectric conversion element 62 and the second photoelectric conversion element 72. For example, by connecting the signal processing circuit 52 to the first photoelectric conversion element 62, the signal processing circuit 52 controls the timing of generating the first signal (luminance signal) executed by the first photoelectric conversion element 62. be able to. Further, by connecting the signal processing circuit 52 to the second photoelectric conversion element 72, the signal processing circuit 52 can control the timing of generating the second signal executed by the second photoelectric conversion element 72.

詳細は後述するが、図2及び図3に示されるように、固体撮像装置10において、第1光電変換素子62と第2光電変換素子72とは重ねて配置される。第1光電変換素子62は受光強度に基づき輝度信号を生成することができる。すなわち、第1光電変換素子62は輝度を検出することができる。第2光電変換素子72は被写体を露光することができる。また、詳細は後述するが、固体撮像装置10が被写体を撮像するとき、第2光電変換素子72によって被写体を露光する前に、第1光電変換素子62によって輝度を検出する。次に、検出された輝度に基づき、第2光電変換素子72によって被写体を露光する際の露光時間が算出される。続いて、算出された露光時間に基づき、第2光電変換素子72によって被写体が露光される。本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10は、二つの光電変換素子を有することによって、予め輝度を検出し、検出された輝度に基づき被写体を撮像することができるため、一度の撮像で被写体の明暗を反映させた画像を得ることができる。すなわち、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10は、一度の撮像でダイナミックレンジを広くすることが可能である。 Although details will be described later, as shown in FIGS. 2 and 3, in the solid-state image sensor 10, the first photoelectric conversion element 62 and the second photoelectric conversion element 72 are arranged so as to overlap each other. The first photoelectric conversion element 62 can generate a luminance signal based on the light receiving intensity. That is, the first photoelectric conversion element 62 can detect the brightness. The second photoelectric conversion element 72 can expose the subject. Further, as will be described in detail later, when the solid-state imaging device 10 images a subject, the brightness is detected by the first photoelectric conversion element 62 before the subject is exposed by the second photoelectric conversion element 72. Next, based on the detected brightness, the exposure time when the subject is exposed by the second photoelectric conversion element 72 is calculated. Subsequently, the subject is exposed by the second photoelectric conversion element 72 based on the calculated exposure time. Since the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention has two photoelectric conversion elements, the brightness can be detected in advance and the subject can be imaged based on the detected brightness. Therefore, the subject can be imaged in one image. It is possible to obtain an image that reflects the brightness and darkness of. That is, the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention can widen the dynamic range by one imaging.

なお、本明細書において、第1光電変換素子62及び第2光電変換素子72は、フォトダイオードである例が示される。また、第1光電変換素子62は第1PD62、第2光電変換素子72は第2PD72と呼ばれることがある。 In this specification, an example is shown in which the first photoelectric conversion element 62 and the second photoelectric conversion element 72 are photodiodes. Further, the first photoelectric conversion element 62 may be referred to as a first PD 62, and the second photoelectric conversion element 72 may be referred to as a second PD 72.

撮像タイミング制御回路210は、周辺部103のうち画素部101に対して行方向に隣接する位置に配置されている。撮像タイミング制御回路210には、例えば、水平信号線(図示は省略)が接続されている。水平信号線は、同じ行に配列された複数の画素100に接続されている。水平信号線には、各画素100を制御する制御信号が入力される。図1においては、複数の制御信号はまとめて制御信号214で示されている。制御信号214の各々は、行毎に順次入力される。例えば、制御信号214の各々は、1行目、2行目、3行目、・・・のように、行毎に順次入力される。ただし、制御信号214の各々は、上記のように行毎に順次的に入力されず、行毎にランダムに入力されてもよいし、各行に同時に入力されてもよい。また、撮像タイミング制御回路210は、配線212によって、第2光電変換素子露光制御回路220と電気的に接続される。撮像タイミング制御回路210は、撮像位置制御信号を生成し、撮像位置制御信号を配線212に供給する。撮像位置制御信号は第2光電変換素子露光制御回路220に供給される。詳細は供述するが、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10は、撮像位置制御信号に基づき、第2光電変換素子72の撮像のタイミングを制御することができる。 The image pickup timing control circuit 210 is arranged at a position adjacent to the pixel portion 101 in the row direction in the peripheral portion 103. For example, a horizontal signal line (not shown) is connected to the image pickup timing control circuit 210. The horizontal signal line is connected to a plurality of pixels 100 arranged in the same row. A control signal for controlling each pixel 100 is input to the horizontal signal line. In FIG. 1, a plurality of control signals are collectively indicated by a control signal 214. Each of the control signals 214 is sequentially input line by line. For example, each of the control signals 214 is sequentially input line by line, such as the first line, the second line, the third line, and so on. However, each of the control signals 214 may not be input sequentially for each line as described above, but may be randomly input for each line, or may be input for each line at the same time. Further, the image pickup timing control circuit 210 is electrically connected to the second photoelectric conversion element exposure control circuit 220 by the wiring 212. The imaging timing control circuit 210 generates an imaging position control signal and supplies the imaging position control signal to the wiring 212. The imaging position control signal is supplied to the second photoelectric conversion element exposure control circuit 220. Although details will be described, the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention can control the imaging timing of the second photoelectric conversion element 72 based on the imaging position control signal.

読み出し回路300は、周辺部103のうち画素部101に対して列方向に隣接する位置に配置されている。読み出し回路300には第1垂直信号線(図示は省略)が接続されている。第1垂直信号線は、同じ列に配列された複数の画素100又は複数の第1光電変換素子62に接続されている。各画素100に備えられた第2光電変換素子72によって生成された電力に対応した第2信号が、行選択走査回路200によって選択された行に配置された画素100から出力される。各画素100から出力された第2信号は第1垂直信号線に供給される。第2信号は露光された被写体に対応した画像データである。また、詳細は後述するが、第2信号は、各輝度グループ150に対応した露光時間に基づき露光された画像データである。すなわち、第2信号は、露光された被写体に対応した画像データである。複数の第2信号はまとめて第2信号114で示されている。また、第1垂直信号線には、第1光電変換素子62によって生成された電力に対応した第1信号が供給されてもよい。複数の第1信号はまとめて第1信号112で示されている。 The readout circuit 300 is arranged at a position adjacent to the pixel portion 101 in the column direction in the peripheral portion 103. A first vertical signal line (not shown) is connected to the readout circuit 300. The first vertical signal line is connected to a plurality of pixels 100 or a plurality of first photoelectric conversion elements 62 arranged in the same row. A second signal corresponding to the electric power generated by the second photoelectric conversion element 72 provided in each pixel 100 is output from the pixel 100 arranged in the row selected by the row selection scanning circuit 200. The second signal output from each pixel 100 is supplied to the first vertical signal line. The second signal is image data corresponding to the exposed subject. Further, as will be described in detail later, the second signal is image data exposed based on the exposure time corresponding to each luminance group 150. That is, the second signal is image data corresponding to the exposed subject. The plurality of second signals are collectively indicated by the second signal 114. Further, a first signal corresponding to the electric power generated by the first photoelectric conversion element 62 may be supplied to the first vertical signal line. The plurality of first signals are collectively indicated by the first signal 112.

読み出し回路300は、例えば、AD変換器(図示は省略)、及び水平転送走査回路(図示は省略)を有する。第1垂直信号線に供給された第1信号112及び第2信号114は、AD変換器によってデジタル信号に変換される。デジタル信号は、水平転送走査回路に転送される。水平転送走査回路は、デジタル信号を列毎に順次読み出す。水平転送走査回路が1行分のデジタル信号を読み出すことで、行選択走査回路(図示は省略)によって選択された行の第1信号112及び第2信号114をデジタル信号として読み出すことができる。本明細書等において、各行の第1信号112に対するデジタル信号は第1デジタル信号と呼ばれる。各行の第1デジタル信号をまとめて第1デジタル信号302で示す。同様にして、各行の第2信号114に対するデジタル信号は第2デジタル信号と呼ばれ、各行の第2デジタル信号をまとめて第2デジタル信号304で示す。第1デジタル信号302は各輝度グループ150の輝度信号に対応したデジタル輝度信号である。第2デジタル信号304は被写体に対応したデジタル画像データである。なお、第1信号112及び第2信号114は、AD変換器によってデジタル信号に変換されずに、アナログ信号のまま水平転送走査回路に転送され、列毎に順次読み出されてもよい。 The readout circuit 300 includes, for example, an AD converter (not shown) and a horizontal transfer scanning circuit (not shown). The first signal 112 and the second signal 114 supplied to the first vertical signal line are converted into digital signals by the AD converter. The digital signal is transferred to the horizontal transfer scanning circuit. The horizontal transfer scanning circuit reads digital signals sequentially column by column. When the horizontal transfer scanning circuit reads out one row of digital signals, the first signal 112 and the second signal 114 of the row selected by the row selection scanning circuit (not shown) can be read out as digital signals. In the present specification and the like, the digital signal for the first signal 112 of each line is referred to as a first digital signal. The first digital signal of each line is collectively shown by the first digital signal 302. Similarly, the digital signal for the second signal 114 of each line is called the second digital signal, and the second digital signal of each line is collectively indicated by the second digital signal 304. The first digital signal 302 is a digital luminance signal corresponding to the luminance signal of each luminance group 150. The second digital signal 304 is digital image data corresponding to the subject. The first signal 112 and the second signal 114 may be transferred to the horizontal transfer scanning circuit as analog signals without being converted into digital signals by the AD converter, and may be sequentially read out for each column.

露光時間算出回路240は、例えば、読み出し回路300、画像処理回路500、及び記憶回路230に電気的に接続されている例を示すが、この例に限定されない。露光時間算出回路240の配置、電気的な接続等は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10の構成を逸脱しない範囲において、適宜決定されればよい。露光時間算出回路240には、第1デジタル信号302が供給される。上述の通り、第1デジタル信号302は各輝度グループ150の輝度信号に対応したデジタル輝度信号である。露光時間算出回路240は、第1デジタル信号302に基づき、各輝度グループ150が有する複数の第2光電変換素子72が被写体を露光するために適した露光時間を算出することができる。算出された各輝度グループ150に対応した露光時間のデータは配線242に供給され、記憶回路230に供給される。なお、第1信号112及び第2信号114がデジタル信号に変換されず、アナログ信号のまま処理されてもよい。 The exposure time calculation circuit 240 shows, for example, an example of being electrically connected to the readout circuit 300, the image processing circuit 500, and the storage circuit 230, but is not limited to this example. The arrangement of the exposure time calculation circuit 240, the electrical connection, and the like may be appropriately determined within a range that does not deviate from the configuration of the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention. The first digital signal 302 is supplied to the exposure time calculation circuit 240. As described above, the first digital signal 302 is a digital luminance signal corresponding to the luminance signals of each luminance group 150. The exposure time calculation circuit 240 can calculate an exposure time suitable for exposing a subject by a plurality of second photoelectric conversion elements 72 of each luminance group 150 based on the first digital signal 302. The calculated exposure time data corresponding to each luminance group 150 is supplied to the wiring 242 and supplied to the storage circuit 230. The first signal 112 and the second signal 114 may not be converted into digital signals and may be processed as analog signals.

記憶回路230は、例えば、露光時間算出回路240、及び第2光電変換素子露光制御回路220に電気的に接続されている例を示すが、この例に限定されない。記憶回路230の配置、電気的な接続等は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10の構成を逸脱しない範囲において、適宜決定されればよい。記憶回路230には、算出された各輝度グループ150に対応した露光時間のデータが供給される。記憶回路230は、算出された各輝度グループ150に対応した露光時間のデータを格納することができる。記憶回路230は例えば、揮発性メモリである。なお、記憶回路230は、複数の揮発性メモリを有していてもよい。記憶回路230は、複数のメモリを有することによって、記憶回路230のメモリ容量が増加する。よって、固体撮像装置10の解像度が高くても、十分な量の露光時間のデータを記憶回路230に格納することができる。なお、記憶回路230は、固体撮像装置10に内蔵されていてもよいし、外部に接続してもよい。例えば、記憶回路230は、DIMM、又はSO−DIMMのように、着脱可能であってもよい。記憶回路230に格納された各輝度グループ150に対応した露光時間のデータは、記憶回路230から読み出される。読み出された露光時間のデータは、配線232に供給され、第2光電変換素子露光制御回路220に供給される。 The storage circuit 230 shows, for example, an example of being electrically connected to the exposure time calculation circuit 240 and the second photoelectric conversion element exposure control circuit 220, but is not limited to this example. The arrangement of the storage circuit 230, the electrical connection, and the like may be appropriately determined within a range that does not deviate from the configuration of the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention. The storage circuit 230 is supplied with exposure time data corresponding to each calculated luminance group 150. The storage circuit 230 can store the calculated exposure time data corresponding to each luminance group 150. The storage circuit 230 is, for example, a volatile memory. The storage circuit 230 may have a plurality of volatile memories. When the storage circuit 230 has a plurality of memories, the memory capacity of the storage circuit 230 increases. Therefore, even if the resolution of the solid-state image sensor 10 is high, a sufficient amount of exposure time data can be stored in the storage circuit 230. The storage circuit 230 may be built in the solid-state image sensor 10 or may be connected to the outside. For example, the storage circuit 230 may be removable, such as a DIMM or SO-DIMM. The exposure time data corresponding to each luminance group 150 stored in the storage circuit 230 is read out from the storage circuit 230. The read exposure time data is supplied to the wiring 232 and supplied to the second photoelectric conversion element exposure control circuit 220.

第2光電変換素子露光制御回路220は、周辺部103のうち画素部101に対して列方向に隣接する位置に配置されている例を示すが、この例に限定されない。第2光電変換素子露光制御回路220は、周辺部103のうち画素部101に対して行方向に隣接する位置に配置されていてもよい。第2光電変換素子露光制御回路220は、例えば、撮像タイミング制御回路210、及び記憶回路230に電気的に接続されている例を示すが、この例に限定されない。第2光電変換素子露光制御回路220の配置、電気的な接続等は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10の構成を逸脱しない範囲において、適宜決定されればよい。 The second photoelectric conversion element exposure control circuit 220 shows an example in which the peripheral portion 103 is arranged at a position adjacent to the pixel portion 101 in the column direction, but is not limited to this example. The second photoelectric conversion element exposure control circuit 220 may be arranged at a position adjacent to the pixel portion 101 in the row direction in the peripheral portion 103. The second photoelectric conversion element exposure control circuit 220 shows, for example, an example of being electrically connected to the image pickup timing control circuit 210 and the storage circuit 230, but is not limited to this example. The arrangement, electrical connection, and the like of the second photoelectric conversion element exposure control circuit 220 may be appropriately determined within a range that does not deviate from the configuration of the solid-state image pickup device 10 according to the embodiment of the present invention.

また、第2光電変換素子露光制御回路220は、記憶回路230から算出された各輝度グループ150に対応した露光時間のデータを読み出すことができる。第2光電変換素子露光制御回路220には、撮像位置制御信号、及び算出された各輝度グループ150に対応した露光時間のデータが供給される。撮像位置制御信号、及び算出された各輝度グループ150に対応した露光時間のデータに基づき、第2光電変換素子露光制御回路220は、各輝度グループ150内の画素の露光を制御する信号(輝度グループ露光信号)を生成してもよい。なお、図1においては、輝度グループ露光信号をまとめて、輝度グループ露光信号224で示されている。 Further, the second photoelectric conversion element exposure control circuit 220 can read out the exposure time data corresponding to each luminance group 150 calculated from the storage circuit 230. The second photoelectric conversion element exposure control circuit 220 is supplied with an imaging position control signal and exposure time data corresponding to each calculated luminance group 150. Based on the imaging position control signal and the calculated exposure time data corresponding to each luminance group 150, the second photoelectric conversion element exposure control circuit 220 controls the exposure of the pixels in each luminance group 150 (luminance group). Exposure signal) may be generated. In FIG. 1, the luminance group exposure signals are collectively shown by the luminance group exposure signal 224.

さらに、第2光電変換素子露光制御回路220には、例えば、第2垂直信号線(図示は省略)が接続されていてもよい。第2垂直信号線は、同じ列に配列された複数の画素100又は複数の第1光電変換素子62に接続されている。第2垂直信号線には、輝度グループ露光信号224が入力される。輝度グループ露光信号224は、列毎に順次入力されてもよい。例えば、輝度グループ露光信号224は、1列目、2列目、3列目、・・・のように、列毎に順次入力されてもよい。また、輝度グループ露光信号224は、上記のように列毎に順次的に入力されず、列毎にランダムに入力されてもよいし、各列に同時に入力されてもよい。 Further, for example, a second vertical signal line (not shown) may be connected to the second photoelectric conversion element exposure control circuit 220. The second vertical signal line is connected to a plurality of pixels 100 or a plurality of first photoelectric conversion elements 62 arranged in the same row. A luminance group exposure signal 224 is input to the second vertical signal line. The luminance group exposure signal 224 may be sequentially input for each column. For example, the luminance group exposure signal 224 may be sequentially input for each column, such as the first column, the second column, the third column, and so on. Further, the luminance group exposure signal 224 may not be sequentially input for each column as described above, but may be randomly input for each column, or may be input for each column at the same time.

また、第2光電変換素子露光制御回路220は、撮像タイミング制御回路210から撮像位置制御信号が供給されることによって、輝度グループ露光信号224を、制御信号214と同期させることができる。第2光電変換素子露光制御回路220は、記憶回路230から露光時間のデータが供給されることによって、各輝度グループ150に対応した露光時間を設定し、第2光電変換素子72の撮像のタイミングを制御することができる。すなわち、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10が有する複数の第2光電変換素子72は、第1光電変換素子62によって生成された輝度信号に基づき算出された被写体を露光するために適した露光時間で、被写体を露光することができる。 Further, the second photoelectric conversion element exposure control circuit 220 can synchronize the luminance group exposure signal 224 with the control signal 214 by supplying the imaging position control signal from the imaging timing control circuit 210. The second photoelectric conversion element exposure control circuit 220 sets the exposure time corresponding to each luminance group 150 by supplying the exposure time data from the storage circuit 230, and sets the imaging timing of the second photoelectric conversion element 72. Can be controlled. That is, the plurality of second photoelectric conversion elements 72 included in the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention are suitable for exposing a subject calculated based on the luminance signal generated by the first photoelectric conversion element 62. The subject can be exposed with a different exposure time.

画像処理回路500は、周辺部103のうち画素部101に対して列方向に隣接する位置に配置されている例を示すが、この例に限定されない。画像処理回路500は、周辺部103のうち画素部101に対して行方向に隣接する位置に配置されていてもよい。画像処理回路500は、例えば、読み出し回路300に電気的に接続されている例を示すが、この例に限定されない。画像処理回路500の配置、電気的な接続等は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10の構成を逸脱しない範囲において、適宜決定されればよい。 The image processing circuit 500 shows an example in which the peripheral portion 103 is arranged at a position adjacent to the pixel portion 101 in the column direction, but the present invention is not limited to this example. The image processing circuit 500 may be arranged at a position adjacent to the pixel portion 101 in the row direction in the peripheral portion 103. The image processing circuit 500 shows an example of being electrically connected to the readout circuit 300, for example, but is not limited to this example. The arrangement of the image processing circuit 500, the electrical connection, and the like may be appropriately determined within a range that does not deviate from the configuration of the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention.

また、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10が有する画像処理回路500は、一度の撮像で、被写体に対応したデジタル画像データである第2デジタル信号304を取得することができる。すなわち、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10は、一度の撮像で被写体の明暗を反映させた画像を得ることができ、一度の撮像でダイナミックレンジを広くすることが可能である。 In addition, the image processing circuit 500 included in the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention can acquire the second digital signal 304, which is digital image data corresponding to the subject, by one imaging. That is, the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention can obtain an image reflecting the brightness and darkness of the subject by one imaging, and can widen the dynamic range by one imaging.

なお、図1では、画素100がマトリクス状に配置された構成を例示したが、この構成に限定されない。例えば、画素100が図1に示すマトリクス状とは異なる周期性を有する形状で配置されていてもよく、不規則に配置されていてもよい。また、図1では、画素部101が矩形である構成を例示したが、この構成に限定されない。例えば、画素部101は多角形であってもよく、円形(真円及び楕円を含む)であってもよく、湾曲形状であってもよい。 Note that FIG. 1 illustrates a configuration in which the pixels 100 are arranged in a matrix, but the configuration is not limited to this configuration. For example, the pixels 100 may be arranged in a shape having a periodicity different from that of the matrix shown in FIG. 1, or may be arranged irregularly. Further, in FIG. 1, a configuration in which the pixel portion 101 is rectangular is illustrated, but the configuration is not limited to this configuration. For example, the pixel portion 101 may be polygonal, circular (including a perfect circle and an ellipse), or curved.

また、図1では、理解の促進のため、画素100と隣接する画素100との間が空いているように記載されているが、実際は、画素100は画素部101をほぼ隙間が無く敷き詰めるように配置されている。 Further, in FIG. 1, in order to promote understanding, it is described that there is a gap between the pixel 100 and the adjacent pixel 100, but in reality, the pixel 100 is spread over the pixel portion 101 with almost no gap. Have been placed.

さらに、図1では、平面視において、赤色カラーフィルタ82は第2光電変換素子72に対して内側に設けられているが、この例に限定されない。平面視において、赤色カラーフィルタ82は第2光電変換素子72に対して同一の大きさであってもよいし、第2光電変換素子72が赤色カラーフィルタ82に対して内側に設けられていてもよい。緑色カラーフィルタ84、及び青色カラーフィルタ86についても、赤色カラーフィルタ82と同様である。各カラーフィルタと第2光電変換素子72との配置等は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10の構成を逸脱しない範囲において、適宜決定されればよい。 Further, in FIG. 1, in a plan view, the red color filter 82 is provided inside the second photoelectric conversion element 72, but the present invention is not limited to this example. In a plan view, the red color filter 82 may have the same size as the second photoelectric conversion element 72, or the second photoelectric conversion element 72 may be provided inside the red color filter 82. Good. The green color filter 84 and the blue color filter 86 are the same as the red color filter 82. The arrangement of each color filter and the second photoelectric conversion element 72 may be appropriately determined as long as the configuration of the solid-state image pickup device 10 according to the embodiment of the present invention is not deviated.

図2及び図3を用いて、本発明の実施形態に係る固体撮像装置10の断面構造を説明する。 The cross-sectional structure of the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 and 3.

図2及び図3に示されるように、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10は、信号処理部50、第1光電変換素子部60、第2光電変換素子部70、カラーフィルタ部80、及び光学素子部90を有する。 As shown in FIGS. 2 and 3, the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention includes a signal processing unit 50, a first photoelectric conversion element unit 60, a second photoelectric conversion element unit 70, and a color filter unit 80. , And an optical element unit 90.

信号処理部50は複数の信号処理回路52を有する。第1光電変換素子部60は複数の第1光電変換素子62を有する。第1光電変換素子部60は信号処理部50の上に設けられる。複数の第1光電変換素子62は、例えば、無機絶縁膜、有機絶縁膜などの絶縁膜によって互いに絶縁されている。第2光電変換素子部70は複数の第2光電変換素子72を有する。第2光電変換素子部70は第1光電変換素子部60の上に設けられる。複数の第2光電変換素子72は、例えば、無機絶縁膜、有機絶縁膜などの絶縁膜によって互いに絶縁されている。カラーフィルタ部80は赤色カラーフィルタ82、緑色カラーフィルタ84、及び青色カラーフィルタ86を、それぞれ複数個有する。カラーフィルタ部80は第2光電変換素子部70の上に設けられる。光学素子部90は、複数の光学素子92を有する。光学素子92は例えばマイクロレンズである。なお、第2光電変換素子部70の配置は、上記のように第1光電変換素子部60の上に設けられる例に限定されず、第1光電変換素子部60の下に設けられてもよい。 The signal processing unit 50 has a plurality of signal processing circuits 52. The first photoelectric conversion element unit 60 has a plurality of first photoelectric conversion elements 62. The first photoelectric conversion element unit 60 is provided on the signal processing unit 50. The plurality of first photoelectric conversion elements 62 are insulated from each other by, for example, an insulating film such as an inorganic insulating film or an organic insulating film. The second photoelectric conversion element unit 70 has a plurality of second photoelectric conversion elements 72. The second photoelectric conversion element unit 70 is provided on the first photoelectric conversion element unit 60. The plurality of second photoelectric conversion elements 72 are insulated from each other by, for example, an insulating film such as an inorganic insulating film or an organic insulating film. The color filter unit 80 has a plurality of red color filters 82, green color filters 84, and blue color filters 86, respectively. The color filter unit 80 is provided on the second photoelectric conversion element unit 70. The optical element unit 90 has a plurality of optical elements 92. The optical element 92 is, for example, a microlens. The arrangement of the second photoelectric conversion element unit 70 is not limited to the example provided above the first photoelectric conversion element unit 60 as described above, and may be provided below the first photoelectric conversion element unit 60. ..

側面視において、第1光電変換素子62の幅は、第2光電変換素子72の幅よりも大きい。第1光電変換素子62の幅が、第2光電変換素子72の幅よりも大きいことによって、第1光電変換素子62は第2光電変換素子72よりも受光面積を大きくすることができるため、大きな容量を形成し易い。よって、第1光電変換素子62は飽和し難く、第1光電変換素子62によって幅広い輝度を検出することができる。したがって、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10は、広い範囲の露光時間を算出することができる。 In the side view, the width of the first photoelectric conversion element 62 is larger than the width of the second photoelectric conversion element 72. Since the width of the first photoelectric conversion element 62 is larger than the width of the second photoelectric conversion element 72, the first photoelectric conversion element 62 can have a larger light receiving area than the second photoelectric conversion element 72, and is therefore large. Easy to form capacity. Therefore, the first photoelectric conversion element 62 is hard to be saturated, and the first photoelectric conversion element 62 can detect a wide range of brightness. Therefore, the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention can calculate the exposure time in a wide range.

また、側面視において、第2光電変換素子72と隣接する第2光電変換素子72との間は隙間が設けられている。この隙間によって、第1光電変換素子62は固体撮像装置10外部から固体撮像装置10への入射光116をより受光又は露光しやすくなり、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10は、輝度を検出しやすくなる。 Further, in the side view, a gap is provided between the second photoelectric conversion element 72 and the adjacent second photoelectric conversion element 72. Due to this gap, the first photoelectric conversion element 62 can more easily receive or expose the incident light 116 from the outside of the solid-state image sensor 10 to the solid-state image sensor 10, and the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention has brightness. Is easier to detect.

図2及び図3では、側面視において、第2光電変換素子72、各カラーフィルタ、及び光学素子92のそれぞれの幅は同一であるが、この例に限定されない。第2光電変換素子72、各カラーフィルタ、及び光学素子92のそれぞれの幅は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10の構成を逸脱しない範囲において、適宜決定されればよい。 In FIGS. 2 and 3, the widths of the second photoelectric conversion element 72, each color filter, and the optical element 92 are the same in the side view, but the width is not limited to this example. The widths of the second photoelectric conversion element 72, each color filter, and the optical element 92 may be appropriately determined as long as they do not deviate from the configuration of the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention.

1−2.輝度グループ150の構成
図4〜図6を用いて、輝度グループ150の構成について説明する。図4は本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10の画素部101の構成を示す平面図である。図5及び図6は本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10の輝度グループ150の構成を示す平面図である。図1〜図3を用いた本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10の構成の説明においては、輝度グループ150の配列はN=3、M=4である例を説明したが、図4〜図6を用いた輝度グループ150の構成の説明においては、N=n、M=mである例を説明する。なお、図1〜図3と同一、又は類似する構成の説明は、省略されることがある。
1-2. Configuration of Luminance Group 150 The configuration of the luminance group 150 will be described with reference to FIGS. 4 to 6. FIG. 4 is a plan view showing the configuration of the pixel portion 101 of the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention. 5 and 6 are plan views showing the configuration of the brightness group 150 of the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention. In the description of the configuration of the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention using FIGS. 1 to 3, an example in which the arrangement of the luminance groups 150 is N = 3 and M = 4 has been described. In the description of the configuration of the luminance group 150 with reference to FIG. 6, an example in which N = n and M = m will be described. The description of the same or similar configuration as in FIGS. 1 to 3 may be omitted.

図4に示されるように、画素部101は、N行M列の輝度グループ150を有する。輝度グループ150は、第1の方向及び第1の方向に交差する第2の方向に沿って配置される。例えば、輝度グループ150は、第1の方向であるX方向に平行な方向にn個配置され、第2の方向であるY方向に平行な方向にm個配置される。m及びnはそれぞれ独立に設定される自然数である。輝度グループ150の内部に記載された数値は、輝度グループ150の座標である。例えば、2行1列に配置される輝度グループ150の座標は(2、1)と示している。n行m列に配置される輝度グループ150の座標は(n、m)と示している。 As shown in FIG. 4, the pixel unit 101 has a luminance group 150 of N rows and M columns. The brightness group 150 is arranged along a first direction and a second direction that intersects the first direction. For example, n luminance groups 150 are arranged in a direction parallel to the X direction, which is the first direction, and m luminance groups 150 are arranged in a direction parallel to the Y direction, which is the second direction. m and n are natural numbers set independently of each other. The numerical value described inside the luminance group 150 is the coordinates of the luminance group 150. For example, the coordinates of the luminance group 150 arranged in 2 rows and 1 column are shown as (2, 1). The coordinates of the luminance group 150 arranged in n rows and m columns are shown as (n, m).

上述のように、輝度グループ150は、一つの第1光電変換素子62、及び、y×x個の画素100を有する。すなわち、一つの輝度グループ150は、一つの第1光電変換素子62、及びy×x個の画素又は画素の組を有する。図5に示された例では、y=x=8である。上述した通り、各画素100は、一つの第2光電変換素子72を有するため、輝度グループ150は8×8個の第2光電変換素子72を有すると換言してもよい。輝度グループ150と同様に、画素100は、第1の方向及び第1の方向に交差する第2の方向に沿って配置される。例えば、画素100は、第1の方向であるX方向に平行にX個配置され、第2の方向であるY方向に平行にY個配置される。XとYはそれぞれ独立に設定される自然数である。図5及び図6においては、Y=X=8である例を示すが、この例に限定されない。画素100の内部に記載された数値は、輝度グループ150の内部に記載された数値と同様に、画素100の座標である。例えば、4行7列に配置される画素100の座標は(4、7)と示している。8行8列に配置される画素100の座標は(8、8)と示している。なお、図5に記載された輝度グループ150は、画素部101において、1行1列に配置された輝度グループ150である。よって、1行1列に配置された輝度グループ150内に配置された画素100は、Xが1から8まで、Yが1から8までの座標の画素100である。 As described above, the luminance group 150 has one first photoelectric conversion element 62 and y × x pixels 100. That is, one luminance group 150 has one first photoelectric conversion element 62 and y × x pixels or a set of pixels. In the example shown in FIG. 5, y = x = 8. As described above, since each pixel 100 has one second photoelectric conversion element 72, it may be said that the luminance group 150 has 8 × 8 second photoelectric conversion elements 72. Similar to the luminance group 150, the pixels 100 are arranged along a first direction and a second direction that intersects the first direction. For example, X pixels 100 are arranged parallel to the X direction, which is the first direction, and Y pixels are arranged parallel to the Y direction, which is the second direction. X and Y are natural numbers that are set independently. 5 and 6 show an example in which Y = X = 8, but the present invention is not limited to this example. The numerical value described inside the pixel 100 is the coordinate of the pixel 100, similarly to the numerical value described inside the luminance group 150. For example, the coordinates of the pixels 100 arranged in 4 rows and 7 columns are shown as (4, 7). The coordinates of the pixels 100 arranged in 8 rows and 8 columns are shown as (8, 8). The luminance group 150 shown in FIG. 5 is the luminance group 150 arranged in one row and one column in the pixel unit 101. Therefore, the pixels 100 arranged in the luminance group 150 arranged in one row and one column are the pixels 100 having coordinates X of 1 to 8 and Y of 1 to 8.

図6に示される輝度グループ150は、図5において説明された輝度グループ150の構成と同様の構成を有し、画素部101においてN行M列に配置された輝度グループ150である。よって、N行M列に配置された輝度グループ150内に配置された画素100は、Yが8n−7から8nまで、Xが8m−7から8mまでの座標の画素100である。 The luminance group 150 shown in FIG. 6 has the same configuration as the luminance group 150 described in FIG. 5, and is the luminance group 150 arranged in N rows and M columns in the pixel unit 101. Therefore, the pixel 100 arranged in the luminance group 150 arranged in the N rows and M columns is the pixel 100 having coordinates Y of 8n-7 to 8n and X of 8m-7 to 8m.

本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10は、上述したような構成を有することによって、各輝度グループに設けられた第1光電変換素子62によって輝度を検出し、当該検出された輝度に基づき算出された露光時間に基づき、各輝度グループに設けられた第2光電変換素子72によって被写体を露光し、被写体を撮像することができる。よって、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10を用いることで、撮像者は、被写体の明暗が反映された画像を得ることができる。 The solid-state image sensor 10 according to an embodiment of the present invention has the above-described configuration, and thus the brightness is detected by the first photoelectric conversion element 62 provided in each brightness group, and based on the detected brightness. Based on the calculated exposure time, the subject can be exposed by the second photoelectric conversion element 72 provided in each luminance group, and the subject can be imaged. Therefore, by using the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention, the imager can obtain an image in which the brightness and darkness of the subject are reflected.

1−3.固体撮像装置10の駆動方法
図7及び図8を用いて、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10の駆動方法について説明する。なお、図1〜図6と同一、又は類似する構成の説明は、省略されることがある。
1-3. Driving Method of Solid-State Image Sensor 10 The driving method of the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7 and 8. The description of the same or similar configuration as in FIGS. 1 to 6 may be omitted.

図7(A)は本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10の画素100の明暗を示す概略図である。図7(B)は図7(A)に示された固体撮像装置10の駆動方法を示すタイミングチャートである。図8は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10の駆動方法を示すフローチャートである。図7では、輝度グループは輝度Gと記載される。 FIG. 7A is a schematic view showing the brightness and darkness of the pixel 100 of the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention. FIG. 7B is a timing chart showing a driving method of the solid-state image sensor 10 shown in FIG. 7A. FIG. 8 is a flowchart showing a driving method of the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention. In FIG. 7, the luminance group is described as luminance G.

図7(A)に一例として示されるように、輝度グループ150は1行3列(N=1、M=3)のマトリクス状に配列されている。また、図7(A)に一例として示されるように、輝度グループ内では、2×2個の画素100が配列され、画素部101内では、2×6個の画素100が配列されている。また、画素100は、第2光電変換素子72を有しているため、輝度グループ内では、2×2個の第2光電変換素子72が配列され、画素部101内では、2×6個の第2光電変換素子72が配列されている。さらに、図7(A)に一例として示されるように、1行1列(N=1、M=1)の輝度グループ150が露光する光は、暗いものとし、左斜線のハッチングで示される。同様に、1行2列(N=1、M=2)の輝度グループ150が露光する光は、中間調であるものとし、右斜線のハッチングで示され、1行3列(N=1、M=3)の輝度グループ150が露光する光は、明るいものとする。 As shown as an example in FIG. 7A, the luminance groups 150 are arranged in a matrix of 1 row and 3 columns (N = 1, M = 3). Further, as shown as an example in FIG. 7A, 2 × 2 pixels 100 are arranged in the luminance group, and 2 × 6 pixels 100 are arranged in the pixel portion 101. Further, since the pixel 100 has the second photoelectric conversion element 72, 2 × 2 second photoelectric conversion elements 72 are arranged in the luminance group, and 2 × 6 in the pixel portion 101. The second photoelectric conversion element 72 is arranged. Further, as shown as an example in FIG. 7A, the light exposed by the luminance group 150 in rows and columns (N = 1, M = 1) is assumed to be dark and is indicated by hatching on the left diagonal line. Similarly, the light exposed by the luminance group 150 in 1 row and 2 columns (N = 1, M = 2) is assumed to be halftone and is indicated by hatching on the right diagonal line, and 1 row and 3 columns (N = 1, M = 2). The light exposed by the luminance group 150 of M = 3) is assumed to be bright.

図7(B)には、固体撮像装置10の駆動方法における二つのフレーム(第t番目の輝度フレームtと第t+1番目の輝度フレームt+1、又は、第t−1番目の画像フレームt−1と第t番目の画像フレームt)が、一例として示されている。ここで、輝度フレームは第1PD62の露光に関連する期間であり、画像フレームは第2PD72の露光に関連する期間である。なお、以降の説明においては、駆動方法におけるフレームは画像フレームを用いることとする。 FIG. 7B shows two frames (tth luminance frame t and t + 1th luminance frame t + 1, or t-1st image frame t-1) in the driving method of the solid-state image sensor 10. The t-th image frame t) is shown as an example. Here, the luminance frame is a period related to the exposure of the first PD62, and the image frame is a period related to the exposure of the second PD72. In the following description, an image frame will be used as the frame in the driving method.

図8に示されるように、固体撮像装置10の駆動が開始される。初めに、固体撮像装置10が初期化される(ステップ31(S31))。ここで、初期化とは、固体撮像装置10の起動の際に、固体撮像装置10の新たな作業に不要なデータが記憶回路230に残っていることを回避するために、当該不要なデータを消去することを含む。初期化には、固体撮像装置10を初期の状態に戻すことが含まれていてもよい。初期化によって、固体撮像装置10は新たな画像を撮像することができる。なお、固体撮像装置10に消去するデータがない場合など、固体撮像装置10の初期化の必要がない場合は、ステップ31は実行されなくてもよい。また、ステップ31は第t−1番目の画像フレームt−1において実行されてもよいし、第t−1番目の画像フレームt−1よりも前に実行されてもよい。 As shown in FIG. 8, the driving of the solid-state image sensor 10 is started. First, the solid-state image sensor 10 is initialized (step 31 (S31)). Here, initialization means that when the solid-state image sensor 10 is started, the unnecessary data is stored in the storage circuit 230 in order to prevent data unnecessary for new work of the solid-state image sensor 10 from remaining in the storage circuit 230. Including erasing. Initialization may include returning the solid-state image sensor 10 to its initial state. By initialization, the solid-state image sensor 10 can capture a new image. If it is not necessary to initialize the solid-state image sensor 10, such as when the solid-state image sensor 10 does not have data to be erased, step 31 may not be executed. Further, the step 31 may be executed in the t-1st image frame t-1 or may be executed before the t-1st image frame t-1.

第t−1番目の画像フレームt−1では、図8に示されるステップ33(S33)が行われる。ステップ33(S33)では、輝度グループ150の1行目(N=1)の1列目(M=1)から3列目(M=3)までの第1PD62が選択され、選択された1列目(M=1)から3列目(M=3)までの第1PD62が露光し、各第1PD62が露光した光に基づき生成された各輝度信号が、露光時間算出回路240に供給される。ステップ33が実行される時間を時間T1とする。時間T1は第1PD62の露光に関連する時間と言い換えてもよい。すなわち、固体撮像装置10は、輝度グループ150を一行毎に選択し、各輝度グループ150の各第1PD62は、露光した光に基づき輝度を検出する。生成された各輝度信号は、読み出し回路300(図1)によって第1デジタル信号302(図1)、すなわち、各輝度グループ150の輝度信号に対応したデジタル輝度信号に変換される。デジタル輝度信号は、露光時間算出回路240(図1)に供給される。 In the first t-1th image frame t-1, step 33 (S33) shown in FIG. 8 is performed. In step 33 (S33), the first PD62 from the first column (M = 1) to the third column (M = 3) of the first row (N = 1) of the luminance group 150 is selected, and the selected first column. The first PD62 from the eyes (M = 1) to the third row (M = 3) is exposed, and each luminance signal generated based on the light exposed by each first PD62 is supplied to the exposure time calculation circuit 240. Let time T1 be the time when step 33 is executed. The time T1 may be rephrased as the time related to the exposure of the first PD62. That is, the solid-state image sensor 10 selects the luminance group 150 line by line, and each first PD62 of each luminance group 150 detects the luminance based on the exposed light. Each of the generated luminance signals is converted into a first digital signal 302 (FIG. 1) by the readout circuit 300 (FIG. 1), that is, a digital luminance signal corresponding to the luminance signal of each luminance group 150. The digital luminance signal is supplied to the exposure time calculation circuit 240 (FIG. 1).

第t−1番目の画像フレームt−1において露光時間算出回路240に供給された各輝度信号が露光時間算出回路240に供給されてから、第t−1番目の画像フレームt−1に続く第t番目の画像フレームtにおいて第2PD72が露光するまでに、固体撮像装置10において図8に示されるステップ35(S35)からステップ39(S39)までが実行されてもよい。 After each luminance signal supplied to the exposure time calculation circuit 240 in the first t-1st image frame t-1 is supplied to the exposure time calculation circuit 240, the third image frame t-1 following the t-1st image frame t-1. By the time the second PD 72 is exposed in the t-th image frame t, steps 35 (S35) to 39 (S39) shown in FIG. 8 may be executed in the solid-state image sensor 10.

ステップ35(S35)では、露光時間算出回路240において、デジタル輝度信号に基づき露光時間が算出される。露光時間の算出は、画素部101の一行毎の各輝度グループ150に対して実行されてもよいし、複数行のデータの各輝度グループ150に対して実行されてもよい。ここで、図7(A)に示されるように、1行1列(N=1、M=1)の輝度グループ150が露光する光は暗く、1行2列(N=1、M=2)の輝度グループ150が露光する光は中間調であり、1行3列(N=1、M=3)の輝度グループ150が露光する光は明るい。よって、詳細は後述するが、図7(B)に示されるように、1行1列(N=1、M=1)の輝度グループ150に対応する画素100に含まれる第2PD72が露光するときの露光時間T2は、1行2列(N=1、M=2)の輝度グループ150に対応する画素100に含まれる第2PD72が露光するときの露光時間T3よりも長い。また、詳細は後述するが、図7(B)に示されるように、1行2列(N=1、M=2)の輝度グループ150に対応する画素100に含まれる第2PD72が露光するときの露光時間T3は、1行3列(N=1、M=3)の輝度グループ150に対応する画素100に含まれる第2PD72が露光するときの露光時間T4よりも長い。 In step 35 (S35), the exposure time calculation circuit 240 calculates the exposure time based on the digital luminance signal. The calculation of the exposure time may be executed for each luminance group 150 for each row of the pixel unit 101, or may be executed for each luminance group 150 for a plurality of rows of data. Here, as shown in FIG. 7A, the light exposed by the luminance group 150 of 1 row and 1 column (N = 1, M = 1) is dark and 1 row and 2 columns (N = 1, M = 2). The light exposed by the luminance group 150 of) is halftone, and the light exposed by the luminance group 150 of 1 row and 3 columns (N = 1, M = 3) is bright. Therefore, although the details will be described later, as shown in FIG. 7B, when the second PD72 included in the pixel 100 corresponding to the luminance group 150 of 1 row and 1 column (N = 1, M = 1) is exposed. The exposure time T2 is longer than the exposure time T3 when the second PD 72 included in the pixel 100 corresponding to the luminance group 150 of 1 row and 2 columns (N = 1, M = 2) is exposed. Further, as will be described in detail later, as shown in FIG. 7B, when the second PD72 included in the pixel 100 corresponding to the luminance group 150 of 1 row and 2 columns (N = 1, M = 2) is exposed. The exposure time T3 is longer than the exposure time T4 when the second PD 72 included in the pixel 100 corresponding to the luminance group 150 of 1 row and 3 columns (N = 1, M = 3) is exposed.

ステップ37(S37)では、算出された各輝度グループ150に対応した露光時間は記憶回路230(図1)に供給され、記憶回路230に格納される。算出された露光時間の記憶回路230への供給は、一行毎の各輝度グループ150に対応した露光時間を一つの単位として実行されてもよいし、複数行のデータの各輝度グループ150に対応した露光時間を一つの単位として実行されてもよい。 In step 37 (S37), the calculated exposure time corresponding to each luminance group 150 is supplied to the storage circuit 230 (FIG. 1) and stored in the storage circuit 230. The calculated exposure time may be supplied to the storage circuit 230 with the exposure time corresponding to each luminance group 150 for each row as one unit, or the calculated exposure time may be supplied to each luminance group 150 of the data of a plurality of rows. The exposure time may be executed as one unit.

ステップ39(S39)では、記憶回路230に格納された露光時間が記憶回路230から読み出され、第2光電変換素子露光制御回路220(図1)に供給される。算出された露光時間の記憶回路230から第2光電変換素子露光制御回路220への供給は、一行毎の各輝度グループ150に対応した露光時間を一つの単位として実行されてもよいし、複数行のデータの各輝度グループ150に対応した露光時間を一つの単位として実行されてもよい。 In step 39 (S39), the exposure time stored in the storage circuit 230 is read out from the storage circuit 230 and supplied to the second photoelectric conversion element exposure control circuit 220 (FIG. 1). The supply of the calculated exposure time from the storage circuit 230 to the second photoelectric conversion element exposure control circuit 220 may be executed with the exposure time corresponding to each luminance group 150 for each line as one unit, or a plurality of lines. The exposure time corresponding to each luminance group 150 of the data may be executed as one unit.

上述のように、図7(B)に示された第t番目の画像フレームtでは、露光時間に基づき第2光電変換素子72によって被写体が露光される(図8におけるステップ41(S41))。第2光電変換素子露光制御回路220は、例えば、信号処理回路52を制御することによって、読み出された露光時間を設定し、固体撮像装置10は被写体を撮像することができる。 As described above, in the t-th image frame t shown in FIG. 7B, the subject is exposed by the second photoelectric conversion element 72 based on the exposure time (step 41 (S41) in FIG. 8). The second photoelectric conversion element exposure control circuit 220 sets the read exposure time by controlling the signal processing circuit 52, for example, and the solid-state image sensor 10 can image the subject.

具体的には、図7(B)に示されるように、固体撮像装置10は、Yが1行目の画素100を選択する。Yが1行目の画素100が選択されるとき、1行1列(N=1、M=1)の輝度グループの第1PD62の輝度信号から算出された露光時間に基づき、X=1及びX=2の画素100に含まれる第2PD72が露光する。そして、各第2PD72によって生成された各第2信号(被写体に対応した画像データ)が読み出し回路300に供給される。このとき、1行1列(N=1、M=1)の露光時間は露光時間T2である。同様にして、1行2列(N=1、M=2)の輝度グループの第1PD62の輝度信号から算出された露光時間に基づき、X=3及びX=4の画素100に含まれる第2PD72が露光する。そして、各第2PD72によって生成された各第2信号(被写体に対応した画像データ)が読み出し回路300に供給される。このとき、1行2列(N=1、M=2)の露光時間は露光時間T3である。さらに同様にして、1行3列(N=1、M=3)の輝度グループの第1PD62の輝度信号から算出された露光時間に基づき、X=5及びX=6の画素100に含まれる第2PD72が露光する。そして、各第2PD72によって生成された各第2信号(被写体に対応した画像データ)が読み出し回路300に供給される。このとき、1行3列(N=1、M=3)の露光時間は露光時間T4である。また、X=1からX=6までの第2PD72において、露光時間に応じた第2信号の生成は、同一又は略同一の時間に終了する。第2信号の生成が同一又は略同一に終了することによって、各第2信号を略同一のタイミングで読み出し回路300に供給することができる。 Specifically, as shown in FIG. 7B, the solid-state image sensor 10 selects the pixel 100 in which Y is in the first row. When pixel 100 in the first row of Y is selected, X = 1 and X are based on the exposure time calculated from the luminance signal of the first PD62 of the luminance group of 1 row and 1 column (N = 1, M = 1). The second PD72 included in the = 2 pixel 100 is exposed. Then, each second signal (image data corresponding to the subject) generated by each second PD 72 is supplied to the readout circuit 300. At this time, the exposure time of 1 row and 1 column (N = 1, M = 1) is the exposure time T2. Similarly, the second PD72 included in the pixel 100 of X = 3 and X = 4 based on the exposure time calculated from the luminance signal of the first PD62 of the luminance group of 1 row and 2 columns (N = 1, M = 2). Is exposed. Then, each second signal (image data corresponding to the subject) generated by each second PD 72 is supplied to the readout circuit 300. At this time, the exposure time of 1 row and 2 columns (N = 1, M = 2) is the exposure time T3. Further, in the same manner, the first pixel 100 included in the pixels 100 of X = 5 and X = 6 based on the exposure time calculated from the luminance signal of the first PD62 of the luminance group of 1 row and 3 columns (N = 1, M = 3). 2PD72 is exposed. Then, each second signal (image data corresponding to the subject) generated by each second PD 72 is supplied to the readout circuit 300. At this time, the exposure time of 1 row and 3 columns (N = 1, M = 3) is the exposure time T4. Further, in the second PD72 from X = 1 to X = 6, the generation of the second signal according to the exposure time ends at the same or substantially the same time. By completing the generation of the second signal in the same or substantially the same manner, each second signal can be supplied to the readout circuit 300 at substantially the same timing.

次に、固体撮像装置10は、Yが2行目の画素100を選択する。Yが2行目の画素100が選択されるとき、各第2PD72の駆動、及び露光時間などは、上述されたYが1行目の画素100が選択されるときと同様であるから、ここでの説明は省略する。 Next, the solid-state image sensor 10 selects the pixel 100 in which Y is in the second row. When the pixel 100 in the second row is selected for Y, the drive and exposure time of each second PD72 are the same as when the pixel 100 in the first row is selected for Y described above. The description of is omitted.

なお、第t番目の画像フレームtでは、第t番目の画像フレームtに続く第t+1番目の画像フレームt+1において実行されるステップ41に対応する露光時間を算出するためのステップ33も実行される。 In the t-th image frame t, step 33 for calculating the exposure time corresponding to the step 41 executed in the t + 1th image frame t + 1 following the t-th image frame t is also executed.

上述のように、複数の第2信号はまとめて第2信号114(図1)で示されている。読み出し回路300に供給された第2信号114は、各行の第2信号114に対する第2デジタル信号(まとめて第2デジタル信号304)に変換される。第2デジタル信号304は被写体に対応したデジタル画像データである。 As described above, the plurality of second signals are collectively shown by the second signal 114 (FIG. 1). The second signal 114 supplied to the readout circuit 300 is converted into a second digital signal (collectively, a second digital signal 304) for the second signal 114 of each line. The second digital signal 304 is digital image data corresponding to the subject.

以上のようにして撮像された画像データは、画像処理回路500によって画像処理され、被写体の画像として出力される。そして、固体撮像装置10の駆動が完了される。なお、本明細書中においては、駆動方法の理解の促進のため、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10の駆動方法は、簡易的に示されているが、ここで示された例に限定されない。例えば、第t番目の画像フレームtにおいて、第1PD62の受光強度は一定であり輝度信号も一定であってもよいし、第1PD62の受光強度は時間ごとに変化し受光強度の変化に伴い輝度信号が変化してもよい。また、各フレームにおいて、第1PD62の受光強度は一定であり輝度信号も一定であってもよいし、第1PD62の受光強度は時間ごとに変化し受光強度の変化に伴い輝度信号が変化してもよい。固体撮像装置において、輝度信号に基づく露光時間で各第2光電変換素子の露光時間が制御され、一度の撮像で被写体の明暗を反映させた画像を得ることができる駆動方法であればよい。 The image data captured as described above is image-processed by the image processing circuit 500 and output as an image of the subject. Then, the driving of the solid-state image sensor 10 is completed. In addition, in this specification, in order to promote understanding of the driving method, the driving method of the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention is simply shown, but the example shown here. Not limited to. For example, in the t-th image frame t, the light receiving intensity of the first PD62 may be constant and the luminance signal may be constant, and the luminance signal of the first PD62 changes with time and the luminance signal changes with the change of the luminance signal. May change. Further, in each frame, the light receiving intensity of the first PD62 may be constant and the luminance signal may be constant, or the luminance signal of the first PD62 may change with time and the luminance signal may change as the light receiving intensity changes. Good. In the solid-state image sensor, any drive method may be used as long as the exposure time of each second photoelectric conversion element is controlled by the exposure time based on the luminance signal and an image reflecting the brightness and darkness of the subject can be obtained by one imaging.

以上説明されたように、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10は、二つの光電変換素子を有する輝度グループを備えることによって、第1のフレームで第1光電変換素子によって輝度信号を生成することができる。また、第2のフレームにおいて前記輝度信号に基づく露光時間で各第2光電変換素子の露光時間が制御され、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10は、一度の撮像で被写体の明暗を反映させた画像を得ることができる。すなわち、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10は、各輝度グループ毎に露光時間を最適化することができるため、高い輝度が検出される画素100において出力されるアナログ信号の飽和を防ぐことができる。したがって、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10は、一度の撮像でダイナミックレンジを広くすることが可能である。 As described above, the solid-state image pickup device 10 according to the embodiment of the present invention includes a luminance group having two photoelectric conversion elements, whereby a luminance signal is generated by the first photoelectric conversion element in the first frame. can do. Further, in the second frame, the exposure time of each second photoelectric conversion element is controlled by the exposure time based on the luminance signal, and the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention can change the brightness of the subject by one imaging. The reflected image can be obtained. That is, since the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention can optimize the exposure time for each luminance group, it prevents saturation of the analog signal output in the pixel 100 in which high luminance is detected. be able to. Therefore, the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention can widen the dynamic range by one imaging.

1−4.固体撮像装置10の駆動方法
図9〜図11を用いて、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10の駆動方法について説明する。
1-4. Driving Method of Solid-State Image Sensor 10 The driving method of the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 9 to 11.

図9(A)は本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10の第t−1番目の画像フレームt−1における画素100の明暗を示す概略図である。図9(B)は本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10の第t番目の画像フレームtにおける画素100の明暗を示す概略図である。図9(C)は本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10の第t+1番目の画像フレームt+1における画素100の明暗を示す概略図である。図10は図9(A)に示された第t−1番目の画像フレームt−1及び図9(B)に示された第t番目の画像フレームtにおける本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10の駆動方法を示すタイミングチャートである。図11は図9(B)に示された第t番目の画像フレームt及び図9(C)に示された第t+1番目の画像フレームt+1における本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10の駆動方法を示すタイミングチャートである。図10及び図11では、輝度グループは輝度Gと記載される。 FIG. 9A is a schematic view showing the brightness and darkness of the pixel 100 in the t-1th image frame t-1 of the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention. FIG. 9B is a schematic view showing the brightness and darkness of the pixel 100 in the t-th image frame t of the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention. FIG. 9C is a schematic view showing the brightness and darkness of the pixel 100 in the t + 1th image frame t + 1 of the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention. FIG. 10 shows a solid according to an embodiment of the present invention in the t-1st image frame t-1 shown in FIG. 9A and the tth image frame t shown in FIG. 9B. It is a timing chart which shows the driving method of the image pickup apparatus 10. FIG. 11 shows the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention in the t-th image frame t shown in FIG. 9 (B) and the t + 1-th image frame t + 1 shown in FIG. 9 (C). It is a timing chart which shows the driving method. In FIGS. 10 and 11, the luminance group is referred to as luminance G.

図9〜図11における固体撮像装置10の構成は、図7及び図8を用いて説明された駆動方法における固体撮像装置10の構成と比較して、輝度グループ150が1行3列(N=1、M=3)から、2行4列(N=2、M=4)に変わっている。また、図9〜図11の駆動方法は、図7及び図8を用いて説明された駆動方法と比較して、画像フレームの数が二つから三つに変わっている。図9〜図11は、図7及び図8と比較して、輝度グループ150の配列数及びフレームの数以外は同様であるから、ここでは図7及び図8と比較して主に異なる点を説明する。なお、図1〜図8と同一、又は類似する構成の説明は、省略されることがある。 In the configuration of the solid-state image sensor 10 in FIGS. 9 to 11, the brightness group 150 has 1 row and 3 columns (N =) as compared with the configuration of the solid-state image sensor 10 in the driving method described with reference to FIGS. 7 and 8. It has changed from 1, M = 3) to 2 rows and 4 columns (N = 2, M = 4). Further, in the driving method of FIGS. 9 to 11, the number of image frames has changed from two to three as compared with the driving method described with reference to FIGS. 7 and 8. 9 to 11 are the same as those of FIGS. 7 and 8 except for the number of arrays and the number of frames of the luminance group 150. Therefore, here, the main differences from those of FIGS. 7 and 8 are different. explain. The description of the same or similar configuration as in FIGS. 1 to 8 may be omitted.

図9(A)、図9(B)及び図9(C)に一例として示されるように、輝度グループ150は2行4列(N=2、M=4)のマトリクス状に配列されている。また、輝度グループ内では、2×2個の画素100が配列され、画素部101内では、4×8個の画素100が配列されている。なお、第2光電変換素子72も輝度グループ内では、2×2個配列され、画素部101内では、4×8個配列されている。 As shown as an example in FIGS. 9 (A), 9 (B), and 9 (C), the luminance groups 150 are arranged in a matrix of 2 rows and 4 columns (N = 2, M = 4). .. Further, in the luminance group, 2 × 2 pixels 100 are arranged, and in the pixel portion 101, 4 × 8 pixels 100 are arranged. The second photoelectric conversion element 72 is also arranged in 2 × 2 in the luminance group and 4 × 8 in the pixel portion 101.

図9(A)、図9(B)及び図9(C)に示される画素100の明暗は、図7(A)と同様に、露光する光が暗い輝度グループ150は左斜線のハッチングで示され、露光する光が中間調の輝度グループ150は右斜線のハッチングで示され、露光する光が明るい輝度グループ150はハッチング無しで示される。 The brightness of the pixel 100 shown in FIGS. 9 (A), 9 (B) and 9 (C) is the same as in FIG. 7 (A). The brightness group 150 in which the light to be exposed is in the middle tone is indicated by hatching on the right diagonal line, and the brightness group 150 in which the light to be exposed is bright is shown without hatching.

図9(A)に示されるように、1行1列(N=1、M=1)及び2行2列(N=2、M=2)の輝度グループ150は露光する光が暗い。1行2列(N=1、M=2)、1行4列(N=1、M=4)及び2行3列(N=2、M=3)の輝度グループ150は露光する光が中間調である。1行3列(N=1、M=3)、2行1列(N=2、M=1)及び2行4列(N=2、M=4)の輝度グループ150は露光する光が明るい。 As shown in FIG. 9A, the luminance group 150 of 1 row 1 column (N = 1, M = 1) and 2 rows 2 columns (N = 2, M = 2) exposes dark light. The brightness group 150 of 1 row and 2 columns (N = 1, M = 2), 1 row and 4 columns (N = 1, M = 4) and 2 rows and 3 columns (N = 2, M = 3) is exposed to light. It is a halftone. The brightness group 150 of 1 row and 3 columns (N = 1, M = 3), 2 rows and 1 column (N = 2, M = 1) and 2 rows and 4 columns (N = 2, M = 4) is exposed to light. bright.

図9(B)に示されるように、1行3列(N=1、M=3)の輝度グループ150は露光する光が暗い。1行2列(N=1、M=2)、2行1列(N=2、M=1)、及び2行3列(N=2、M=3)の輝度グループ150は露光する光が中間調である。1行1列(N=1、M=1)、1行4列(N=1、M=4)、2行2列(N=2、M=2)及び2行4列(N=2、M=4)の輝度グループ150は露光する光が明るい。 As shown in FIG. 9B, the luminance group 150 of 1 row and 3 columns (N = 1, M = 3) exposes dark light. The brightness group 150 of 1 row and 2 columns (N = 1, M = 2), 2 rows and 1 column (N = 2, M = 1), and 2 rows and 3 columns (N = 2, M = 3) is the light to be exposed. Is in the middle tone. 1 row 1 column (N = 1, M = 1), 1 row 4 columns (N = 1, M = 4), 2 rows and 2 columns (N = 2, M = 2) and 2 rows and 4 columns (N = 2) In the brightness group 150 of M = 4), the light to be exposed is bright.

図9(C)に示されるように、1行3列(N=1、M=3)及び1行4列(N=1、M=4)の輝度グループ150は露光する光が暗い。1行1列(N=1、M=1)、1行2列(N=1、M=2)、及び2行1列(N=2、M=1)の輝度グループ150は露光する光が中間調である。2行2列(N=2、M=2)、2行3列(N=2、M=3)及び2行4列(N=2、M=4)の輝度グループ150は露光する光が明るい。 As shown in FIG. 9C, the luminance group 150 of 1 row and 3 columns (N = 1, M = 3) and 1 row and 4 columns (N = 1, M = 4) exposes dark light. The brightness group 150 of 1 row and 1 column (N = 1, M = 1), 1 row and 2 columns (N = 1, M = 2), and 2 rows and 1 column (N = 2, M = 1) is the light to be exposed. Is in the middle tone. The brightness group 150 of 2 rows and 2 columns (N = 2, M = 2), 2 rows and 3 columns (N = 2, M = 3) and 2 rows and 4 columns (N = 2, M = 4) is exposed to light. bright.

例えば、1行4列(N=1、M=4)の輝度グループ150に着目すると、第t−1番目の画像フレームt−1において1行4列(N=1、M=4)の輝度グループ150は露光する光が中間調である。第t番目の画像フレームtにおいて1行4列(N=1、M=4)の輝度グループ150は露光する光が明るい。第t+1番目の画像フレームt+1において1行4列(N=1、M=4)の輝度グループ150は露光する光が暗い。したがって、固体撮像装置10が第t−1番目の画像フレームt−1から第t番目の画像フレームtに変化するとき、輝度グループ150が露光する光は中間調の光から明るい光に変化している。また、固体撮像装置10が第t番目の画像フレームtから第t+1番目の画像フレームt+1に変化するとき、輝度グループ150が露光する光は明るい光から暗い光に変化している。1行4列(N=1、M=4)以外の輝度グループ150も、1行4列(N=1、M=4)の輝度グループ150と同様に、各画像フレームに対して露光する光が変化するモノと、変化しないモノとがある。本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10は、輝度グループ150が第1PD62を備えることによって、各画像フレームにおける各輝度グループ150の輝度信号を生成することができる。 For example, focusing on the brightness group 150 of 1 row and 4 columns (N = 1, M = 4), the brightness of 1 row and 4 columns (N = 1, M = 4) in the t-1st image frame t-1. In group 150, the light to be exposed is halftone. In the t-th image frame t, the light to be exposed is bright in the luminance group 150 of 1 row and 4 columns (N = 1, M = 4). In the t + 1th image frame t + 1, the luminance group 150 of 1 row and 4 columns (N = 1, M = 4) exposes dark light. Therefore, when the solid-state image sensor 10 changes from the t-1st image frame t-1 to the tth image frame t, the light exposed by the luminance group 150 changes from halftone light to bright light. There is. Further, when the solid-state image sensor 10 changes from the t-th image frame t to the t + 1th image frame t + 1, the light exposed by the luminance group 150 changes from bright light to dark light. Brightness groups 150 other than 1 row and 4 columns (N = 1, M = 4) are also exposed to light for each image frame in the same manner as 1 row and 4 columns (N = 1, M = 4) luminance group 150. There are things that change and things that do not change. The solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention can generate a luminance signal of each luminance group 150 in each image frame by including the first PD 62 in the luminance group 150.

ここで、1行4列(N=1、M=4)の輝度グループ150に着目し、図9(A)〜図9(C)を用いて上述された1行4列(N=1、M=4)の輝度グループ150の各画像フレームにおける駆動を図10及び図11を用いて説明する。 Here, focusing on the luminance group 150 of 1 row and 4 columns (N = 1, M = 4), the 1 row and 4 columns (N = 1, M = 4) described above using FIGS. 9 (A) to 9 (C) are used. The driving of each image frame of the luminance group 150 of M = 4) will be described with reference to FIGS. 10 and 11.

図10に示されるように、第t−1番目の画像フレームt−1においては、第t−2番目の画像フレームt−2(図示は省略)において輝度グループ150の1行目(N=1)に含まれる4列目(M=4)の第1PD62が露光した光に基づき輝度信号が生成される。次に、生成された輝度信号に基づき算出された露光時間で、1行4列(N=1、M=4)の輝度グループ150が有するX=7及びX=8の画素100に含まれる第2PD72が露光する。このとき、1行4列(N=1、M=4)の輝度グループ150が露光する光は中間調の光である(図9(A))。図9(A)に示されるように、1行4列(N=1、M=4)の第2PD72が露光する光は、1行2列(N=1、M=2)の第2PD72と同様に中間調の光であり、1行3列(N=1、M=3)の第2PD72が露光する光は明るい光であり、1行1列(N=1、M=2)の第2PD72が露光する光は暗い光である。よって、図10に示されるように、1行4列(N=1、M=4)のX=7及びX=8の第2PD72の露光時間は、1行2列(N=1、M=2)のX=3及びX=4の第2PD72の露光時間と同じであり、1行3列(N=1、M=3)のX=5及びX=6の第2PD72の露光時間よりも長く、かつ、1行1列(N=1、M=1)のX=1及びX=2の第2PD72の露光時間よりも短い。 As shown in FIG. 10, in the t-1th image frame t-1, in the t-2nd image frame t-2 (not shown), the first row (N = 1) of the luminance group 150. ), A luminance signal is generated based on the light exposed by the first PD62 in the fourth row (M = 4). Next, the exposure time calculated based on the generated luminance signal is included in the pixels 100 of X = 7 and X = 8 included in the luminance group 150 of 1 row and 4 columns (N = 1, M = 4). 2PD72 is exposed. At this time, the light exposed by the luminance group 150 in 1 row and 4 columns (N = 1, M = 4) is halftone light (FIG. 9 (A)). As shown in FIG. 9A, the light exposed by the second PD72 in 1 row and 4 columns (N = 1, M = 4) is the second PD72 in 1 row and 2 columns (N = 1, M = 2). Similarly, it is a halftone light, and the light exposed by the second PD72 in 1 row and 3 columns (N = 1, M = 3) is bright light, and the light in 1 row and 1 column (N = 1, M = 2) is the first. The light exposed by the 2PD72 is dark light. Therefore, as shown in FIG. 10, the exposure time of the second PD72 of X = 7 and X = 8 in 1 row and 4 columns (N = 1, M = 4) is 1 row and 2 columns (N = 1, M = 4). It is the same as the exposure time of the second PD72 of X = 3 and X = 4 in 2), and is larger than the exposure time of the second PD72 of X = 5 and X = 6 in 1 row and 3 columns (N = 1, M = 3). It is long and shorter than the exposure time of the second PD72 of X = 1 and X = 2 in 1 row and 1 column (N = 1, M = 1).

図10に示されるように、第t−1番目の画像フレームt−1において、輝度グループ150の1行目(N=1)に含まれる4列目(M=4)の第1PD62が露光している。第1PD62の露光に関連する時間の終了は、第t−1番目の画像フレームt−1の終了よりもあとになっている。これによって、第t−1番目の画像フレームt−1において撮像された画像の画像処理が終わったあとにおいても、輝度グループ150の1行目(N=1)に含まれる4列目(M=4)の第1PD62が露光することができる。したがって、輝度グループ150の1行目(N=1)に含まれる4列目(M=4)の第1PD62が露光した光に基づき、第t番目の画像フレームtにおいて、撮像された画像の画像処理を行うことができる。 As shown in FIG. 10, in the t-1st image frame t-1, the first PD62 in the fourth column (M = 4) included in the first row (N = 1) of the luminance group 150 is exposed. ing. The end of the time related to the exposure of the first PD62 is later than the end of the t-1th image frame t-1. As a result, even after the image processing of the image captured in the t-1st image frame t-1 is completed, the fourth column (M =) included in the first row (N = 1) of the luminance group 150. The first PD62 of 4) can be exposed. Therefore, the image of the image captured in the t-th image frame t based on the light exposed by the first PD62 in the fourth column (M = 4) included in the first row (N = 1) of the luminance group 150. Processing can be performed.

続いて、図10及び図11に示されるように、第t番目の画像フレームtにおいては、第t−1番目の画像フレームt−1において輝度グループ150の1行目(N=1)に含まれる4列目(M=4)の第1PD62が露光した光に基づき輝度信号が生成される。次に、生成された輝度信号に基づき算出された露光時間で、1行4列(N=1、M=4)の輝度グループ150が有するX=7及びX=8の画素100に含まれる第2PD72が露光する。このとき、1行4列(N=1、M=4)の輝度グループ150が露光する光は、明るい光である(図9(B))。図9(B)に示されるように、1行4列(N=1、M=4)の第2PD72が露光する光は、1行1列(N=1、M=2)の第2PD72と同様に明るい光であり、1行2列(N=1、M=2)の第2PD72が露光する光は中間調の光であり、1行3列(N=1、M=3)の第2PD72が露光する光は暗い光である。よって、図10に示されるように、1行4列(N=1、M=4)のX=7及びX=8の第2PD72の露光時間は、1行1列(N=1、M=1)のX=1及びX=2の第2PD72の露光時間と同じであり、1行2列(N=1、M=2)のX=3及びX=4の第2PD72の露光時間、及び1行3列(N=1、M=3)のX=5及びX=6の第2PD72の露光時間よりも短い。 Subsequently, as shown in FIGS. 10 and 11, in the t-th image frame t, the t-1th image frame t-1 is included in the first row (N = 1) of the luminance group 150. A luminance signal is generated based on the light exposed by the first PD62 in the fourth row (M = 4). Next, the exposure time calculated based on the generated luminance signal is included in the pixels 100 of X = 7 and X = 8 included in the luminance group 150 of 1 row and 4 columns (N = 1, M = 4). 2PD72 is exposed. At this time, the light exposed by the luminance group 150 in 1 row and 4 columns (N = 1, M = 4) is bright light (FIG. 9 (B)). As shown in FIG. 9B, the light exposed by the second PD72 in 1 row and 4 columns (N = 1, M = 4) is the second PD72 in 1 row and 1 column (N = 1, M = 2). Similarly, it is bright light, and the light exposed by the second PD72 in 1 row and 2 columns (N = 1, M = 2) is halftone light, which is the 1st row and 3 columns (N = 1, M = 3). The light exposed by the 2PD72 is dark light. Therefore, as shown in FIG. 10, the exposure time of the second PD72 of X = 7 and X = 8 in 1 row and 4 columns (N = 1, M = 4) is 1 row and 1 column (N = 1, M = 4). It is the same as the exposure time of the second PD72 of X = 1 and X = 2 in 1), and the exposure time of the second PD72 of X = 3 and X = 4 in 1 row and 2 columns (N = 1, M = 2), and It is shorter than the exposure time of the second PD72 of X = 5 and X = 6 in 1 row and 3 columns (N = 1, M = 3).

図10及び図11に示されるように、第t番目の画像フレームtにおいて、輝度グループ150の1行目(N=1)に含まれる4列目(M=4)の第1PD62が露光している。第1PD62の露光に関連する時間の終了は、第t番目の画像フレームtの終了よりもあとになっている。これによって、第t番目の画像フレームtにおいて撮像された画像の画像処理が終わったあとにおいても、輝度グループ150の1行目(N=1)に含まれる4列目(M=4)の第1PD62が露光することができる。したがって、輝度グループ150の1行目(N=1)に含まれる4列目(M=4)の第1PD62が露光した光に基づき、第t+1番目の画像フレームt+1において、撮像された画像の画像処理を行うことができる。 As shown in FIGS. 10 and 11, in the t-th image frame t, the first PD62 in the fourth column (M = 4) included in the first row (N = 1) of the luminance group 150 is exposed. There is. The end of the time associated with the exposure of the first PD 62 is later than the end of the t-th image frame t. As a result, even after the image processing of the image captured in the t-th image frame t is completed, the fourth column (M = 4) included in the first row (N = 1) of the luminance group 150 1PD62 can be exposed. Therefore, the image of the image captured in the t + 1th image frame t + 1 based on the light exposed by the first PD62 in the fourth column (M = 4) included in the first row (N = 1) of the luminance group 150. Processing can be performed.

続いて、図11に示されるように、第t+1番目の画像フレームt+1においては、第t番目の画像フレームtにおいて輝度グループ150の1行目(N=1)に含まれる4列目(M=4)の第1PD62が露光した光に基づき輝度信号が生成される。次に、生成された輝度信号に基づき算出された露光時間で、1行4列(N=1、M=4)の輝度グループ150が有するX=7及びX=8の画素100に含まれる第2PD72が露光する。このとき、1行4列(N=1、M=4)の輝度グループ150が露光する光は、暗い光である(図9(C))。図9(C)に示されるように、1行4列(N=1、M=4)の第2PD72が露光する光は、1行3列(N=1、M=3)の第2PD72と同様に暗い光であり、1行1列(N=1、M=1)の第2PD72及び1行2列(N=1、M=2)の第2PD72が露光する光は中間調の光である。よって、図11に示されるように、1行4列(N=1、M=4)の第2PD72の露光時間は、1行3列(N=1、M=3)の第2PD72の露光時間と同じであり、1行1列(N=1、M=1)のX=1及びX=2の第2PD72の露光時間、及び1行2列(N=1、M=2)のX=3及びX=4の第2PD72の露光時間よりも長い。 Subsequently, as shown in FIG. 11, in the t + 1th image frame t + 1, the fourth column (M =) included in the first row (N = 1) of the luminance group 150 in the tth image frame t. A luminance signal is generated based on the light exposed by the first PD62 in 4). Next, the exposure time calculated based on the generated luminance signal is included in the pixels 100 of X = 7 and X = 8 included in the luminance group 150 of 1 row and 4 columns (N = 1, M = 4). 2PD72 is exposed. At this time, the light exposed by the luminance group 150 in 1 row and 4 columns (N = 1, M = 4) is dark light (FIG. 9 (C)). As shown in FIG. 9C, the light exposed by the second PD72 in 1 row and 4 columns (N = 1, M = 4) is the second PD72 in 1 row and 3 columns (N = 1, M = 3). Similarly, it is dark light, and the light exposed by the second PD72 of 1 row and 1 column (N = 1, M = 1) and the 2nd PD72 of 1 row and 2 columns (N = 1, M = 2) is halftone light. is there. Therefore, as shown in FIG. 11, the exposure time of the second PD72 in 1 row and 4 columns (N = 1, M = 4) is the exposure time of the 2nd PD72 in 1 row and 3 columns (N = 1, M = 3). X = 1 in 1 row and 1 column (N = 1, M = 1) and the exposure time of the second PD72 in X = 2 and X = in 1 row and 2 columns (N = 1, M = 2). It is longer than the exposure time of the second PD72 of 3 and X = 4.

図11に示されるように、第t+1番目の画像フレームt+1において、輝度グループ150の1行目(N=1)に含まれる4列目(M=4)の第1PD62が露光している。第1PD62の露光に関連する時間の終了は、第t+1番目の画像フレームt+1の終了よりもあとになっている。これによって、第t+1番目の画像フレームt+1において撮像された画像の画像処理が終わったあとにおいても、輝度グループ150の1行目(N=1)に含まれる4列目(M=4)の第1PD62が露光することができる。したがって、輝度グループ150の1行目(N=1)に含まれる4列目(M=4)の第1PD62が露光した光に基づき、第t+2番目の画像フレームt+2(図示は省略)において、撮像された画像の画像処理を行うことができる。 As shown in FIG. 11, in the t + 1th image frame t + 1, the first PD62 in the fourth column (M = 4) included in the first row (N = 1) of the luminance group 150 is exposed. The end of the time associated with the exposure of the first PD62 is later than the end of the t + 1th image frame t + 1. As a result, even after the image processing of the image captured in the t + 1th image frame t + 1 is completed, the fourth column (M = 4) included in the first row (N = 1) of the luminance group 150 1PD62 can be exposed. Therefore, based on the light exposed by the first PD62 in the fourth column (M = 4) included in the first row (N = 1) of the luminance group 150, the image is captured in the t + second image frame t + 2 (not shown). Image processing of the processed image can be performed.

本発明の一実施形態に係る固体撮像装置10の駆動方法の説明においては、1行4列(N=1、M=4)の輝度グループ150に着目して説明したが、1行4列(N=1、M=4)の輝度グループ150以外の輝度グループ150の駆動方法については、生成された輝度信号に基づき露光時間が最適化される以外は、1行4列(N=1、M=4)の駆動方法と同様であるから、ここでの説明は省略する。また、第2PD72が輝度信号を生成したあとの駆動方法は、「1−3.固体撮像装置10の駆動方法」において説明された駆動方法と同様であるから、ここでの説明は省略する。 In the description of the driving method of the solid-state image sensor 10 according to the embodiment of the present invention, the luminance group 150 of 1 row and 4 columns (N = 1, M = 4) has been focused on, but 1 row and 4 columns (1 row and 4 columns) Regarding the driving method of the luminance group 150 other than the luminance group 150 of N = 1, M = 4), 1 row and 4 columns (N = 1, M) except that the exposure time is optimized based on the generated luminance signal. Since it is the same as the driving method of = 4), the description here will be omitted. Further, since the driving method after the second PD72 generates the luminance signal is the same as the driving method described in "1-3. Driving method of the solid-state image sensor 10", the description thereof is omitted here.

以上説明されたように、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置は、二つの光電変換素子を積層した構造を有し、第1光電変換素子によって輝度信号を生成することができる。また、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置は、前記輝度信号に基づく露光時間を算出し、算出された露光時間によって各第2の光電変換素子の露光時間を制御することができるため、一度の撮像で被写体の明暗を反映させた画像を得ることができる。よって、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置を用いることによって、従来技術のように複数回の撮像で取得した画像データを合成する必要が無く、複数回の撮像で取得した画像データ格納していたフレームメモリも必要がないため、フレームレートの低下が少なく、ダイナミックレンジが広い固体撮像装置を提供することができる。 As described above, the solid-state image sensor according to the embodiment of the present invention has a structure in which two photoelectric conversion elements are laminated, and a luminance signal can be generated by the first photoelectric conversion element. Further, since the solid-state image sensor according to the embodiment of the present invention can calculate the exposure time based on the luminance signal and control the exposure time of each second photoelectric conversion element by the calculated exposure time. An image that reflects the brightness and darkness of the subject can be obtained with a single image capture. Therefore, by using the solid-state image sensor according to the embodiment of the present invention, it is not necessary to synthesize the image data acquired by a plurality of imagings as in the prior art, and the image data acquired by the plurality of imagings is stored. Since there is no need for the existing frame memory, it is possible to provide a solid-state image sensor having a wide dynamic range with little decrease in the frame rate.

以上、本発明について図面を参照しながら説明したが、本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、各実施形態の固体撮像装置を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。さらに、上述した各実施形態は、相互に矛盾がない限り適宜組み合わせが可能であり、各実施形態に共通する技術事項については、明示の記載がなくても各実施形態に含まれる。 Although the present invention has been described above with reference to the drawings, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately modified without departing from the spirit of the present invention. For example, a device in which a person skilled in the art appropriately adds, deletes, or changes the design based on the solid-state image sensor of each embodiment is also included in the scope of the present invention as long as it has the gist of the present invention. .. Further, the above-described embodiments can be appropriately combined as long as there is no contradiction with each other, and technical matters common to the respective embodiments are included in the respective embodiments even if there is no explicit description.

また、上述した各実施形態の態様によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、又は、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。 Further, even if the action / effect is different from the action / effect brought about by the embodiment of each of the above-described embodiments, those that are clear from the description of the present specification or those that can be easily predicted by those skilled in the art are referred to. Naturally, it is understood that it is brought about by the present invention.

10:固体撮像装置、50:信号処理部、52:信号処理回路、60:第1光電変換素子部、62:第1光電変換素子、70:第2光電変換素子部、72:第2光電変換素子、80:カラーフィルタ部、82:赤色カラーフィルタ、84:緑色カラーフィルタ、86:青色カラーフィルタ、90:光学素子部、92:光学素子、100:画素、101:画素部、103:周辺部、112:第1信号、114:第2信号、116:入射光、150:輝度グループ、200:行選択走査回路、210:撮像タイミング制御回路、212:配線、214:制御信号、220:第2光電変換素子露光制御回路、224:輝度グループ露光信号、230:記憶回路、232:配線、240:露光時間算出回路、242:配線、300:読み出し回路、302:第1デジタル信号、304:第2デジタル信号、500:画像処理回路 10: Solid-state image sensor, 50: Signal processing unit, 52: Signal processing circuit, 60: First photoelectric conversion element unit, 62: First photoelectric conversion element, 70: Second photoelectric conversion element unit, 72: Second photoelectric conversion Element, 80: color filter section, 82: red color filter, 84: green color filter, 86: blue color filter, 90: optical element section, 92: optical element, 100: pixel, 101: pixel section, 103: peripheral section , 112: 1st signal, 114: 2nd signal, 116: incident light, 150: brightness group, 200: row selection scanning circuit, 210: image pickup timing control circuit, 212: wiring, 214: control signal, 220: second Photoelectric conversion element exposure control circuit, 224: brightness group exposure signal, 230: storage circuit, 232: wiring, 240: exposure time calculation circuit, 242: wiring, 300: readout circuit, 302: first digital signal, 304: second Digital signal, 500: Image processing circuit

Claims (9)

第1の方向及び前記第1の方向と交差する第2の方向に配列されたY×X個(Y及びXはそれぞれ独立に設定される自然数)の画素を有する画素部と、
露光制御回路と、
露光時間算出回路と、を有し、
前記画素部は、
前記Y×X個の画素において、y×x個(y及びxはそれぞれ独立に設定される自然数)の画素に対応して設けられた第1光電変換素子と、
前記Y×X個の画素のそれぞれに設けられた第2光電変換素子と、を有し、
前記第2光電変換素子は前記第1光電変換素子に重なり、
前記第1光電変換素子は受光強度に対応する輝度信号を前記露光時間算出回路に供給し、
前記露光時間算出回路は前記輝度信号に基づいて前記第2光電変換素子の露光時間を算出し、
前記露光制御回路は、前記y×x個の画素単位で、前記y×x個の画素のそれぞれの第2光電変換素子の露光を制御する、
固体撮像装置。
A pixel portion having Y × X pixels (Y and X are natural numbers set independently of each other) arranged in the first direction and the second direction intersecting the first direction, and
Exposure control circuit and
It has an exposure time calculation circuit and
The pixel part is
In the Y × X pixels, the first photoelectric conversion element provided corresponding to the y × x pixels (y and x are natural numbers set independently of each other) and
It has a second photoelectric conversion element provided for each of the Y × X pixels.
The second photoelectric conversion element overlaps with the first photoelectric conversion element.
The first photoelectric conversion element supplies a luminance signal corresponding to the light receiving intensity to the exposure time calculation circuit.
The exposure time calculation circuit calculates the exposure time of the second photoelectric conversion element based on the luminance signal.
The exposure control circuit controls the exposure of the second photoelectric conversion element of each of the y × x pixels in units of the y × x pixels.
Solid-state image sensor.
前記露光時間のデータを格納する記憶部を有する、
請求項1に記載の固体撮像装置。
It has a storage unit for storing the exposure time data.
The solid-state image sensor according to claim 1.
前記第2光電変換素子と前記第2光電変換素子に隣接する第2光電変換素子とは離間し、前記第1光電変換素子が光を露光可能に設けられる、
請求項1に記載の固体撮像装置。
The second photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element adjacent to the second photoelectric conversion element are separated from each other, and the first photoelectric conversion element is provided so that light can be exposed.
The solid-state image sensor according to claim 1.
前記第1光電変換素子の面積は前記第2光電変換素子の面積よりも大きい
請求項1に記載の固体撮像装置。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the area of the first photoelectric conversion element is larger than the area of the second photoelectric conversion element.
第1の方向及び前記第1の方向と交差する第2の方向に配列されたY×X個(Y及びXはそれぞれ独立に設定される自然数)の画素を有する画素部と、y×x個(y及びxはそれぞれ独立に設定される自然数)の前記画素に対応して設けられた第1光電変換素子と、前記第1光電変換素子と重なり前記y×x個の画素のそれぞれに設けられた第2光電変換素子と、露光時間算出回路と、露光制御回路と、信号処理回路と、を含む固体撮像装置の駆動方法であって、
前記第1光電変換素子が、受光強度に応じて輝度信号を生成し、
前記露光時間算出回路が、前記輝度信号に応じて前記第2光電変換素子の露光時間を算出し、
前記露光制御回路が、前記露光時間に基づいて前記第2光電変換素子の露光を制御し、
前記信号処理回路が、前記y×x個の画素のそれぞれに設けられた第2光電変換素子の前記露光時間に応じた信号を生成する、
固体撮像装置の駆動方法。
A pixel portion having Y × X pixels (Y and X are natural numbers set independently of each other) arranged in a first direction and a second direction intersecting the first direction, and y × x pixels. The first photoelectric conversion element provided corresponding to the pixel (y and x are natural numbers set independently of each other) and the y × x pixels overlapping the first photoelectric conversion element are provided. A method for driving a solid-state image sensor, which includes a second photoelectric conversion element, an exposure time calculation circuit, an exposure control circuit, and a signal processing circuit.
The first photoelectric conversion element generates a luminance signal according to the light receiving intensity, and the luminance signal is generated.
The exposure time calculation circuit calculates the exposure time of the second photoelectric conversion element according to the luminance signal.
The exposure control circuit controls the exposure of the second photoelectric conversion element based on the exposure time.
The signal processing circuit generates a signal corresponding to the exposure time of the second photoelectric conversion element provided in each of the y × x pixels.
How to drive a solid-state image sensor.
前記固体撮像装置はさらに記憶部を含み、
前記露光時間のデータを前記記憶部に格納し、
前記露光制御回路は、前記記憶部から前記露光時間のデータを読み出す、
請求項5に記載の固体撮像装置の駆動方法。
The solid-state image sensor further includes a storage unit.
The exposure time data is stored in the storage unit,
The exposure control circuit reads out the exposure time data from the storage unit.
The method for driving a solid-state image sensor according to claim 5.
前記輝度信号の出力は第1番目のフレームにて実行され、
前記第2光電変換素子の前記露光時間に応じた信号の生成は、第1番目のフレームのあとの第2番目のフレームにて実行される、
請求項5に記載の固体撮像装置の駆動方法。
The output of the luminance signal is executed in the first frame,
The generation of the signal according to the exposure time of the second photoelectric conversion element is executed in the second frame after the first frame.
The method for driving a solid-state image sensor according to claim 5.
前記第1の方向に配列された複数の第1光電変換素子が輝度信号を出力する時間と、前記第1の方向に平行に前記複数の第1光電変換素子に隣接して配列された複数の第1光電変換素子が輝度信号を出力する時間とは異なる、
請求項5に記載の固体撮像装置の駆動方法。
The time for the plurality of first photoelectric conversion elements arranged in the first direction to output a luminance signal, and the plurality of arrangements adjacent to the plurality of first photoelectric conversion elements in parallel with the first direction. It is different from the time when the first photoelectric conversion element outputs the luminance signal.
The method for driving a solid-state image sensor according to claim 5.
前記第1の方向に配列された複数の第2光電変換素子の露光時間に応じた信号の生成は、同じ時間に終了する、
請求項5に記載の固体撮像装置の駆動方法。
The generation of signals according to the exposure time of the plurality of second photoelectric conversion elements arranged in the first direction ends at the same time.
The method for driving a solid-state image sensor according to claim 5.
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