JP2020136686A - Solid-state image pickup device and driving method of solid-state image pickup device - Google Patents
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Abstract
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
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
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.
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-
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-
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
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。
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
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-
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
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-
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
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-
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
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
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-
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-
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
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
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
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
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
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
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-
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-
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
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
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
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-
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
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-
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
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)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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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