JP2021013147A - Imaging element and imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、撮像素子および撮像装置に関する。 The present invention relates to an image pickup device and an image pickup apparatus.
近年、SPAD(Single Photon Avalanche Diode)とよばれる撮像素子の検討がされている。これは、アバランシェフォトダイオード(APD)をガイガーモードで動作させた際に発生するアバランシェ現象を利用して、入射したフォトンの数そのものを計測する、すなわち入射光をデジタル値として扱う撮像素子である。 In recent years, an image sensor called SPAD (Single Photon Avalanche Diode) has been studied. This is an image sensor that measures the number of incident photons itself by utilizing the avalanche phenomenon that occurs when an avalanche photodiode (APD) is operated in Geiger mode, that is, treats the incident light as a digital value.
APDをガイガーモードで動作させるとき、例えばAPDに1つのフォトンが入射するとアバランシェ現象によって観測可能なレベルの電流が発生する。この電流をパルスに変換し、そのパルス数をカウントすることで、入射するフォトンの個数を直接計測することが可能となるため、RTSノイズは発生せず、S/Nの向上が期待されている。このような動作は、フォトンカウンティングと呼ばれている。 When the APD is operated in Geiger mode, for example, when one photon is incident on the APD, an observable level of current is generated by the avalanche phenomenon. By converting this current into pulses and counting the number of pulses, it is possible to directly measure the number of incident photons, so RTS noise does not occur and S / N is expected to improve. .. Such an operation is called photon counting.
フォトンカウンティングでは、入射光をデジタル値として扱うため、1つの画素に1つのAD変換器があることが基本的な条件となっている。いわゆる画素ADと呼ばれる撮像素子のタイプである。AD変換器は、入射するフォトンの個数をカウントするだけでよいので、アバランシェ現象で発生した電流をパルスに変換するコンパレータとカウンターがあれば実現可能である。 In photon counting, since the incident light is treated as a digital value, it is a basic condition that one pixel has one AD converter. This is a type of image sensor called pixel AD. Since the AD converter only needs to count the number of incident photons, it can be realized if there is a comparator and a counter that convert the current generated by the avalanche phenomenon into a pulse.
フォトンカウンティングを用いたセンシングデバイスの一例として、特許文献1には複数画素のSPADからなる測距用センサが開示されている。 As an example of a sensing device using photon counting, Patent Document 1 discloses a distance measuring sensor composed of a plurality of pixels of SPAD.
一方、撮像素子中の画素が撮像レンズの異なる瞳面の光を受光するような構成によって、撮像と同時に位相差方式の焦点検出を行う技術がある。例えば特許文献2では、1つの画素の中にある、1つのマイクロレンズで集光されるフォトダイオード(以下「PD」という。)を分割することによって、各々のPDが撮影レンズの異なる瞳面の光を受光するように構成されている。 On the other hand, there is a technique of performing a phase difference type focus detection at the same time as imaging by configuring the pixels in the image sensor to receive light from different pupil surfaces of the imaging lens. For example, in Patent Document 2, by dividing a photodiode (hereinafter referred to as “PD”) that is focused by one microlens in one pixel, each PD has a different pupil surface of a photographing lens. It is configured to receive light.
それによって、撮影レンズの異なる瞳面を通過した光を受光した各々のPDの信号から像ずれ量の検出すなわち位相差検出が行われ、像ずれ量からピントのずれ量(デフォーカス量)を相関演算により求めることにより、焦点状態の検出が行われる。また、撮像レンズの異なる瞳面の光を受光した各々のPDの信号を加算することで、鑑賞用の撮影信号を生成することも可能である。 As a result, the image shift amount is detected, that is, the phase difference detection is performed from the signal of each PD that receives the light passing through the different pupil surfaces of the photographing lens, and the focus shift amount (defocus amount) is correlated with the image shift amount. The focal state is detected by obtaining it by calculation. It is also possible to generate a shooting signal for viewing by adding the signals of the PDs that have received the light of the different pupil surfaces of the imaging lens.
フォトンカウンティングに代表される画素ADにおいて位相差情報を得るために複数の光電変換素子を有する構成を実現するために、光電変換素子の数だけAD変換器を設けることが考えられる。しかし、AD変換器はコンパレータとカウンターだけでも大きな面積を必要とするため、光電変換素子の数だけAD変換器を設けたのでは画素の微細化が阻害されてしまう。したがって、1つの画素に複数の光電変換素子を有する構成においては、1つ画素当たりに1つのAD変換器でも効率的な読み出しを行うことができる構成が必要である。 In order to realize a configuration having a plurality of photoelectric conversion elements in order to obtain phase difference information in pixel AD represented by photon counting, it is conceivable to provide as many AD converters as there are photoelectric conversion elements. However, since the AD converter requires a large area only with the comparator and the counter, the miniaturization of the pixels is hindered if the AD converters are provided as many as the number of photoelectric conversion elements. Therefore, in a configuration having a plurality of photoelectric conversion elements in one pixel, it is necessary to have a configuration in which even one AD converter per pixel can efficiently perform reading.
本発明は、1つの画素に複数の光電変換素子を含む撮像素子における画素の微細化と読み出し速度の向上の両立に有利な技術を提供する。 The present invention provides a technique advantageous for achieving both miniaturization of pixels and improvement of readout speed in an image pickup device including a plurality of photoelectric conversion elements in one pixel.
本発明の一側面によれば、複数の単位画素が行列に配置された画素部であって、前記複数の単位画素のそれぞれが、撮影レンズの異なる射出瞳を通過する光を光電変換する複数の光電変換素子を有する、画素部と、前記複数の単位画素のそれぞれに対して1つ設けられる、複数のAD変換器と、前記複数のAD変換器を用いて前記複数の単位画素からの読み出しを制御する画素制御部と、を有する撮像素子であって、前記画素制御部は、フレームの画素信号を読み出すために、前記フレームを複数のサブフレームに時分割してサブフレームごとに前記複数の単位画素からの読み出し動作を行うように構成され、前記複数のサブフレームのうちの複数の第1サブフレームの読み出し動作においては、前記複数の第1サブフレームのそれぞれで得られた第1光電変換素子からの信号に基づく第1信号を取得し、前記複数のサブフレームのうちの複数の第2サブフレームの読み出し動作においては、前記複数の第2サブフレームのぞれぞれで得られた第2光電変換素子からの信号に基づく第2信号を取得する、ことを特徴とする撮像素子が提供される。 According to one aspect of the present invention, there is a pixel portion in which a plurality of unit pixels are arranged in a matrix, and each of the plurality of unit pixels photoelectrically converts light passing through different ejection pupils of a photographing lens. Reading from the plurality of unit pixels using a pixel unit having a photoelectric conversion element, a plurality of AD converters provided for each of the plurality of unit pixels, and the plurality of AD converters. An image pickup element having a pixel control unit for controlling, wherein the pixel control unit time-divides the frame into a plurality of subframes in order to read out a pixel signal of the frame, and the plurality of units for each subframe. The first photoelectric conversion element obtained in each of the plurality of first subframes is configured to perform the reading operation from the pixels, and in the reading operation of the plurality of first subframes among the plurality of subframes. In the read operation of the plurality of second subframes among the plurality of subframes, the first signal based on the signal from is acquired, and the second obtained in each of the plurality of second subframes is obtained. Provided is an image pickup element characterized in that a second signal based on a signal from a photoelectric conversion element is acquired.
本発明によれば、1つの画素に複数の光電変換素子を含む撮像素子における画素の微細化と読み出し速度の向上の両立に有利な技術を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a technique advantageous for achieving both miniaturization of pixels and improvement of readout speed in an image pickup device including a plurality of photoelectric conversion elements in one pixel.
以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。 Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following embodiments do not limit the invention according to the claims. Although a plurality of features are described in the embodiment, not all of the plurality of features are essential to the invention, and the plurality of features may be arbitrarily combined. Further, in the attached drawings, the same or similar configurations are designated by the same reference numbers, and duplicate description is omitted.
<第1実施形態>
図1は、実施形態における撮像素子の構成を示す図である。撮像素子100は、互いに積層されたセンサ基板を形成する第1半導体チップ101と、回路基板を形成する第2半導体チップ102とを有する。センサ基板をなす第1半導体チップ101には、複数の単位画素103が行列状に配置された画素アレイ(画素部)が形成される。単位画素103の詳細な構成については後述する。回路基板をなす第2半導体チップ102は、主制御部104、画素制御部105、信号処理回路106を含みうる。
主制御部104は、外部からの動作指示やシリアル通信などを受信し、画素制御部105および信号処理回路106が動作するためのタイミング信号などを供給する。画素制御部105は、第1半導体チップ101の複数の単位画素103のそれぞれにバンプ等で電気的に接続され、複数の単位画素103のそれぞれを駆動する制御信号を出力すると共に、画素からのバッファ出力を受信する。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an image pickup device according to an embodiment. The
The
画素制御部105は、複数の単位画素103のそれぞれに対して1つ設けられる複数のAD変換器を含みうる。画素制御部105は、複数のAD変換器を用いて複数の単位画素103からの読み出しを制御する。具体的には、画素制御部105には、対応する単位画素毎のカウンターが設けられる。そして、画素制御部105は、このカウンターを用いて、入射されたフォトンに応じて出力されるバッファ出力からのパルス数を計測する回路を有する。画素制御部105で計測されたカウント値は、信号処理回路106によって外部に出力されうる。
The
図2は、撮像素子100の1画素(単位画素103)の構成を示す図である。単位画素103は、1つのマイクロレンズ202を有する。また、単位画素103は、撮影レンズの異なる射出瞳を通過する光を光電変換する複数の光電変換素子を有する。例えば、単位画素103は、アバランシェ状態で動作する、2つのアバランシェフォトダイオード(以下「APD」という。)を有し、図2ではAPD203およびAPD204として示されている。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of one pixel (unit pixel 103) of the
このように、1つのマイクロレンズ202を複数のAPDで共有することで、撮像素子100に到達する撮影レンズからの光のうち異なる射出瞳を通過する光を分割して受光し、位相差情報を得ることが可能である。単位画素103は、図示された構成要素以外にも、後述する複数の構成要素を備えうる。またここでは、単位画素103が2つのAPDを有するものとして説明するが、APDの数は2つ以上であればいくつであってもよい。
In this way, by sharing one
図3は、画素の構成及び画素から信号を読み出す回路の構成を示す図である。実施形態における単位画素103は、前述のとおり、2つのAPD203,204を有する。APD203,204は、マイクロレンズ202を共用することで、それぞれ撮影レンズからの光のうち異なる射出瞳を通過する光を受光する。
クエンチトランジスタ301,302は、オンされたときにクエンチ抵抗として動作し、それぞれ、駆動パルスφQA,φQBにて駆動する。スイッチ303,304は、どちらの画素を出力するかを選択するスイッチであり、それぞれ駆動パルスφTA,φTBにて駆動する。AD変換器310は、比較器305およびカウンター306を含みうる。比較器305は、パルス整形回路として機能しうる。
FIG. 3 is a diagram showing a pixel configuration and a circuit configuration for reading a signal from the pixel. The
The quench
APD203,204、クエンチトランジスタ301,302、および比較器305は、スイッチ303,304を介して電気的に接続されている。APD203,204にはそれぞれ、クエンチトランジスタ301,302を介して、電圧HVDDが印加される。電圧HVDDは、APD203,204がガイガーモードで動作する電圧となるよう設定される。
The
比較器305は、APD203,204の出力電圧VAPDの一方を第1入力とし、所定の比較電圧Vcompを第2入力とする。それらの比較結果Voutを“H”または“L”として出力することで、比較器305はパルス整形回路として機能する。カウンター306は、比較器305の出力をカウントすることで、APD203,204の信号がAD変換され、デジタルデータとして記録される。
In the
次に、図4を用いて、画素の具体的な動作を説明する。図4はAPDの動作を模式的に示す図である。APD203とAPD204の動作原理は同じなので、ここではAPD203とAPD203の信号を読み出す回路のみで説明を行う。まずは、クエンチトランジスタ301をオンし、スイッチ303をオンにすることで読み出し待機状態となる。
Next, the specific operation of the pixel will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram schematically showing the operation of APD. Since the operating principles of APD203 and APD204 are the same, only the circuit that reads the signals of APD203 and APD203 will be described here. First, the quench
APD203が待機している状態では、APD203およびクエンチトランジスタ301には電流が流れておらず、VAPDはHVDDを示す。すなわち、APD203が待機している状態では、APD203には、フォトン入射により雪崩現象を発生させることが可能な電圧が印加された状態になっている。なお、このとき比較器305は“L”を出力する。
In the state where the
その後、APD203にフォトンが入射すると、雪崩現象が発生し、APD203およびクエンチトランジスタ301に電流が流れ始める。クエンチトランジスタ301に電流が流れ始めると、電圧降下が発生し、VAPDの電圧が低下する。VAPDが比較電圧Vcompを下回ると、比較器305の出力Voutは“H”となる。
After that, when photons are incident on the
その後、VAPDが、雪崩現象を発生させることが不可能な電圧にまで降下すると、雪崩現象は停止する。これにより、VAPDはHVDDに復帰し、比較器305の出力Voutは“L”となる。
After that, when the V APD drops to a voltage at which the avalanche phenomenon cannot occur, the avalanche phenomenon stops. As a result, V APD returns to H VDD, and the output V out of the
これらの動作により、フォトンの入射がパルス信号として取り出される。カウンター306が比較器305のパルス出力をカウントすることで、APD203の信号がAD変換され、デジタルデータとして記録される。
By these operations, the incident of photons is extracted as a pulse signal. When the
APD204も同様に動作することによってパルス信号が取り出される。また、比較器305は、VAPDをパルスとして整形できればよいので、単純なインバーター形式でもよい。
The pulse signal is taken out by operating the APD204 in the same manner. Further, the
実施形態では、複数の単位画素のそれぞれに対して1つのAD変換器が設けられる。すなわち、各画素に対して、APD203,204の信号を読み出すための、比較器305とカウンター306が搭載されている。そのため、全画素同時に信号を読み出すことが可能である。しかし、比較器305とカウンター306は各画素に1つずつであってAPD203,204のそれぞれに設けられているわけではないので、APD203,204の信号を別々の信号として同時に取り出すことはできない。
In the embodiment, one AD converter is provided for each of the plurality of unit pixels. That is, a
これに対処する実施形態における読み出し動作を、図5を参照して説明する。図5は、実施形態における撮像素子の駆動を模式的に示すタイミング図である。図面の左から右に向かって時刻が経過する様子を示す。本実施形態において、画素制御部105は、1フレームの画素信号を読み出すために、1フレームを複数のサブフレームに時分割してサブフレームごとに複数の単位画素103からの読み出し動作を行うように構成される。画素制御部105は、サブフレームごとに全画素同時に読み出し、各サブフレームの情報を合成して1フレームの情報として生成する。
The read operation in the embodiment for dealing with this will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a timing diagram schematically showing the driving of the image pickup device in the embodiment. It shows how the time elapses from the left to the right of the drawing. In the present embodiment, in order to read the pixel signal of one frame, the
図5は、1フレームの情報を読み出すのに、複数のサブフレーム1_1〜1_10に分割して10回の読み出し動作を行う様子を示している。ここで、複数の第1サブフレーム1_1,1_3,1_5,1_7,1_9では、APD203のみが動作状態となっている。そのために、φQA,φTAをハイレベルにすることで、クエンチトランジスタ301およびスイッチ303をオンにしている。一方、φQB,φTBをローレベルにすることで、クエンチトランジスタ302およびスイッチ304をオフ状態にし、その結果、APD203に入射したフォトンの数だけ、カウンター306がカウント動作を行う。
FIG. 5 shows how the information of one frame is read out by dividing it into a plurality of subframes 1-1-1 to 1_1 and performing the reading operation 10 times. Here, in the plurality of first subframes 1_1, 1_3, 1_5, 1_7, 1_9, only APD203 is in the operating state. Therefore, the quench
一方、複数の第2サブフレーム1_2,1_4,1_6,1_8,1_10では、APD203およびAPD204の両方が動作状態となっている。そのため、φQA、φTA、φQB、φTBの全てをハイレベルにすることで、クエンチトランジスタ301,302、スイッチ303,304をオンにしている。このとき、APD203,204は両方とも動作状態にあるので、APD203,204の両方に入射したフォトンの信号に対して、カウンター306がカウント動作を行う。このように、1フレームの複数のサブフレームへの分割は、φQA、φTA、φQB、φTBの駆動周波数を変更することによって行われうる。
On the other hand, in the plurality of second subframes 1_2, 1_4, 1_6, 1_8, 1_10, both APD203 and APD204 are in the operating state. Therefore, the quench
ここで、複数の第1サブフレーム1_1,1_3,1_5,1_7,1_9で得られたカウント値が全て合成される。そうすると、複数の第1サブフレーム1_1,1_3,1_5,1_7,1_9の時間分、APD203(第1光電変換素子)に入射したフォトンの信号が得られる。こうして生成された信号を「A信号」(第1信号)という。ただし、1フレームの時間のうち、複数の第1サブフレーム1_1,1_3,1_5,1_7,1_9によるA信号が得られる期間は、この例では1フレーム中に得られる信号の半分である。そこで、A信号に2倍のゲインをかけると、1フレームの時間で得られる予定だった信号と近い信号が得られる。これを「A2信号」という。 Here, all the count values obtained in the plurality of first subframes 1_1, 1_3, 1_5, 1_7, 1_9 are combined. Then, the signals of the photons incident on the APD203 (first photoelectric conversion element) for the time of a plurality of first subframes 1_1, 1_3, 1_5, 1_7, 1_9 can be obtained. The signal generated in this way is called an "A signal" (first signal). However, in the time of one frame, the period during which the A signal obtained by the plurality of first subframes 1_1, 1_3, 1_5, 1_7, 1_9 is obtained is half of the signal obtained in one frame in this example. Therefore, when the A signal is doubled in gain, a signal close to the signal that was planned to be obtained in one frame time can be obtained. This is called an "A2 signal".
同様に、複数の第2サブフレーム1_2,1_4,1_6,1_8,1_10で得られたカウント値が全て合成される。そうすると、複数の第2サブフレーム1_2,1_4,1_6,1_8,1_10の時間分、全ての光電変換素子(第2光電変換素子)であるAPD203およびAPD204に入射したフォトンの信号が得られる。こうして生成された信号を「A+B信号」(第2信号)という。ただし、1フレームの時間のうち、複数の第2サブフレーム1_2,1_4,1_6,1_8,1_10によるA+B信号が得られる期間は、この例では1フレーム中に得られる信号の半分である。そこで、A+B信号に2倍のゲインをかけると、1フレームの時間で得られる予定だった信号と近い信号が得られる。これを「(A+B)2信号」という。 Similarly, all the count values obtained in the plurality of second subframes 1_2, 1_4, 1_6, 1_8, 1_10 are combined. Then, the signals of the photons incident on the APD203 and APD204, which are all the photoelectric conversion elements (second photoelectric conversion elements), can be obtained for the time of the plurality of second subframes 1-4, 1_4, 1_6, 1_8, 1_10. The signal generated in this way is called an "A + B signal" (second signal). However, in the time of one frame, the period during which the A + B signal obtained by the plurality of second subframes 1_2, 1-4, 1_6, 1_8, 1_10 is obtained is half of the signal obtained in one frame in this example. Therefore, when the A + B signal is doubled in gain, a signal close to the signal that was planned to be obtained in one frame time can be obtained. This is called "(A + B) 2 signals".
ここで、(A+B)2信号からA2信号を減算することにより、位相信号としての信号が取得される。この信号を「B2信号」(第3信号)という。(A+B)2信号は、1フレームの時間に得られるAPD203,204が光電変換した撮影レンズの射出瞳を通過した光の信号に相当するので、撮像信号として表示や記録などのための信号として使用される。一方、A2信号およびB2信号はそれぞれ、APD203,APD204が光電変換した撮影レンズの異なる射出瞳を通過した光の信号なので、A2信号とB2信号は位相差情報を有する位相信号である。
Here, the signal as the phase signal is acquired by subtracting the A2 signal from the (A + B) 2 signal. This signal is called a "B2 signal" (third signal). Since the (A + B) 2 signals correspond to the signals of the light that has passed through the exit pupil of the photographing lens obtained by photoelectric conversion of the
A2信号およびB2信号から公知の相関演算を行うことで、位相差情報を取り出すことが可能であり、撮影レンズのデフォーカス量を算出することが可能である。A2信号とB2信号は、位相差情報を得るために必要な情報であって、表示などには使用されない。そのため、演算に必要な信号さえ得られれば、必ずしも、各サブフレームの信号を合成しなくてもよく、単独のサブフレームの情報で相関演算を行ってもよいし、また、2倍のゲインをかけなくてもよい。 By performing a known correlation calculation from the A2 signal and the B2 signal, it is possible to extract the phase difference information, and it is possible to calculate the defocus amount of the photographing lens. The A2 signal and the B2 signal are information necessary for obtaining phase difference information, and are not used for display or the like. Therefore, as long as the signals required for the calculation are obtained, it is not always necessary to synthesize the signals of each subframe, the correlation calculation may be performed using the information of a single subframe, and the gain is doubled. You don't have to call it.
2フレーム目以降も同様に、1フレームの中を分割して読み出し、合成することで、撮像信号と位相信号が得えられる。 Similarly, in the second and subsequent frames, an imaging signal and a phase signal can be obtained by dividing the inside of one frame, reading it out, and synthesizing it.
本実施形態では、フォトンカウンティング可能なSPAD型の撮像素子を用いているので、複数のサブフレームの信号を合成して1フレームを形成しても、合成によるノイズの悪化が、ほぼない。なお、上述した合成動作、差分動作、相関演算などは、信号処理回路106で行ってもよいし、後述する撮像素子の外にある信号処理部で行ってもよい。
In the present embodiment, since a SPAD type image sensor capable of photon counting is used, even if signals of a plurality of subframes are combined to form one frame, there is almost no deterioration of noise due to the combination. The above-mentioned synthesis operation, difference operation, correlation calculation, and the like may be performed by the
図5では、1フレームの中を10個のサブフレームに分割したが、本発明はこれに限定されるものではなく、1フレームを分割して読み出し、撮像信号と位相信号を分割して読み出すことを特徴としている。また、(A+B)2信号は1フレーム中の全情報のうち半分の情報を倍にすることで擬似的に1フレーム中の情報として用いている。そのため、1フレームの分割数が少ないと、高速で動く被写体などを撮影したときに、1フレーム中の全情報がある撮像信号に対してのずれが大きくなってしまう。そのため、1フレームは例えば30個以上のサブフレームに分割するとよい。 In FIG. 5, one frame is divided into 10 subframes, but the present invention is not limited to this, and one frame is divided and read, and the imaging signal and the phase signal are divided and read. It is characterized by. Further, the (A + B) 2 signals are used as information in one frame in a pseudo manner by doubling half of the information in one frame. Therefore, if the number of divisions in one frame is small, when a subject moving at high speed or the like is photographed, the deviation from the imaging signal containing all the information in one frame becomes large. Therefore, one frame may be divided into, for example, 30 or more subframes.
また、上述の例においては、A信号、A+B信号に乗じるゲインは一例として2としたが、これは、複数のサブフレームのうち複数の第1サブフレームおよび複数の第2サブフレームが占める割合が半分ずつだからである。より一般的に言えば、A信号には、複数のサブフレームのうち複数の第1サブフレームが占める割合に応じたゲインを乗じ、A+B信号には、複数のサブフレームのうち複数の第2サブフレームが占める割合に応じたゲインを乗じるとよい。 Further, in the above example, the gain multiplied by the A signal and the A + B signal is set to 2 as an example, but this is because the ratio of the plurality of first subframes and the plurality of second subframes among the plurality of subframes is Because it is half each. More generally, the A signal is multiplied by a gain corresponding to the proportion occupied by the plurality of first subframes in the plurality of subframes, and the A + B signal is multiplied by the plurality of second subframes in the plurality of subframes. It is good to multiply by the gain according to the ratio occupied by the frame.
上述したように、1つの画素に1つのAD変換器を備える構成であっても、すなわち、AD変換器を光電変換素子の数と同じ数にしなくても、高速な読み出し動作を実現することができる。 As described above, even if one pixel is provided with one AD converter, that is, even if the number of AD converters is not the same as the number of photoelectric conversion elements, a high-speed read operation can be realized. it can.
<第2実施形態>
図6は、第2実施形態に係る撮像素子の構成を示す図である。本実施形態では、アバランシェ動作を行わない一般的なフォトダイオード(以下「PD」という。)が使用される。PD601,602は、APD203,204と同様に、撮影レンズの異なる射出瞳を通過した光を光電変換する光電変換素子である。転送スイッチ603,604はそれぞれ、PD601,602で発生した電荷を後述するフローティングディフュージョン部(以下「FD」という。)に転送する。FD605は、電荷を一時的に蓄積するメモリとしての役割を有する。リセットスイッチ606は、VDDによりFD605をリセットする。AD変換器210は、比較器205およびカウンター206を含みうる。
<Second Embodiment>
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of an image pickup device according to a second embodiment. In this embodiment, a general photodiode (hereinafter referred to as “PD”) that does not perform an avalanche operation is used. Similar to the APD203 and 204, the PD601 and 602 are photoelectric conversion elements that photoelectrically convert light that has passed through different exit pupils of a photographing lens. The transfer switches 603 and 604 transfer the electric charges generated by the
図6の構成でも、FD605が十分に小さければ、入射したフォトンに対する信号読み出しは可能である。そのため、図5に示した駆動と同様に駆動すれば、1つの画素に1つのAD変換器であっても、撮像信号と位相信号を分離した信号として個別に取得する読み出し動作を実現することが可能となる。これらは、フォトダイオードが光電変換膜などの光電変換素子に変わっても同様であるので、本発明は光電変換素子の種類を限定するものではない。 Even with the configuration of FIG. 6, if the FD605 is sufficiently small, it is possible to read out the signal for the incident photon. Therefore, if the drive is performed in the same manner as shown in FIG. 5, even if one AD converter is used for one pixel, it is possible to realize a read operation in which the image pickup signal and the phase signal are individually acquired as separate signals. It will be possible. These are the same even if the photodiode is changed to a photoelectric conversion element such as a photoelectric conversion film, and therefore, the present invention does not limit the type of the photoelectric conversion element.
また、フォトダイオードの信号が比較器205で分離できない微弱電圧であっても、VREFを時間的に変化させることで比較器205をスロープ型のAD変換器として動作させて、カウンター206で信号をカウントすることが可能である。ただし、この場合は、読み出しノイズが発生するため、フォトンをカウントするフォトンカウンティングの形態と異なりサブフレームを合成した際には、ノイズが増えてしまう。ただし、1つの画素に1つのAD変換器であっても、撮像信号と位相信号を分離した信号として個別に取得する読み出し動作を実現することは可能である。
Further, even if the photodiode signal is a weak voltage that cannot be separated by the
<第3実施形態>
図7は、第3実施形態に係る撮像素子の駆動を模式的に示すタイミング図である。図7の例において、複数の第1サブフレーム1_1,1_3,1_5,1_7,1_9では、APD203のみが動作状態となっている。そのために、φQA,φTAをハイレベルにすることで、クエンチトランジスタ301およびスイッチ303をオンにしている。一方、φQB,φTBをローレベルにすることで、クエンチトランジスタ302およびスイッチ304をオフ状態にし、その結果、APD203に入射したフォトンの数だけ、カウンター306がカウント動作を行う。
<Third Embodiment>
FIG. 7 is a timing diagram schematically showing the driving of the image pickup device according to the third embodiment. In the example of FIG. 7, only the
一方、複数の第2サブフレーム1_2,1_4,1_6,1_8,1_10では、APD204のみが動作状態となっている。そのために、φQA,φTAをローレベルにすることで、クエンチトランジスタ301およびスイッチ303をオフにしている。一方、φQB,φTBをハイレベルにすることで、クエンチトランジスタ302およびスイッチ304をオン状態にし、その結果、APD204に入射したフォトンの数だけ、カウンター306がカウント動作を行う。
On the other hand, in the plurality of second subframes 1_2, 1_4, 1_6, 1_8, 1_10, only APD204 is in the operating state. Therefore, the quench
ここで、複数の第1サブフレーム1_1,1_3,1_5,1_7,1_9で得られたカウント値が全て合成される。そうすると、複数の第1サブフレーム1_1,1_3,1_5,1_7,1_9の時間分、APD203(第1光電変換素子)に入射したフォトンの信号が得られる。これによりA信号(第1信号)が生成される。 Here, all the count values obtained in the plurality of first subframes 1_1, 1_3, 1_5, 1_7, 1_9 are combined. Then, the signals of the photons incident on the APD203 (first photoelectric conversion element) for the time of a plurality of first subframes 1_1, 1_3, 1_5, 1_7, 1_9 can be obtained. As a result, the A signal (first signal) is generated.
同様に、複数の第2サブフレーム1_2,1_4,1_6,1_8,1_10で得られたカウント値が全て合成される。そうすると、複数の第2サブフレーム1_2,1_4,1_6,1_8,1_10の時間分、APD203とは異なる1つの光電変換素子(第2光電変換素子)であるAPD204に入射したフォトンの信号が得られる。これによりB信号(第2信号)が生成される。 Similarly, all the count values obtained in the plurality of second subframes 1_2, 1_4, 1_6, 1_8, 1_10 are combined. Then, a photon signal incident on APD204, which is one photoelectric conversion element (second photoelectric conversion element) different from APD203, can be obtained for a plurality of hours of the second subframes 1_2, 1_4, 1_6, 1_8, 1_10. As a result, the B signal (second signal) is generated.
このような駆動により、直接、A信号とB信号を得ることができる。画素制御部105は、A信号とB信号とを加算することにより、撮像信号(第4信号)を生成することができる。このような駆動においても、第1実施形態と同様に、1つの画素に1つのAD変換器を備える構成であっても、撮像信号と位相差検出用の信号を分離した信号として個別に取得する読み出し動作を実現することが可能である。
By such driving, the A signal and the B signal can be directly obtained. The
<第4実施形態>
図8は、撮像素子の駆動の他の例を模式的に示すタイミング図である。図8において、1フレーム目では、図5と同様に、複数の第1サブフレームに属するサブフレームと複数の第2サブフレームに属するサブフレームとが交互になるように設定される。他方、2フレーム目(他のフレーム)においては、複数の第1サブフレーム(Aで示されるサブフレーム)より複数の第2サブフレーム(A+Bで示されるサブフレーム)の数が多い。
<Fourth Embodiment>
FIG. 8 is a timing diagram schematically showing another example of driving the image sensor. In FIG. 8, in the first frame, similarly to FIG. 5, the subframes belonging to the plurality of first subframes and the subframes belonging to the plurality of second subframes are set to alternate. On the other hand, in the second frame (other frame), the number of the plurality of second subframes (subframes represented by A + B) is larger than that of the plurality of first subframes (subframes represented by A).
このように駆動することで、必要な量の位相差情報だけを取り出し、残りのサブフレームはA+B信号の読み出しに当てることで、A+B信号の1フレーム中の信号比率を上げることが可能となる。当然ながら、撮像信号に使用するときのゲインは2倍ではなく、不足するサブフレーム分だけ、ゲインをかければよい。 By driving in this way, it is possible to increase the signal ratio of the A + B signal in one frame by extracting only the required amount of phase difference information and devoting the remaining subframes to reading the A + B signal. As a matter of course, the gain when used for the imaging signal is not doubled, and the gain should be applied by the amount of the insufficient subframe.
図9は、撮像素子の駆動の更に他の例を模式的に示すタイミング図である。図9においては、1フレーム目では、図8と同様に、複数の第1サブフレームに属するサブフレームと複数の第2サブフレームに属するサブフレームとが交互になるように設定される。他方、2フレーム目(他のフレーム)は、複数の第2サブフレームのみで構成される。すなわち2フレーム目では、A+B信号のみが読み出される。 FIG. 9 is a timing diagram schematically showing still another example of driving the image sensor. In FIG. 9, in the first frame, as in FIG. 8, the subframes belonging to the plurality of first subframes and the subframes belonging to the plurality of second subframes are set to alternate. On the other hand, the second frame (other frame) is composed of only a plurality of second subframes. That is, in the second frame, only the A + B signal is read out.
なお、これは、1フレーム目と2フレーム目とで読み出しを変える例であるが、これに限定されるものではなく、A信号とA+B信号を独立に取得するフレームとA+B信号のみを読み出すフレームがあればよい。このように駆動することで、位相差情報が必要なフレームのみで、その情報を取り出すことが可能となり、一方、位相差情報が必要ではない場合は、擬似的な1フレーム情報ではなく、全信号を得ることが可能となる。 Note that this is an example in which the reading is changed between the first frame and the second frame, but the reading is not limited to this, and the frame that independently acquires the A signal and the A + B signal and the frame that reads only the A + B signal are All you need is. By driving in this way, it is possible to retrieve the information only in the frames that require the phase difference information, while when the phase difference information is not required, the whole signal is not the pseudo one-frame information. Can be obtained.
図8および図9で説明したA信号を読み出すフレームの比率は、被写体輝度や撮影レンズのデフォーカス量に応じて可変にするとよい。このような駆動においても、第1実施形態と同様に、1つの画素に1つのAD変換器を備える構成であっても、撮像信号と位相信号を分離した信号として個別に取得する読み出し動作を実現することが可能である。 The ratio of the frames for reading the A signal described with reference to FIGS. 8 and 9 may be changed according to the subject brightness and the defocus amount of the photographing lens. Even in such a drive, as in the first embodiment, even in a configuration in which one AD converter is provided for one pixel, a read operation for individually acquiring the image pickup signal and the phase signal as separate signals is realized. It is possible to do.
次に、図10に基づいて、上述の撮像素子を、撮像装置であるデジタルカメラに適用した場合の実施形態について説明する。図10において、撮像素子ユニット1005は、撮影レンズ1001で結像された被写体を画像信号として取り込むためのユニットであり、上述の図1の撮像素子は、この撮像素子ユニット1005に含まれる。撮影レンズ1001は、被写体の光学像を撮像素子ユニット1005における撮像素子100に結像させる。
Next, an embodiment when the above-mentioned image pickup device is applied to a digital camera which is an image pickup device will be described with reference to FIG. In FIG. 10, the
レンズ駆動装置1002は、撮影レンズ1001に対して、ズーム制御、フォーカス制御、絞り制御等を行う。メカニカルシャッター1003は、シャッター駆動装置1004によって制御される。撮像素子ユニット1005は、上記したように撮像素子100を含む他、光学的なローパスフィルターなどを配備している。信号処理部1006は、撮像素子ユニット1005より出力された画像信号に対する各種の補正、データ圧縮等を行う。信号処理部1006はまた、前述のA信号やA+B信号の合成、減算、相関演算等を行うことができる。
The
タイミング発生部1007は、撮像素子100、信号処理部1006に、各種タイミング信号を出力する。制御部1009は、撮像装置全体の制御を司る。制御部1009は、その他の各種演算を行うこともできる。メモリ1008は、画像データを一時的に記憶する。記録媒体I/F1010は、記録媒体1011に対する記録または読み出しを行うためのインタフェースである。記録媒体1011は、画像データを記録する、半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。表示部1012は、各種情報や撮影画像を表示する。
The
次に、前述の構成における撮影時のデジタルカメラの動作について説明する。メイン電源がオンされると、コントロール系の電源がオンし、更に信号処理部1006等の撮像系回路の電源がオンされる。その後、不図示のレリーズボタンが押されると、信号処理部1006は撮像素子からのデータに基づいて相関演算を行う。
Next, the operation of the digital camera at the time of shooting in the above configuration will be described. When the main power supply is turned on, the power supply of the control system is turned on, and the power supply of the imaging system circuit such as the
制御部1009は、相関演算の結果に基づいてレンズ駆動装置1002により撮影レンズ1001を駆動して合焦しているか否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再び撮影レンズ1001を駆動し相関演算を行う。なお、相関演算は、撮像素子からのデータを用いて信号処理部1006で行う以外にも、不図示の演算専用の装置で行ってもよい。
The
そして、合焦が確認された後に撮影動作が開始される。撮影動作が終了すると、信号処理部1006は、撮像素子100から出力された画像信号に対して画像処理を行い撮影画像を生成する。撮影画像のデータは、制御部1009によりメモリ1008に書き込まれる。信号処理部1006では、並べ替え処理、加算処理、あるいはそれらの選択処理等も行われる。メモリ1008に蓄積されたデータは、制御部1009の制御により記録媒体I/F1010を介して記録媒体1011に記録される。なお、このとき不図示の外部I/F部を介して外部装置(コンピュータ等)にデータを転送し、外部装置で画像の加工等を行ってもよい。
Then, after the focusing is confirmed, the shooting operation is started. When the shooting operation is completed, the
(他の実施形態)
本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサがプログラムを読み出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。
(Other embodiments)
The present invention supplies a program that realizes one or more functions of the above-described embodiment to a system or device via a network or storage medium, and one or more processors in the computer of the system or device reads and executes the program. It can also be realized by the processing to be performed. It can also be realized by a circuit (for example, ASIC) that realizes one or more functions.
発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。 The invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, a claim is attached to make the scope of the invention public.
100:撮像素子、104:主制御部、105:画素制御部、106:信号処理回路 100: Image sensor, 104: Main control unit, 105: Pixel control unit, 106: Signal processing circuit
Claims (13)
前記複数の単位画素のそれぞれに対して1つ設けられる、複数のAD変換器と、
前記複数のAD変換器を用いて前記複数の単位画素からの読み出しを制御する画素制御部と、
を有する撮像素子であって、
前記画素制御部は、
フレームの画素信号を読み出すために、前記フレームを複数のサブフレームに時分割してサブフレームごとに前記複数の単位画素からの読み出し動作を行うように構成され、
前記複数のサブフレームのうちの複数の第1サブフレームの読み出し動作においては、前記複数の第1サブフレームのそれぞれで得られた第1光電変換素子からの信号に基づく第1信号を生成し、
前記複数のサブフレームのうちの複数の第2サブフレームの読み出し動作においては、前記複数の第2サブフレームのぞれぞれで得られた第2光電変換素子からの信号に基づく第2信号を生成する、
ことを特徴とする撮像素子。 A pixel unit in which a plurality of unit pixels are arranged in a matrix, and each of the plurality of unit pixels has a plurality of photoelectric conversion elements that photoelectrically convert light passing through different exit pupils of a photographing lens. When,
A plurality of AD converters provided for each of the plurality of unit pixels, and
A pixel control unit that controls reading from the plurality of unit pixels by using the plurality of AD converters.
It is an image sensor having
The pixel control unit
In order to read the pixel signal of the frame, the frame is time-divisioned into a plurality of subframes, and the reading operation from the plurality of unit pixels is performed for each subframe.
In the reading operation of the plurality of first subframes among the plurality of subframes, the first signal based on the signal from the first photoelectric conversion element obtained in each of the plurality of first subframes is generated.
In the reading operation of the plurality of second subframes among the plurality of subframes, the second signal based on the signal from the second photoelectric conversion element obtained by each of the plurality of second subframes is used. Generate,
An image sensor characterized by this.
前記画素部は前記第1半導体チップに形成され、前記画素制御部は前記第2半導体チップに形成されている、ことを特徴とする請求項10に記載の撮像素子。 It has a first semiconductor chip and a second semiconductor chip stacked on each other,
The image pickup device according to claim 10, wherein the pixel unit is formed on the first semiconductor chip, and the pixel control unit is formed on the second semiconductor chip.
前記撮像素子から出力された信号に基づいて撮影画像を生成する信号処理部と、
を有することを特徴とする撮像装置。 The image sensor according to any one of claims 1 to 12, and the image sensor.
A signal processing unit that generates a captured image based on the signal output from the image sensor, and
An imaging device characterized by having.
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