JP2021022921A - Imaging element, imaging apparatus, and control method - Google Patents

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敏和 柳井
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Abstract

To provide an imaging element which can timely achieve a wide dynamic range in AD conversion and high resolution precision.SOLUTION: An imaging element has: a plurality of pixels arranged in a matrix, each having an FD part for converting electric charges of signals transferred from a photoelectric conversion part into a voltage and an FD expansion part that is connected to the FD part and functions as an expansion capacity of the FD part by being set to an ON state; and a plurality of column signal processing parts that are commonly connected to a plurality of pixel columns each including the plurality of pixels arranged in a column direction and perform AD conversion of pixel signals Vsig supplied from the pixels. The plurality of column signal processing parts start AD conversion of high-gain pixel signals VsH when the FD expansion part is in an OFF state and AD conversion of low-gain pixel signals VsL when the FD expansion part is in an ON state in parallel.SELECTED DRAWING: Figure 8

Description

本発明は、行列状に配置された複数の画素を有する撮像素子、撮像素子を有する撮像装置、および撮像素子の制御方法に関する。 The present invention relates to an image pickup element having a plurality of pixels arranged in a matrix, an image pickup device having an image pickup element, and a control method of the image pickup element.

近年、撮像素子を用いて被写体像を撮像することによって撮像画像を取得するデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置が広く使用されている。 In recent years, imaging devices such as digital still cameras and digital video cameras that acquire captured images by capturing a subject image using an image sensor have been widely used.

以上の撮像装置で用いられる撮像素子として、XYアドレス方式で各画素から画素信号を読み出すCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型イメージセンサ(以下、CMOSセンサ)が例示される。CMOSセンサは、画素信号へのランダムアクセスが可能であること、画素信号の読出しが高速であること、高感度かつ低消費電力であること、等の利点を有している。 As an image pickup device used in the above image pickup apparatus, a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) type image sensor (hereinafter, CMOS sensor) that reads a pixel signal from each pixel by an XY address method is exemplified. The CMOS sensor has advantages such as random access to the pixel signal, high-speed reading of the pixel signal, high sensitivity and low power consumption, and the like.

一般的に、CMOSセンサの画素回路は、光電変換素子であるフォトダイオードからの電荷信号を、画素回路内のソースフォロア回路によって垂直信号線の電位信号に変換して出力する。信号を読み出す際には、画素が行単位で順次に選択され、選択された行における各列の画素信号が並列的にアナログ−デジタル変換(以下、AD変換と称する)されて、デジタル化された画素信号が出力される。 Generally, the pixel circuit of a CMOS sensor converts a charge signal from a photodiode, which is a photoelectric conversion element, into a potential signal of a vertical signal line by a source follower circuit in the pixel circuit and outputs the signal. When reading a signal, pixels are sequentially selected row by row, and the pixel signals in each column in the selected row are analog-digitally converted (hereinafter referred to as AD conversion) in parallel and digitized. A pixel signal is output.

CMOSセンサの画素回路には、例えば、シングルスロープ型のAD変換回路が採用される。以上のAD変換回路は、時系列的に変化するランプ波状の参照信号と画素信号とを比較する比較器とカウンタとを有する。カウンタが有するクロックでカウントされたランプ波のスロープ変化に対応する比較経過時間に基づいて、画素信号がAD変換される(例えば、特許文献1)。 For the pixel circuit of the CMOS sensor, for example, a single slope type AD conversion circuit is adopted. The above AD conversion circuit includes a comparator and a counter for comparing a ramp wave-shaped reference signal and a pixel signal that change in time series. The pixel signal is AD-converted based on the comparative elapsed time corresponding to the slope change of the lamp wave counted by the clock of the counter (for example, Patent Document 1).

以上のようなAD変換手法においては、参照信号の変位スロープ(変化率)を緩やかにするほど1カウント当たりの変位幅が小さくなるので、量子化誤差が低減されてAD変換の解像精度が向上する。以上の精度向上は、特に低照度の画素信号に対するAD変換において顕著である。 In the AD conversion method as described above, the gentler the displacement slope (rate of change) of the reference signal, the smaller the displacement width per count, so that the quantization error is reduced and the resolution accuracy of the AD conversion is improved. To do. The above improvement in accuracy is particularly remarkable in AD conversion for a pixel signal with low illuminance.

一方で、カウンタが実行するカウントの数が一定である条件では、参照信号の変位スロープを緩やかにするほど参照信号の変位量(最大値と最小値との差)が小さくなるので、高照度の撮像領域(画素信号)は飽和し易くなる。すなわち、参照信号の変位スロープを緩やかにするほど、撮像時のダイナミックレンジが狭くなる。 On the other hand, under the condition that the number of counts executed by the counter is constant, the displacement amount (difference between the maximum value and the minimum value) of the reference signal becomes smaller as the displacement slope of the reference signal is made gentler. The imaging region (pixel signal) tends to be saturated. That is, the gentler the displacement slope of the reference signal, the narrower the dynamic range at the time of imaging.

ここで、ダイナミックレンジを広げるためにカウント数を増加させると、AD変換が実行される時間が長くなるのでフレームレートが低下してしまう。 Here, if the number of counts is increased in order to widen the dynamic range, the time for which the AD conversion is executed becomes long, so that the frame rate decreases.

そこで、フォトダイオードからの電荷信号を、ISO感度に応じて2種類のゲインを切り替えてAD変換する技術が提案されている(例えば、特許文献2)。 Therefore, a technique has been proposed in which a charge signal from a photodiode is AD-converted by switching between two types of gains according to the ISO sensitivity (for example, Patent Document 2).

特開2005−323331号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-323331 特開2015−226161号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-226161

1回の撮影において低ゲインと高ゲインとのいずれかが用いられる特許文献2の技術によれば、2種類の画像信号を取得するには2倍の撮影時間が必要となるので、フレームレートが低下するという課題がある。加えて、低ゲイン撮影および高ゲイン撮影による画像信号を用いてダイナミックレンジの拡大処理を実行すると、撮影時間のズレに起因して動く被写体の像がブレるという課題もある。 According to the technique of Patent Document 2 in which either low gain or high gain is used in one shooting, it takes twice as long to acquire two types of image signals, so that the frame rate is high. There is a problem of decreasing. In addition, when the dynamic range expansion processing is executed using the image signals obtained by low gain shooting and high gain shooting, there is also a problem that the image of a moving subject is blurred due to the difference in shooting time.

以上の事情に鑑み、本発明は、AD変換における広いダイナミックレンジと高い解像精度を適時に実現できる撮像素子、撮像装置、および制御方法を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide an image pickup device, an image pickup device, and a control method capable of timely realizing a wide dynamic range and high resolution accuracy in AD conversion.

上記目的を達成するために、本発明の撮像素子は、光電変換部から転送された信号の電荷を電圧に変換するFD部と、前記FD部に接続され、オン状態に設定されることによって前記FD部の拡張容量として機能するFD拡張部と、を各々が備える行列状に配置された複数の画素と、列方向に配置された複数の前記画素を各々が含む複数の画素列にそれぞれ共通して接続され、前記画素から供給される画素信号をそれぞれAD変換する複数の列信号処理部と、を備える撮像素子であって、前記列信号処理部の各々は、前記画素信号の画素電圧と判定電圧とを比較する比較器を備え、前記画素電圧が前記判定電圧より小さい場合に、前記FD拡張部がオフ状態のときの前記画素信号である高ゲイン画素信号に対して第1AD変換を実行し、前記画素電圧が前記判定電圧より大きい場合に、前記FD拡張部がオン状態のときの前記画素信号である低ゲイン画素信号に対して第2AD変換を実行し、複数の前記列信号処理部は、前記第1AD変換と前記第2AD変換とを並列的に開始する、ことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the image pickup device of the present invention is connected to an FD unit that converts the charge of the signal transferred from the photoelectric conversion unit into a voltage and the FD unit, and is set to the ON state. The FD expansion unit that functions as the expansion capacity of the FD unit is common to a plurality of pixels arranged in a matrix, each of which includes the FD expansion unit, and a plurality of pixel sequences each including the plurality of the pixels arranged in the column direction. An image pickup element including a plurality of column signal processing units that are connected to each other and AD-convert the pixel signals supplied from the pixels, and each of the column signal processing units determines that the pixel voltage of the pixel signal is a pixel voltage. A comparator for comparing with a voltage is provided, and when the pixel voltage is smaller than the determination voltage, the first AD conversion is executed for the high gain pixel signal which is the pixel signal when the FD extension unit is in the off state. When the pixel voltage is larger than the determination voltage, the second AD conversion is executed for the low gain pixel signal which is the pixel signal when the FD expansion unit is on, and the plurality of column signal processing units perform the second AD conversion. , The first AD conversion and the second AD conversion are started in parallel.

また、本発明の別の撮像素子は、光電変換部から転送された信号の電荷を電圧に変換するFD部と、前記FD部に接続され、オン状態に設定されることによって前記FD部の拡張容量として機能するFD拡張部と、を各々が備える行列状に配置された複数の画素と、行方向に配置された複数の前記画素を各々が含む複数の画素行に共通して接続され、前記画素の動作を制御する垂直走査部と、を備える撮像素子であって、前記垂直走査部は、前記FD拡張部のオン状態とオフ状態とを切り替えることが可能であり、前記FD拡張部がオフ状態である前記画素から高ゲイン画素信号を読み出す第1読出し動作と、前記FD拡張部がオン状態である前記画素から低ゲイン画素信号を読み出す第2読出し動作とを実行する、ことを特徴とする。 Further, another imaging element of the present invention is connected to an FD unit that converts the charge of the signal transferred from the photoelectric conversion unit into a voltage, and is connected to the FD unit and is set to an ON state to expand the FD unit. An FD expansion unit that functions as a capacitance is commonly connected to a plurality of pixels arranged in a matrix, each of which includes a plurality of pixels arranged in a row direction, and a plurality of pixel rows each including the plurality of pixels arranged in a row direction. An imaging element including a vertical scanning unit that controls the operation of pixels, the vertical scanning unit can switch between an on state and an off state of the FD expansion unit, and the FD expansion unit is off. It is characterized in that a first read operation for reading a high gain pixel signal from the pixel in a state and a second read operation for reading a low gain pixel signal from the pixel in which the FD extension unit is on are executed. ..

また、本発明の別の撮像素子は、光電変換部から転送された信号の電荷を電圧に変換するFD部と、前記FD部に容量として接続するFD接続部およびFD拡張部と、を各々が備える行列状に配置された複数の画素と、行方向に配置された複数の前記画素を各々が含む複数の画素行に共通して接続され、前記画素の動作を制御する垂直走査部と、を備える撮像素子であって、前記垂直走査部は、前記FD接続部のオン状態とオフ状態とを切り替えることが可能であり、前記FD接続部がオフ状態である前記画素から高ゲイン画素信号を読み出す第1読出し動作と、前記FD接続部がオン状態である前記画素から低ゲイン画素信号を読み出す第2読出し動作とを実行する、ことを特徴とする。 Further, another image pickup device of the present invention has an FD unit that converts the charge of the signal transferred from the photoelectric conversion unit into a voltage, and an FD connection unit and an FD extension unit that are connected to the FD unit as a capacitance. A plurality of pixels arranged in a matrix and a vertical scanning unit which is commonly connected to a plurality of pixel rows including each of the plurality of pixels arranged in the row direction and controls the operation of the pixels. The image sensor is provided, and the vertical scanning unit can switch between an on state and an off state of the FD connection unit, and reads a high gain pixel signal from the pixel in which the FD connection unit is in the off state. It is characterized in that the first read operation and the second read operation of reading a low gain pixel signal from the pixel in which the FD connection portion is on are executed.

また、本発明の別の撮像素子は、光電変換部から転送された信号の電荷を電圧に変換するFD部と、前記FD部に容量として接続するFD接続部およびFD拡張部と、を各々が備える行列状に配置された複数の画素と、列方向に配置された複数の前記画素を各々が含む複数の画素列にそれぞれ共通して接続され、前記画素から供給される画素信号をそれぞれAD変換する複数の列信号処理部と、を備える撮像素子であって、前記列信号処理部の各々は、前記画素信号の画素電圧と判定電圧とを比較する比較器を備え、前記画素電圧が前記判定電圧より小さい場合に、前記FD接続部がオフ状態のときの前記画素信号である高ゲイン画素信号に対して第1AD変換を実行し、前記画素電圧が前記判定電圧より大きい場合に、前記FD接続部がオン状態のときの前記画素信号である低ゲイン画素信号に対して第2AD変換を実行し、複数の前記列信号処理部は、前記第1AD変換と前記第2AD変換とを並列的に開始する、ことを特徴とする。 Further, another imaging element of the present invention has an FD unit that converts the charge of the signal transferred from the photoelectric conversion unit into a voltage, and an FD connection unit and an FD extension unit that are connected to the FD unit as a capacitance. A plurality of pixels arranged in a matrix and a plurality of the pixels arranged in the column direction are commonly connected to a plurality of pixel sequences including each, and the pixel signals supplied from the pixels are converted to AD. An imaging element including a plurality of row signal processing units, each of which includes a comparator for comparing the pixel voltage of the pixel signal with the determination voltage, and the pixel voltage determines the determination. When the voltage is smaller than the voltage, the first AD conversion is executed on the high gain pixel signal which is the pixel signal when the FD connection portion is in the off state, and when the pixel voltage is larger than the determination voltage, the FD connection is performed. The second AD conversion is executed for the low gain pixel signal which is the pixel signal when the unit is on, and the plurality of column signal processing units start the first AD conversion and the second AD conversion in parallel. It is characterized by doing.

本発明によれば、AD変換における広いダイナミックレンジと高い解像精度を適時に実現できる。 According to the present invention, a wide dynamic range and high resolution accuracy in AD conversion can be realized in a timely manner.

本発明の第1実施形態に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the image pickup apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る撮像素子の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the image pickup device which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る画素の回路構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the circuit structure of the pixel which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る列信号処理部の回路構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the circuit structure of the column signal processing part which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る撮像装置が実行する撮影動作を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the photographing operation which the image pickup apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention performs. 本発明の第1実施形態に係る撮像素子における画素の動作を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the operation of the pixel in the image sensor which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る撮像素子における画素の読出し動作の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the pixel reading operation in the image sensor which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る列信号処理部に関するタイミングチャートである。It is a timing chart about the column signal processing part which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る列信号処理部が実行する判定動作の説明図である。It is explanatory drawing of the determination operation performed by the column signal processing unit which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態の変形例に係る列信号処理部の回路構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the circuit structure of the column signal processing part which concerns on the modification of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る画素の回路構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the circuit structure of the pixel which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る撮像素子における画素の読出し動作の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the pixel reading operation in the image sensor which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態の変形例に係る撮像素子における画素の動作を示すタイミングチャートの一部である。This is a part of a timing chart showing the operation of pixels in the image sensor according to the modified example of the second embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態の変形例に係る撮像素子における画素の読出し動作の概略説明図の一部である。It is a part of the schematic explanatory drawing of the pixel reading operation in the image pickup device which concerns on the modification of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る画素の回路構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the circuit structure of the pixel which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る列信号処理部に関するタイミングチャートである。It is a timing chart about the column signal processing part which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態の変形例に係る撮像素子における画素の読出し動作の概略説明図の一部である。It is a part of the schematic explanatory drawing of the pixel reading operation in the image pickup device which concerns on the modification of the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態に係る画素の回路構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the circuit structure of the pixel which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態に係る列信号処理部の回路構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the circuit structure of the column signal processing part which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態に係る撮像素子における画素の動作を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the operation of the pixel in the image sensor which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態に係る撮像素子における画素の読出し動作の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the pixel reading operation in the image sensor which concerns on 4th Embodiment of this invention. 図21に示す画素の読出し動作の補足説明図である。It is a supplementary explanatory view of the pixel reading operation shown in FIG. 本発明の第4実施形態に係る列信号処理部に関するタイミングチャートである。It is a timing chart about the column signal processing part which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態に係る列信号処理部の回路構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the circuit structure of the column signal processing part which concerns on 5th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態に係る列信号処理部に関するタイミングチャートである。It is a timing chart about the column signal processing part which concerns on 5th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態に係る列信号処理部が実行する判定動作の説明図である。It is explanatory drawing of the determination operation performed by the column signal processing unit which concerns on 5th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態の変形例に係る列信号処理部の回路構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the circuit structure of the column signal processing part which concerns on the modification of 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6実施形態に係る画素の回路構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the circuit structure of the pixel which concerns on 6th Embodiment of this invention.

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。以下に説明される各実施形態は、本発明を実現可能な構成の一例に過ぎない。以下の各実施形態は、本発明が適用される装置の構成や各種の条件に応じて適宜に修正または変更することが可能である。したがって、本発明の範囲は、以下の各実施形態に記載される構成によって限定されるものではない。例えば、相互に矛盾のない限りにおいて実施形態内に記載された複数の構成を組み合わせた構成も採用可能である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Each of the embodiments described below is merely an example of a configuration in which the present invention can be realized. Each of the following embodiments can be appropriately modified or changed according to the configuration of the apparatus to which the present invention is applied and various conditions. Therefore, the scope of the present invention is not limited by the configurations described in the following embodiments. For example, a configuration in which a plurality of configurations described in the embodiment are combined can be adopted as long as there is no mutual contradiction.

<第1実施形態>
図1から図9を参照して、本発明の第1実施形態について説明する。概略的には、第1実施形態に係る撮像装置1は、電荷電圧を変換するフローティングディフュージョン部(以下、FD部)と、電荷電圧変換のゲインを調整するFD拡張部FDextを含む画素を有する撮像素子12を有する。以上のような撮像素子12を用いることによって、撮像装置1は、1回の撮影で広いダイナミックレンジと高い解像精度とを併せて実現することができる。
<First Embodiment>
The first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 9. Generally, the image sensor 1 according to the first embodiment has a pixel including a floating diffusion unit (hereinafter, FD unit) that converts charge voltage and an FD extension unit FDext that adjusts the gain of charge voltage conversion. It has an element 12. By using the image sensor 12 as described above, the image sensor 1 can realize a wide dynamic range and high resolution accuracy in one shooting.

本実施形態の撮像装置1は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、工業用カメラ、医療用カメラ等の種々の電子カメラ装置に適用することが可能である。また、本実施形態の撮像装置1を、スマートフォン、タブレット端末等の撮像機能を有する種々の情報処理装置に適用することも可能である。他の実施形態においても同様である。 The imaging device 1 of the present embodiment can be applied to various electronic camera devices such as a digital still camera, a digital video camera, an industrial camera, and a medical camera. It is also possible to apply the image pickup device 1 of the present embodiment to various information processing devices having an image pickup function such as a smartphone and a tablet terminal. The same applies to other embodiments.

図1は、本発明の第1実施形態に係る撮像装置1の構成を示すブロック図である。撮像装置1は、撮像光学系11、撮像素子12、信号処理部13、圧縮伸張部14、同期制御部15、操作部16、画像表示部17、および画像記録部18を有している。 FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an image pickup apparatus 1 according to a first embodiment of the present invention. The image pickup apparatus 1 includes an image pickup optical system 11, an image pickup element 12, a signal processing unit 13, a compression / expansion unit 14, a synchronization control unit 15, an operation unit 16, an image display unit 17, and an image recording unit 18.

撮像光学系11は、撮像に供される光学鏡筒であって、撮像素子12に被写体を結像させるレンズ群、ズームおよび合焦を行うレンズ駆動機構、メカニカルシャッタ機構、絞り機構等の複数の要素を有する。撮像光学系11の可動部分は、同期制御部15から送信される制御信号に基づいて駆動される。 The image pickup optical system 11 is an optical lens barrel used for image pickup, and has a plurality of lens groups for forming a subject on the image pickup element 12, a lens drive mechanism for zooming and focusing, a mechanical shutter mechanism, an aperture mechanism, and the like. Has an element. The movable portion of the imaging optical system 11 is driven based on the control signal transmitted from the synchronous control unit 15.

撮像素子12は、画素毎に画像信号を読み出し可能なXYアドレス方式のCMOSセンサである。撮像素子12は、同期制御部15から送信される制御信号に従って、露光、信号読出し、画素リセット等の撮像動作を実施する。また、撮像素子12は、アナログ−デジタル変換回路(以下、AD変換回路と称する)によって画像信号をアナログ−デジタル変換し、デジタル化された画像信号を信号処理部13に出力する。 The image sensor 12 is an XY address type CMOS sensor capable of reading out an image signal for each pixel. The image sensor 12 performs imaging operations such as exposure, signal reading, and pixel reset according to the control signal transmitted from the synchronization control unit 15. Further, the image sensor 12 converts an image signal into analog-digital by an analog-digital conversion circuit (hereinafter referred to as an AD conversion circuit), and outputs the digitized image signal to the signal processing unit 13.

信号処理部13は、同期制御部15による制御の下、撮像素子12から入力されるデジタル化された画像信号に対して、ホワイトバランス調整、色補正、ガンマ補正等の信号処理を実施する。加えて、信号処理部13は、AF(Auto Focus)やAE(Auto Exposure)等の制御情報の検出を実施する。信号処理された画像信号および検出された制御情報は、信号処理部13から同期制御部15に出力される。 Under the control of the synchronous control unit 15, the signal processing unit 13 performs signal processing such as white balance adjustment, color correction, and gamma correction on the digitized image signal input from the image sensor 12. In addition, the signal processing unit 13 detects control information such as AF (Auto Focus) and AE (Auto Exposure). The signal-processed image signal and the detected control information are output from the signal processing unit 13 to the synchronization control unit 15.

圧縮伸張部14は、同期制御部15による制御の下、信号処理部13にて信号処理された画像信号の圧縮符号化処理や、同期制御部15から供給された静止画像の符号化データの伸張復号化処理を実施する。圧縮伸張部14は、動画像の圧縮符号化/伸張復号化処理を実行してもよい。 Under the control of the synchronization control unit 15, the compression / expansion unit 14 compresses and encodes the image signal signal-processed by the signal processing unit 13, and expands the coded data of the still image supplied from the synchronization control unit 15. Perform the decryption process. The compression / decompression unit 14 may execute the compression coding / decompression / decoding process of the moving image.

同期制御部15は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等の素子を含むマイクロコントローラである。同期制御部15は、以上のROM等に記憶されたプログラムを実行することにより、この撮像装置1の各部を統括的に制御する。 The synchronization control unit 15 is, for example, a microcontroller including elements such as a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), and a RAM (Random Access Memory). The synchronous control unit 15 comprehensively controls each unit of the image pickup apparatus 1 by executing the program stored in the ROM or the like.

操作部16は、例えば、シャッタレリーズボタン等の各種操作キーや、レバー、ダイヤル等を有し、ユーザからの入力操作に応じた制御信号を同期制御部15に出力する。 The operation unit 16 has, for example, various operation keys such as a shutter release button, a lever, a dial, and the like, and outputs a control signal corresponding to an input operation from the user to the synchronous control unit 15.

画像表示部17は、液晶ディスプレイ(Liquid Crystal Display,LCD)等の表示デバイスおよび対応するインタフェース回路を有する。画像表示部17は、同期制御部15から供給された画像信号に基づいて表示画像信号を生成し、生成した表示画像信号を表示デバイスに供給することによって画像を表示させる。 The image display unit 17 includes a display device such as a liquid crystal display (LCD) and a corresponding interface circuit. The image display unit 17 generates a display image signal based on the image signal supplied from the synchronization control unit 15, and supplies the generated display image signal to the display device to display an image.

画像記録部18は、例えば、接続された可搬型の記録媒体(半導体メモリ等)に対して、圧縮伸張部14によって圧縮符号化され同期制御部15から供給された画像信号を、画像データファイルとして記録する。また、画像記録部18は、同期制御部15からの制御信号に基づいて指定されたデータを読み出して、同期制御部15に出力する。 The image recording unit 18 uses, for example, an image signal compressed and encoded by the compression / decompression unit 14 and supplied from the synchronization control unit 15 to a connected portable recording medium (semiconductor memory or the like) as an image data file. Record. Further, the image recording unit 18 reads out the designated data based on the control signal from the synchronization control unit 15 and outputs the data to the synchronization control unit 15.

次に、本実施形態における撮像装置1の基本的な動作について説明する。まず、静止画像の記録動作について説明する。静止画像の撮像前、撮像素子12は、光電変換による画像信号を信号処理部13に順次に供給する。信号処理部13は、撮像素子12から供給された画像信号に対して信号処理を施す。信号処理部13は、信号処理した画像信号を、カメラスルー画像の信号として、同期制御部15を介して画像表示部17に供給する。画像表示部17は、供給された信号に基づいてカメラスルー画像を表示させる。ユーザは、表示されたカメラスルー画像を見ることによって、画角合わせを行うことができる。 Next, the basic operation of the image pickup apparatus 1 in the present embodiment will be described. First, the still image recording operation will be described. Before capturing a still image, the image sensor 12 sequentially supplies an image signal by photoelectric conversion to the signal processing unit 13. The signal processing unit 13 performs signal processing on the image signal supplied from the image sensor 12. The signal processing unit 13 supplies the signal-processed image signal as a camera-through image signal to the image display unit 17 via the synchronization control unit 15. The image display unit 17 displays a camera-through image based on the supplied signal. The user can adjust the angle of view by looking at the displayed camera-through image.

以上のように、撮像素子12と信号処理部13とが協働することによって、画像表示部17等に出力可能な画像情報が取得される。 As described above, the image information that can be output to the image display unit 17 or the like is acquired by the cooperation between the image sensor 12 and the signal processing unit 13.

画像表示部17によってカメラスルー画像が表示されている状態において、操作部16のシャッタレリーズボタンが押下されると、同期制御部15は、撮像素子12を制御して1フレーム分の画像信号を信号処理部13に取り込ませる。信号処理部13は、撮像素子12から取り込んだ1フレーム分の画像信号に信号処理を施し、信号処理後の画像信号を圧縮伸張部14に供給する。圧縮伸張部14は、供給された信号処理後の画像信号を圧縮符号化して符号化データを生成し、同期制御部15を介して画像記録部18に供給する。画像記録部18は、撮像された静止画像に対応する符号化データを、データファイルとして記録媒体に記録する。 When the shutter release button of the operation unit 16 is pressed while the camera-through image is displayed by the image display unit 17, the synchronization control unit 15 controls the image sensor 12 to signal an image signal for one frame. It is taken into the processing unit 13. The signal processing unit 13 performs signal processing on the image signal for one frame captured from the image sensor 12, and supplies the image signal after the signal processing to the compression / decompression unit 14. The compression / decompression unit 14 compresses and encodes the supplied image signal after signal processing to generate coded data, and supplies the coded data to the image recording unit 18 via the synchronization control unit 15. The image recording unit 18 records the coded data corresponding to the captured still image as a data file on the recording medium.

静止画像の再生動作について説明する。画像記録部18に記録された静止画像のデータファイルを再生する指示が操作部16から入力されると、同期制御部15は、操作部16において選択されたデータファイルを記録媒体から画像記録部18を介して読み込む。同期制御部15は、読み込んだデータファイルを圧縮伸張部14に供給して、伸張復号化処理を実行させる。圧縮伸張部14によって復号化された画像信号は同期制御部15を介して画像表示部17に供給される。画像表示部17は、供給された画像信号に基づいて表示デバイスに静止画像を再生表示する。 The reproduction operation of a still image will be described. When an instruction to play a still image data file recorded in the image recording unit 18 is input from the operation unit 16, the synchronization control unit 15 transfers the data file selected by the operation unit 16 from the recording medium to the image recording unit 18. Read through. The synchronization control unit 15 supplies the read data file to the compression / decompression unit 14 to execute the decompression / decoding process. The image signal decoded by the compression / decompression unit 14 is supplied to the image display unit 17 via the synchronization control unit 15. The image display unit 17 reproduces and displays a still image on a display device based on the supplied image signal.

動画像の記録動作について説明する。撮像素子12は、動画像の画素信号を信号処理部13に順次に供給する。信号処理部13は、撮像素子12から供給された動画像の画素信号に対して順次に信号処理を施す。信号処理された動画像の画素信号は、同期制御部15を介して圧縮伸張部14に供給され、圧縮符号化処理が施される。圧縮伸張部14によって生成された動画像の符号化データは、同期制御部15を介して順次に画像記録部18に転送される。画像記録部18は、転送された動画像の符号化データを記録媒体に記録する。 The operation of recording a moving image will be described. The image sensor 12 sequentially supplies the pixel signals of the moving image to the signal processing unit 13. The signal processing unit 13 sequentially performs signal processing on the pixel signals of the moving image supplied from the image sensor 12. The pixel signal of the signal-processed moving image is supplied to the compression / decompression unit 14 via the synchronization control unit 15, and is subjected to compression coding processing. The coded data of the moving image generated by the compression / decompression unit 14 is sequentially transferred to the image recording unit 18 via the synchronization control unit 15. The image recording unit 18 records the encoded data of the transferred moving image on the recording medium.

動画像の再生動作について説明する。同期制御部15は、画像記録部18から動画像のデータファイルを読み出して圧縮伸張部14に供給する。圧縮伸張部14は、供給された動画像のデータファイルに対して伸張復号化処理を実施する。圧縮伸張部14によって復号化された画素信号は同期制御部15を介して画像表示部17に供給される。画像表示部17は、供給された画素信号に基づいて表示デバイスに動画像を再生表示する。 The operation of reproducing a moving image will be described. The synchronization control unit 15 reads a moving image data file from the image recording unit 18 and supplies it to the compression / decompression unit 14. The compression / decompression unit 14 performs decompression / decoding processing on the supplied moving image data file. The pixel signal decoded by the compression / decompression unit 14 is supplied to the image display unit 17 via the synchronization control unit 15. The image display unit 17 reproduces and displays a moving image on the display device based on the supplied pixel signal.

図2は、本発明の第1実施形態に係る撮像素子12の構成を例示する図である。撮像素子(CMOSセンサ)12は、複数の画素200を有する画素領域201、垂直走査部202、列信号処理部203、水平走査部207、出力部209、およびタイミング部211を備えている。以下に説明する撮像素子12の各部による動作は、同期制御部15の制御に基づいて実行される。 FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the image sensor 12 according to the first embodiment of the present invention. The image sensor (CMOS sensor) 12 includes a pixel region 201 having a plurality of pixels 200, a vertical scanning unit 202, a column signal processing unit 203, a horizontal scanning unit 207, an output unit 209, and a timing unit 211. The operation by each part of the image pickup device 12 described below is executed based on the control of the synchronization control unit 15.

画素領域201は、後述されるCMOSセンサの画素200によって構成される。画素領域201に含まれる複数の画素200は、水平方向(行方向)および垂直方向(列方向)においてマトリクス状(行列状)に配列されている。 The pixel area 201 is composed of pixels 200 of a CMOS sensor, which will be described later. The plurality of pixels 200 included in the pixel region 201 are arranged in a matrix (matrix) in the horizontal direction (row direction) and the vertical direction (column direction).

図2に示すように、複数の画素200は、“P[行番号][列番号]”と表記されそれぞれ特定される(例えば、1行目1列目の画素200はP11と表記され、8行目6列目の画素200はP86と表記される)。図2の画素領域201は6×8配列(8行6列)であるものとして例示されるが、画素領域201に含まれる画素200の行数および列数は本構成に限定されるものではない。 As shown in FIG. 2, the plurality of pixels 200 are designated as "P [row number] [column number]" (for example, the pixel 200 in the first row and the first column is represented as P11, 8). The pixel 200 in the sixth row and the sixth column is referred to as P86). The pixel area 201 in FIG. 2 is exemplified as having a 6 × 8 array (8 rows and 6 columns), but the number of rows and columns of the pixels 200 included in the pixel area 201 is not limited to this configuration. ..

複数の画素200は、画素領域201全体に亘って配置されている。複数の画素200に関して、奇数行においてR(赤)フィルタとG(緑)フィルタとが交互に繰り返し配置され、偶数行においてG(緑)フィルタとB(青)フィルタとが交互に繰り返し配置されている。すなわち、色フィルタは、2×2配列(2行2列)単位で繰り返されるパターンを形成するように配置されている。 The plurality of pixels 200 are arranged over the entire pixel area 201. With respect to the plurality of pixels 200, the R (red) filter and the G (green) filter are alternately and repeatedly arranged in the odd-numbered rows, and the G (green) filter and the B (blue) filter are alternately and repeatedly arranged in the even-numbered rows. There is. That is, the color filters are arranged so as to form a pattern that is repeated in units of 2 × 2 arrays (2 rows and 2 columns).

画素領域201において、画素制御線221が画素200の行(画素行)毎に共通に接続され、垂直信号線231が画素200の列(画素列)毎に共通に接続されている。垂直走査部202は、画素領域201内の画素200を1行ずつ選択し、画素制御線221を介して駆動制御信号を伝達することによって、選択した画素行のリセット動作や読み出し動作を駆動制御する。垂直走査部202によって画素制御線221を介して選択された画素行の画素信号は、各画素200に対応する垂直信号線231に読み出される(出力される)。複数の垂直信号線231毎に設けられた列信号処理部203は、垂直信号線231を介して供給される行単位の画素信号に対して、後述する列信号処理を実施して、処理後の画素信号を記憶する。 In the pixel region 201, the pixel control line 221 is commonly connected for each row (pixel row) of the pixel 200, and the vertical signal line 231 is commonly connected for each column (pixel column) of the pixel 200. The vertical scanning unit 202 selects the pixels 200 in the pixel area 201 line by line and transmits a drive control signal via the pixel control line 221 to drive and control the reset operation and the read operation of the selected pixel line. .. The pixel signal of the pixel line selected by the vertical scanning unit 202 via the pixel control line 221 is read out (output) to the vertical signal line 231 corresponding to each pixel 200. The column signal processing unit 203 provided for each of the plurality of vertical signal lines 231 performs column signal processing, which will be described later, on the row-by-row pixel signals supplied via the vertical signal lines 231 after processing. Store the pixel signal.

列信号処理部203は、それぞれ、対応する列選択線251によって水平走査部207に接続されている。水平走査部207は、列選択線251を介して列信号処理部203を列毎に選択することによって、列信号処理部203に記憶されているデジタル化された画素信号が、水平出力線261を介して出力部209に転送されるように制御する。出力部209は、デジタル化された行単位の画素信号を信号処理部13へ出力する。 Each of the column signal processing units 203 is connected to the horizontal scanning unit 207 by a corresponding column selection line 251. The horizontal scanning unit 207 selects the column signal processing unit 203 for each column via the column selection line 251 so that the digitized pixel signal stored in the column signal processing unit 203 can be used for the horizontal output line 261. It is controlled so that it is transferred to the output unit 209 via. The output unit 209 outputs a digitized line-by-line pixel signal to the signal processing unit 13.

タイミング部211は、同期制御部15からの制御信号に基づいて、撮像素子12の各部の動作に必要な各種のクロック信号や制御信号等の信号を出力する。タイミング部211には、垂直走査部202に対して信号を送る信号線271、列信号処理部203に対して信号を送る制御線281、および水平走査部207に対して信号を送る制御線285が接続されている。 The timing unit 211 outputs signals such as various clock signals and control signals necessary for the operation of each unit of the image sensor 12 based on the control signal from the synchronization control unit 15. The timing unit 211 includes a signal line 271 that sends a signal to the vertical scanning unit 202, a control line 281 that sends a signal to the column signal processing unit 203, and a control line 285 that sends a signal to the horizontal scanning unit 207. It is connected.

図3は、本発明の第1実施形態に係る撮像素子100の各画素200の回路構成を示す回路図である。図3には、画素領域201を構成する画素200の1つが矩形の点線によって代表的に示されている。 FIG. 3 is a circuit diagram showing a circuit configuration of each pixel 200 of the image pickup device 100 according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 3, one of the pixels 200 constituting the pixel region 201 is typically shown by a rectangular dotted line.

画素200は、画素制御線221および垂直信号線231によって他の回路と接続される。図3では、画素P11が垂直信号線231に接続されている。垂直信号線231は、負荷回路および列信号処理部203に接続する他、垂直1列に配置された複数の画素200(垂直画素列)に共通して接続され、画素信号を伝送する。前述した画素制御線221は、垂直走査部202に接続する他、水平1行に配置された複数の画素200(水平画素列)に共通して接続される。垂直走査部202が水平1行の画素を同時に制御することで、信号読出しおよびリセットを実行する。各画素制御線221は、後述される転送制御線pTX、FD拡張制御線pFDext、リセット制御線pRS、および選択制御線pSELを含んでいる。 The pixel 200 is connected to another circuit by a pixel control line 221 and a vertical signal line 231. In FIG. 3, the pixel P11 is connected to the vertical signal line 231. The vertical signal line 231 is connected to the load circuit and the column signal processing unit 203, and is also commonly connected to a plurality of pixels 200 (vertical pixel array) arranged in one vertical row to transmit a pixel signal. The pixel control line 221 described above is connected to the vertical scanning unit 202 and is also commonly connected to a plurality of pixels 200 (horizontal pixel strings) arranged in one horizontal row. The vertical scanning unit 202 simultaneously controls the pixels in one horizontal row to read and reset the signal. Each pixel control line 221 includes a transfer control line pTX, an FD extended control line pFDext, a reset control line pRS, and a selection control line pSEL, which will be described later.

光電変換素子(光電変換部)PDは、光を電荷に変換すると共に、変換された電荷を蓄積するフォトダイオードである。光電変換素子PDは、PN接合のP側が接地されると共に、PN接合のN側が転送トランジスタ(転送スイッチ)TXのソースにそれぞれ接続されている。 The photoelectric conversion element (photoelectric conversion unit) PD is a photodiode that converts light into electric charges and stores the converted electric charges. In the photoelectric conversion element PD, the P side of the PN junction is grounded, and the N side of the PN junction is connected to the source of the transfer transistor (transfer switch) TX.

転送トランジスタTXは、ゲートが転送制御線pTXに接続し、ドレインがFD容量CFDに接続する。転送トランジスタTXは、光電変換素子PDからFD容量CFDへの電荷の転送を制御する。 In the transfer transistor TX, the gate is connected to the transfer control line pTX and the drain is connected to the FD capacitance CFD. The transfer transistor TX controls the transfer of electric charge from the photoelectric conversion element PD to the FD capacitance CFD.

FD容量CFDは、一方が接地されており、光電変換素子PDから転送された電荷を電圧に変換する際に電荷を蓄積する。以下、転送トランジスタTXのドレインとFD容量CFDの他方(非接地側)との接続点をFDノード301と称する。 One of the FD capacitance CFDs is grounded, and the electric charge is accumulated when the electric charge transferred from the photoelectric conversion element PD is converted into a voltage. Hereinafter, the connection point between the drain of the transfer transistor TX and the other side (non-grounded side) of the FD capacitance CFD will be referred to as an FD node 301.

FD拡張トランジスタ(FD拡張部)FDextは、ゲートがFD拡張制御線pFDextに接続し、ソースがFD容量CFDに接続し、ドレインがリセットトランジスタ(リセットスイッチ)RSに接続するMOS型トランジスタである。 The FD expansion transistor (FD expansion unit) FDext is a MOS transistor in which the gate is connected to the FD expansion control line pFDext, the source is connected to the FD capacitance CFD, and the drain is connected to the reset transistor (reset switch) RS.

リセットトランジスタRSは、ゲートがリセット制御線pRSに接続し、ドレインが電源電圧Vddに接続し、ソースがFD拡張トランジスタFDextに接続する。 In the reset transistor RS, the gate is connected to the reset control line pRS, the drain is connected to the power supply voltage Vdd, and the source is connected to the FD expansion transistor FDext.

FD拡張トランジスタFDextおよびリセットトランジスタRSが共にオン状態に設定されることによって、FDノード301の電位が電源電圧Vddにリセットされる。一方、FD拡張トランジスタFDextおよびリセットトランジスタRSが共にオフ状態である場合には、FD容量CFDにおいて光電変換素子PDから転送された電荷が電圧に変換される。 By setting both the FD expansion transistor FDext and the reset transistor RS to the ON state, the potential of the FD node 301 is reset to the power supply voltage Vdd. On the other hand, when both the FD expansion transistor FDext and the reset transistor RS are in the off state, the electric charge transferred from the photoelectric conversion element PD is converted into a voltage in the FD capacitance CFD.

FD拡張トランジスタFDextがオン状態であってリセットトランジスタRSがオフ状態である場合には、FD拡張トランジスタFDextが、電荷を保持可能な蓄積部(すなわち、蓄積容量)として機能する。以上の蓄積容量を、以下、FD拡張容量Cexと称する場合がある。このとき、FD拡張トランジスタFDextの蓄積容量およびFD容量CFDは基板に対して並列に接地しているので、FDノード301から見た容量は、FD容量CFDにFD拡張容量Cexを加算した容量(FD加算容量CFDadd)となる。したがって、FDノード301において、FD容量CFDとFD拡張容量Cexとを加算した加算容量CFDaddを用いて、光電変換素子PDから転送された電荷が電圧に変換される。 When the FD expansion transistor FDext is in the ON state and the reset transistor RS is in the OFF state, the FD expansion transistor FDext functions as a storage unit (that is, a storage capacity) capable of holding electric charges. The above storage capacity may be hereinafter referred to as FD expansion capacity Cex. At this time, since the storage capacity and the FD capacity CFD of the FD expansion transistor FDext are grounded in parallel with the substrate, the capacity seen from the FD node 301 is the capacity obtained by adding the FD expansion capacity Cex to the FD capacity CFD (FD). The additional capacity is CFDadd). Therefore, in the FD node 301, the electric charge transferred from the photoelectric conversion element PD is converted into a voltage by using the additional capacitance CFDadd which is the sum of the FD capacitance CFD and the FD expansion capacitance Cex.

駆動トランジスタ(増幅部)Tdrvは、画素内アンプを構成するトランジスタであって、ゲートがFD容量CFDに接続し、ドレインが電源電圧Vddに接続し、ソースが選択トランジスタSELのドレインに接続している。したがって、駆動トランジスタTdrvは、FD容量CFDの電圧に応じた電圧を出力する。 The drive transistor (amplification unit) Tdrv is a transistor constituting an intra-pixel amplifier, in which the gate is connected to the FD capacitance CFD, the drain is connected to the power supply voltage Vdd, and the source is connected to the drain of the selection transistor SEL. .. Therefore, the drive transistor Tdrv outputs a voltage corresponding to the voltage of the FD capacitance CFD.

選択トランジスタSELは、ゲートが選択制御線pSELに接続し、ソースが垂直信号線231に接続している。選択トランジスタSELは、駆動トランジスタTdrvの出力を、画素200の出力信号(画素信号)として垂直信号線231に出力する。 In the selection transistor SEL, the gate is connected to the selection control line pSEL and the source is connected to the vertical signal line 231. The selection transistor SEL outputs the output of the drive transistor Tdrv to the vertical signal line 231 as an output signal (pixel signal) of the pixel 200.

垂直信号線毎に設けられている負荷回路の負荷トランジスタTlodは、ゲートおよびソースが接地し、ドレインが垂直信号線231に接続している。負荷トランジスタTlodは、垂直信号線231で接続している列の画素200の駆動トランジスタTdrvと共に画素内アンプとして機能するソースフォロア回路を構成している。通常、画素200の信号を出力する時は、負荷トランジスタTlodをゲート接地の定電流源として動作させる。 In the load transistor Trod of the load circuit provided for each vertical signal line, the gate and the source are grounded, and the drain is connected to the vertical signal line 231. The load transistor Trod constitutes a source follower circuit that functions as an intra-pixel amplifier together with the drive transistor Tdrv of the pixels 200 in the row connected by the vertical signal line 231. Normally, when the signal of the pixel 200 is output, the load transistor Trod is operated as a constant current source for grounding the gate.

本実施形態においては、駆動トランジスタTdrvおよび負荷トランジスタTlod以外のトランジスタは、スイッチとして働き、ゲートに接続された制御線がHighの時に導通し(ON状態になり)、Lowの時に遮断する(OFF状態になる)と想定する。 In the present embodiment, the transistors other than the drive transistor Tdrv and the load transistor Trod act as switches, and the control line connected to the gate conducts when it is High (turns ON) and shuts off when it is Low (OFF state). Will be).

図4は、本実施形態に係る撮像素子12の列信号処理部203の回路構成を示す回路図である。列信号処理部203は、2つのスイッチ回路400,401、比較器402、カウンタ回路403、ラッチ回路404、および演算回路405を備えている。以下に説明するように、列信号処理部203はAD変換回路として機能する。 FIG. 4 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the column signal processing unit 203 of the image pickup device 12 according to the present embodiment. The column signal processing unit 203 includes two switch circuits 400 and 401, a comparator 402, a counter circuit 403, a latch circuit 404, and an arithmetic circuit 405. As described below, the column signal processing unit 203 functions as an AD conversion circuit.

スイッチ回路400は、接続されているスイッチ制御線pSwSを介した列信号処理部203からの制御に基づいて、垂直信号線231から伝送される画素信号Vsigをサンプルホールド容量CSHに保持するサンプルホールド動作を制御する。スイッチ回路400は、スイッチ制御線pSwSから供給される制御信号がHighである場合に導通し(オン状態となり)、Lowである場合に遮断される(オフ状態となる)。 The switch circuit 400 has a sample hold operation of holding the pixel signal Vsig transmitted from the vertical signal line 231 in the sample hold capacitance CSH based on the control from the column signal processing unit 203 via the connected switch control line pSwS. To control. The switch circuit 400 conducts when the control signal supplied from the switch control line pSwS is High (turns on), and shuts off when the control signal is Low (turns off).

スイッチ回路401は、接続されているスイッチ制御線pSwHを介した比較器402からの制御に基づいて、垂直信号線231から伝送される画素信号Vsigをサンプルホールド容量CSHに保持するサンプルホールド動作を制御する。スイッチ回路401は、スイッチ制御線pSwHから供給される制御信号がHighである場合に導通し(オン状態となり)、Lowである場合に遮断される(オフ状態となる)。 The switch circuit 401 controls the sample hold operation of holding the pixel signal Vsig transmitted from the vertical signal line 231 in the sample hold capacitance CSH based on the control from the comparator 402 via the connected switch control line pSwH. To do. The switch circuit 401 conducts when the control signal supplied from the switch control line pSwH is High (turns on), and shuts off when the control signal is Low (turns off).

比較器402は、2つの入力信号の比較結果を出力する要素であって、例えば、2つの入力信号の大小関係が逆転した時に、出力信号をHighからLowに変化させる。比較器402には、2つの入力信号源として、サンプルホールド容量CSHとランプ波信号線Vrmpとが接続されている。タイミング部211がランプ波信号線Vrmpに出力するランプ波は、初期電圧から徐々に変化する三角波である。以上のランプ波の振幅は、比較器402に入力される画素信号の飽和振幅に対して十分な余裕があると好適である。比較器402は、徐々に変化するランプ波が画素信号と交差した時点で、比較結果を出力する。 The comparator 402 is an element that outputs a comparison result of two input signals. For example, when the magnitude relationship between the two input signals is reversed, the output signal is changed from High to Low. A sample hold capacitance CSH and a ramp wave signal line Vrmp are connected to the comparator 402 as two input signal sources. The lamp wave output by the timing unit 211 to the lamp wave signal line Vrmp is a triangular wave that gradually changes from the initial voltage. It is preferable that the amplitude of the above lamp wave has a sufficient margin with respect to the saturation amplitude of the pixel signal input to the comparator 402. The comparator 402 outputs the comparison result when the gradually changing lamp wave intersects the pixel signal.

さらに、比較器402は、判定電圧Vjdと画素信号Vsigとの比較結果に基づいて、列毎にサンプルホールド動作を制御するスイッチ制御線pSwHに切替信号を出力することができる。本実施形態では、比較器402は、画素信号Vsigの電圧(画素電圧)が判定電圧Vjdよりも大きければスイッチ回路401をオフ状態に設定する。結果として、比較器402による比較動作の時点における画素信号Vsigがサンプルホールド容量CSHに保持される。他方、比較器402は、画素信号Vsigが判定電圧Vjdよりも小さければスイッチ回路401をオン状態に設定する。結果として、画素信号Vsigが入力可能な状態に維持される。スイッチ制御線pSwHに対する切替信号の出力の詳細については後述される。 Further, the comparator 402 can output a switching signal to the switch control line pSwH that controls the sample hold operation for each column based on the comparison result between the determination voltage Vjd and the pixel signal Vsig. In the present embodiment, the comparator 402 sets the switch circuit 401 to the off state if the voltage (pixel voltage) of the pixel signal Vsig is larger than the determination voltage Vjd. As a result, the pixel signal Vsig at the time of the comparison operation by the comparator 402 is held in the sample hold capacitance CSH. On the other hand, the comparator 402 sets the switch circuit 401 to the ON state if the pixel signal Vsig is smaller than the determination voltage Vjd. As a result, the pixel signal Vsig is maintained in a state in which it can be input. Details of the output of the switching signal with respect to the switch control line pSwH will be described later.

カウンタ回路403は、接続されているカウンタ制御線pCNTから供給されるクロックに基づいてカウンタを動作させる。カウンタ回路403は、ランプ波の開始に合わせてカウント動作を開始し、比較器402からの比較結果の信号を受けた時点のカウント値を出力する。出力されたカウント値(離散値)は、列信号処理部203が垂直信号線231を介して受け取った画素信号をデジタル化した信号に相当する。 The counter circuit 403 operates the counter based on the clock supplied from the connected counter control line pCNT. The counter circuit 403 starts the counting operation in accordance with the start of the lamp wave, and outputs the count value at the time when the signal of the comparison result from the comparator 402 is received. The output count value (discrete value) corresponds to a digitized pixel signal received by the column signal processing unit 203 via the vertical signal line 231.

ラッチ回路404は、カウンタ回路403が出力するカウント値を一時的に保持すると共に、接続されているラッチ制御線pLTCを介した制御に基づいて保持しているカウント値を出力する。 The latch circuit 404 temporarily holds the count value output by the counter circuit 403, and outputs the count value held based on the control via the connected latch control line pLTC.

演算回路405は、接続されている演算制御線pCALを介した制御に基づいて、ラッチ回路404が出力するカウント値を画素のデジタル信号として記憶する。加えて、演算回路405は、対応する選択線pHを介した制御に基づいて、記憶している画素のデジタル信号をデジタル出力線DSigに出力する。 The arithmetic circuit 405 stores the count value output by the latch circuit 404 as a pixel digital signal based on the control via the connected arithmetic control line pCAL. In addition, the arithmetic circuit 405 outputs the digital signal of the stored pixel to the digital output line DSig based on the control via the corresponding selection line pH.

以上に説明したように、列信号処理部203は、比較器402、カウンタ回路403、ラッチ回路404、およびランプ波信号線Vrmpを用いたAD変換回路を構成している。 As described above, the column signal processing unit 203 constitutes an AD conversion circuit using a comparator 402, a counter circuit 403, a latch circuit 404, and a ramp wave signal line Vrmp.

また、上記のように、タイミング部211から列信号処理部203に接続される制御線281は、スイッチ制御線pSwS、ランプ波信号線Vrmp、カウンタ制御線pCNT、ラッチ制御線pLTC、および演算制御線pCALを含む。水平走査部207から列信号処理部203に接続される列選択線251は、図4の選択線pHに相当する。列信号処理部203から出力部209に接続される水平出力線261は、図4のデジタル出力線DSigに相当する。 Further, as described above, the control line 281 connected from the timing unit 211 to the column signal processing unit 203 includes a switch control line pSwS, a ramp wave signal line Vrmp, a counter control line pCNT, a latch control line pLTC, and an arithmetic control line. Includes pCAL. The column selection line 251 connected from the horizontal scanning unit 207 to the column signal processing unit 203 corresponds to the selection line pH in FIG. The horizontal output line 261 connected from the column signal processing unit 203 to the output unit 209 corresponds to the digital output line DSig in FIG.

次いで、本発明の第1実施形態に係る撮像装置1の動作を以下に説明する。撮像装置1の動作は、同期制御部15による制御に基づいて撮像装置1の各部が駆動されることによって実現される。 Next, the operation of the image pickup apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention will be described below. The operation of the image pickup apparatus 1 is realized by driving each portion of the image pickup apparatus 1 based on the control by the synchronization control unit 15.

図5は、撮像装置1が実行する撮影動作を示すタイミングチャートである。横軸(水平方向)は時間を示し、縦軸(垂直方向)は撮像素子12の画素領域201の全ての行に対応する。 FIG. 5 is a timing chart showing a shooting operation executed by the imaging device 1. The horizontal axis (horizontal direction) indicates time, and the vertical axis (vertical direction) corresponds to all rows of the pixel region 201 of the image sensor 12.

フレーム同期信号FSyncは、撮像素子12を駆動するための同期信号であって、立ち下がった時に有効となってフレーム毎に所定の動作を実行する契機となる信号である。同期信号FSyncは、図5に示すように、時系列的に等間隔に配置され、時刻s01,s04,s08,s12,s16にて立ち下がっている。 The frame synchronization signal FSync is a synchronization signal for driving the image sensor 12, and is a signal that becomes effective when the image sensor 12 falls and triggers a predetermined operation to be executed for each frame. As shown in FIG. 5, the synchronization signals FSync are arranged at equal intervals in chronological order and fall at time s01, s04, s08, s12, and s16.

実線で描かれる斜線は、撮像素子12の画素領域201の行毎の動作タイミングを示す。例えば、時刻s01〜s03に亘って描かれる斜線は、画素信号を1行毎に読み出す動作に相当し、時刻s02〜s05に亘って描かれる斜線は、光電変換素子PDの電荷を1行毎にリセットする動作に相当する。以上のリセット動作は、露光開始動作に相当する。時刻s04〜s07に亘って描かれる斜線は、光電変換素子PDの電荷を1行毎に読み出す動作に相当する。以上の読出し動作は、露光終了動作および画素信号の読出し動作に相当する。以上の動作の結果として、被写体画像に対応する信号が取得される。 The diagonal line drawn by the solid line indicates the operation timing of the pixel region 201 of the image sensor 12 for each row. For example, the diagonal lines drawn from time s01 to s03 correspond to the operation of reading the pixel signal line by line, and the diagonal lines drawn from time s02 to s05 correspond to the charge of the photoelectric conversion element PD line by line. Corresponds to the reset operation. The above reset operation corresponds to the exposure start operation. The diagonal lines drawn from time s04 to s07 correspond to the operation of reading out the electric charge of the photoelectric conversion element PD line by line. The above reading operation corresponds to the exposure end operation and the pixel signal reading operation. As a result of the above operation, a signal corresponding to the subject image is acquired.

同様に、時刻s06および時刻s10を起点として描かれる斜線は、光電変換素子PDの電荷リセットおよび露光開始の動作に相当する。時刻s08および時刻s12を起点として描かれる斜線は、露光終了および光電変換素子PDの電荷読出しの動作に相当する。 Similarly, the diagonal lines drawn starting from time s06 and time s10 correspond to the operations of charge reset and exposure start of the photoelectric conversion element PD. The diagonal lines drawn starting from the time s08 and the time s12 correspond to the operation of the end of exposure and the charge reading of the photoelectric conversion element PD.

以上のように、フレーム毎に露光制御と画素信号読出しを実行することによって、連続的な撮影を実行することができる。 As described above, continuous shooting can be performed by executing exposure control and pixel signal reading for each frame.

図6および図7を参照して、本発明の第1実施形態に係る撮像素子12の画素動作を説明する。図6は、本発明の第1実施形態に係る撮像素子12における画素200の動作を示すタイミングチャートである。横軸は時間を示し、縦軸は信号のオン/オフ(電位の高低)を示す。 The pixel operation of the image pickup device 12 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 and 7. FIG. 6 is a timing chart showing the operation of the pixel 200 in the image sensor 12 according to the first embodiment of the present invention. The horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates signal on / off (high / low potential).

ライン同期信号LSyncは、撮像素子12を駆動するための同期信号であって、立ち下がった時に有効となって行毎に所定の画素動作を実行する契機となる信号である。ライン同期信号Lsyncは、フレーム同期信号Fsyncの1期間(1周期)内において画素領域201内の最初の行から最後の行までの各行内の画素200が同期して動作するために供給される。 The line synchronization signal LSync is a synchronization signal for driving the image sensor 12, and is a signal that becomes effective when the image sensor 12 falls and triggers a predetermined pixel operation for each line. The line synchronization signal Lsync is supplied so that the pixels 200 in each line from the first line to the last line in the pixel area 201 operate synchronously within one period (one cycle) of the frame synchronization signal Fsync.

また、図6は、画素制御線221に含まれる転送制御線pTX、FD拡張制御線pFDext、リセット制御線pRS、および選択制御線pSELの動作タイミングを示している。 Further, FIG. 6 shows the operation timings of the transfer control line pTX, the FD extended control line pFDext, the reset control line pRS, and the selection control line pSEL included in the pixel control line 221.

図6(a)は、図5の時刻s02,s06,s10から開始する行毎のリセット動作について、光電変換素子PDの電荷リセットを実行する1行における制御信号の遷移を示す。ライン同期信号Lsyncが有効となるのに続いて、画素制御線221に含まれる選択制御線pSEL以外の制御線が全てオン状態に設定されることによって、光電変換素子PD、FD容量CFD、およびFD拡張容量Cexが電源電圧Vddにリセットされる。 FIG. 6A shows the transition of the control signal in one line for executing the charge reset of the photoelectric conversion element PD for the line-by-line reset operation starting from the times s02, s06, and s10 in FIG. Following the activation of the line synchronization signal Lsync, all the control lines other than the selection control line pSEL included in the pixel control line 221 are set to the ON state, so that the photoelectric conversion element PD, the FD capacitance CFD, and the FD are set to the ON state. The expansion capacity Cex is reset to the power supply voltage Vdd.

次いで、転送制御線pTXがオフ状態に設定されて転送トランジスタTXが遮断されることによって、露光が開始される。その後、FD拡張制御線pFDextおよびリセット制御線pRSが順にオフ状態に設定され、FD拡張トランジスタFDextおよびリセットトランジスタRSが順に遮断されることによって、FD容量のリセット動作が終了する。 Next, the transfer control line pTX is set to the off state and the transfer transistor TX is cut off, so that the exposure is started. After that, the FD expansion control line pFDext and the reset control line pRS are sequentially set to the off state, and the FD expansion transistor FDext and the reset transistor RS are sequentially cut off, so that the FD capacitance reset operation is completed.

図6(b)から図6(f)は、図5の時刻s04,s08,s12から開始する行毎の画素信号読出し動作について、光電変換素子PDの電荷読出しを実行する1行における制御信号の遷移を示す。光電変換素子PDの電荷読出し動作については、以下、図7を参照しながら説明される。 6 (b) to 6 (f) show the control signal in one line for executing the charge reading of the photoelectric conversion element PD for the pixel signal reading operation for each line starting from the times s04, s08, and s12 in FIG. Shows the transition. The charge reading operation of the photoelectric conversion element PD will be described below with reference to FIG. 7.

図7は、本発明の第1実施形態に係る撮像素子12における画素200の読出し動作の概略説明図である。 FIG. 7 is a schematic explanatory view of the reading operation of the pixel 200 in the image sensor 12 according to the first embodiment of the present invention.

図7(a)は、図3と同様に画素200の回路構成を示している。図7(b−1)〜図7(b−7)は、図7(a)に示す点線の経路に沿った電位の分布図である。光電変換素子PDはPN接合のP側が接地されているので、信号負荷に関してはN側に電子が蓄積される。図7(b−1)〜図7(b−7)では電子(負電荷)を基準として電位を表現しているので、電源電圧Vddに対して電子が蓄積しているほど電位値(図中の垂直方向の位置)が高くなる。本実施形態のFD容量を用いた電荷電圧変換においては、画素信号となる電圧と転送される電荷との関係において線形性(linearity)が維持される範囲で変換動作が実行されると好適である。 FIG. 7A shows the circuit configuration of the pixel 200 as in FIG. 7 (b-1) to 7 (b-7) are potential distribution diagrams along the dotted line path shown in FIG. 7 (a). Since the P side of the PN junction of the photoelectric conversion element PD is grounded, electrons are accumulated on the N side with respect to the signal load. In FIGS. 7 (b-1) to 7 (b-7), the potential is expressed with reference to electrons (negative charges). Therefore, the more electrons are accumulated with respect to the power supply voltage Vdd, the more the potential value (in the figure). (Vertical position of) becomes higher. In the charge-voltage conversion using the FD capacitance of the present embodiment, it is preferable that the conversion operation is executed within a range in which linearity is maintained in the relationship between the voltage to be the pixel signal and the transferred charge. ..

ここで、光電変換素子PDが飽和する電荷量をPD容量、FD部が飽和する電荷量をFD容量CFD、FD拡張部が飽和する電荷量をFD拡張容量Cexとする。本実施形態では、光電変換素子PDが飽和するPD容量に対して、FD容量CFDとFD拡張容量Cexとを加算したFD加算容量CFDaddにおける電荷電圧変換の線形性を維持できる電荷量が略等しくなるように設定する。以上の設定状態は、PD容量:FD加算容量=1:1と表現できる。FD容量CFDを基準とした比で示した場合の各容量は、FD容量:FD拡張容量:FD加算容量:PD容量=1:3:4:4と設定される。さらに、以上のように設定されたFD容量CFDにおける電荷電圧変換の変換ゲインを、以下、規格化された値として1倍(またはx1)と表現する。以上の通り、FD加算容量CFDaddはFD容量CFDの4倍であるので、FD加算容量CFDaddにおける電荷電圧変換の変換ゲインは1/4倍(またはx1/4)と表現できる。 Here, the amount of charge that saturates the photoelectric conversion element PD is defined as the PD capacitance, the amount of charge that saturates the FD portion is defined as the FD capacitance CFD, and the amount of charge that saturates the FD expansion portion is defined as the FD expansion capacitance Cex. In the present embodiment, the amount of charge capable of maintaining the linearity of charge-voltage conversion in the FD addition capacitance CFDadd, which is the sum of the FD capacitance CFD and the FD expansion capacitance Cex, is substantially equal to the PD capacitance in which the photoelectric conversion element PD is saturated. To set. The above setting state can be expressed as PD capacity: FD addition capacity = 1: 1. FD capacity Each capacity when expressed in a ratio based on CFD is set as FD capacity: FD expansion capacity: FD addition capacity: PD capacity = 1: 3: 4: 4. Further, the conversion gain of charge-voltage conversion in the FD capacitance CFD set as described above is hereinafter expressed as 1 time (or x1) as a standardized value. As described above, since the FD addition capacity CFDadd is four times the FD capacity CFD, the conversion gain of the charge-voltage conversion in the FD addition capacity CFDadd can be expressed as 1/4 times (or x1 / 4).

なお、各容量の設定値は、上述したFD容量:FD拡張容量:FD加算容量=1:3:4には限定されず、FD拡張容量Cexが1以上に設定されていればよい。例えば、FD容量:FD拡張容量:FD加算容量=1:7:8と設定されてもよい。以上の場合、FD加算容量CFDaddにおける電荷電圧変換の変換ゲインは1/8倍(またはx1/8)である。 The set value of each capacity is not limited to the above-mentioned FD capacity: FD expansion capacity: FD addition capacity = 1: 3: 4, and the FD expansion capacity Cex may be set to 1 or more. For example, FD capacity: FD expansion capacity: FD addition capacity = 1: 7: 8 may be set. In the above case, the conversion gain of the charge-voltage conversion in the FD addition capacitance CFDadd is 1/8 times (or x1 / 8).

以下の説明において、FD容量CFDのみで電荷電圧変換する場合を「高ゲイン変換」と称し、FD加算容量(=FD容量+FDE拡張容量)を用いて電荷電圧変換する場合を「低ゲイン変換」と称する。また、電荷電圧変換において、FD容量およびFD加算容量が飽和した状態の電圧を「FDの飽和電圧」と称する。前述のように、FD容量はFD加算容量CFDaddに含まれているので、FD容量の飽和電圧とFD加算容量の飽和電圧は等しい。さらに、「FDの飽和電圧」に対応する画素信号の電圧を、「画素の飽和電圧」と称する。 In the following description, the case of charge-voltage conversion using only the FD capacity CFD is referred to as "high gain conversion", and the case of charge-voltage conversion using the FD addition capacity (= FD capacity + FDE expansion capacity) is referred to as "low gain conversion". Refer to. Further, in the charge-voltage conversion, the voltage in a state where the FD capacitance and the FD addition capacitance are saturated is referred to as "FD saturation voltage". As described above, since the FD capacitance is included in the FD addition capacitance CFDadd, the saturation voltage of the FD capacitance and the saturation voltage of the FD addition capacitance are equal. Further, the voltage of the pixel signal corresponding to the "FD saturation voltage" is referred to as a "pixel saturation voltage".

図7(b−1)は、図6(a)を参照して説明したリセット動作後の露光期間における電位の分布を示す。各トランジスタは、オン状態の時には電子を導通させ、オフ状態の時には障壁となって電子を遮断する。図7(b−1)に示す露光状態においては、光電変換素子PDに電子が蓄積されていると共に、転送トランジスタTX、FD拡張トランジスタFDext、およびリセットトランジスタRSが全てオフ状態に設定されている。 FIG. 7 (b-1) shows the potential distribution in the exposure period after the reset operation described with reference to FIG. 6 (a). Each transistor conducts electrons when it is on, and blocks electrons as a barrier when it is off. In the exposure state shown in FIG. 7 (b-1), electrons are accumulated in the photoelectric conversion element PD, and the transfer transistor TX, the FD expansion transistor FDext, and the reset transistor RS are all set to the off state.

前述したように、図6(b)から図6(f)は画素信号の読出し動作に対応している。図6(b)は、FD容量CFDのリセット動作を実行する際の制御信号の遷移を示す。ライン同期信号Lsyncが有効となるのに続いて、選択トランジスタSELがオン状態に設定されることによって、画素信号が垂直信号線231に出力される状態となる。同時に、FD拡張トランジスタFDextおよびリセットトランジスタRSがオン状態に設定されることによって、FD容量CFDがリセットされる。 As described above, FIGS. 6 (b) to 6 (f) correspond to the pixel signal reading operation. FIG. 6B shows the transition of the control signal when the reset operation of the FD capacitance CFD is executed. Following the activation of the line synchronization signal Lsync, the selection transistor SEL is set to the ON state, so that the pixel signal is output to the vertical signal line 231. At the same time, the FD capacitance CFD is reset by setting the FD expansion transistor FDext and the reset transistor RS to the ON state.

図7(b−2)は、FD拡張トランジスタFDextおよびリセットトランジスタRSがオン状態に設定されることによって、FD容量CFDが電源電圧Vddの電位にリセットされる際の電位分布を示している。転送トランジスタTXがオフ状態に維持されているので、光電変換素子PDは電荷を保持した状態を維持する。その後、FD拡張トランジスタFDextとリセットトランジスタRSとが順にオフ状態に設定されることによって、FD容量CFDのリセット動作が終了する。 FIG. 7 (b-2) shows the potential distribution when the FD capacitance CFD is reset to the potential of the power supply voltage Vdd by setting the FD expansion transistor FDext and the reset transistor RS to the ON state. Since the transfer transistor TX is maintained in the off state, the photoelectric conversion element PD maintains the state of holding the electric charge. After that, the FD expansion transistor FDext and the reset transistor RS are sequentially set to the off state, so that the reset operation of the FD capacitance CFD is completed.

図7(b−3)は、FD拡張トランジスタFDextおよびリセットトランジスタRSがオフ状態に設定され、FD容量CFDのリセット動作が終了した際の電位分布を示している。図7(b−3)はFD容量CFDのみで電荷電圧変換する高ゲイン変換(すなわち1倍)の状態に相当する。以上の高ゲイン変換の状態において、垂直信号線231に出力された画素信号を高ゲインのリセット信号VnHとする。 FIG. 7 (b-3) shows the potential distribution when the FD expansion transistor FDext and the reset transistor RS are set to the off state and the reset operation of the FD capacitance CFD is completed. FIG. 7 (b-3) corresponds to a state of high gain conversion (that is, 1 times) in which charge voltage is converted only by the FD capacitance CFD. In the above high gain conversion state, the pixel signal output to the vertical signal line 231 is defined as the high gain reset signal VnH.

図6(c)は、FD部におけるゲイン変更動作を実行する際の制御信号の遷移を示す。リセットトランジスタRSがオフ状態に設定されたままFD拡張トランジスタFDextがオン状態に設定されることによって、FD拡張容量Cexが発生する。結果として、FD容量CFDとFD拡張容量Cexとが加算される。 FIG. 6C shows the transition of the control signal when the gain changing operation in the FD unit is executed. The FD expansion capacitance Cex is generated by setting the FD expansion transistor FDext to the on state while the reset transistor RS is set to the off state. As a result, the FD capacity CFD and the FD expansion capacity Cex are added.

図7(b−4)は、FD拡張トランジスタFDextがオン状態に設定されることによってFD容量CFDとFD拡張容量Cexとが加算された際の電位分布を示している。以上の加算動作によって、FD容量CFDとFD拡張容量Cexとが加算されたFD加算容量CFDaddを用いて電荷電圧変換する低ゲイン変換(すなわち1/4倍)の状態に遷移する。以上の低ゲイン変換の状態において、垂直信号線231に出力された画素信号を低ゲインのリセット信号VnLとする。 FIG. 7 (b-4) shows the potential distribution when the FD capacitance CFD and the FD expansion capacitance Cex are added by setting the FD expansion transistor FDext to the ON state. By the above addition operation, the state transitions to the low gain conversion (that is, 1/4 times) state in which the charge voltage is converted using the FD addition capacity CFDadd in which the FD capacity CFD and the FD expansion capacity Cex are added. In the above low gain conversion state, the pixel signal output to the vertical signal line 231 is defined as the low gain reset signal VnL.

図6(d)は、光電変換素子PDに蓄積した電荷をFD部に転送する際の制御信号の遷移を示す。転送トランジスタTXがオン状態に設定されることによって、光電変換素子PDからFD部のFD加算容量CFDaddに対して信号電荷が転送される。信号電荷の転送が完了した後に、転送トランジスタTXがオフ状態に設定される。 FIG. 6D shows the transition of the control signal when the electric charge accumulated in the photoelectric conversion element PD is transferred to the FD unit. When the transfer transistor TX is set to the ON state, the signal charge is transferred from the photoelectric conversion element PD to the FD addition capacitance CFDadd of the FD unit. After the signal charge transfer is complete, the transfer transistor TX is set to the off state.

図7(b−5)および図7(b−6)は、光電変換素子PDからFD部のFD加算容量CFDaddへの信号電荷の転送が完了した状態に相当する。FD容量:FD加算容量=1:4である場合、判定電圧Vjdは画素の飽和電圧の1/4に設定される。 7 (b-5) and 7 (b-6) correspond to a state in which the transfer of the signal charge from the photoelectric conversion element PD to the FD addition capacitance CFDadd of the FD unit is completed. When the FD capacity: the FD addition capacity = 1: 4, the determination voltage Vjd is set to 1/4 of the saturation voltage of the pixels.

図7(b−5)は、転送された信号電荷に低ゲインの電荷電圧変換を施した後の画素信号の電位が判定電圧Vjd以上である際の電位分布を示している。以上の状態において、垂直信号線231に出力された画素信号を低ゲインの高照度信号VsL_highとする。他方、図7(b−6)は、転送された信号電荷に低ゲインの電荷電圧変換を施した後の画素信号の電位が判定電圧Vjd未満である際の電位分布を示している。以上の状態において、垂直信号線231に出力された画素信号を低ゲインの低照度信号VsL_lowとする。 FIG. 7 (b-5) shows the potential distribution when the potential of the pixel signal after performing low gain charge-voltage conversion on the transferred signal charge is equal to or higher than the determination voltage Vjd. In the above state, the pixel signal output to the vertical signal line 231 is defined as a low gain high illuminance signal VsL_high. On the other hand, FIG. 7 (b-6) shows the potential distribution when the potential of the pixel signal after the transferred signal charge is subjected to low gain charge-voltage conversion is less than the determination voltage Vjd. In the above state, the pixel signal output to the vertical signal line 231 is defined as a low gain low illuminance signal VsL_low.

図6(e)は、FD部においてゲイン変更動作を実行する際の制御信号の遷移を示す。FD拡張トランジスタFDextがオフ状態に設定されることによって、FD拡張容量Cexが消滅する。結果として、FD容量CFDのみに電荷が蓄積可能な状態、すなわち、FD容量CFDのみで電荷電圧変換する高ゲイン変換(すなわち1倍)の状態に遷移する。 FIG. 6E shows the transition of the control signal when the gain changing operation is executed in the FD unit. When the FD expansion transistor FDext is set to the off state, the FD expansion capacitance Cex disappears. As a result, the state transitions to a state in which charges can be accumulated only in the FD capacitance CFD, that is, a high gain conversion (that is, 1 times) state in which the charge voltage is converted only by the FD capacitance CFD.

図7(b−7)は、図7(b−6)の状態においてFD拡張トランジスタFDextがオフ状態に設定される事によって、FD容量CFDにのみ電荷が蓄積した際の電位分布を示している。リセットトランジスタRSはオフ状態に維持されているので、FD拡張トランジスタFDextがオン状態からオフ状態に変化すると、FD拡張トランジスタFDextのFD拡張容量Cexに蓄積していた信号電荷は、FD容量CFDに戻されて加算される。前述したように、FD容量:FD加算容量が1:4に設定されているので、FD加算容量CFDaddに蓄積していた信号電荷をそのままFD容量CFDに戻すと、電位値が4倍になる。 FIG. 7 (b-7) shows the potential distribution when the charge is accumulated only in the FD capacitance CFD by setting the FD expansion transistor FDext to the off state in the state of FIG. 7 (b-6). .. Since the reset transistor RS is maintained in the off state, when the FD expansion transistor FDext changes from the on state to the off state, the signal charge accumulated in the FD expansion capacitance Cex of the FD expansion transistor FDext returns to the FD capacitance CFD. Is added. As described above, since the FD capacity: FD addition capacity is set to 1: 4, if the signal charge accumulated in the FD addition capacity CFDadd is returned to the FD capacity CFD as it is, the potential value is quadrupled.

図7(b−6)の状態における画素信号の電圧は画素の飽和電圧の1/4に設定された判定電圧Vjdより小さいので、図7(b−7)の状態における画素信号は飽和しない。結果として、図7(b−6)の状態における画素信号の4倍の電圧が出力される。以上の状態において、垂直信号線231に出力された画素信号を高ゲインの低照度信号VsH_lowとする。 Since the voltage of the pixel signal in the state of FIG. 7 (b-6) is smaller than the determination voltage Vjd set to 1/4 of the saturation voltage of the pixel, the pixel signal in the state of FIG. 7 (b-7) is not saturated. As a result, a voltage four times that of the pixel signal in the state of FIG. 7 (b-6) is output. In the above state, the pixel signal output to the vertical signal line 231 is defined as a high gain low illuminance signal VsH_low.

他方、図7(b−5)の状態における画素信号の電圧は、画素の飽和電圧の1/4に設定された判定電圧Vjd以上である。したがって、FD加算容量CFDaddに蓄積していた信号電荷がそのままFD容量CFDに戻されると、FD容量CFDを超過してオーバーフローしてしまう。そこで、リセットトランジスタRSおよびFD拡張トランジスタFDextをオフ状態に設定した際の電位を、転送トランジスタTXをオフ状態に設定した際の電位よりも若干低く(すなわち、電圧を高く)設定しておくと好適である。以上のように設定することで、FD容量CFDがオーバーフロー機能を有することができ、FD容量CFDをオーバーフローした信号電荷を電源Vddに排出できる。以上のオーバーフロー機能は、FD容量CFDの信号電荷がオーバーフローした場合だけでなく、FD加算容量CFDaddの信号電荷がオーバーフローした場合においても有効である。以上の状態において、垂直信号線231に出力された画素信号を高ゲインの高照度信号VsH_highとする。ただし、以上の高照度信号VsH_highは、オーバーフローした状態の電圧であって画素電位に正しく対応していないので、本実施例では先の処理に使用しない。 On the other hand, the voltage of the pixel signal in the state of FIG. 7 (b-5) is equal to or higher than the determination voltage Vjd set to 1/4 of the saturation voltage of the pixels. Therefore, if the signal charge accumulated in the FD addition capacitance CFDadd is returned to the FD capacitance CFD as it is, it exceeds the FD capacitance CFD and overflows. Therefore, it is preferable to set the potential when the reset transistor RS and the FD expansion transistor FDext are set to the off state to be slightly lower (that is, to increase the voltage) than the potential when the transfer transistor TX is set to the off state. Is. By setting as described above, the FD capacitance CFD can have an overflow function, and the signal charge overflowing the FD capacitance CFD can be discharged to the power supply Vdd. The above overflow function is effective not only when the signal charge of the FD capacitance CFD overflows, but also when the signal charge of the FD addition capacitance CFDadd overflows. In the above state, the pixel signal output to the vertical signal line 231 is defined as a high-gain high-illuminance signal VsH_high. However, since the above high illuminance signal VsH_high is a voltage in an overflowed state and does not correctly correspond to the pixel potential, it is not used in the previous processing in this embodiment.

図6(f)は、光電変換素子PDおよびFD容量CFDに対してリセット動作を実行する際の制御信号の遷移を示す。転送トランジスタTX、FD拡張トランジスタFDext、およびリセットトランジスタRSがオン状態に設定されることによって、光電変換素子PDおよびFD容量CFDがリセットされる。その後、転送トランジスタTXとFD拡張トランジスタFDextとリセットトランジスタRSとが順にオフ状態に設定されることによって、光電変換素子PDおよびFD容量CFDのリセット動作が終了する。次いで、選択トランジスタSELがオフ状態に設定されることによって、読出し可能であった画素200と垂直信号線231とが電気的に切り離される。 FIG. 6 (f) shows the transition of the control signal when the reset operation is executed for the photoelectric conversion element PD and the FD capacitance CFD. The photoelectric conversion element PD and the FD capacitance CFD are reset by setting the transfer transistor TX, the FD expansion transistor FDext, and the reset transistor RS to the ON state. After that, the transfer transistor TX, the FD expansion transistor FDext, and the reset transistor RS are sequentially set to the off state, so that the reset operation of the photoelectric conversion element PD and the FD capacitance CFD is completed. Next, by setting the selection transistor SEL to the off state, the readable pixel 200 and the vertical signal line 231 are electrically separated from each other.

以上のように、ライン同期信号Lsyncの有効化から開始された1行分の画素信号の読出し動作が実行される。その後、図6(f)に示される次行のライン同期信号Lsyncを契機として、次行の画素信号の読出し動作が開始する。以上の次行の画素信号の読出し動作と並行して、水平走査部207が、列選択線251を介して列信号処理部203を列毎に選択して、記憶されているデジタル化された画素信号が水平出力線261を介して出力部209に転送されるように制御する。 As described above, the pixel signal reading operation for one line started from the activation of the line synchronization signal Lsync is executed. After that, the operation of reading the pixel signal of the next line is started, triggered by the line synchronization signal Lsync of the next line shown in FIG. 6 (f). In parallel with the pixel signal reading operation of the next row, the horizontal scanning unit 207 selects the column signal processing unit 203 for each column via the column selection line 251 and stores the digitized pixels. The signal is controlled to be transferred to the output unit 209 via the horizontal output line 261.

図8および図9を参照して、本発明の第1実施形態に係る撮像素子12の画素読出し動作および比較動作を説明する。図8は、本発明の第1実施形態に係る撮像素子12における読出し動作および比較動作を示す列信号処理部203のタイミングチャートである。図8は、図5の時刻s04,s08,s12から開始する行毎の動作における1行の画素信号の読出し動作を示しており、比較器402に入力される画素信号Vsigおよびランプ波Vrmpの推移を示している。横軸(t方向)が時間の経過に対応し、縦軸(V方向)がランプ波Vrmpの初期電圧を基準とした電位に対応する。 The pixel readout operation and the comparison operation of the image pickup device 12 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 8 and 9. FIG. 8 is a timing chart of the column signal processing unit 203 showing the reading operation and the comparison operation in the image sensor 12 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 8 shows the operation of reading the pixel signal of one line in the operation of each line starting from the times s04, s08, and s12 of FIG. 5, and the transition of the pixel signal Vsig and the lamp wave Vrmp input to the comparator 402. Is shown. The horizontal axis (t direction) corresponds to the passage of time, and the vertical axis (V direction) corresponds to the potential based on the initial voltage of the lamp wave Vrmp.

期間tr1において、列信号処理部203を初期設定する動作が実行される。以上の初期設定として、例えば、比較器402の入力信号に対するクランプが実行される。より詳細には以下の通りである。比較器402からスイッチ制御線pSwHへの出力がHighに設定されると共に、スイッチ制御線pSwSがHighに設定される。結果として、2つのスイッチ回路400,401がオン状態に設定されて、垂直信号線231の初期状態となる画素信号Vsigがサンプルホールド容量CSHへ保持される。この時、比較器402では、2つの入力信号である画素信号Vsigおよびランプ波信号Vrmpが基準レベルとしてクランプされる。スイッチ制御線pSwHは、後述する判定期間が到来するまでHighに維持される。 In the period tr1, the operation of initializing the column signal processing unit 203 is executed. As the above initial setting, for example, clamping on the input signal of the comparator 402 is executed. More details are as follows. The output from the comparator 402 to the switch control line pSwH is set to High, and the switch control line pSwS is set to High. As a result, the two switch circuits 400 and 401 are set to the ON state, and the pixel signal Vsig, which is the initial state of the vertical signal line 231 is held in the sample hold capacitance CSH. At this time, in the comparator 402, the pixel signal Vsig and the lamp wave signal Vrmp, which are two input signals, are clamped as reference levels. The switch control line pSwH is maintained high until the determination period described later is reached.

期間tt1において、FD容量CFDがリセットされると共に、電荷電圧変換のゲインがFD容量CFDのみを用いて電荷電圧変換を実行する高ゲイン(すなわち1倍)に設定される。以上のリセット時の画素動作の制御タイミングは、図6(b)を参照して説明した通りであり、リセット中の画素およびリセット後の画素の電位分布は、それぞれ、図7(b−2)および図7(b−3)を参照して説明した通りである。期間tt1は、FD容量CFDがリセットされリセットトランジスタRSがオフ状態に設定された後のリセット信号VnHの読出し期間およびその後の信号安定期間に相当する。画素信号Vsigとしてのリセット信号VnHは、垂直信号線231を介してサンプルホールド容量CSHおよび比較器402へと入力される。なお、スイッチ制御線pSwSをLowに設定してスイッチ回路400をオフ状態に設定することによって、リセット信号VnHをサンプルホールド容量CSHへ保持してもよい。スイッチ制御線pSwHはHighに維持され、スイッチ回路401がオン状態に維持される。 In the period tt1, the FD capacitance CFD is reset and the gain of the charge-voltage conversion is set to a high gain (that is, 1 times) for performing the charge-voltage conversion using only the FD capacitance CFD. The control timing of the pixel operation at the time of reset is as described with reference to FIG. 6 (b), and the potential distributions of the pixel during reset and the pixel after reset are shown in FIG. 7 (b-2), respectively. And as described with reference to FIG. 7 (b-3). The period tt1 corresponds to the read-out period of the reset signal VnH after the FD capacitance CFD is reset and the reset transistor RS is set to the off state, and the signal stabilization period thereafter. The reset signal VnH as the pixel signal Vsig is input to the sample hold capacitance CSH and the comparator 402 via the vertical signal line 231. The reset signal VnH may be held in the sample hold capacitance CSH by setting the switch control line pSwS to Low and setting the switch circuit 400 to the off state. The switch control line pSwH is maintained high and the switch circuit 401 is maintained in the on state.

期間tr2においてランプ波G1が生成される。比較器402は、リセット信号VnHとランプ波G1とを比較した結果を示す比較信号を出力する。そして、比較器402からの比較信号が反転したタイミング(期間tnHが経過した時刻)におけるカウント値cnHが演算回路405に記憶される。 The lamp wave G1 is generated in the period tr2. The comparator 402 outputs a comparison signal indicating the result of comparing the reset signal VnH and the lamp wave G1. Then, the count value cnH at the timing when the comparison signal from the comparator 402 is inverted (the time when the period tnH has elapsed) is stored in the arithmetic circuit 405.

期間tt2において、電荷電圧変換のゲインがFD加算容量CFDaddを用いて電荷電圧変換を実行する低ゲイン(すなわち1/4倍)に変更される。以上のゲイン変更時の画素動作の制御タイミングは、図6(c)を参照して説明した通りであり、低ゲインに変更された画素の電位分布は、図7(b−4)を参照して説明した通りである。期間tt2は、FD部の変換ゲインを高ゲインから低ゲインに変更したことに基づいて、高ゲインリセット信号VnHが低ゲインリセット信号VnLに遷移する期間およびその後の信号安定期間に相当する。画素信号Vsigとしてのリセット信号VnLは、垂直信号線231を介してサンプルホールド容量CSHおよび比較器402へと入力される。なお、期間tt1にてスイッチ制御線pSwSがLowに設定された場合は、本期間で再びHighに設定してスイッチ回路400をオン状態に設定する。リセット信号VnLの入力が開始された後、スイッチ制御線pSwSをLowに設定してスイッチ回路400をオフ状態に設定することによって、リセット信号VnLをサンプルホールド容量CSHへ保持してもよい。スイッチ制御線pSwHはHighに維持され、スイッチ回路401がオン状態に維持される。 In the period tt2, the gain of the charge-voltage conversion is changed to a low gain (ie, 1/4 times) for performing the charge-voltage conversion using the FD addition capacitance CFDadd. The control timing of the pixel operation when the gain is changed is as described with reference to FIG. 6 (c), and the potential distribution of the pixel changed to the low gain is described with reference to FIG. 7 (b-4). As explained above. The period tt2 corresponds to a period in which the high gain reset signal VnH transitions to the low gain reset signal VnL and a subsequent signal stabilization period based on the change in the conversion gain of the FD unit from the high gain to the low gain. The reset signal VnL as the pixel signal Vsig is input to the sample hold capacitance CSH and the comparator 402 via the vertical signal line 231. When the switch control line pSwS is set to Low in the period tt1, it is set to High again in this period and the switch circuit 400 is set to the ON state. After the input of the reset signal VnL is started, the reset signal VnL may be held in the sample hold capacitance CSH by setting the switch control line pSwS to Low and setting the switch circuit 400 to the off state. The switch control line pSwH is maintained high and the switch circuit 401 is maintained in the on state.

期間tr3においてランプ波G1が生成される。比較器402は、リセット信号VnLとランプ波G1とを比較した結果を示す比較信号を出力する。そして、比較器402からの比較信号が反転したタイミング(期間tnLが経過した時刻)におけるカウント値cnLが演算回路405に記憶される。期間tr3にて生成されたランプ波G1の変化率(スロープ)および生成期間は、期間tr2にて生成されたランプ波G1の変化率および生成期間と略等しい。したがって、期間tr2と期間tr3とにおいて、共通の条件でAD変換が実行される。 The lamp wave G1 is generated in the period tr3. The comparator 402 outputs a comparison signal indicating the result of comparing the reset signal VnL and the lamp wave G1. Then, the count value cnL at the timing when the comparison signal from the comparator 402 is inverted (the time when the period tnL has elapsed) is stored in the arithmetic circuit 405. The rate of change (slope) and the generation period of the lamp wave G1 generated in the period tr3 are substantially equal to the rate of change and the generation period of the lamp wave G1 generated in the period tr2. Therefore, the AD conversion is executed under common conditions in the period tr2 and the period tr3.

期間tt3において、光電変換素子PDに蓄積した電荷がFD部のFD加算容量CFDaddに転送される。先にスイッチ制御線pSwSをLowに設定している場合は、スイッチ制御線pSwSをHighに設定しスイッチ回路400をオン状態に設定することで、垂直信号線231の画素信号Vsigをサンプルホールド容量CSHに保持できるように設定する。以上の電荷転送時の画素動作の制御タイミングは、図6(d)を参照して説明したとおりであり、電荷転送後の高照度画素および低照度画素の電位分布は、それぞれ、図7(b−5)および図7(b−6)を参照して説明した通りである。期間tt3は、光電変換素子PDからFD部のFD加算容量CFDaddへの電荷転送期間およびその後の信号安定期間に相当する。本期間ではFD部が低ゲインに設定されているので、低ゲイン高照度信号VsL_highまたは低ゲイン低照度信号VsL_lowが、画素信号Vsigとして垂直信号線231を介してサンプルホールド容量CSHおよび比較器402へと入力される。スイッチ制御線pSwSをLowに設定してスイッチ回路400をオフ状態に設定することによって、以上の低ゲインの画素信号をサンプルホールド容量CSHへ保持してもよい。スイッチ制御線pSwHはHighに維持され、スイッチ回路401がオン状態に維持される。 In the period tt3, the electric charge accumulated in the photoelectric conversion element PD is transferred to the FD addition capacitance CFDadd of the FD unit. When the switch control line pSwS is set to Low first, the pixel signal Vsig of the vertical signal line 231 is set to the sample hold capacity CSH by setting the switch control line pSwS to High and setting the switch circuit 400 to the ON state. Set so that it can be held in. The control timing of the pixel operation during the above charge transfer is as described with reference to FIG. 6 (d), and the potential distributions of the high-light pixel and the low-light pixel after the charge transfer are shown in FIG. 7 (b), respectively. As described with reference to −5) and FIG. 7 (b-6). The period tt3 corresponds to the charge transfer period from the photoelectric conversion element PD to the FD addition capacitance CFDadd of the FD unit and the subsequent signal stabilization period. Since the FD section is set to low gain in this period, the low gain high illuminance signal VsL_high or the low gain low illuminance signal VsL_low is sent to the sample hold capacitance CSH and the comparator 402 via the vertical signal line 231 as the pixel signal Vsig. Is entered. By setting the switch control line pSwS to Low and setting the switch circuit 400 to the off state, the pixel signal having the above low gain may be held in the sample hold capacitance CSH. The switch control line pSwH is maintained high and the switch circuit 401 is maintained in the on state.

期間tr4において、比較器402が、ランプ波信号線Vrmpに出力された判定電圧Vjdと低ゲインの画素信号Vsig(低ゲイン高照度信号VsL_highまたは低ゲイン低照度信号VsL_low)の電圧とを比較して大小関係を判定する。期間tr4は判定期間に相当する。以下、図9も参照して、比較器402による判定動作を説明する。 In the period tr4, the comparator 402 compares the determination voltage Vjd output to the ramp wave signal line Vrmp with the voltage of the low gain pixel signal Vsig (low gain high illuminance signal VsL_high or low gain low illuminance signal VsL_low). Judge the magnitude relationship. The period tr4 corresponds to the determination period. Hereinafter, the determination operation by the comparator 402 will be described with reference to FIG.

図9は、本発明の第1実施形態に係る撮像素子12の列信号処理部203が実行する判定動作の説明図である。図9では、説明のため、高照度信号が出力される垂直信号線231が接続する列信号処理部203が上側に、低照度信号が出力される垂直信号線231が接続する列信号処理部203が下側に示される。高照度信号は低ゲイン高照度信号VsL_highまたは高ゲイン高照度信号VsH_highであり、低照度信号は低ゲイン低照度信号VsL_lowまたは高ゲイン低照度信号VsH_lowである。なお、図9において、判定動作を実行するサンプルホールド回路S&Hおよび比較器Comp(比較器402)以外の要素は簡略化して示されている。 FIG. 9 is an explanatory diagram of a determination operation executed by the column signal processing unit 203 of the image pickup device 12 according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 9, for explanation, the column signal processing unit 203 to which the vertical signal line 231 to which the high-intensity signal is output is connected is on the upper side, and the column signal processing unit 203 to which the vertical signal line 231 to which the low-intensity signal is output is connected. Is shown on the bottom. The high illuminance signal is a low gain high illuminance signal VsL_high or a high gain high illuminance signal VsH_high, and the low illuminance signal is a low gain low illuminance signal VsL_low or a high gain low illuminance signal VsH_low. In FIG. 9, elements other than the sample hold circuit S & H that executes the determination operation and the comparator Comp (comparator 402) are shown in a simplified manner.

図9(a)は、判定電圧Vjdが出力される期間tr4の直前におけるサンプルホールド回路S&Hの状態を示す。双方のサンプルホールド回路S&Hにおいて、スイッチ制御線pSwS,pSwHがHighに設定されることで、スイッチ回路400,401がオン状態に設定されている。したがって、期間tt3について上述したように、低ゲイン高照度信号VsL_highおよび低ゲイン低照度信号VsL_lowが、それぞれ、サンプルホールド容量CSHおよび比較器402へ入力される。 FIG. 9A shows the state of the sample hold circuit S & H immediately before the period tr4 at which the determination voltage Vjd is output. In both sample hold circuits S & H, the switch control lines pSwS and pSwH are set to High, so that the switch circuits 400 and 401 are set to the ON state. Therefore, as described above for the period tt3, the low gain high illuminance signal VsL_high and the low gain low illuminance signal VsL_low are input to the sample hold capacitance CSH and the comparator 402, respectively.

図9(b)は、判定期間である期間tr4におけるサンプルホールド回路S&Hの状態を示す。図9(b)では、比較器402が、ランプ波信号線Vrmpに出力された判定電圧Vjdと低ゲイン画素信号Vsig(VsL_high,VsL_low)との大小関係を判定している。スイッチ制御線pSwSがLowに設定されることでスイッチ回路400がオフ状態に設定され、低ゲイン画素信号Vsig(VsL_high,VsL_low)がサンプルホールド容量CSHに保持されている。 FIG. 9B shows the state of the sample hold circuit S & H in the period tr4, which is the determination period. In FIG. 9B, the comparator 402 determines the magnitude relationship between the determination voltage Vjd output to the lamp wave signal line Vrmp and the low gain pixel signal Vsig (VsL_high, VsL_low). When the switch control line pSwS is set to Low, the switch circuit 400 is set to the off state, and the low gain pixel signal Vsig (VsL_high, VsL_low) is held in the sample hold capacitance CSH.

低ゲイン高照度信号VsL_highが入力された比較器402(上側)では、低ゲイン高照度信号VsL_highの電圧が判定電圧Vjd以上であるので、比較器402による比較結果はHighである。比較器402は、比較結果を反転したLowをスイッチ制御線pSwHに出力して、スイッチ回路401をオフ状態に設定する。 In the comparator 402 (upper side) to which the low-gain high-intensity signal VsL_high is input, the voltage of the low-gain high-intensity signal VsL_high is equal to or higher than the determination voltage Vjd, so that the comparison result by the comparator 402 is High. The comparator 402 outputs the inverted Low of the comparison result to the switch control line pSwH, and sets the switch circuit 401 to the off state.

他方、低ゲイン低照度信号VsL_lowが入力された比較器402(下側)では、低ゲイン低照度信号VsL_lowの電圧が判定電圧Vjdよりも小さいので、比較器402による比較結果はLowである。比較器402は、比較結果を反転したHighをスイッチ制御線pSwHに出力して、スイッチ回路401をオン状態に設定する。 On the other hand, in the comparator 402 (lower side) to which the low gain low illuminance signal VsL_low is input, the voltage of the low gain low illuminance signal VsL_low is smaller than the determination voltage Vjd, so the comparison result by the comparator 402 is Low. The comparator 402 outputs High in which the comparison result is inverted to the switch control line pSwH, and sets the switch circuit 401 in the ON state.

以上のように、判定期間である期間tr4において、比較器402(比較器Comp)は、比較器402による比較結果を反転させた信号を切替信号としてスイッチ制御線pSwHに出力する。加えて、期間tr4以降におけるスイッチ制御線pSwHは、次行の画素信号読出しの期間tr1において列信号処理部203が初期設定されるまで、信号状態(HighまたはLow)を維持するように制御される。 As described above, in the period tr4 which is the determination period, the comparator 402 (Comparator Comp) outputs a signal obtained by inverting the comparison result by the comparator 402 to the switch control line pSwH as a switching signal. In addition, the switch control line pSwH after the period tr4 is controlled to maintain the signal state (High or Low) until the column signal processing unit 203 is initialized in the period tr1 of the pixel signal reading of the next row. ..

期間tr4が終了すると、判定電圧Vjdの出力が停止することによって、低ゲイン画素信号Vsig(VsL_high,VsL_low)がランプ波信号Vrmpを上回るようになるので、比較器402による比較結果がHighに戻る。 When the period tr4 ends, the output of the determination voltage Vjd is stopped, so that the low gain pixel signal Vsig (VsL_high, VsL_low) exceeds the lamp wave signal Vrmp, so that the comparison result by the comparator 402 returns to High.

期間tt4において、電荷電圧変換のゲインがFD容量CFDのみを用いて電荷電圧変換を実行する高ゲイン(すなわち1倍)に変更される。先にスイッチ制御線pSwSをLowに設定している場合は、スイッチ制御線pSwSをHighに設定しスイッチ回路400をオン状態に設定することで、垂直信号線231の画素信号Vsigをサンプルホールド容量CSHに保持できるように設定する。以上のゲイン変更時の画素動作の制御タイミングは、図6(e)を参照して説明した通りであり、高ゲインに変更された低照度画素の電位分布は、図7(b−7)を参照して説明した通りである。期間tt4は、FD部の変換ゲインを低ゲインから高ゲインに変更したことに基づいて、低ゲインの画素信号Vsigが高ゲインの画素信号Vsigに遷移する期間およびその後の信号安定期間に相当する。 In period tt4, the gain of charge-voltage conversion is changed to a high gain (ie, 1x) to perform charge-voltage conversion using only the FD capacitance CFD. When the switch control line pSwS is set to Low first, the pixel signal Vsig of the vertical signal line 231 is set to the sample hold capacity CSH by setting the switch control line pSwS to High and setting the switch circuit 400 to the ON state. Set so that it can be held in. The control timing of the pixel operation when the gain is changed is as described with reference to FIG. 6 (e), and the potential distribution of the low-light pixel changed to the high gain is shown in FIG. 7 (b-7). As explained with reference. The period tt4 corresponds to a period during which the low-gain pixel signal Vsig transitions to the high-gain pixel signal Vsig and a subsequent signal stabilization period based on the change in the conversion gain of the FD unit from low gain to high gain.

ここで、期間tr4において低ゲイン高照度信号VsL_highが比較器402に入力され判定動作が実行された場合(上側)は、前述のように、スイッチ回路401がオフ状態に設定されている。したがって、高ゲインの電荷電圧変換によって得られた画素信号Vsigである高ゲイン高照度信号VsH_highは、サンプルホールド容量CSHおよび比較器402に入力されない。他方、期間tr4において低ゲイン低照度信号VsL_lowが比較器402に入力され判定動作が実行された場合(下側)は、前述のように、スイッチ回路401がオン状態に設定されている。したがって、高ゲインの電荷電圧変換によって得られた画素信号Vsigである高ゲイン低照度信号VsH_lowが、サンプルホールド容量CSHおよび比較器402に入力される。 Here, when the low gain high illuminance signal VsL_high is input to the comparator 402 during the period tr4 and the determination operation is executed (upper side), the switch circuit 401 is set to the off state as described above. Therefore, the high gain high illuminance signal VsH_high, which is the pixel signal Vsig obtained by the high gain charge-voltage conversion, is not input to the sample hold capacitance CSH and the comparator 402. On the other hand, when the low gain low illuminance signal VsL_low is input to the comparator 402 and the determination operation is executed (lower side) in the period tr4, the switch circuit 401 is set to the ON state as described above. Therefore, the high gain low illuminance signal VsH_low, which is the pixel signal Vsig obtained by the high gain charge-voltage conversion, is input to the sample hold capacitance CSH and the comparator 402.

図9(c)は、期間tt4において、高ゲインの画素信号Vsig(VsH_high,VsH_low)が垂直信号線231を介してサンプルホールド回路S&Hに入力されている状態を示す。前述したように、期間tt4ではスイッチ制御線pSwSをHighに設定しスイッチ回路400をオン状態に設定する。 FIG. 9C shows a state in which a high-gain pixel signal Vsig (VsH_high, VsH_low) is input to the sample hold circuit S & H via the vertical signal line 231 during the period tt4. As described above, in the period tt4, the switch control line pSwS is set to High and the switch circuit 400 is set to the ON state.

高ゲイン高照度信号VsH_highが入力されたサンプルホールド回路S&H(上側)では、スイッチ回路401がオフ状態に設定されている。したがって、サンプルホールド容量CSHに保持されている低ゲイン高照度信号VsL_highが比較器402に入力されている。他方、高ゲイン低照度信号VsH_lowが入力されたサンプルホールド回路S&H(下側)では、スイッチ回路401がオン状態に設定されている。したがって、サンプルホールド回路S&Hに入力された高ゲイン低照度信号VsH_lowが、サンプルホールド容量CSHに保持されると共に比較器402に入力されている。 In the sample hold circuit S & H (upper side) to which the high gain high illuminance signal VsH_high is input, the switch circuit 401 is set to the off state. Therefore, the low gain high illuminance signal VsL_high held in the sample hold capacitance CSH is input to the comparator 402. On the other hand, in the sample hold circuit S & H (lower side) to which the high gain low illuminance signal VsH_low is input, the switch circuit 401 is set to the ON state. Therefore, the high gain low illuminance signal VsH_low input to the sample hold circuit S & H is held in the sample hold capacitance CSH and input to the comparator 402.

なお、高ゲインの画素信号Vsigが入力された後に、スイッチ制御線pSwSをLowに設定してスイッチ回路400をオフ状態に設定することによって、高ゲイン低照度信号VsH_lowをサンプルホールド容量CSHへ保持してもよい。スイッチ回路400がオフ状態に設定されることで、サンプルホールド容量CSHに保持されている高ゲイン低照度信号VsH_lowが垂直信号線231から電気的に切り離される。結果として、先の判定期間tr4において垂直信号線231から電気的に切り離されサンプルホールド容量CSHに保持されている低ゲイン高照度信号VsL_high(図9(b)の上側)と同様に、高ゲイン低照度信号VsH_lowを保持できる。 After the high gain pixel signal Vsig is input, the high gain low illuminance signal VsH_low is held in the sample hold capacitance CSH by setting the switch control line pSwS to Low and setting the switch circuit 400 to the off state. You may. When the switch circuit 400 is set to the off state, the high gain low illuminance signal VsH_low held in the sample hold capacitance CSH is electrically disconnected from the vertical signal line 231. As a result, the high gain is low as in the low gain high illuminance signal VsL_high (upper side of FIG. 9B) that is electrically disconnected from the vertical signal line 231 and held in the sample hold capacitance CSH in the previous determination period tr4. The illuminance signal VsH_low can be held.

期間tr5においてランプ波G1が生成される。サンプルホールド容量CSHに保持されている低ゲイン高照度信号VsL_highまたは高ゲイン低照度信号VsH_lowは、生成されたランプ波G1と比較されてAD変換される。期間tr5にて生成されたランプ波G1の変化率(スロープ)は期間tr2,tr3にて生成されたランプ波G1の変化率と略等しいので、期間tr2,tr3と期間tr5とにおいて共通の条件でAD変換が実行される。ただし、期間tr5は、画素信号の振幅に対して十分な余裕があるので、期間tr5でのランプ波G1の生成期間は期間tr2,tr3でのランプ波G1の生成期間よりも長い。本実施形態では、判定電圧Vjdに等しい低ゲイン画素信号VsLが高ゲイン画素信号VsHに変換されたときの電圧がFDの飽和電圧に等しいので、ランプ波G1は、その振幅が飽和電圧に対応する画素の飽和電圧に到達するまで生成される。 The lamp wave G1 is generated in the period tr5. The low gain high illuminance signal VsL_high or the high gain low illuminance signal VsH_low held in the sample hold capacitance CSH is AD-converted by being compared with the generated lamp wave G1. Since the rate of change (slope) of the lamp wave G1 generated in the period tr5 is substantially equal to the rate of change of the lamp wave G1 generated in the period tr2 and tr3, the conditions common to the period tr2 and tr3 and the period tr5 are the same. AD conversion is executed. However, since the period tr5 has a sufficient margin with respect to the amplitude of the pixel signal, the generation period of the lamp wave G1 in the period tr5 is longer than the generation period of the lamp wave G1 in the periods tr2 and tr3. In the present embodiment, since the voltage when the low gain pixel signal VsL equal to the determination voltage Vjd is converted into the high gain pixel signal VsH is equal to the saturation voltage of the FD, the amplitude of the ramp wave G1 corresponds to the saturation voltage. It is generated until the saturation voltage of the pixel is reached.

比較器402は、期間tr5において画素信号Vsigとランプ波G1とを比較した結果を示す比較信号を出力する。高ゲイン低照度信号VsH_lowに関しては、比較器402からの比較信号が反転したタイミング(期間tsH_lowが経過した時刻)におけるカウント値csH_lowが演算回路405に記憶される。低ゲイン高照度信号VsL_highに関しては、比較器402からの比較信号が反転したタイミング(期間tsL_highが経過した時刻)におけるカウント値csL_highが演算回路405に記憶される。 The comparator 402 outputs a comparison signal indicating the result of comparing the pixel signal Vsig and the lamp wave G1 in the period tr5. Regarding the high gain low illuminance signal VsH_low, the count value csH_low at the timing when the comparison signal from the comparator 402 is inverted (the time when the period tsH_low has elapsed) is stored in the arithmetic circuit 405. Regarding the low gain high illuminance signal VsL_high, the count value csL_high at the timing when the comparison signal from the comparator 402 is inverted (the time when the period tsL_high has elapsed) is stored in the arithmetic circuit 405.

次いで、演算回路405が、上記したカウント値に基づいて画素信号Vsigのデジタル信号値を取得して記憶する。高ゲイン低照度信号VsH_lowが入力された列信号処理部203(下側)の演算回路405は、高ゲイン低照度信号VsH_lowのカウント値csH_lowから高ゲインリセット信号VnHのカウント値cnHを減算する。演算回路405は、以上の減算によって得られた値を高ゲイン低照度信号VsH_lowのデジタル値として演算回路405自体に記憶する。 Next, the arithmetic circuit 405 acquires and stores the digital signal value of the pixel signal Vsig based on the above-mentioned count value. The arithmetic circuit 405 of the column signal processing unit 203 (lower side) to which the high gain low illuminance signal VsH_low is input subtracts the count value cnH of the high gain reset signal VnH from the count value csH_low of the high gain low illuminance signal VsH_low. The arithmetic circuit 405 stores the value obtained by the above subtraction in the arithmetic circuit 405 itself as a digital value of the high gain low illuminance signal VsH_low.

他方、低ゲイン高照度信号VsL_highが入力された列信号処理部203(上側)の演算回路405は、低ゲイン高照度信号VsL_highのカウント値csL_highから低ゲインリセット信号VnLのカウント値cnLを減算する。前述したように、低ゲイン高照度信号VsL_highおよび低ゲイン高照度信号VsL_highの電荷電圧変換時のゲインは1/4倍である。したがって、演算回路405は以上の減算で得た値を4倍して、低ゲイン高照度信号VsL_highを高ゲイン相当に変換したデジタル値として演算回路405自体に記憶する。 On the other hand, the arithmetic circuit 405 of the column signal processing unit 203 (upper side) to which the low-gain high-intensity signal VsL_high is input subtracts the low-gain reset signal VnL count value cnL from the low-gain high-intensity signal VsL_high count value csL_high. As described above, the gains of the low-gain high-intensity signal VsL_high and the low-gain high-intensity signal VsL_high at the time of charge-voltage conversion are 1/4 times. Therefore, the arithmetic circuit 405 multiplies the value obtained by the above subtraction by four and stores the low gain high illuminance signal VsL_high as a digital value converted to the equivalent of high gain in the arithmetic circuit 405 itself.

なお、期間tr4における判定電圧Vjdと画素信号Vsigとの大小関係が比較結果として演算回路405に記憶されているので、演算回路405は、高ゲインリセット信号VnHと低ゲインリセット信号VnLとを選択することができる。 Since the magnitude relationship between the determination voltage Vjd and the pixel signal Vsig in the period tr4 is stored in the arithmetic circuit 405 as a comparison result, the arithmetic circuit 405 selects the high gain reset signal VnH and the low gain reset signal VnL. be able to.

期間tt5において、光電変換素子PDおよびFD容量CFDがリセットされ、1行の画素の信号読出し動作が終了する。以上のリセット時の画素動作の制御タイミングは、図6(f)を参照して説明した通りである。期間tt5は、光電変換素子PDおよびFD容量CFDのリセット期間およびその後の信号安定期間に相当する。サンプルホールド容量CSHに保持されている低ゲイン高照度信号VsL_highまたは高ゲイン低照度信号VsH_lowは、次行の画素の信号読出し時の初期設定動作によって、垂直信号線231の初期状態である画素信号Vsigに書き換えられる。 In the period tt5, the photoelectric conversion element PD and the FD capacitance CFD are reset, and the signal reading operation of one line of pixels ends. The control timing of the pixel operation at the time of the above reset is as described with reference to FIG. 6 (f). The period tt5 corresponds to the reset period of the photoelectric conversion element PD and the FD capacitance CFD and the subsequent signal stabilization period. The low-gain high-intensity signal VsL_high or high-gain low-intensity signal VsH_low held in the sample hold capacitance CSH is the pixel signal Vsig, which is the initial state of the vertical signal line 231 due to the initial setting operation at the time of signal reading of the next line pixel. Is rewritten to.

以上の構成によれば、2種類のゲインのいずれかを用いた電荷電圧変換(デュアルゲイン処理)で得られた画素信号がAD変換されるので、単一のゲインを用いる構成と比較して、AD変換における広いダイナミックレンジと高い解像精度を実現できる。また、2種類のゲインの倍率比がn倍(例えば、4倍)である場合、画素の飽和電圧の入力に対してAD変換精度のn倍の出力となるような入出力特性が実現されるので、n倍のハイダイナミックレンジ(HDR)処理を施した画像を取得できる。 According to the above configuration, the pixel signal obtained by charge-voltage conversion (dual gain processing) using either of the two types of gain is AD-converted. Therefore, as compared with the configuration using a single gain, A wide dynamic range and high resolution accuracy in AD conversion can be realized. Further, when the magnification ratio of the two types of gain is n times (for example, 4 times), an input / output characteristic is realized so that the output is n times the AD conversion accuracy with respect to the input of the saturation voltage of the pixel. Therefore, it is possible to acquire an image that has been subjected to n times high dynamic range (HDR) processing.

以上の構成によれば、低照度信号と高照度信号とが並列的に(好ましくは、同時に)同一のシングルスロープを用いてAD変換されるので、信号ムラが低減された良好な画像信号を取得できる。したがって、撮像画像の画質を向上させることができる。加えて、1回の処理で低照度信号と高照度信号とを並列的に(好ましくは、同時に)AD変換できるので、フレームレートを向上させることができ、適時なAD変換を実現できる。 According to the above configuration, since the low-light signal and the high-light signal are AD-converted in parallel (preferably at the same time) using the same single slope, a good image signal with reduced signal unevenness is obtained. it can. Therefore, the image quality of the captured image can be improved. In addition, since the low-light signal and the high-light signal can be AD-converted in parallel (preferably at the same time) in one process, the frame rate can be improved and timely AD conversion can be realized.

要約すると、本実施形態の構成では、画素信号の電圧の高低に応じて電荷電圧変換のゲインが選択されるデュアルゲイン処理によって、1回のAD変換によるHDR処理を実現できると共にフレームレートの向上も実現できる。 In summary, in the configuration of the present embodiment, HDR processing by one AD conversion can be realized and the frame rate can be improved by dual gain processing in which the gain of charge-voltage conversion is selected according to the voltage level of the pixel signal. realizable.

さらに、以上の構成では、FD部のリセット信号を読み出すのに際し、FD部の変換ゲインを制御するFD拡張部によって高ゲインリセット信号VnHを低ゲインリセット信号VnLに変換する。以上の変換処理を行うことで、2種類のゲインに対応するリセット信号を連続して読み出すことができる。加えて、光電変換素子PDの信号電荷に対応する画素信号を読み出す際にも、FD部の変換ゲインを制御するFD拡張部によって低ゲイン画素信号VsLを高ゲイン画素信号VsHに変換する。以上の変換処理を行うことで、2種類のゲインに対応する画素信号を連続して読み出すことができる。以上のように、2種類のゲインに対応したリセット信号と画素信号とを共通の状態で読み出すことができるので、撮像画像の画質をさらに向上させることができる。 Further, in the above configuration, when reading the reset signal of the FD unit, the high gain reset signal VnH is converted into the low gain reset signal VnL by the FD extension unit that controls the conversion gain of the FD unit. By performing the above conversion process, the reset signals corresponding to the two types of gain can be continuously read out. In addition, when reading out the pixel signal corresponding to the signal charge of the photoelectric conversion element PD, the low gain pixel signal VsL is converted into the high gain pixel signal VsH by the FD extension unit that controls the conversion gain of the FD unit. By performing the above conversion processing, pixel signals corresponding to the two types of gain can be continuously read out. As described above, since the reset signal and the pixel signal corresponding to the two types of gain can be read out in a common state, the image quality of the captured image can be further improved.

<第1実施形態の変形例>
図10を参照して、本発明の第1実施形態の変形例について説明する。図10は、第1実施形態の変形例に係る撮像素子12の列信号処理部203の回路構成を示す回路図である。なお、以下に例示する各変形例および各実施形態において、作用、機能が第1実施形態と同等である要素については、以上の説明で参照した符号を流用して各々の説明を適宜に省略することがある。
<Modified example of the first embodiment>
A modified example of the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the column signal processing unit 203 of the image pickup device 12 according to the modified example of the first embodiment. In addition, in each modification and each embodiment illustrated below, for the element whose operation and function are equivalent to those in the first embodiment, the reference numerals referred to in the above description are used and the respective description is appropriately omitted. Sometimes.

第1実施形態(図4)の列信号処理部203は2つのスイッチ回路400,401を有している。スイッチ回路400,401がスイッチ制御線pSwS,pSwHによってそれぞれ制御されることで、サンプルホールド動作が実現されている。 The column signal processing unit 203 of the first embodiment (FIG. 4) has two switch circuits 400 and 401. The sample hold operation is realized by controlling the switch circuits 400 and 401 by the switch control lines pSwS and pSwH, respectively.

対照的に、本変形例の列信号処理部203は1つのスイッチ回路401のみを有している。スイッチ制御線pSwS,pSwHが接続するAND回路の出力によってスイッチ回路401が制御されることで、本変形例のサンプルホールド動作が実現される。 In contrast, the column signal processing unit 203 of this modification has only one switch circuit 401. The sample hold operation of this modification is realized by controlling the switch circuit 401 by the output of the AND circuit to which the switch control lines pSwS and pSwH are connected.

第1実施形態では、期間tr5でのAD変換の際に、低ゲイン高照度信号VsL_highを保持したサンプルホールド容量CSHがスイッチ回路401(図4)によって垂直信号線231から電気的に切り離されている。同様に、期間tr5でのAD変換の際に、高ゲイン低照度信号VsH_lowを保持したサンプルホールド容量CSHがスイッチ回路400(図4)によって垂直信号線231から電気的に切り離されている。 In the first embodiment, during the AD conversion in the period tr5, the sample hold capacitance CSH holding the low gain high illuminance signal VsL_high is electrically separated from the vertical signal line 231 by the switch circuit 401 (FIG. 4). .. Similarly, during the AD conversion in the period tr5, the sample hold capacitance CSH holding the high gain low illuminance signal VsH_low is electrically separated from the vertical signal line 231 by the switch circuit 400 (FIG. 4).

対照的に、本変形例では、期間tr5でのAD変換の際に、サンプルホールド容量CSHは単一のスイッチ回路401によって垂直信号線231から切り離されている状態にある。 In contrast, in this modification, the sample hold capacitance CSH is separated from the vertical signal line 231 by a single switch circuit 401 during the AD conversion in the period tr5.

したがって、本変形例の構成によれば、図4の第1実施形態の構成と比較して、サンプルホールド容量CSHに保持される低ゲイン高照度信号VsL_highの状態と高ゲイン低照度信号VsH_lowの状態とをより近付けることができる。結果として、画像に対する信号ムラ等の悪影響をより低減することができる。 Therefore, according to the configuration of this modification, the state of the low gain high illuminance signal VsL_high and the state of the high gain low illuminance signal VsH_low held in the sample hold capacitance CSH as compared with the configuration of the first embodiment of FIG. Can be closer. As a result, adverse effects such as signal unevenness on the image can be further reduced.

なお、本変形例は、後述する第2実施形態においても適用可能である。 It should be noted that this modification can also be applied to the second embodiment described later.

<第2実施形態>
以下、図11および図12を参照して、本発明の第2実施形態について説明する。第1実施形態に係る図1、図2、図4〜図6、図8、および図9についての説明を第2実施形態に援用する。以下に例示する各実施形態において、作用、機能が前述の実施形態と同等である要素については、前述の説明で参照した符号を流用して各々の説明を適宜に省略する。
<Second Embodiment>
Hereinafter, the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 11 and 12. The description of FIGS. 1, 2, 4 to 6, 8 and 9 according to the first embodiment is incorporated into the second embodiment. In each of the embodiments illustrated below, for elements having the same functions and functions as those in the above-described embodiment, the reference numerals referred to in the above-described description will be used and the respective description will be omitted as appropriate.

図11は、本発明の第2実施形態に係る撮像素子12の画素200の回路構成を示す回路図である。前述したように、第1実施形態(図3)の画素200においては、FD部のFDノード301とリセットトランジスタRSとの間にFD拡張トランジスタFDextが配置されている。対して、第2実施形態の画素200においては、図11に示すように、転送トランジスタTXとFDノード301との間にFD拡張トランジスタFDextが配置される。なお、他の回路構成については第1実施形態(図3)と同様である。 FIG. 11 is a circuit diagram showing a circuit configuration of pixels 200 of the image pickup device 12 according to the second embodiment of the present invention. As described above, in the pixel 200 of the first embodiment (FIG. 3), the FD extension transistor FDext is arranged between the FD node 301 of the FD section and the reset transistor RS. On the other hand, in the pixel 200 of the second embodiment, as shown in FIG. 11, the FD extension transistor FDext is arranged between the transfer transistor TX and the FD node 301. The other circuit configurations are the same as those in the first embodiment (FIG. 3).

図12は、本発明の第2実施形態に係る撮像素子12における画素200の読出し動作の概略説明図である。 FIG. 12 is a schematic explanatory view of the reading operation of the pixel 200 in the image sensor 12 according to the second embodiment of the present invention.

図12(a)は、図11と同様に画素200の回路構成を示している。転送トランジスタTXとFDノード301との間にFD拡張部FDextが配置されている。図12(b−1)〜図12(b−7)は、図12(a)に示す点線の経路に沿った電位の分布図である。なお、本実施形態の動作タイミングは図5、図6、および図8を参照して説明されたのと同様であり、本実施形態の判定動作は図9を参照して説明されたのと同様である。 FIG. 12A shows the circuit configuration of the pixel 200 as in FIG. An FD extension unit FDext is arranged between the transfer transistor TX and the FD node 301. 12 (b-1) to 12 (b-7) are potential distribution maps along the dotted line path shown in FIG. 12 (a). The operation timing of this embodiment is the same as that described with reference to FIGS. 5, 6, and 8, and the determination operation of this embodiment is the same as that described with reference to FIG. Is.

図12(b−1)は、図6(a)を参照して説明したリセット動作後の露光期間における電位の分布を示す。 FIG. 12 (b-1) shows the potential distribution during the exposure period after the reset operation described with reference to FIG. 6 (a).

図12(b−1)に示す露光状態においては、光電変換素子PDに電子が蓄積されていると共に、転送トランジスタTX、FD拡張トランジスタFDext、およびリセットトランジスタRSが全てオフ状態に設定されている。 In the exposure state shown in FIG. 12 (b-1), electrons are accumulated in the photoelectric conversion element PD, and the transfer transistor TX, the FD expansion transistor FDext, and the reset transistor RS are all set to the off state.

図8の期間tt1において、FD容量CFDがリセットされると共に、電荷電圧変換のゲインがFD容量CFDのみを用いて電荷電圧変換を実行する高ゲイン(すなわち1倍)に設定される。以上のリセット時の画素動作の制御タイミングは、図6(b)を参照して説明した通りであり、リセット中の画素およびリセット後の画素の電位分布は、それぞれ、図12(b−2)および図12(b−3)に示される。転送トランジスタTXはオフ状態に設定されているので、光電変換素子PDは電荷を保持した状態を維持する。 In the period tt1 of FIG. 8, the FD capacitance CFD is reset, and the gain of the charge-voltage conversion is set to a high gain (that is, 1 times) for executing the charge-voltage conversion using only the FD capacitance CFD. The control timing of the pixel operation at the time of reset is as described with reference to FIG. 6 (b), and the potential distributions of the pixel during reset and the pixel after reset are shown in FIG. 12 (b-2), respectively. And shown in FIG. 12 (b-3). Since the transfer transistor TX is set to the off state, the photoelectric conversion element PD maintains the state of holding the electric charge.

図8の期間tt2において、電荷電圧変換のゲインがFD加算容量CFDaddを用いて電荷電圧変換を実行する低ゲイン(すなわち1/4倍)に変更される。以上のゲイン変更時の画素動作の制御タイミングは、図6(c)を参照して説明した通りであり、低ゲインに変更された画素の電位分布は、図12(b−4)に示される。図12(b−4)の電位分布は、FD拡張トランジスタFDextがオン状態に設定されることによって、FD容量CFDとFD拡張容量Cexとが加算された状態を表している。 In the period tt2 of FIG. 8, the gain of the charge-voltage conversion is changed to a low gain (that is, 1/4 times) for performing the charge-voltage conversion using the FD addition capacitance CFDadd. The control timing of the pixel operation when the gain is changed is as described with reference to FIG. 6 (c), and the potential distribution of the pixel changed to the low gain is shown in FIG. 12 (b-4). .. The potential distribution in FIG. 12 (b-4) represents a state in which the FD capacitance CFD and the FD expansion capacitance Cex are added by setting the FD expansion transistor FDext to the ON state.

図8の期間tt3において、光電変換素子PDに蓄積した電荷がFD部のFD加算容量CFDaddに転送される。以上の電荷転送時の画素動作の制御タイミングは、図6(d)を参照して説明したとおりであり、電荷転送後の高照度画素および低照度画素の電位分布は、それぞれ、図12(b−5)および図12(b−6)に示される。 During the period tt3 of FIG. 8, the electric charge accumulated in the photoelectric conversion element PD is transferred to the FD addition capacitance CFDadd of the FD unit. The control timing of the pixel operation during the above charge transfer is as described with reference to FIG. 6 (d), and the potential distributions of the high-light pixel and the low-light pixel after the charge transfer are shown in FIG. 12 (b), respectively. -5) and FIG. 12 (b-6).

図8の期間tt4において、電荷電圧変換のゲインがFD容量CFDのみを用いて電荷電圧変換を実行する高ゲイン(すなわち1倍)に変更される。以上のゲイン変更時の画素動作の制御タイミングは、図6(e)を参照して説明した通りであり、高ゲインに変更された低照度画素の電位分布は、図12(b−7)に示される。転送トランジスタTXはオフ状態に設定されているので、FD拡張トランジスタFDextがオン状態からオフ状態に変化すると、FD拡張トランジスタFDextのFD拡張容量Cexに蓄積していた信号電荷は、FD容量CFDに押し出されて加算される。 In the period tt4 of FIG. 8, the gain of the charge-voltage conversion is changed to a high gain (that is, 1 times) for performing the charge-voltage conversion using only the FD capacitance CFD. The control timing of the pixel operation when the gain is changed is as described with reference to FIG. 6 (e), and the potential distribution of the low-light pixel changed to the high gain is shown in FIG. 12 (b-7). Shown. Since the transfer transistor TX is set to the off state, when the FD expansion transistor FDext changes from the on state to the off state, the signal charge accumulated in the FD expansion capacitance Cex of the FD expansion transistor FDext is pushed out to the FD capacitance CFD. Is added.

本実施形態において、光電変換素子PDの電荷は、転送トランジスタTXの動作によってFD部に転送されて画素信号として読み出され、リセットトランジスタRSの動作によって電源電圧Vddにリセットされることで排出される。 In the present embodiment, the electric charge of the photoelectric conversion element PD is transferred to the FD unit by the operation of the transfer transistor TX, read out as a pixel signal, and discharged by being reset to the power supply voltage Vdd by the operation of the reset transistor RS. ..

第1実施形態の期間tt4においては、FD拡張トランジスタFDextがオン状態からオフ状態に変化すると、FD拡張トランジスタFDextのFD拡張容量Cexに蓄積していた信号電荷は、FD容量CFDに戻されて加算される。対照的に、本実施形態の期間tt4では、上述したようにFD拡張容量Cexに蓄積していた信号電荷はFD容量CFDに押し出されて加算される。 In the period tt4 of the first embodiment, when the FD expansion transistor FDext changes from the on state to the off state, the signal charge accumulated in the FD expansion capacitance Cex of the FD expansion transistor FDext is returned to the FD capacitance CFD and added. Will be done. In contrast, in the period tt4 of the present embodiment, the signal charge accumulated in the FD expansion capacitance Cex is pushed out to the FD capacitance CFD and added as described above.

図12(b−5)における画素信号は高照度信号であるので、高ゲインに変換するとFD容量CFDを超過してオーバーフローしてしまう。本実施形態では、FD拡張トランジスタFDextが転送トランジスタTXとFDノード301との間に配置されている。したがって、例えば、リセットトランジスタRSをオフ状態に設定した際の電位のみを、転送トランジスタTXをオフ状態に設定した際の電位よりも若干低く(すなわち、電圧を高く)設定しておくと好適である。以上のように設定することで、FD容量CFDがオーバーフロー機能を有することができ、FD容量CFDをオーバーフローした信号電荷を電源Vddに排出できる。 Since the pixel signal in FIG. 12 (b-5) is a high illuminance signal, if it is converted to a high gain, it will exceed the FD capacitance CFD and overflow. In the present embodiment, the FD expansion transistor FDext is arranged between the transfer transistor TX and the FD node 301. Therefore, for example, it is preferable to set only the potential when the reset transistor RS is set to the off state to be slightly lower (that is, to raise the voltage) than the potential when the transfer transistor TX is set to the off state. .. By setting as described above, the FD capacitance CFD can have an overflow function, and the signal charge overflowing the FD capacitance CFD can be discharged to the power supply Vdd.

図8の期間tt5において、光電変換素子PDおよびFD容量CFDがリセットされ、1行の画素の信号読出し動作が終了する。以上のリセット時の画素動作の制御タイミングは、図6(f)を参照して説明した通りである。 In the period tt5 of FIG. 8, the photoelectric conversion element PD and the FD capacitance CFD are reset, and the signal reading operation of one line of pixels ends. The control timing of the pixel operation at the time of the above reset is as described with reference to FIG. 6 (f).

本実施形態における以下の動作は、第1実施形態にて説明された動作と同様である。 The following operations in this embodiment are the same as the operations described in the first embodiment.

−図6(a)のリセット動作
−図8の期間tr1の初期設定動作
−図8の期間tr2のリセット信号VnHのAD変換
−図8の期間tr3のリセット信号VnLのAD変換
−図8の期間tr4の判定動作
−図8の期間tr5の低ゲイン高照度信号VsL_highまたは高ゲイン低照度信号VsH_lowのAD変換
以上の構成によれば、画素200において、光電変換素子PDから電源電圧Vddに向かって一方向のみに電荷が流れるので、電荷の戻りが生じる構成と比較して、信号電荷の転送を妨げるトラップ等の要素からの影響を受けにくい。したがって、信号ムラがより低減された良好な画像信号を取得でき、ひいては、撮像画像の画質を向上させることができる。
-Reset operation of Fig. 6 (a) -Initial setting operation of period tr1 of Fig. 8-AD conversion of reset signal VnH of period tr2 of Fig. 8-AD conversion of reset signal VnL of period tr3 of Fig. 8-Period of Fig. Judgment operation of tr4 − AD conversion of low gain high illuminance signal VsL_high or high gain low illuminance signal VsH_low in the period tr5 of FIG. Since the charge flows only in the direction, it is less susceptible to factors such as traps that hinder the transfer of the signal charge, as compared to a configuration in which the charge returns. Therefore, a good image signal with further reduced signal unevenness can be obtained, and the image quality of the captured image can be improved.

<第2実施形態の変形例>
図13および図14を参照して、本発明の第2実施形態の変形例について説明する。
<Modified example of the second embodiment>
A modified example of the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 13 and 14.

図13は、本変形例に係る撮像素子12における画素200の動作を示すタイミングチャートの一部であって、図6(b)に対応している。図6(b)では、FD拡張トランジスタFDextとリセットトランジスタRSとが同時にオン状態に設定されることで、FD容量CFDがリセットされる。 FIG. 13 is a part of a timing chart showing the operation of the pixel 200 in the image sensor 12 according to the present modification, and corresponds to FIG. 6B. In FIG. 6B, the FD capacitance CFD is reset by setting the FD expansion transistor FDext and the reset transistor RS to the ON state at the same time.

本実施形態においては、転送トランジスタTXとFDノード301との間にFD拡張トランジスタFDextが配置されているので、FD容量CFDをリセットする際にFD拡張トランジスタFDextを動作させなくてもよい。したがって、本変形例では、図6(b)に代えて図13に示すように動作が制御される。すなわち、ライン同期信号Lsyncが有効となるのに続いて、選択トランジスタSELをオン状態とし画素信号が垂直信号線231に出力されるように制御する。同時に、リセットトランジスタRSをオン状態に設定することでFD容量CFDをリセットする。その後、リセットトランジスタRSをオフ状態に設定することによって、FD容量CFDのリセット動作を終了する。 In the present embodiment, since the FD expansion transistor FDext is arranged between the transfer transistor TX and the FD node 301, it is not necessary to operate the FD expansion transistor FDext when resetting the FD capacitance CFD. Therefore, in this modification, the operation is controlled as shown in FIG. 13 instead of FIG. 6 (b). That is, after the line synchronization signal Lsync becomes valid, the selection transistor SEL is turned on and the pixel signal is controlled to be output to the vertical signal line 231. At the same time, the FD capacitance CFD is reset by setting the reset transistor RS to the ON state. After that, by setting the reset transistor RS to the off state, the reset operation of the FD capacitance CFD is terminated.

図14は、本変形例に係る撮像素子12における画素200の読出し動作の概略説明図の一部であって、図12(b−2)に対応している。図12(b−2)では、FD容量CFDをリセットする際に、FD拡張トランジスタFDextをオン状態に設定する必要がない。 FIG. 14 is a part of a schematic explanatory view of the reading operation of the pixel 200 in the image sensor 12 according to the present modification, and corresponds to FIG. 12 (b-2). In FIG. 12 (b-2), it is not necessary to set the FD expansion transistor FDext to the ON state when resetting the FD capacitance CFD.

したがって、本変形例では、図8の期間tt1において、前述した図13(b)に従って画素動作のタイミングが制御される。すなわち、FD拡張トランジスタFDextはオフ状態のままに維持される。図14(b−2)は、本件変形例におけるFD容量CFDのリセット時の画素の電位分布図である。リセット後の画素の電位分布図は、第2実施形態にて説明した図12(b−3)に示される。 Therefore, in this modification, the timing of pixel operation is controlled according to FIG. 13B described above in the period tt1 of FIG. That is, the FD expansion transistor FDext remains off. FIG. 14 (b-2) is a potential distribution diagram of the pixels at the time of resetting the FD capacitance CFD in the modified example. The potential distribution diagram of the pixels after the reset is shown in FIG. 12 (b-3) described in the second embodiment.

以上の構成によれば、リセットトランジスタRSのオン/オフ切替えのみによってFD容量CFDがリセットされるので、動作時間が短縮され、フレームレートを向上させることができる。 According to the above configuration, since the FD capacitance CFD is reset only by switching the reset transistor RS on / off, the operating time can be shortened and the frame rate can be improved.

なお、本変形例は、後述する第3実施形態においても適用可能である。 It should be noted that this modification can also be applied to the third embodiment described later.

<第3実施形態>
以下、図15から図17を参照して、本発明の第3実施形態について説明する。第1実施形態に係る図1〜図3および図5〜図7についての説明を第3実施形態に援用する。
<Third Embodiment>
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 15 to 17. The description of FIGS. 1 to 3 and 5 to 7 according to the first embodiment is incorporated into the third embodiment.

図15は、第3実施形態に係る撮像素子12の列信号処理部203の回路構成を示す回路図である。第1実施形態(図4)の列信号処理部203では、2つのスイッチ回路400,401によってサンプルホールド動作が実現されている。 FIG. 15 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the column signal processing unit 203 of the image pickup device 12 according to the third embodiment. In the column signal processing unit 203 of the first embodiment (FIG. 4), the sample hold operation is realized by the two switch circuits 400 and 401.

対照的に、第3実施形態の列信号処理部203は、サンプルホールド回路を有さない。したがって、垂直信号線231を介して伝送される画素信号Vsigが比較器402に直接的に入力される。 In contrast, the column signal processing unit 203 of the third embodiment does not have a sample hold circuit. Therefore, the pixel signal Vsig transmitted via the vertical signal line 231 is directly input to the comparator 402.

図16は、本発明の第3実施形態に係る撮像素子12における読出し動作および比較動作を示す列信号処理部203のタイミングチャートである。図16は、図8と同様に、図5の時刻s04,s08,s12から開始する行毎の動作における1行の画素信号の読出し動作を示しており、比較器402に入力される画素信号Vsigおよびランプ波Vrmpの推移を示している。 FIG. 16 is a timing chart of the column signal processing unit 203 showing the read operation and the comparison operation in the image sensor 12 according to the third embodiment of the present invention. FIG. 16 shows a pixel signal Vsig of one line in the line-by-line operation starting from the times s04, s08, and s12 of FIG. 5, as in FIG. 8, and is input to the comparator 402. And the transition of the ramp wave Vrmp are shown.

なお、期間tr1から期間tt3までの動作は第1実施形態と同様である。以上の期間における動作によって、高ゲインリセット信号VnHのAD変換、低ゲインリセット信号VnLのAD変換、および期間tt3における光電変換素子PDからFD加算容量CFDaddへの電荷の転送が実行される。また、第1実施形態では、FD容量:FD加算容量=1:4である場合に、判定電圧Vjdが画素の飽和電圧の1/4に設定されている。本実施形態では判定電圧Vjdに基づく判定動作は実行されないが、画素の飽和電圧の1/4(=判定電圧Vjd)を基準として高照度信号と低照度信号を区別する。高照度信号を保持している高照度画素の電位図および低照度信号を保持している低照度画素の電位図は、それぞれ、図7(b−5)および図7(b−6)である。 The operation from the period tr1 to the period tt3 is the same as that of the first embodiment. By the operation in the above period, AD conversion of the high gain reset signal VnH, AD conversion of the low gain reset signal VnL, and transfer of electric charge from the photoelectric conversion element PD to the FD addition capacitance CFDadd in the period tt3 are executed. Further, in the first embodiment, when the FD capacity: the FD addition capacity = 1: 4, the determination voltage Vjd is set to 1/4 of the saturation voltage of the pixels. In the present embodiment, the determination operation based on the determination voltage Vjd is not executed, but the high illuminance signal and the low illuminance signal are distinguished based on 1/4 (= determination voltage Vjd) of the saturation voltage of the pixels. The potential map of the high-light pixel holding the high-light signal and the potential map of the low-light pixel holding the low-light signal are FIGS. 7 (b-5) and 7 (b-6), respectively. ..

期間tr51において、低ゲイン画素信号VsLがAD変換される。すなわち、低ゲイン低照度信号VsL_lowまたは低ゲイン高照度信号VsL_highは、期間tr51にて生成されるランプ波G1と比較されてAD変換される。 In the period tr51, the low gain pixel signal VsL is AD-converted. That is, the low gain low illuminance signal VsL_low or the low gain high illuminance signal VsL_high is AD-converted by being compared with the lamp wave G1 generated in the period tr51.

比較器402は、期間tr51において画素信号Vsigとランプ波G1とを比較した結果を示す比較信号を出力する。低ゲイン低照度信号VsL_lowに関しては、比較器402からの比較信号が反転したタイミング(期間tsL_lowが経過した時刻)におけるカウント値csL_lowが演算回路405に入力される。低ゲイン高照度信号VsL_highに関しては、比較器402からの比較信号が反転したタイミング(期間tsL_highが経過した時刻)におけるカウント値csL_highが演算回路405に入力される。 The comparator 402 outputs a comparison signal indicating the result of comparing the pixel signal Vsig and the lamp wave G1 in the period tr51. Regarding the low gain low illuminance signal VsL_low, the count value csL_low at the timing when the comparison signal from the comparator 402 is inverted (the time when the period tsL_low has elapsed) is input to the arithmetic circuit 405. Regarding the low gain high illuminance signal VsL_high, the count value csL_high at the timing when the comparison signal from the comparator 402 is inverted (the time when the period tsL_high has elapsed) is input to the arithmetic circuit 405.

前述したように、低ゲイン画素信号VsLおよび低ゲインリセット信号VnLの電荷電圧変換時のゲインは1/4倍である。そこで、演算回路405は、低ゲイン低照度信号VsL_lowのカウント値csL_lowから低ゲインリセット信号VnLのカウント値cnLを減算して得た値を4倍して、低ゲイン低照度信号を高ゲイン相当に変換したデジタル値として記憶する。同様に、演算回路405は、低ゲイン高照度信号VsL_highのカウント値csL_highから低ゲインリセット信号VnLのカウント値cnLを減算して得た値を4倍して、低ゲイン高照度信号を高ゲイン相当に変換したデジタル値として記憶する。 As described above, the gains of the low gain pixel signal VsL and the low gain reset signal VnL at the time of charge-voltage conversion are 1/4 times. Therefore, the arithmetic circuit 405 multiplies the value obtained by subtracting the count value cnL of the low gain reset signal VnL from the count value csL_low of the low gain low illuminance signal VsL_low by four to make the low gain low illuminance signal equivalent to high gain. Store as a converted digital value. Similarly, the arithmetic circuit 405 divides the value obtained by subtracting the count value cnL of the low gain reset signal VnL from the count value csL_high of the low gain high illuminance signal VsL_high by four, and makes the low gain high illuminance signal equivalent to high gain. It is stored as a digital value converted to.

期間tt4において、第1実施形態と同様に、電荷電圧変換のゲインがFD容量CFDのみを用いて電荷電圧変換を実行する高ゲイン(すなわち1倍)に変更される。結果として、低ゲインから高ゲインに変換された画素信号VsHが比較器402に直接的に入力される。高照度信号を保持している高照度画素の電位図および低照度信号を保持している低照度画素の電位図は、それぞれ、図17(c−2)および図7(b−7)である。 In the period tt4, as in the first embodiment, the gain of the charge-voltage conversion is changed to a high gain (ie, 1x) for performing the charge-voltage conversion using only the FD capacitance CFD. As a result, the pixel signal VsH converted from low gain to high gain is directly input to the comparator 402. The potential map of the high-light pixel holding the high-light signal and the potential map of the low-light pixel holding the low-light signal are FIGS. 17 (c-2) and 7 (b-7), respectively. ..

ここで、図17(c−1)は、低ゲイン高照度信号VsL_highを保持する画素の電位図である図7(b−5)に相当する。また、図17(c−2)は、低ゲインから高ゲインに変換された画素の電位図、すなわち高ゲイン高照度信号VsH_highを保持する画素の電位図を示す。 Here, FIG. 17 (c-1) corresponds to FIG. 7 (b-5), which is a potential diagram of a pixel holding the low gain high illuminance signal VsL_high. Further, FIG. 17 (c-2) shows a potential diagram of a pixel converted from low gain to high gain, that is, a potential diagram of a pixel holding a high gain high illuminance signal VsH_high.

期間tr52において、高ゲイン画素信号VsHがAD変換される。すなわち、高ゲイン低照度信号VsH_lowまたは高ゲイン高照度信号VsH_highは、期間tr52にて生成されるランプ波G1と比較されてAD変換される。 In the period tr52, the high gain pixel signal VsH is AD-converted. That is, the high gain low illuminance signal VsH_low or the high gain high illuminance signal VsH_high is AD-converted by being compared with the lamp wave G1 generated in the period tr52.

比較器402は、期間tr52において画素信号Vsigとランプ波G1とを比較した結果を示す比較信号を出力する。高ゲイン低照度信号VsH_lowに関しては、比較器402からの比較信号が反転したタイミング(期間tsH_lowが経過した時刻)におけるカウント値csH_lowが演算回路405に入力される。対照的に、高ゲイン高照度信号VsH_highは、FD容量CFDをオーバーフローしているので、電荷電圧変換の線形性が維持される範囲を超えている。 The comparator 402 outputs a comparison signal indicating the result of comparing the pixel signal Vsig and the lamp wave G1 in the period tr52. Regarding the high gain low illuminance signal VsH_low, the count value csH_low at the timing when the comparison signal from the comparator 402 is inverted (the time when the period tsH_low has elapsed) is input to the arithmetic circuit 405. In contrast, the high gain, high illuminance signal VsH_high overflows the FD capacitance CFD, which is beyond the range in which the linearity of charge-voltage conversion is maintained.

本実施形態において、tr52期間のランプ波G1の振幅は、画素信号の電荷電圧変換の線形性が維持される範囲と適合するように設定されている。したがって、ランプ波G1の最大値は、オーバーフローした高ゲイン高照度信号VsH_highの値よりも低い。結果として、カウンタ回路403は、ランプ波G1が振幅の最大値に到達するまで高ゲイン高照度信号VsH_highに係るカウントを継続する。ランプ波G1の発生(期間tsH_high)が終了すると、カウンタ回路403は、ランプ波G1の振幅に対応するカウント値csH_highをラッチ回路404へ出力する。 In the present embodiment, the amplitude of the lamp wave G1 during the tr52 period is set to match the range in which the linearity of the charge-voltage conversion of the pixel signal is maintained. Therefore, the maximum value of the lamp wave G1 is lower than the value of the overflowed high gain high illuminance signal VsH_high. As a result, the counter circuit 403 continues counting on the high gain high illuminance signal VsH_high until the lamp wave G1 reaches the maximum amplitude. When the generation of the lamp wave G1 (period tsH_high) is completed, the counter circuit 403 outputs the count value csH_high corresponding to the amplitude of the lamp wave G1 to the latch circuit 404.

次いで、演算回路405が、上記したカウント値に基づいて画素信号Vsigのデジタル信号値を取得して記憶する。高ゲイン低照度信号VsH_lowが入力された列信号処理部203の演算回路405は、高ゲイン低照度信号VsH_lowのカウント値csH_lowから高ゲインリセット信号VnHのカウント値cnHを減算する。演算回路405は、以上の減算によって得られた値を高ゲイン低照度信号VsH_lowのデジタル値として演算回路405自体に記憶する。同様に、高ゲイン高照度信号VsH_highが入力された列信号処理部203の演算回路405は、高ゲイン高照度信号VsH_highのカウント値csH_highから高ゲインリセット信号VnHのカウント値cnHを減算する。演算回路405は、以上の減算によって得られた値を高ゲイン高照度信号VsH_highのデジタル値として演算回路405自体に記憶する。 Next, the arithmetic circuit 405 acquires and stores the digital signal value of the pixel signal Vsig based on the above-mentioned count value. The arithmetic circuit 405 of the column signal processing unit 203 to which the high gain low illuminance signal VsH_low is input subtracts the count value cnH of the high gain reset signal VnH from the count value csH_low of the high gain low illuminance signal VsH_low. The arithmetic circuit 405 stores the value obtained by the above subtraction in the arithmetic circuit 405 itself as a digital value of the high gain low illuminance signal VsH_low. Similarly, the arithmetic circuit 405 of the column signal processing unit 203 to which the high-gain high-intensity signal VsH_high is input subtracts the high-gain reset signal VnH count value cnH from the high-gain high-intensity signal VsH_high count value csH_high. The arithmetic circuit 405 stores the value obtained by the above subtraction in the arithmetic circuit 405 itself as a digital value of the high gain high illuminance signal VsH_high.

以上のようにして、低ゲイン画素信号VsLおよび高ゲイン画素信号VsHのAD変換が実行される。 As described above, the AD conversion of the low gain pixel signal VsL and the high gain pixel signal VsH is executed.

期間tt5において、光電変換素子PDおよびFD容量CFDがリセットされ、1行の画素の信号読出し動作が終了する。次行の画素信号の読出し動作と並行して、水平走査部207が、列選択線251を介して列信号処理部203を列毎に選択して、記憶されているデジタル化された画素信号が水平出力線261を介して出力部209に転送されるように制御する。 In the period tt5, the photoelectric conversion element PD and the FD capacitance CFD are reset, and the signal reading operation of one line of pixels ends. In parallel with the operation of reading the pixel signal of the next row, the horizontal scanning unit 207 selects the column signal processing unit 203 for each column via the column selection line 251 to obtain the stored digitized pixel signal. It is controlled so that it is transferred to the output unit 209 via the horizontal output line 261.

以下、画素200毎から出力される信号値について検討する。 Hereinafter, the signal value output from each pixel 200 will be examined.

第1実施形態および第2実施形態において、画素200毎の信号値は、高ゲイン低照度信号VsH_lowのデジタル信号値および高ゲイン相当の低ゲイン高照度信号VsL_highのデジタル信号値のいずれか一方である。列信号処理部203の演算回路405は、読み出した1つの画素200について、上記2つのデジタル信号値のいずれか一方を出力する。 In the first embodiment and the second embodiment, the signal value for each pixel 200 is either a high gain low illuminance signal VsH_low digital signal value or a high gain equivalent low gain high illuminance signal VsL_high digital signal value. .. The arithmetic circuit 405 of the column signal processing unit 203 outputs one of the above two digital signal values for one read pixel 200.

したがって、第1実施形態および第2実施形態では、ランプ波Vrmpの振幅に対応するデジタル信号値を基準として分類された、高ゲイン低照度信号VsH_lowと高ゲイン相当の低ゲイン高照度信号VsL_highとが組み合わされる。高ゲイン低照度信号VsH_lowはAD変換された状態の高精度なデジタル信号である一方、高ゲイン相当の低ゲイン高照度信号VsL_highは値が4倍された加工済のデジタル信号である。結果として、AD変換精度の4倍のHDR処理を施した画像が取得される。 Therefore, in the first embodiment and the second embodiment, the high gain low illuminance signal VsH_low and the low gain high illuminance signal VsL_high corresponding to the high gain are classified based on the digital signal value corresponding to the amplitude of the lamp wave Vrmp. Combined. The high gain low illuminance signal VsH_low is a high-precision digital signal in an AD-converted state, while the low gain high illuminance signal VsL_high corresponding to high gain is a processed digital signal whose value is quadrupled. As a result, an image subjected to HDR processing four times the AD conversion accuracy is acquired.

対照的に、第3実施形態において、画素200毎の信号値は、高ゲイン画素信号VsHのデジタル信号値および高ゲイン相当の低ゲイン画素信号VsLのデジタル信号値の双方である。列信号処理部203の演算回路405は、読み出した1つの画素200について、上記2つのデジタル信号値の双方を記憶する。 In contrast, in the third embodiment, the signal value for each pixel 200 is both a digital signal value of the high gain pixel signal VsH and a digital signal value of the low gain pixel signal VsL corresponding to the high gain. The arithmetic circuit 405 of the column signal processing unit 203 stores both of the above two digital signal values for one read pixel 200.

したがって、第3実施形態の演算回路405は、以下に示す第1から第3のHDR処理の少なくとも1つを実行すると好適である。 Therefore, it is preferable that the arithmetic circuit 405 of the third embodiment executes at least one of the first to third HDR processes shown below.

第1のHDR処理について説明する。演算回路405は、高ゲイン画素信号VsHのデジタル信号値が高ゲインのランプ波の振幅に対応するデジタル信号値よりも小さい場合、高ゲイン低照度信号VsH_lowのデジタル信号値を対応する画素200の信号値として記憶する。 The first HDR processing will be described. When the digital signal value of the high gain pixel signal VsH is smaller than the digital signal value corresponding to the amplitude of the high gain lamp wave, the arithmetic circuit 405 is the signal of the pixel 200 corresponding to the digital signal value of the high gain low illumination signal VsH_low. Store as a value.

他方、高ゲイン画素信号VsHのデジタル信号値が高ゲインのランプ波の振幅に対応するデジタル信号値である場合、高ゲイン相当の低ゲイン高照度信号VsL_highのデジタル信号値を対応する画素200の信号値として記憶する。以上の構成によれば、第1実施形態および第2実施形態と同様にHDR処理が施された画像が取得される。 On the other hand, when the digital signal value of the high gain pixel signal VsH is the digital signal value corresponding to the amplitude of the high gain ramp wave, the signal of the pixel 200 corresponding to the digital signal value of the low gain high illuminance signal VsL_high corresponding to the high gain. Store as a value. According to the above configuration, the HDR-processed image is acquired as in the first embodiment and the second embodiment.

第2のHDR処理について説明する。各演算回路405は、高ゲイン画素信号VsHのデジタル信号値と高ゲイン相当の低ゲイン画素信号VsLのデジタル信号値とを加算する。本例の場合、高ゲイン画素信号VsHにおける入出力特性の傾きを1倍とすると、低ゲイン画素信号VsLにおける入出力特性の傾きは1/4倍である。また、本例の入出力特性に関して、判定電圧Vjdに相当する画素の飽和電圧の1/4の入力に対する出力は、AD変換精度の2倍となるので、画素の飽和電圧の1/4に至るまでの傾きは2倍となる。そして、画素の飽和電圧の入力に対する出力は、AD変換精度の5倍となるので、画素の飽和電圧の1/4以降の傾きは1倍となる。以上の構成によれば、AD変換精度の5倍のHDR処理を施した画像が取得される。 The second HDR process will be described. Each arithmetic circuit 405 adds the digital signal value of the high gain pixel signal VsH and the digital signal value of the low gain pixel signal VsL corresponding to the high gain. In the case of this example, if the slope of the input / output characteristic in the high gain pixel signal VsH is 1 times, the slope of the input / output characteristic in the low gain pixel signal VsL is 1/4 times. Further, regarding the input / output characteristics of this example, the output for the input of 1/4 of the saturation voltage of the pixel corresponding to the determination voltage Vjd is twice the AD conversion accuracy, so that it reaches 1/4 of the saturation voltage of the pixel. The inclination to is doubled. Then, since the output with respect to the input of the saturation voltage of the pixel is five times the AD conversion accuracy, the inclination after 1/4 of the saturation voltage of the pixel is one times. According to the above configuration, an image subjected to HDR processing having 5 times the AD conversion accuracy is acquired.

第3のHDR処理について説明する。各演算回路405は、高ゲイン画素信号VsHのデジタル信号値と低ゲイン画素信号VsLのデジタル信号値とを加算する。低ゲイン画素信号VsLのデジタル信号値は4倍されない。本例の入出力特性に関して、画素の飽和電圧の1/4の入力に対する出力は、AD変換精度の5/4倍となるので、画素の飽和電圧の1/4に至るまでの傾きは5/4倍となる。そして、画素の飽和電圧の入力に対する出力は、AD変換精度の2倍となるので、画素の飽和電圧の1/4以降の傾きは1/4倍となる。以上の構成によれば、AD変換精度の2倍のHDR処理を施した画像が取得される。 The third HDR process will be described. Each arithmetic circuit 405 adds the digital signal value of the high gain pixel signal VsH and the digital signal value of the low gain pixel signal VsL. The digital signal value of the low gain pixel signal VsL is not multiplied by four. Regarding the input / output characteristics of this example, the output for an input of 1/4 of the saturation voltage of the pixel is 5/4 times the AD conversion accuracy, so the slope up to 1/4 of the saturation voltage of the pixel is 5 /. It will be quadrupled. Then, since the output with respect to the input of the saturation voltage of the pixel is twice the AD conversion accuracy, the inclination after 1/4 of the saturation voltage of the pixel is 1/4 times. According to the above configuration, an image subjected to HDR processing having twice the AD conversion accuracy is acquired.

以上に説明したHDR処理のいずれかを演算回路405が実行することによって、読み出した画素200に対応する演算回路405からの出力が1つになる。 When the arithmetic circuit 405 executes any of the HDR processing described above, the output from the arithmetic circuit 405 corresponding to the read pixels 200 becomes one.

他に、撮像装置1の信号処理部13がHDR処理を実行してもよい。本例の場合、演算回路405は、高ゲイン画素信号VsHのデジタル信号値と低ゲイン画素信号VsLのデジタル信号値とを出力する。信号処理部13は、低ゲイン画素信号VsLのデジタル信号値を4倍した後、上記した第1または第2のHDR処理を実行する。または、信号処理部13は、低ゲイン画素信号VsLのデジタル信号値を4倍せずに、上記した第3のHDR処理を実行する。第1または第2のHDR処理を信号処理部13が実行する場合、演算回路405は、高ゲイン相当の低ゲイン高照度信号VsL_highのデジタル信号値を信号処理部13へ出力してもよい。 Alternatively, the signal processing unit 13 of the image pickup apparatus 1 may execute the HDR processing. In the case of this example, the arithmetic circuit 405 outputs the digital signal value of the high gain pixel signal VsH and the digital signal value of the low gain pixel signal VsL. The signal processing unit 13 executes the above-mentioned first or second HDR processing after multiplying the digital signal value of the low gain pixel signal VsL by four. Alternatively, the signal processing unit 13 executes the above-mentioned third HDR processing without quadrupling the digital signal value of the low gain pixel signal VsL. When the signal processing unit 13 executes the first or second HDR processing, the arithmetic circuit 405 may output the digital signal value of the low gain high illuminance signal VsL_high corresponding to the high gain to the signal processing unit 13.

以上の構成によれば、上述した実施形態と同様に、AD変換における広いダイナミックレンジと高い解像精度を実現できる。また、低照度信号と高照度信号とが同一波形のシングルスロープを用いてAD変換されるので、信号ムラが低減された良好な画像信号を取得でき、ひいては撮像画像の画質を向上させることができる。 According to the above configuration, a wide dynamic range and high resolution accuracy in AD conversion can be realized as in the above-described embodiment. Further, since the low-light signal and the high-light signal are AD-converted using a single slope having the same waveform, a good image signal with reduced signal unevenness can be obtained, and the image quality of the captured image can be improved. ..

さらに、以上の構成では、上述した実施形態と同様に、FD拡張部によってゲインの変換処理を行うことで、2種類のゲインに対応する画素信号を連続して読み出すことができる。以上のように、2種類のゲインに対応したリセット信号と画素信号とを共通の状態で読み出すことができるので、撮像画像の画質をさらに向上させることができる。 Further, in the above configuration, the pixel signals corresponding to the two types of gains can be continuously read out by performing the gain conversion process by the FD extension unit as in the above-described embodiment. As described above, since the reset signal and the pixel signal corresponding to the two types of gain can be read out in a common state, the image quality of the captured image can be further improved.

<第3実施形態の変形例>
以下、本発明の第3実施形態の変形例について説明する。本変形例においては、第2実施形態(図11および図12)と同様に、転送トランジスタTXとFDノード301との間にFD拡張トランジスタFDextが配置される。本変形例の画素200の回路構成および画素の読出し動作は第2実施形態に準じる。本変形例の列信号処理部203の回路構成および列信号処理部203の動作は第3実施形態(図15および図16)に準じる。
<Modified example of the third embodiment>
Hereinafter, a modified example of the third embodiment of the present invention will be described. In this modification, the FD extension transistor FDext is arranged between the transfer transistor TX and the FD node 301 as in the second embodiment (FIGS. 11 and 12). The circuit configuration of the pixel 200 and the pixel reading operation of this modification conform to the second embodiment. The circuit configuration of the column signal processing unit 203 and the operation of the column signal processing unit 203 of this modification conform to the third embodiment (FIGS. 15 and 16).

図16の期間tt4において、電荷電圧変換のゲインがFD容量CFDのみを用いて電荷電圧変換を実行する高ゲイン(すなわち1倍)に変更された時の高照度画素の電位図および低照度画素の電位図はそれぞれ図17(d−2)および図12(b−7)である。 In the period tt4 of FIG. 16, the potential diagram of the high-intensity pixel and the low-intensity pixel when the gain of the charge-voltage conversion is changed to a high gain (that is, 1 times) for executing the charge-voltage conversion using only the FD capacitance CFD The potential diagrams are FIG. 17 (d-2) and FIG. 12 (b-7), respectively.

ここで、図17(d−1)は、低ゲイン高照度信号VsL_highを保持する画素の電位図である図12(b−5)に相当する。また、図17(d−2)は、低ゲインから高ゲインに変換された画素の電位図、すなわち高ゲイン高照度信号VsH_highを保持する画素の電位図を示す。 Here, FIG. 17 (d-1) corresponds to FIG. 12 (b-5), which is a potential diagram of a pixel holding the low gain high illuminance signal VsL_high. Further, FIG. 17 (d-2) shows a potential diagram of a pixel converted from a low gain to a high gain, that is, a potential diagram of a pixel holding a high gain high illuminance signal VsH_high.

本変形例では、第2実施形態の図12(b−7)を参照して説明したように、FD拡張トランジスタFDextのFD拡張容量Cexに蓄積していた信号電荷が、FD容量CFDに押し出されて加算される。図17(d−2)に示される高ゲイン高照度信号VsH_highは、第2実施形態と同様に、FD容量CFDを超過してオーバーフローした状態である。 In this modification, as described with reference to FIG. 12 (b-7) of the second embodiment, the signal charge accumulated in the FD expansion capacitance Cex of the FD expansion transistor FDext is extruded into the FD capacitance CFD. Is added. The high-gain high-illuminance signal VsH_high shown in FIG. 17 (d-2) is in a state of overflowing in excess of the FD capacitance CFD, as in the second embodiment.

以上のようにして、画素信号Vsig(低ゲイン低照度信号VsL_low、低ゲイン高照度信号VsL_high、高ゲイン低照度信号VsH_low、高ゲイン高照度信号VsH_high)が読み出される。演算回路405は、読み出された画素信号Vsigから対応するリセット信号VnL,VnHを減算する。以上の減算処理後、第3実施形態と同様に、高ゲイン相当の低ゲイン画素信号VsL(VsL_low,VsL_high)および高ゲイン画素信号VsH(VsH_low,VsH_high)が、演算回路405に記憶される。 As described above, the pixel signal Vsig (low gain low illuminance signal VsL_low, low gain high illuminance signal VsL_high, high gain low illuminance signal VsH_low, high gain high illuminance signal VsH_high) is read out. The arithmetic circuit 405 subtracts the corresponding reset signals VnL and VnH from the read pixel signal Vsig. After the above subtraction processing, the low gain pixel signal VsL (VsL_low, VsL_high) and the high gain pixel signal VsH (VsH_low, VsH_high) corresponding to the high gain are stored in the arithmetic circuit 405 as in the third embodiment.

本変形例の以上の構成によれば、第3実施形態にて説明された技術的効果が奏される。さらに、画素200において、光電変換素子PDから電源電圧Vddに向かって一方向のみに電荷が流れるので、電荷の戻りが生じる構成と比較して、信号電荷の転送を妨げるトラップ等の要素からの影響を受けにくい。したがって、信号ムラがより低減された良好な画像信号を取得でき、ひいては、撮像画像の画質を向上させることができる。 According to the above configuration of the present modification, the technical effect described in the third embodiment is achieved. Further, in the pixel 200, since the electric charge flows from the photoelectric conversion element PD toward the power supply voltage Vdd in only one direction, the influence from the trap or the like that hinders the transfer of the signal charge is compared with the configuration in which the electric charge returns. Hard to receive. Therefore, a good image signal with further reduced signal unevenness can be obtained, and the image quality of the captured image can be improved.

<第4実施形態>
以下、図18ないし図23を参照して、本発明の第4実施形態について説明する。第1実施形態に係る図1、図2、および図5についての説明を第4実施形態に援用する。
<Fourth Embodiment>
Hereinafter, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 18 to 23. The description of FIGS. 1, 2, and 5 according to the first embodiment is incorporated into the fourth embodiment.

概略的には、本発明の第4実施形態に係る撮像装置1は、電荷電圧を変換するFD部と、電荷電圧変換のゲインを調整するFD拡張部FDextと、FD部とFD拡張部FDextとを接続するFD接続部TFDとを含む画素を有する撮像素子12を有する。以上のような撮像素子12を用いることによって、撮像装置1は、1回の撮影で広いダイナミックレンジと高い解像精度とを併せて実現することができる。 Generally, the image sensor 1 according to the fourth embodiment of the present invention includes an FD unit that converts a charge voltage, an FD extension unit FDext that adjusts the gain of charge voltage conversion, and an FD unit and an FD extension unit FDext. The image sensor 12 has a pixel including an FD connection portion TFD for connecting the above. By using the image sensor 12 as described above, the image sensor 1 can realize a wide dynamic range and high resolution accuracy in one shooting.

本発明の第4実施形態に係る信号処理部13(図1等)は、HDR処理を実行することができる。より具体的には、例えば、信号処理部13は、感度比を補償するゲイン値と明るさに応じた重み付け係数とを用いて、低照度露光画素の信号と高照度露光画素の信号とを合成してよい。他に、信号処理部13が、明るさに応じて低照度露光画素の信号と高照度露光画素の信号のいずれかを選択してもよい。 The signal processing unit 13 (FIG. 1, etc.) according to the fourth embodiment of the present invention can execute HDR processing. More specifically, for example, the signal processing unit 13 synthesizes the signal of the low-light exposure pixel and the signal of the high-light exposure pixel by using the gain value for compensating the sensitivity ratio and the weighting coefficient according to the brightness. You can do it. Alternatively, the signal processing unit 13 may select either the signal of the low-light exposure pixel or the signal of the high-light exposure pixel according to the brightness.

図18は、本発明の第4実施形態に係る撮像素子12の画素200の回路構成を示す回路図である。前述したように、第1実施形態(図3)の画素200においては、FD部のFDノード301とリセットトランジスタRSとの間にFD拡張トランジスタFDextが配置されている。第4実施形態の画素200においては、図18に示すように、FD部のFDノード301とリセットトランジスタRSとの間に、FD接続トランジスタ(FD接続部)TFDおよびFD拡張トランジスタFDextが配置されている。 FIG. 18 is a circuit diagram showing a circuit configuration of pixels 200 of the image pickup device 12 according to the fourth embodiment of the present invention. As described above, in the pixel 200 of the first embodiment (FIG. 3), the FD extension transistor FDext is arranged between the FD node 301 of the FD section and the reset transistor RS. In the pixel 200 of the fourth embodiment, as shown in FIG. 18, the FD connection transistor (FD connection portion) TFD and the FD expansion transistor FDext are arranged between the FD node 301 of the FD unit and the reset transistor RS. There is.

本実施形態の各画素制御線221は、転送制御線pTX、FD拡張制御線pFDext、リセット制御線pRS、および選択制御線pSELに加え、FD接続制御線pTFDを含んでいる。 Each pixel control line 221 of the present embodiment includes an FD connection control line pTFD in addition to the transfer control line pTX, the FD extended control line pFDext, the reset control line pRS, and the selection control line pSEL.

FD接続トランジスタ(FD接続部)TFDは、ゲートがFD接続制御線pTFDに接続し、ソースがFD容量CFDに接続し、ドレインがFD拡張トランジスタ(FD拡張部)FDextに接続するMOS型トランジスタである。 The FD connection transistor (FD connection) TFD is a MOS transistor in which the gate is connected to the FD connection control line pTFD, the source is connected to the FD capacitance CFD, and the drain is connected to the FD expansion transistor (FD expansion) FDext. ..

FD拡張トランジスタ(FD拡張部)FDextは、ゲートがFD拡張制御線pFDextに接続し、ソースがFD接続トランジスタTFDに接続し、ドレインがリセットトランジスタ(リセットスイッチ)RSに接続するMOS型トランジスタである。 The FD expansion transistor (FD expansion unit) FDext is a MOS transistor in which the gate is connected to the FD expansion control line pFDext, the source is connected to the FD connection transistor TFD, and the drain is connected to the reset transistor (reset switch) RS.

以上から理解されるように、本実施形態の画素200は、第1実施形態の画素200のFD容量CFDとFD拡張トランジスタFDextとの間にFD接続トランジスタTFDを挿入した回路構成を有する。他の回路構成および動作については第1実施形態(図3)と同様である。 As can be understood from the above, the pixel 200 of the present embodiment has a circuit configuration in which the FD connection transistor TFD is inserted between the FD capacitance CFD of the pixel 200 of the first embodiment and the FD expansion transistor FDext. Other circuit configurations and operations are the same as in the first embodiment (FIG. 3).

FD接続トランジスタTFDとFD拡張トランジスタFDextとリセットトランジスタRSとが共にオン状態に設定されることによって、FDノード301の電位が電源電圧Vddにリセットされる。一方、FD接続トランジスタとFD拡張トランジスタFDextとリセットトランジスタRSとが共にオフ状態である場合には、FD容量CFDにおいて光電変換素子PDから転送された電荷が電圧に変換される。 When the FD connection transistor TFD, the FD expansion transistor FDext, and the reset transistor RS are all set to the ON state, the potential of the FD node 301 is reset to the power supply voltage Vdd. On the other hand, when the FD connection transistor, the FD expansion transistor FDext, and the reset transistor RS are all in the off state, the electric charge transferred from the photoelectric conversion element PD is converted into a voltage in the FD capacitance CFD.

FD接続トランジスタTFDとFD拡張トランジスタFDextとがオン状態かつリセットトランジスタRSがオフ状態の場合、FD接続トランジスタTFDとFD拡張トランジスタFDextとが、電荷を保持可能な蓄積部(即ち、蓄積容量)として機能する。FD接続トランジスタTFDとFD拡張トランジスタFDextと加算した以上の蓄積容量を、以下、FD拡張容量Cexと称する場合がある。このとき、以上の蓄積容量(FD拡張容量Cex)およびFD容量CFDは基板に対して並列に接地しているので、FDノード301から見た容量は、FD容量CFDにFD拡張容量Cexを加算した容量(FD加算容量CFDadd)となる。したがって、FDノード301において、FD容量CFDとFD拡張容量Cexとを加算した加算容量CFDaddを用いて、光電変換素子PDから転送された電荷が電圧に変換される。 When the FD connection transistor TFD and the FD expansion transistor FDext are on and the reset transistor RS is off, the FD connection transistor TFD and the FD expansion transistor FDext function as a storage unit (that is, a storage capacity) capable of holding an electric charge. To do. The storage capacity obtained by adding the FD connection transistor TFD and the FD expansion transistor FDext may be hereinafter referred to as the FD expansion capacity Cex. At this time, since the above storage capacity (FD expansion capacity Cex) and FD capacity CFD are grounded in parallel with the substrate, the capacity seen from the FD node 301 is obtained by adding the FD expansion capacity Cex to the FD capacity CFD. It becomes the capacity (FD addition capacity CFDadd). Therefore, in the FD node 301, the electric charge transferred from the photoelectric conversion element PD is converted into a voltage by using the additional capacitance CFDadd which is the sum of the FD capacitance CFD and the FD expansion capacitance Cex.

図19は、本発明の第4実施形態に係る撮像素子12の列信号処理部203の回路構成を示す回路図である。列信号処理部203は、比較器402、カウンタ回路403、ラッチ回路404、および演算回路405を備えている。以下に説明するように、列信号処理部203はAD変換回路として機能する。 FIG. 19 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the column signal processing unit 203 of the image pickup device 12 according to the fourth embodiment of the present invention. The column signal processing unit 203 includes a comparator 402, a counter circuit 403, a latch circuit 404, and an arithmetic circuit 405. As described below, the column signal processing unit 203 functions as an AD conversion circuit.

比較器402は、2つの入力信号の比較結果を出力する要素であって、例えば、2つの入力信号の大小関係が逆転した時に、出力信号をHighからLowに変化させる。比較器402には、2つの入力信号源として、画素信号Vsigを入力する垂直信号線231とランプ波信号線Vrmpとが接続されている。タイミング部211がランプ波信号線Vrmpに出力するランプ波は、初期電圧から徐々に変化する三角波である。以上のランプ波の振幅は、比較器402に入力される画素信号の飽和振幅に対して十分な余裕があると好適である。比較器402は、徐々に変化するランプ波が画素信号と交差した時点で、比較結果を出力する。 The comparator 402 is an element that outputs a comparison result of two input signals. For example, when the magnitude relationship between the two input signals is reversed, the output signal is changed from High to Low. In the comparator 402, a vertical signal line 231 for inputting a pixel signal Vsig and a lamp wave signal line Vrmp are connected as two input signal sources. The lamp wave output by the timing unit 211 to the lamp wave signal line Vrmp is a triangular wave that gradually changes from the initial voltage. It is preferable that the amplitude of the above lamp wave has a sufficient margin with respect to the saturation amplitude of the pixel signal input to the comparator 402. The comparator 402 outputs the comparison result when the gradually changing lamp wave intersects the pixel signal.

カウンタ回路403は、接続されているカウンタ制御線pCNTから供給されるクロックに基づいてカウンタを動作させる。カウンタ回路403は、ランプ波の開始に合わせてカウント動作を開始し、比較器402からの比較結果の信号を受けた時点のカウント値を出力する。出力されたカウント値(離散値)は、列信号処理部203が垂直信号線231を介して受け取った画素信号をデジタル化した信号に相当する。 The counter circuit 403 operates the counter based on the clock supplied from the connected counter control line pCNT. The counter circuit 403 starts the counting operation in accordance with the start of the lamp wave, and outputs the count value at the time when the signal of the comparison result from the comparator 402 is received. The output count value (discrete value) corresponds to a digitized pixel signal received by the column signal processing unit 203 via the vertical signal line 231.

ラッチ回路404は、カウンタ回路403が出力するカウント値を一時的に保持すると共に、接続されているラッチ制御線pLTCを介した制御に基づいて保持しているカウント値を出力する。 The latch circuit 404 temporarily holds the count value output by the counter circuit 403, and outputs the count value held based on the control via the connected latch control line pLTC.

演算回路405は、接続されている演算制御線pCALを介した制御に基づいて、ラッチ回路404が出力するカウント値を画素のデジタル信号として記憶する。加えて、演算回路405は、対応する選択線pHを介した制御に基づいて、記憶している画素のデジタル信号をデジタル出力線DSigに出力する。 The arithmetic circuit 405 stores the count value output by the latch circuit 404 as a pixel digital signal based on the control via the connected arithmetic control line pCAL. In addition, the arithmetic circuit 405 outputs the digital signal of the stored pixel to the digital output line DSig based on the control via the corresponding selection line pH.

以上に説明したように、列信号処理部203は、比較器402、カウンタ回路403、ラッチ回路404、およびランプ波信号線Vrmpを用いたAD変換回路を構成している。 As described above, the column signal processing unit 203 constitutes an AD conversion circuit using a comparator 402, a counter circuit 403, a latch circuit 404, and a ramp wave signal line Vrmp.

また、上記のように、タイミング部211から列信号処理部203に接続される制御線281は、ランプ波信号線Vrmp、カウンタ制御線pCNT、ラッチ制御線pLTC、および演算制御線pCALを含む。水平走査部207から列信号処理部203に接続される列選択線251は、図19の選択線pHに相当する。列信号処理部203から出力部209に接続される水平出力線261は、図19のデジタル出力線DSigに相当する。 Further, as described above, the control line 281 connected from the timing unit 211 to the column signal processing unit 203 includes a ramp wave signal line Vrmp, a counter control line pCNT, a latch control line pLTC, and an arithmetic control line pCAL. The column selection line 251 connected from the horizontal scanning unit 207 to the column signal processing unit 203 corresponds to the selection line pH in FIG. The horizontal output line 261 connected from the column signal processing unit 203 to the output unit 209 corresponds to the digital output line DSig in FIG.

撮像装置1が実行する撮影動作を示すタイミングチャートは、第1実施形態(図5)と同様である。 The timing chart showing the photographing operation executed by the image pickup apparatus 1 is the same as that of the first embodiment (FIG. 5).

図20ないし図22を参照して、本発明の第4実施形態に係る撮像素子12の画素動作を説明する。図20は、本発明の第4実施形態に係る撮像素子12における画素200の動作を示すタイミングチャートである。横軸は時間を示し、縦軸は信号のオン/オフ(電位の高低)を示す。 The pixel operation of the image pickup device 12 according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 20 to 22. FIG. 20 is a timing chart showing the operation of the pixel 200 in the image sensor 12 according to the fourth embodiment of the present invention. The horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates signal on / off (high / low potential).

ライン同期信号LSyncは、前述した実施形態と同様に、撮像素子12を駆動するための同期信号であって、立ち下がった時に有効となって行毎に所定の画素動作を実行する契機となる信号である。ライン同期信号Lsyncは、フレーム同期信号Fsyncの1期間(1周期)内において画素領域201内の最初の行から最後の行までの各行内の画素200が同期して動作するために供給される。 The line synchronization signal LSync is a synchronization signal for driving the image sensor 12 as in the above-described embodiment, and is a signal that becomes effective when the image sensor 12 falls down and triggers a predetermined pixel operation for each line. Is. The line synchronization signal Lsync is supplied so that the pixels 200 in each line from the first line to the last line in the pixel area 201 operate synchronously within one period (one cycle) of the frame synchronization signal Fsync.

また、図20は、画素制御線221に含まれる転送制御線pTX、FD接続制御線pTFD、FD拡張制御線pFDext、リセット制御線pRS、および選択制御線pSELの動作タイミングを示している。 Further, FIG. 20 shows the operation timings of the transfer control line pTX, the FD connection control line pTFD, the FD extended control line pFDext, the reset control line pRS, and the selection control line pSEL included in the pixel control line 221.

図20(a)は、図5の時刻s02,s06,s10から開始する行毎のリセット動作について、光電変換素子PDの電荷リセットを実行する1行における制御信号の遷移を示す。ライン同期信号Lsyncが有効となるのに続いて、画素制御線221に含まれる選択制御線pSEL以外の制御線が全てオン状態に設定される。結果として、光電変換素子PDに対するリセットと、FD部とFD接続部TFDとFD拡張部FDextとに対する電源電圧Vddへのリセットとが行われる。 FIG. 20A shows the transition of the control signal in one line for executing the charge reset of the photoelectric conversion element PD for the line-by-line reset operation starting from the times s02, s06, and s10 in FIG. Following the activation of the line synchronization signal Lsync, all control lines other than the selection control line pSEL included in the pixel control line 221 are set to the ON state. As a result, the photoelectric conversion element PD is reset, and the power supply voltage Vdd is performed for the FD unit, the FD connection unit TFD, and the FD extension unit FDext.

次いで、転送制御線pTXがオフ状態に設定されて転送トランジスタTXが遮断されることによって、露光が開始される。その後、FD接続制御線pTFDとFD拡張制御線pFDextとリセット制御線pRSとが順にオフ状態に設定され、FD接続トランジスタTFDとFD拡張トランジスタFDextとリセットトランジスタRSとが順に遮断される。結果として、FD部に対するリセット動作が終了する。 Next, the transfer control line pTX is set to the off state and the transfer transistor TX is cut off, so that the exposure is started. After that, the FD connection control line pTFD, the FD expansion control line pFDext, and the reset control line pRS are set to the off state in order, and the FD connection transistor TFD, the FD expansion transistor FDext, and the reset transistor RS are sequentially cut off. As a result, the reset operation for the FD unit ends.

なお、転送トランジスタTX以外のFD接続トランジスタTFDとFD拡張トランジスタFDextとリセットトランジスタRSとが遮断されずにオン状態に設定されたままでもよい。この場合、オフ状態に設定されている転送トランジスタTXを越えて光電変換素子PDから溢れた電荷が、電源Vddに排出され易くなるという技術的効果が奏される。 The FD connection transistor TFD other than the transfer transistor TX, the FD expansion transistor FDext, and the reset transistor RS may be left in the ON state without being interrupted. In this case, the technical effect that the electric charge overflowing from the photoelectric conversion element PD beyond the transfer transistor TX set in the off state is easily discharged to the power supply Vdd is achieved.

図20(b)から図20(f)は、図5の時刻s04,s08,s12から開始する行毎の画素信号読出し動作について、光電変換素子PDの電荷読出しを実行する1行における制御信号の遷移を示す。光電変換素子PDの電荷読出し動作については、以下、図21を参照しながら説明される。 20 (b) to 20 (f) show the control signal in one line for executing the charge reading of the photoelectric conversion element PD for the pixel signal reading operation for each line starting from the times s04, s08, and s12 in FIG. Shows the transition. The charge reading operation of the photoelectric conversion element PD will be described below with reference to FIG.

図21は、本発明の第4実施形態に係る撮像素子12における画素200の読出し動作の概略説明図である。 FIG. 21 is a schematic explanatory view of the reading operation of the pixel 200 in the image sensor 12 according to the fourth embodiment of the present invention.

図21(a)は、図18と同様に画素200の回路構成を示している。図21(b−1)〜図21(b−7)は、図21(a)に示す点線の経路に沿った電位の分布図である。光電変換素子PDはPN接合のP側が接地されているので、信号負荷に関してはN側に電子が蓄積される。図21(b−1)〜図21(b−7)では電子(負電荷)を基準として電位を表現しているので、電源電圧Vddに対して電子が蓄積しているほど電位値(図中の垂直方向の位置)が高くなる。本実施形態のFD容量を用いた電荷電圧変換においては、画素信号となる電圧と転送される電荷との関係において線形性(linearity)が維持される範囲で変換動作が実行されると好適である。 FIG. 21A shows the circuit configuration of the pixel 200 as in FIG. 21 (b-1) to 21 (b-7) are potential distribution diagrams along the dotted line path shown in FIG. 21 (a). Since the P side of the PN junction of the photoelectric conversion element PD is grounded, electrons are accumulated on the N side with respect to the signal load. In FIGS. 21 (b-1) to 21 (b-7), the potential is expressed with reference to electrons (negative charges). Therefore, the more electrons are accumulated with respect to the power supply voltage Vdd, the more the potential value (in the figure). (Vertical position of) becomes higher. In the charge-voltage conversion using the FD capacitance of the present embodiment, it is preferable that the conversion operation is executed within a range in which linearity is maintained in the relationship between the voltage to be the pixel signal and the transferred charge. ..

ここで、光電変換素子PDが飽和する電荷量をPD容量、FD部が飽和する電荷量をFD容量CFD、FD接続部とFD拡張部とが飽和する電荷量をFD拡張容量Cexとする。FD拡張容量Cexは、FD接続トランジスタTFDとFD拡張トランジスタFDextとがオン状態である場合に発生する電位(オン電位)に蓄積できる電荷量を意味する。本実施形態では、光電変換素子PDが飽和するPD容量に対して、FD容量CFDとFD拡張容量Cexとを加算したFD加算容量CFDaddにおける電荷電圧変換の線形性を維持できる電荷量が略等しくなるように設定する。以上の設定状態は、PD容量:FD加算容量=1:1と表現できる。FD容量CFDを基準とした比で示した場合の各容量は、FD容量:FD拡張容量:FD加算容量:PD容量=1:3:4:4と設定される。さらに、以上のように設定されたFD容量CFDにおける電荷電圧変換の変換ゲインを、以下、規格化された値として1倍(またはx1)と表現する。以上の通り、FD加算容量CFDaddはFD容量CFDの4倍であるので、FD加算容量CFDaddにおける電荷電圧変換の変換ゲインは1/4倍(またはx1/4)と表現できる。 Here, the amount of charge that saturates the photoelectric conversion element PD is defined as the PD capacitance, the amount of charge that saturates the FD portion is defined as the FD capacitance CFD, and the amount of charge that saturates the FD connection portion and the FD expansion portion is defined as the FD expansion capacitance Cex. The FD expansion capacitance Cex means the amount of electric charge that can be stored in the potential (on potential) generated when the FD connection transistor TFD and the FD expansion transistor FDext are in the ON state. In the present embodiment, the amount of charge capable of maintaining the linearity of charge-voltage conversion in the FD addition capacitance CFDadd, which is the sum of the FD capacitance CFD and the FD expansion capacitance Cex, is substantially equal to the PD capacitance in which the photoelectric conversion element PD is saturated. To set. The above setting state can be expressed as PD capacity: FD addition capacity = 1: 1. FD capacity Each capacity when expressed in a ratio based on CFD is set as FD capacity: FD expansion capacity: FD addition capacity: PD capacity = 1: 3: 4: 4. Further, the conversion gain of charge-voltage conversion in the FD capacitance CFD set as described above is hereinafter expressed as 1 time (or x1) as a standardized value. As described above, since the FD addition capacity CFDadd is four times the FD capacity CFD, the conversion gain of the charge-voltage conversion in the FD addition capacity CFDadd can be expressed as 1/4 times (or x1 / 4).

なお、前述した実施形態と同様に、各容量の設定値は、上述したFD容量:FD拡張容量:FD加算容量=1:3:4には限定されず、FD拡張容量Cexが1以上に設定されていればよい。 As in the above-described embodiment, the set value of each capacity is not limited to the above-mentioned FD capacity: FD expansion capacity: FD addition capacity = 1: 3: 4, and the FD expansion capacity CeX is set to 1 or more. It suffices if it is done.

前述した実施形態と同様に、以下の説明において、FD容量CFDのみで電荷電圧変換する場合を「高ゲイン変換」と称し、FD加算容量(=FD容量+FDE拡張容量)を用いて電荷電圧変換する場合を「低ゲイン変換」と称する。また、電荷電圧変換において、FD容量およびFD加算容量が飽和した状態の電圧を「FDの飽和電圧」と称する。前述のように、FD容量はFD加算容量CFDaddに含まれているので、FD容量の飽和電圧とFD加算容量の飽和電圧は等しい。さらに、「FDの飽和電圧」に対応する画素信号の電圧を、「画素の飽和電圧」と称する。 Similar to the above-described embodiment, in the following description, the case of charge-voltage conversion using only the FD capacity CFD is referred to as "high gain conversion", and charge-voltage conversion is performed using the FD addition capacity (= FD capacity + FDE expansion capacity). The case is referred to as "low gain conversion". Further, in the charge-voltage conversion, the voltage in a state where the FD capacitance and the FD addition capacitance are saturated is referred to as "FD saturation voltage". As described above, since the FD capacitance is included in the FD addition capacitance CFDadd, the saturation voltage of the FD capacitance and the saturation voltage of the FD addition capacitance are equal. Further, the voltage of the pixel signal corresponding to the "FD saturation voltage" is referred to as a "pixel saturation voltage".

図21(b−1)は、図20(a)を参照して説明したリセット動作後の露光期間における電位の分布を示す。各トランジスタは、オン状態の時には電子を導通させ、オフ状態の時には障壁となって電子を遮断する。 FIG. 21 (b-1) shows the potential distribution during the exposure period after the reset operation described with reference to FIG. 20 (a). Each transistor conducts electrons when it is on, and blocks electrons as a barrier when it is off.

図示の通り、FD接続トランジスタTFD、FD拡張トランジスタFDext、およびリセットトランジスタRSのオン状態におけるオン電位およびオフ状態におけるオフ電位は、互いに略等しく設定されている。 As shown in the figure, the on potential of the FD connection transistor TFD, the FD expansion transistor FDext, and the reset transistor RS in the on state and the off potential in the off state are set to be substantially equal to each other.

転送トランジスタTXのオフ電位は、FD接続トランジスタTFD、FD拡張トランジスタFDext、およびリセットトランジスタRSのオフ電位より高く(すなわち、実際の電圧としてはより低く)設定されている。例えば、リセットトランジスタRSのオフ電位がリセット制御線pRSが0V(接地電圧)であるときの電位である場合、転送トランジスタTXのオフ電位は転送制御線pTXが負電圧であるときの電位である。 The off potential of the transfer transistor TX is set higher than the off potential of the FD connection transistor TFD, the FD expansion transistor FDext, and the reset transistor RS (that is, lower as the actual voltage). For example, when the off potential of the reset transistor RS is the potential when the reset control line pRS is 0 V (ground voltage), the off potential of the transfer transistor TX is the potential when the transfer control line pTX is a negative voltage.

光電変換素子PDに信号電荷が蓄積していない状態の電位(空乏電位)は、転送トランジスタTXのオン電位よりも高く(すなわち、実際の電圧としてはより低く)設定されている。結果として、光電変換素子PDからFD部に対して信号電荷を完全に転送することが可能となる。 The potential (depletion potential) in the state where the signal charge is not accumulated in the photoelectric conversion element PD is set higher than the on potential of the transfer transistor TX (that is, lower as the actual voltage). As a result, the signal charge can be completely transferred from the photoelectric conversion element PD to the FD unit.

図21(b−1)に示す露光状態においては、光電変換素子PDに電子が蓄積されていると共に、転送トランジスタTX、FD接続トランジスタTFD、FD拡張トランジスタFDext、およびリセットトランジスタRSが全てオフ状態に設定されている。 In the exposure state shown in FIG. 21 (b-1), electrons are accumulated in the photoelectric conversion element PD, and the transfer transistor TX, the FD connection transistor TFD, the FD expansion transistor FDext, and the reset transistor RS are all turned off. It is set.

前述したように、図20(b)から図20(f)は画素信号の読出し動作に対応している。図20(b)は、FD部のリセット動作を実行する際の制御信号の遷移を示す。ライン同期信号Lsyncが有効となるのに続いて、選択トランジスタSELがオン状態に設定されることによって、画素信号が垂直信号線231に出力される状態となる。同時に、FD接続トランジスタTFDとFD拡張トランジスタFDextとリセットトランジスタRSとがオン状態に設定されることによって、FD部がリセットされる。 As described above, FIGS. 20 (b) to 20 (f) correspond to the pixel signal reading operation. FIG. 20B shows the transition of the control signal when the reset operation of the FD unit is executed. Following the activation of the line synchronization signal Lsync, the selection transistor SEL is set to the ON state, so that the pixel signal is output to the vertical signal line 231. At the same time, the FD unit is reset by setting the FD connection transistor TFD, the FD expansion transistor FDext, and the reset transistor RS to the ON state.

図21(b−2)は、FD接続トランジスタTFD、FD拡張トランジスタFDext、およびリセットトランジスタRSがオン状態に設定されることによって、FD部が電源電圧Vddの電位にリセットされる際の電位分布を示している。転送トランジスタTXがオフ状態に維持されているので、光電変換素子PDは電荷を保持した状態を維持する。その後、リセットトランジスタRSがオフ状態に設定されることによって、FD部のリセット動作が終了する。 FIG. 21 (b-2) shows the potential distribution when the FD unit is reset to the potential of the power supply voltage Vdd by setting the FD connection transistor TFD, the FD expansion transistor FDext, and the reset transistor RS to the ON state. It shows. Since the transfer transistor TX is maintained in the off state, the photoelectric conversion element PD maintains the state of holding the electric charge. After that, when the reset transistor RS is set to the off state, the reset operation of the FD unit ends.

なお、図20(a)においてFD接続トランジスタTFD、FD拡張トランジスタFDext、およびリセットトランジスタRSがオン状態に維持される構成では、露光状態において既に図21(b−2)の電位分布に到達している。 In the configuration in which the FD connection transistor TFD, the FD expansion transistor FDext, and the reset transistor RS are maintained in the ON state in FIG. 20A, the potential distribution in FIG. 21B-2 has already been reached in the exposure state. There is.

図21(b−3)は、リセットトランジスタRSのみがオフ状態に設定され、FD部、FD接続部TFD、およびFD拡張部FDextのリセット動作が終了した際の電位分布を示している。この状態において、FD容量CFDとFD拡張容量Cexとが加算されている。図21(b−3)は、FD容量CFDとFD拡張容量Cexとを加算したFD加算容量CFDaddで電荷電圧変換する低ゲイン変換(すなわち1/4倍)の状態に相当する。以上の低ゲイン変換の状態において、垂直信号線231に出力された画素信号を低ゲインのリセット信号VnLとする。 FIG. 21 (b-3) shows the potential distribution when only the reset transistor RS is set to the off state and the reset operation of the FD unit, the FD connection unit TFD, and the FD extension unit FDext is completed. In this state, the FD capacity CFD and the FD expansion capacity Cex are added. FIG. 21 (b-3) corresponds to a low gain conversion (that is, 1/4 times) state in which the charge voltage is converted by the FD addition capacity CFDadd which is the sum of the FD capacity CFD and the FD expansion capacity Cex. In the above low gain conversion state, the pixel signal output to the vertical signal line 231 is defined as the low gain reset signal VnL.

図20(c)は、FD部におけるゲイン変更動作を実行する際の制御信号の遷移を示す。リセットトランジスタRSがオフ状態に設定されたままFD接続トランジスタTFDもオフ状態に設定されることによって、FD容量CFDとFD拡張容量Cexとが分離される。結果として、FD容量CFDが単独で機能する。 FIG. 20C shows the transition of the control signal when the gain changing operation in the FD unit is executed. The FD capacitance CFD and the FD expansion capacitance Cex are separated by setting the FD connection transistor TFD to the off state while the reset transistor RS is set to the off state. As a result, the FD capacitance CFD functions independently.

図21(b−4)は、FD接続トランジスタTFDがオフ状態に設定されることによってFD容量CFDとFD拡張容量Cexとが分離された際の電位分布を示している。以上の分離動作によって、FD容量CFDのみを用いて電荷電圧変換する高ゲイン変換(すなわち1倍)の状態に遷移する。以上の高ゲイン変換の状態において、垂直信号線231に出力された画素信号を高ゲインのリセット信号VnHとする。 FIG. 21 (b-4) shows the potential distribution when the FD capacitance CFD and the FD expansion capacitance Cex are separated by setting the FD connection transistor TFD to the off state. By the above separation operation, the state transitions to the high gain conversion (that is, 1 times) state in which the charge voltage is converted by using only the FD capacitance CFD. In the above high gain conversion state, the pixel signal output to the vertical signal line 231 is defined as the high gain reset signal VnH.

図20(d)は、光電変換素子PDに蓄積した電荷をFD部に転送する際の制御信号の遷移を示す。転送トランジスタTXがオン状態に設定されることによって、光電変換素子PDからFD部(FD容量CFD)に対して信号電荷が転送される。信号電荷の転送が完了した後に、転送トランジスタTXがオフ状態に設定される。 FIG. 20D shows the transition of the control signal when the electric charge accumulated in the photoelectric conversion element PD is transferred to the FD unit. When the transfer transistor TX is set to the ON state, the signal charge is transferred from the photoelectric conversion element PD to the FD unit (FD capacitance CFD). After the signal charge transfer is complete, the transfer transistor TX is set to the off state.

図21(b−5)および図21(b−6)は、光電変換素子PDから高ゲイン状態のFD部への信号電荷の転送が完了した状態に相当する。判定電圧Vjdは、FD容量CFDに対して電荷電圧変換のリニアリティが保てる電荷量となるように、FD接続トランジスタTFDのオフ状態における電位よりも低く(すなわち、電荷量としては少なく・電圧としては高く)設定される。 21 (b-5) and 21 (b-6) correspond to a state in which the transfer of the signal charge from the photoelectric conversion element PD to the FD portion in the high gain state is completed. The determination voltage Vjd is lower than the potential in the off state of the FD connection transistor TFD so that the linearity of charge-voltage conversion can be maintained with respect to the FD capacitance CFD (that is, the charge amount is small and the voltage is high). ) Set.

図21(b−5)は、転送された信号電荷に高ゲインの電荷電圧変換を施した後の画素信号の電位が判定電圧Vjd以下である際の電位分布を示している。以上の状態において、垂直信号線231に出力された画素信号を高ゲインの低照度信号VsH_lowとする。他方、図21(b−6)は、転送された信号電荷に高ゲインの電荷電圧変換を施した後の画素信号の電位が判定電圧Vjdを上回る際の電位分布を示している。以上の状態において、垂直信号線231に出力された画素信号を高ゲインの高照度信号VsH_highとする。図21(b−6)に示すように、高ゲインの高照度信号VsH_highはオーバーフローする可能性があるので、本実施形態の処理においては使用されない。 FIG. 21 (b-5) shows the potential distribution when the potential of the pixel signal after high-gain charge-voltage conversion is applied to the transferred signal charge is equal to or lower than the determination voltage Vjd. In the above state, the pixel signal output to the vertical signal line 231 is defined as a high gain low illuminance signal VsH_low. On the other hand, FIG. 21 (b-6) shows the potential distribution when the potential of the pixel signal after the transferred signal charge is subjected to high-gain charge-voltage conversion exceeds the determination voltage Vjd. In the above state, the pixel signal output to the vertical signal line 231 is defined as a high-gain high-illuminance signal VsH_high. As shown in FIG. 21 (b-6), the high-gain high-illuminance signal VsH_high may overflow, and is not used in the processing of the present embodiment.

図21(b−5)および図21(b−6)に示すように、FD拡張トランジスタFDextがオン状態に設定されている。そのため、FD部に転送された信号電荷がFD接続トランジスタTFDのオフ状態の電位を超えてオーバーフローしても、図21(b−6)に示すように、オーバーフローした信号電荷はFD拡張部FDextに蓄積する。したがって、オーバーフローした信号電荷が電源Vddへと排出されることが抑制される。 As shown in FIGS. 21 (b-5) and 21 (b-6), the FD expansion transistor FDext is set to the ON state. Therefore, even if the signal charge transferred to the FD unit overflows beyond the potential of the FD connection transistor TFD in the off state, the overflowed signal charge is transferred to the FD extension unit FDext as shown in FIG. 21 (b-6). accumulate. Therefore, it is suppressed that the overflowed signal charge is discharged to the power supply Vdd.

図20(e)は、FD部においてゲイン変更動作を実行する際の制御信号の遷移を示す。FD接続トランジスタTFDがオン状態に設定されることによって、FD容量CFDとFD拡張容量Cexとが接続される。結果として、FD部、FD接続部TFD、およびFD拡張部FDextに電荷が蓄積可能な状態、すなわち、FD加算容量CFDaddで電荷電圧変換する低ゲイン変換(すなわち、1/4倍)の状態に遷移する。 FIG. 20E shows the transition of the control signal when the gain changing operation is executed in the FD unit. By setting the FD connection transistor TFD to the ON state, the FD capacitance CFD and the FD expansion capacitance Cex are connected. As a result, the state transitions to a state in which charges can be accumulated in the FD unit, the FD connection unit TFD, and the FD extension unit FDext, that is, a low gain conversion (that is, 1/4 times) state in which the charge voltage is converted by the FD addition capacity CFDadd. To do.

図21(b−7)は、図21(b−6)の状態においてFD接続トランジスタTFDがオン状態に設定される事によって、FD部、FD接続部TFD、およびFD拡張部FDextに電荷が蓄積した際の電位分布を示している。リセットトランジスタRSはオフ状態に維持されているので、FD接続トランジスタTFDがオフ状態からオン状態に変化すると、FD容量CFDに蓄積していた信号電荷とオーバーフローしてFD拡張部FDextに蓄積された信号電荷とが加算される。前述の通り、FD容量:FD加算容量が1:4に設定されているので、FD部、FD接続部TFDおよびFD拡張部FDextにおける電位は、光電変換素子PDから転送された全ての信号電荷がFD容量CFDで電荷電圧変換された場合の電位の1/4倍である。以上の状態において、垂直信号線231に出力された画素信号を低ゲインの高照度信号VsL_highとする。 In FIG. 21 (b-7), when the FD connection transistor TFD is set to the ON state in the state of FIG. 21 (b-6), charges are accumulated in the FD unit, the FD connection unit TFD, and the FD extension unit FDext. The potential distribution at the time of this is shown. Since the reset transistor RS is maintained in the off state, when the FD connection transistor TFD changes from the off state to the on state, the signal charge accumulated in the FD capacitance CFD overflows and the signal accumulated in the FD extension unit FDext. Charges are added. As described above, since the FD capacity: FD addition capacity is set to 1: 4, the potentials in the FD unit, the FD connection unit TFD, and the FD extension unit FDext are all the signal charges transferred from the photoelectric conversion element PD. It is 1/4 times the potential when the charge voltage is converted by the FD capacitance CFD. In the above state, the pixel signal output to the vertical signal line 231 is defined as a low gain high illuminance signal VsL_high.

図22は、図21に示す画素200の読出し動作の補足説明図である。 FIG. 22 is a supplementary explanatory view of the reading operation of the pixel 200 shown in FIG.

図22(c−1)は、高ゲイン低照度状態の電位図である図21(b−5)と同一であって、図22(c−2)と対比するために提示されている。図22(c−2)は、高ゲイン低照度状態から低ゲイン低照度状態に変更された後の電位図である。FD容量:FD加算容量が1:4に設定されているので、図22(c−2)に示す電位は、図22(c−1)に示す電位の1/4倍である。図22(c−1)のFD容量CFDに蓄積されていた信号電荷は、図22(c−2)においてFD加算容量CFDaddにそのまま蓄積されている。以上の状態において、垂直信号線231に出力された画素信号を低ゲインの低照度信号VsL_lowとする。 FIG. 22 (c-1) is the same as FIG. 21 (b-5), which is a potential diagram in a high gain and low illuminance state, and is presented for comparison with FIG. 22 (c-2). FIG. 22 (c-2) is a potential diagram after the high gain low illuminance state is changed to the low gain low illuminance state. Since the FD capacity: FD addition capacity is set to 1: 4, the potential shown in FIG. 22 (c-2) is 1/4 times the potential shown in FIG. 22 (c-1). The signal charge stored in the FD capacitance CFD of FIG. 22 (c-1) is directly stored in the FD addition capacitance CFDadd in FIG. 22 (c-2). In the above state, the pixel signal output to the vertical signal line 231 is defined as a low gain low illuminance signal VsL_low.

図22(d−1)は、高ゲイン高照度状態の電位図である図21(b−6)と同一であって、図22(d−2)と対比するために提示されている。図22(d−2)は、図21(b−6)におけるオーバーフローが終了した後の状態の電位図である。以上の状態において、垂直信号線231に出力された画素信号を高ゲインの高照度信号VsH_highとする。図22(d−2)は、オーバーフローが終了した状態の電圧を示している。したがって、信号安定状態では高ゲインの高照度信号VsH_highよりも高い電圧が出力されることはない。 FIG. 22 (d-1) is the same as FIG. 21 (b-6), which is a potential diagram in a high gain and high illuminance state, and is presented for comparison with FIG. 22 (d-2). FIG. 22 (d-2) is a potential diagram of the state after the overflow in FIG. 21 (b-6) is completed. In the above state, the pixel signal output to the vertical signal line 231 is defined as a high-gain high-illuminance signal VsH_high. FIG. 22 (d-2) shows the voltage at the end of overflow. Therefore, in the signal stable state, a voltage higher than the high gain high illuminance signal VsH_high is not output.

図20(f)は、光電変換素子PDおよびFD部に対してリセット動作を実行する際の制御信号の遷移を示す。図20(f)に示す制御信号によって、転送トランジスタTX、FD接続トランジスタTFD、FD拡張トランジスタFDext、およびリセットトランジスタRSがオン状態に設定される。結果として、光電変換素子PDに対するリセットと、FD部とFD接続部TFDとFD拡張部FDextとに対する電源電圧Vddへのリセットとが行われる。その後、転送トランジスタTXとFD接続トランジスタTFDとFD拡張トランジスタFDextとリセットトランジスタRSとが順にオフ状態に設定されることによって、光電変換素子PDおよびFD部のリセット動作が終了する。次いで、選択トランジスタSELがオフ状態に設定されることによって、読出し可能であった画素200と垂直信号線231とが電気的に切り離される。 FIG. 20 (f) shows the transition of the control signal when the reset operation is executed for the photoelectric conversion element PD and the FD unit. The control signal shown in FIG. 20 (f) sets the transfer transistor TX, the FD connection transistor TFD, the FD expansion transistor FDext, and the reset transistor RS to the ON state. As a result, the photoelectric conversion element PD is reset, and the power supply voltage Vdd is performed for the FD unit, the FD connection unit TFD, and the FD extension unit FDext. After that, the transfer transistor TX, the FD connection transistor TFD, the FD expansion transistor FDext, and the reset transistor RS are set to the off state in order, so that the reset operation of the photoelectric conversion element PD and the FD unit is completed. Next, by setting the selection transistor SEL to the off state, the readable pixel 200 and the vertical signal line 231 are electrically separated from each other.

以上のように、ライン同期信号Lsyncの有効化から開始された1行分の画素信号の読出し動作が実行される。その後、図20(f)に示される次行のライン同期信号Lsyncを契機として、次行の画素信号の読出し動作が開始する。以上の次行の画素信号の読出し動作と並行して、水平走査部207が、列選択線251を介して列信号処理部203を列毎に選択して、記憶されているデジタル化された画素信号が水平出力線261を介して出力部209に転送されるように制御する。 As described above, the pixel signal reading operation for one line started from the activation of the line synchronization signal Lsync is executed. After that, the operation of reading the pixel signal of the next line is started, triggered by the line synchronization signal Lsync of the next line shown in FIG. 20 (f). In parallel with the pixel signal reading operation of the next row, the horizontal scanning unit 207 selects the column signal processing unit 203 for each column via the column selection line 251 and stores the digitized pixels. The signal is controlled to be transferred to the output unit 209 via the horizontal output line 261.

図23は、本発明の第4実施形態に係る撮像素子12における読出し動作および比較動作を示す列信号処理部203のタイミングチャートである。図23は、図8および図16と同様に、図5の時刻s04,s08,s12から開始する行毎の動作における1行の画素信号の読出し動作を示しており、比較器402に入力される画素信号Vsigおよびランプ波Vrmpの推移を示している。 FIG. 23 is a timing chart of the column signal processing unit 203 showing the read operation and the comparison operation in the image sensor 12 according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 23 shows the pixel signal reading operation of one line in the line-by-line operation starting from the times s04, s08, and s12 of FIG. 5, as in the case of FIGS. 8 and 16, and is input to the comparator 402. The transition of the pixel signal Vsig and the lamp wave Vrmp is shown.

期間tr1において、列信号処理部203を初期設定する動作が実行される。以上の初期設定として、例えば、比較器402の入力信号に対するクランプが実行される。より詳細には、比較器402において、2つの入力信号である画素信号Vsigおよびランプ波信号Vrmpが基準レベルとしてクランプされる。 In the period tr1, the operation of initializing the column signal processing unit 203 is executed. As the above initial setting, for example, clamping on the input signal of the comparator 402 is executed. More specifically, in the comparator 402, the two input signals, the pixel signal Vsig and the ramp wave signal Vrmp, are clamped as reference levels.

期間tt1において、FD部がリセットされると共に、電荷電圧変換のゲインがFD加算容量CFDaddを用いて電荷電圧変換を実行する低ゲイン(すなわち1/4倍)に設定される。以上のリセット時の画素動作の制御タイミングは、図20(b)を参照して説明した通りであり、リセット中の画素およびリセット後の画素の電位分布は、それぞれ、図21(b−2)および図21(b−3)を参照して説明した通りである。期間tt1は、FD部がリセットされリセットトランジスタRSがオフ状態に設定された後のリセット信号VnLの読出し期間およびその後の信号安定期間に相当する。低ゲインのリセット信号VnLは、垂直信号線231を介して比較器402へと入力される。 In the period tt1, the FD unit is reset and the gain of the charge-voltage conversion is set to a low gain (that is, 1/4 times) for executing the charge-voltage conversion using the FD addition capacitance CFDadd. The control timing of the pixel operation at the time of reset is as described with reference to FIG. 20 (b), and the potential distributions of the pixel during reset and the pixel after reset are shown in FIG. 21 (b-2), respectively. And as described with reference to FIG. 21 (b-3). The period tt1 corresponds to a read-out period of the reset signal VnL after the FD unit is reset and the reset transistor RS is set to the off state, and a signal stabilization period thereafter. The low gain reset signal VnL is input to the comparator 402 via the vertical signal line 231.

期間tr2においてランプ波G1が生成される。比較器402は、リセット信号VnLとランプ波G1とを比較した結果を示す比較信号を出力する。そして、比較器402からの比較信号が反転したタイミング(期間tnLが経過した時刻)におけるカウント値cnLが演算回路405に記憶される。 The lamp wave G1 is generated in the period tr2. The comparator 402 outputs a comparison signal indicating the result of comparing the reset signal VnL and the lamp wave G1. Then, the count value cnL at the timing when the comparison signal from the comparator 402 is inverted (the time when the period tnL has elapsed) is stored in the arithmetic circuit 405.

期間tt2において、電荷電圧変換のゲインがFD容量CFDのみを用いて電荷電圧変換を実行する高ゲイン(すなわち1倍)に変更される。以上のゲイン変更時の画素動作の制御タイミングは、図20(c)を参照して説明した通りであり、高ゲインに変更された画素の電位分布は、図21(b−4)を参照して説明した通りである。期間tt2は、FD部の変換ゲインを低ゲインから高ゲインに変更したことに基づいて、低ゲインリセット信号VnLが高ゲインリセット信号VnHに遷移する期間およびその後の信号安定期間に相当する。高ゲインのリセット信号VnHは、垂直信号線231を介して比較器402へと入力される。 In period tt2, the gain of charge-voltage conversion is changed to a high gain (ie, 1x) to perform charge-voltage conversion using only the FD capacitance CFD. The control timing of the pixel operation when the gain is changed is as described with reference to FIG. 20 (c), and the potential distribution of the pixel changed to a high gain is described with reference to FIG. 21 (b-4). As explained above. The period tt2 corresponds to a period during which the low gain reset signal VnL transitions to the high gain reset signal VnH and a subsequent signal stabilization period based on the change in the conversion gain of the FD unit from low gain to high gain. The high gain reset signal VnH is input to the comparator 402 via the vertical signal line 231.

期間tr3においてランプ波G1が生成される。比較器402は、リセット信号VnHとランプ波G1とを比較した結果を示す比較信号を出力する。そして、比較器402からの比較信号が反転したタイミング(期間tnHが経過した時刻)におけるカウント値cnHが演算回路405に記憶される。期間tr3にて生成されたランプ波G1の変化率(スロープ)および生成期間は、期間tr2にて生成されたランプ波G1の変化率および生成期間と略等しい。したがって、期間tr2と期間tr3とにおいて、共通の条件でAD変換が実行される。 The lamp wave G1 is generated in the period tr3. The comparator 402 outputs a comparison signal indicating the result of comparing the reset signal VnH and the lamp wave G1. Then, the count value cnH at the timing when the comparison signal from the comparator 402 is inverted (the time when the period tnH has elapsed) is stored in the arithmetic circuit 405. The rate of change (slope) and the generation period of the lamp wave G1 generated in the period tr3 are substantially equal to the rate of change and the generation period of the lamp wave G1 generated in the period tr2. Therefore, the AD conversion is executed under common conditions in the period tr2 and the period tr3.

期間tt3において、光電変換素子PDに蓄積した電荷がFD部に転送される。以上の電荷転送時の画素動作の制御タイミングは、図20(d)を参照して説明した通りであり、電荷転送後の低照度画素および高照度画素の電位分布は、それぞれ、図21(b−5)および図22(d−2)を参照して説明した通りである。期間tt3は、光電変換素子PDからFD部への電荷転送期間およびその後の信号安定期間に相当する。本期間ではFD部が高ゲインに設定されているので、高ゲイン低照度信号VsH_lowまたは高ゲイン高照度信号VsH_highが、画素信号Vsigとして垂直信号線231を介して比較器402へと入力される。 In the period tt3, the electric charge accumulated in the photoelectric conversion element PD is transferred to the FD unit. The control timing of the pixel operation during the above charge transfer is as described with reference to FIG. 20 (d), and the potential distributions of the low-light pixel and the high-light pixel after the charge transfer are shown in FIG. 21 (b), respectively. As described with reference to −5) and FIG. 22 (d-2). The period tt3 corresponds to the charge transfer period from the photoelectric conversion element PD to the FD unit and the subsequent signal stabilization period. Since the FD unit is set to high gain in this period, the high gain low illuminance signal VsH_low or the high gain high illuminance signal VsH_high is input to the comparator 402 as the pixel signal Vsig via the vertical signal line 231.

期間tr51において、高ゲイン画素信号VsHがAD変換される。すなわち、高ゲイン低照度信号VsH_lowまたは高ゲイン高照度信号VsH_highは、期間tr51にて生成されるランプ波G1と比較されてAD変換される。 In the period tr51, the high gain pixel signal VsH is AD-converted. That is, the high gain low illuminance signal VsH_low or the high gain high illuminance signal VsH_high is AD-converted by being compared with the lamp wave G1 generated in the period tr51.

比較器402は、期間tr52において画素信号Vsigとランプ波G1とを比較した結果を示す比較信号を出力する。高ゲイン低照度信号VsH_lowに関しては、比較器402からの比較信号が反転したタイミング(期間tsH_lowが経過した時刻)におけるカウント値csH_lowが演算回路405に入力される。対照的に、高ゲイン高照度信号VsH_highは、FD容量CFDをオーバーフローしているので、電荷電圧変換の線形性が維持される範囲である判定電圧Vjdを超えている。 The comparator 402 outputs a comparison signal indicating the result of comparing the pixel signal Vsig and the lamp wave G1 in the period tr52. Regarding the high gain low illuminance signal VsH_low, the count value csH_low at the timing when the comparison signal from the comparator 402 is inverted (the time when the period tsH_low has elapsed) is input to the arithmetic circuit 405. In contrast, the high gain, high illuminance signal VsH_high overflows the FD capacitance CFD and therefore exceeds the determination voltage Vjd, which is the range in which the linearity of the charge-voltage conversion is maintained.

本実施形態において、期間tr51のランプ波G1の振幅は、画素信号の電荷電圧変換の線形性が維持される範囲である判定電圧Vjdと適合するように設定されている。したがって、ランプ波G1の最大値は、オーバーフローした高ゲイン高照度信号VsH_highの値よりも低い。結果として、カウンタ回路403は、ランプ波G1が振幅の最大値に到達するまで高ゲイン高照度信号VsH_highに係るカウントを継続する。ランプ波G1の発生(期間tsH_high)が終了すると、カウンタ回路403は、ランプ波G1の振幅に対応するカウント値csH_highをラッチ回路404へ出力する。カウント値csH_highは、ラッチ回路404から演算回路405に入力される。以上の高ゲイン高照度信号VsH_highに対応するAD変換のカウント値csH_highは、ランプ波G1の最大振幅に相当するAD飽和カウント値cmaxADに等しい。 In the present embodiment, the amplitude of the lamp wave G1 in the period tr51 is set to match the determination voltage Vjd, which is a range in which the linearity of the charge-voltage conversion of the pixel signal is maintained. Therefore, the maximum value of the lamp wave G1 is lower than the value of the overflowed high gain high illuminance signal VsH_high. As a result, the counter circuit 403 continues counting on the high gain high illuminance signal VsH_high until the lamp wave G1 reaches the maximum amplitude. When the generation of the lamp wave G1 (period tsH_high) is completed, the counter circuit 403 outputs the count value csH_high corresponding to the amplitude of the lamp wave G1 to the latch circuit 404. The count value csH_high is input from the latch circuit 404 to the arithmetic circuit 405. The AD conversion count value csH_high corresponding to the high gain high illuminance signal VsH_high is equal to the AD saturation count value cmaxAD corresponding to the maximum amplitude of the lamp wave G1.

演算回路405は、高ゲイン低照度信号のカウント値csH_lowから高ゲインリセット信号のカウント値cnHを減算して、高ゲイン低照度信号のデジタル信号値DsH_lowとして演算回路405に記憶する。同様に、演算回路405は、高ゲイン高照度信号のカウント値csH_highから高ゲインリセット信号のカウント値cnHを減算して、高ゲイン高照度信号のデジタル信号値DsH_highとして演算回路405に記憶する。ここで、高ゲインAD変換における飽和状態のデジタル信号値(AD飽和信号値)DmaxADは、AD飽和カウント値cmaxADから高ゲインリセット信号のカウント値cnHを減算した値である。 The arithmetic circuit 405 subtracts the count value cnH of the high gain reset signal from the count value csH_low of the high gain low illuminance signal and stores it in the arithmetic circuit 405 as the digital signal value DsH_low of the high gain low illuminance signal. Similarly, the arithmetic circuit 405 subtracts the count value cnH of the high gain reset signal from the count value csH_high of the high gain high illuminance signal and stores it in the arithmetic circuit 405 as the digital signal value DsH_high of the high gain high illuminance signal. Here, the saturated digital signal value (AD saturation signal value) DmaxAD in the high gain AD conversion is a value obtained by subtracting the count value cnH of the high gain reset signal from the AD saturation count value cmaxAD.

期間tt4において、電荷電圧変換のゲインがFD加算容量CFDaddを用いて電荷電圧変換を実行する低ゲイン(すなわち1/4倍)に変更される。以上のゲイン変更時の画素動作の制御タイミングは、図20(e)を参照して説明した通りであり、低ゲインに変更された低照度画素および高照度画素の電位分布は、それぞれ、図22(c−2)および図21(b−7)を参照して説明した通りである。期間tt4は、FD部の変換ゲインを高ゲインから低ゲインに変更したことに基づいて、高ゲイン画素信号VsHが低ゲイン画素信号VsLに遷移する期間およびその後の信号安定期間に相当する。本期間ではFD部が低ゲインに設定されているので、低ゲイン低照度信号VsL_lowまたは低ゲイン高照度信号VsL_highが、画素信号Vsigとして垂直信号線231を介して比較器402へと入力される。 In the period tt4, the gain of the charge-voltage conversion is changed to a low gain (ie, 1/4 times) for performing the charge-voltage conversion using the FD addition capacitance CFDadd. The control timing of the pixel operation when the gain is changed is as described with reference to FIG. 20 (e), and the potential distributions of the low-light pixel and the high-light pixel changed to the low gain are shown in FIG. 22, respectively. This is as described with reference to (c-2) and FIG. 21 (b-7). The period tt4 corresponds to a period in which the high gain pixel signal VsH transitions to the low gain pixel signal VsL and a signal stabilization period thereafter based on the change in the conversion gain of the FD unit from the high gain to the low gain. Since the FD unit is set to low gain in this period, the low gain low illuminance signal VsL_low or the low gain high illuminance signal VsL_high is input to the comparator 402 as the pixel signal Vsig via the vertical signal line 231.

期間tr52において、低ゲイン画素信号VsLがAD変換される。すなわち、低ゲイン低照度信号VsL_lowまたは低ゲイン高照度信号VsL_highは、期間tr52にて生成されるランプ波G1と比較されてAD変換される。 In the period tr52, the low gain pixel signal VsL is AD-converted. That is, the low gain low illuminance signal VsL_low or the low gain high illuminance signal VsL_high is AD-converted by being compared with the lamp wave G1 generated in the period tr52.

比較器402は、期間tr52において画素信号Vsigとランプ波G1とを比較した結果を示す比較信号を出力する。低ゲイン低照度信号VsL_lowに関しては、比較器402からの比較信号が反転したタイミング(期間tsL_lowが経過した時刻)におけるカウント値csL_lowが演算回路405に入力される。低ゲイン高照度信号VsL_highに関しては、比較器402からの比較信号が反転したタイミング(期間tsL_highが経過した時刻)におけるカウント値csL_highが演算回路405に入力される。 The comparator 402 outputs a comparison signal indicating the result of comparing the pixel signal Vsig and the lamp wave G1 in the period tr52. Regarding the low gain low illuminance signal VsL_low, the count value csL_low at the timing when the comparison signal from the comparator 402 is inverted (the time when the period tsL_low has elapsed) is input to the arithmetic circuit 405. Regarding the low gain high illuminance signal VsL_high, the count value csL_high at the timing when the comparison signal from the comparator 402 is inverted (the time when the period tsL_high has elapsed) is input to the arithmetic circuit 405.

前述したように、低ゲイン画素信号VsLおよび低ゲインリセット信号VnLの電荷電圧変換時のゲインは1/4倍である。そこで、演算回路405は、低ゲイン低照度信号VsL_lowのカウント値csL_lowから低ゲインリセット信号VnLのカウント値cnLを減算する。そして、減算によって得た値を4倍して、低ゲイン低照度信号を高ゲイン相当に変換したデジタル値(高ゲイン相当の低ゲイン低照度信号値4・DsL_low)として記憶する。同様に、演算回路405は、低ゲイン高照度信号VsL_highのカウント値csL_highから低ゲインリセット信号VnLのカウント値cnLを減算する。そして、減算によって得た値を4倍して、低ゲイン高照度信号を高ゲイン相当に変換したデジタル値(高ゲイン相当の低ゲイン高照度信号値4・DsL_high)として記憶する。 As described above, the gains of the low gain pixel signal VsL and the low gain reset signal VnL at the time of charge-voltage conversion are 1/4 times. Therefore, the arithmetic circuit 405 subtracts the count value cnL of the low gain reset signal VnL from the count value csL_low of the low gain low illuminance signal VsL_low. Then, the value obtained by subtraction is multiplied by 4, and stored as a digital value (low gain low illuminance signal value 4 · DsL_low corresponding to high gain) obtained by converting the low gain low illuminance signal into a high gain equivalent. Similarly, the arithmetic circuit 405 subtracts the count value cnL of the low gain reset signal VnL from the count value csL_high of the low gain high illuminance signal VsL_high. Then, the value obtained by subtraction is multiplied by 4, and stored as a digital value (low gain high illuminance signal value 4 · DsL_high corresponding to high gain) obtained by converting the low gain high illuminance signal into a high gain equivalent.

以上のようにして、低ゲイン画素信号VsLおよび高ゲイン画素信号VsHのAD変換が実行される。 As described above, the AD conversion of the low gain pixel signal VsL and the high gain pixel signal VsH is executed.

ここで、低ゲインAD変換における飽和状態のデジタル信号値(AD飽和信号値)は、ランプ波G1の最大振幅に相当するAD飽和カウント値から低ゲインリセット信号のカウント値cnLを減算した値である。 Here, the saturated digital signal value (AD saturation signal value) in the low gain AD conversion is a value obtained by subtracting the count value cnL of the low gain reset signal from the AD saturation count value corresponding to the maximum amplitude of the ramp wave G1. ..

本実施形態において、低ゲインAD変換に用いられるランプ波G1の変化率(スロープ)および生成期間は、高ゲインAD変換に用いられるランプ波G1の変化率および生成期間に等しい。以上のランプ波G1の振幅は、判定電圧Vjdに等しい。高ゲインリセット信号のカウント値cnHと低ゲインリセット信号のカウント値cnLとの差は、AD飽和カウント値と比較して相対的に小さい。したがって、高ゲインAD変換における飽和状態のデジタル信号値と低ゲインAD変換における飽和状態のデジタル信号値とは略等しいので、飽和状態でのAD変換によるデジタル信号値を、ゲイン状態に関わらず「AD飽和信号値DmaxAD」と定義する。以上の定義に基づくと、高ゲイン相当の低ゲインAD変換における飽和状態のデジタル信号値は、AD飽和信号値DmaxADの4倍の値(4・DmaxAD)を取る。 In the present embodiment, the rate of change (slope) and generation period of the lamp wave G1 used for the low gain AD conversion are equal to the rate of change and the generation period of the lamp wave G1 used for the high gain AD conversion. The amplitude of the lamp wave G1 is equal to the determination voltage Vjd. The difference between the count value cnH of the high gain reset signal and the count value cnL of the low gain reset signal is relatively small as compared with the AD saturation count value. Therefore, since the saturated digital signal value in the high gain AD conversion and the saturated digital signal value in the low gain AD conversion are substantially equal to each other, the digital signal value obtained by the AD conversion in the saturated state is set to "AD" regardless of the gain state. It is defined as "saturation signal value DmaxAD". Based on the above definition, the digital signal value in the saturated state in the low gain AD conversion corresponding to the high gain takes a value four times (4. DmaxAD) of the AD saturation signal value DmaxAD.

期間tt5において、光電変換素子PDおよびFD部がリセットされ、1行の画素の信号読出し動作が終了する。以上のリセット時の画素動作の制御タイミングは、図20(f)を参照して説明した通りである。期間tt5は、以上のリセット動作の期間およびその後の信号安定期間に相当する。次行の画素信号の読出し動作と並行して、水平走査部207が、列選択線251を介して列信号処理部203を列毎に選択して、記憶されているデジタル化された画素信号が水平出力線261を介して出力部209に転送されるように制御する。 In the period tt5, the photoelectric conversion element PD and the FD unit are reset, and the signal reading operation of one line of pixels ends. The control timing of the pixel operation at the time of reset is as described with reference to FIG. 20 (f). The period tt5 corresponds to the period of the above reset operation and the subsequent signal stabilization period. In parallel with the operation of reading the pixel signal of the next row, the horizontal scanning unit 207 selects the column signal processing unit 203 for each column via the column selection line 251 to obtain the stored digitized pixel signal. It is controlled so that it is transferred to the output unit 209 via the horizontal output line 261.

以下、本実施形態におけるハイダイナミックレンジ処理(HDR処理)について説明する。 Hereinafter, the high dynamic range processing (HDR processing) in the present embodiment will be described.

本実施形態に係る画素200毎の信号値は、高ゲイン画素信号VsHのデジタル信号値DsH_low,DsH_highおよび高ゲイン相当の低ゲイン画素信号VsLのデジタル信号値4・DsL_low,4・DsL_highの双方である。列信号処理部203の演算回路405は、読み出した1つの画素200について、上記2つのデジタル信号値の双方を記憶する。 The signal values for each pixel 200 according to the present embodiment are both the digital signal values DsH_low and DsH_high of the high gain pixel signal VsH and the digital signal values 4 · DsL_low and 4 · DsL_high of the low gain pixel signal VsL corresponding to the high gain. .. The arithmetic circuit 405 of the column signal processing unit 203 stores both of the above two digital signal values for one read pixel 200.

したがって、第4実施形態の演算回路405は、上記のデジタル信号値を用いて、以下に示す第1から第4のHDR処理の少なくとも1つを実行すると好適である。 Therefore, it is preferable that the arithmetic circuit 405 of the fourth embodiment executes at least one of the first to fourth HDR processes shown below using the above digital signal values.

第1のHDR処理について説明する。演算回路405は、高ゲイン画素信号VsHの値がAD飽和信号値DmaxADよりも小さい場合、高ゲイン低照度信号値DsH_lowを対応する画素200の信号値として記憶する。 The first HDR processing will be described. When the value of the high gain pixel signal VsH is smaller than the AD saturation signal value DmaxAD, the arithmetic circuit 405 stores the high gain low illuminance signal value DsH_low as the signal value of the corresponding pixel 200.

他方、演算回路405は、高ゲイン画素信号VsHの値が高ゲイン飽和時のAD飽和信号値DmaxADに等しい場合、高ゲイン相当の低ゲイン高照度信号値4・DsL_highを対応する画素200の信号値として記憶する。 On the other hand, in the arithmetic circuit 405, when the value of the high gain pixel signal VsH is equal to the AD saturation signal value DmaxAD at the time of high gain saturation, the signal value of the pixel 200 corresponding to the low gain high illuminance signal value 4 · DsL_high corresponding to the high gain. Remember as.

以上の構成によれば、高ゲイン相当の低ゲインAD変換における飽和状態のデジタル信号値4・DmaxADまでの出力が可能な入出力特性が実現されるので、4倍のHDR処理を施した画像を取得できる。 According to the above configuration, an input / output characteristic capable of outputting a saturated digital signal value of 4 and DmaxAD in a low gain AD conversion equivalent to a high gain is realized, so that an image subjected to 4 times HDR processing can be obtained. Can be obtained.

第2のHDR処理について説明する。演算回路405は、高ゲイン画素信号VsHの値が高ゲイン飽和時のAD飽和信号値DmaxADに等しい場合、高ゲイン相当の低ゲイン高照度信号値4・DsL_highを対応する画素200の信号値として記憶する。以上の処理は第1のHDR処理と同様である。 The second HDR process will be described. When the value of the high gain pixel signal VsH is equal to the AD saturation signal value DmaxAD at the time of high gain saturation, the arithmetic circuit 405 stores the low gain high illuminance signal value 4 · DsL_high corresponding to the high gain as the signal value of the corresponding pixel 200. To do. The above processing is the same as the first HDR processing.

他方、演算回路405は、高ゲイン画素信号VsHの値がAD飽和信号値DmaxADよりも小さい場合、高ゲイン低照度信号値DsH_lowと高ゲイン相当の低ゲイン低照度信号値4・DsL_lowとを重み付け加算する。重み付け加算によって得られる信号値Y(HDR)と重み付け係数α(0≦α≦1)とを用いると、以下の式(1)のように数式化できる。 On the other hand, when the value of the high gain pixel signal VsH is smaller than the AD saturation signal value DmaxAD, the arithmetic circuit 405 weights and adds the high gain low illuminance signal value DsH_low and the low gain low illuminance signal value 4 · DsL_low corresponding to the high gain. To do. By using the signal value Y (HDR) obtained by weighting addition and the weighting coefficient α (0 ≦ α ≦ 1), it can be mathematically expressed as the following equation (1).

Y(HDR)=(1−α)・DsH_low+α・4・DsL_low ……式(1)
重み付け係数αは、HDR処理における入力が0である場合には0に調整され、HDR処理における入力が高ゲイン飽和時のAD飽和信号値DmaxADである場合には1に調整される。また、重み付け係数αは、HDR処理における入力が0より大きくAD飽和信号値DmaxADより小さい場合、高ゲイン低照度信号値DsH_lowに従って(例えば、比例するように)調整される。
Y (HDR) = (1-α) ・ DsH_low + α ・ 4 ・ DsL_low …… Equation (1)
The weighting coefficient α is adjusted to 0 when the input in the HDR processing is 0, and is adjusted to 1 when the input in the HDR processing is the AD saturation signal value DmaxAD at the time of high gain saturation. Further, when the input in the HDR processing is larger than 0 and smaller than the AD saturation signal value DmaxAD, the weighting coefficient α is adjusted according to the high gain low illuminance signal value DsH_low (for example, proportionally).

以上の構成によれば、HDR処理における入力の大きさに従って重み付け加算が実行されるので、高ゲイン低照度信号値DsH_lowと高ゲイン相当の低ゲイン低照度信号値4・DsL_lowとのなだらかな遷移が実現され、画像の違和感が抑制される。加えて、第1のHDR処理と同様に、高ゲイン相当の低ゲインAD変換における飽和状態のデジタル信号値4・DmaxADまでの出力が可能な入出力特性が実現されるので、4倍のHDR処理を施した画像を取得できる。 According to the above configuration, since the weighting addition is executed according to the magnitude of the input in the HDR processing, a gentle transition between the high gain low illuminance signal value DsH_low and the low gain low illuminance signal value 4 · DsL_low corresponding to the high gain It is realized and the discomfort of the image is suppressed. In addition, as with the first HDR processing, input / output characteristics that enable output up to the saturated digital signal value of 4 and DmaxAD in low gain AD conversion equivalent to high gain are realized, so HDR processing four times as much. You can get the image with.

なお、上記した第2のHDR処理において、重み付け係数αが、HDR処理における入力が0を上回りAD飽和信号値DmaxADの1/2未満の範囲にある場合に、0に調整されてよい。重み付け係数αが、HDR処理における入力がAD飽和信号値DmaxADの1/2を上回りAD飽和信号値DmaxAD未満の範囲にある場合に、高ゲイン低照度信号値DsH_lowに従い(例えば、比例するように)0を上回り1未満の値に調整されてよい。以上の構成によれば、高ゲインAD変換による解像精度の高い信号が低照度側において維持されるので、低照度側における画質の劣化を抑制することが可能である。 In the second HDR processing described above, the weighting coefficient α may be adjusted to 0 when the input in the HDR processing exceeds 0 and is in the range of less than 1/2 of the AD saturation signal value DmaxAD. When the weighting coefficient α is in the range of more than 1/2 of the AD saturation signal value DmaxAD and less than the AD saturation signal value DmaxAD in the HDR processing, it follows the high gain low illumination signal value DsH_low (for example, to be proportional). It may be adjusted to a value greater than 0 and less than 1. According to the above configuration, since the signal with high resolution accuracy by the high gain AD conversion is maintained on the low illuminance side, it is possible to suppress the deterioration of the image quality on the low illuminance side.

第3のHDR処理について説明する。各演算回路405は、高ゲイン画素信号VsHの値と高ゲイン相当の低ゲイン画素信号VsLの値とを加算する。より具体的には、以下の通りである。 The third HDR process will be described. Each arithmetic circuit 405 adds the value of the high gain pixel signal VsH and the value of the low gain pixel signal VsL corresponding to the high gain. More specifically, it is as follows.

HDR処理における入力がAD飽和信号値DmaxAD未満である場合、演算回路405は、高ゲイン低照度信号値DsH_lowと高ゲイン相当の低ゲイン低照度信号値4・DsL_lowを加算する。この際、高ゲイン画素信号における入出力特性の傾きを1倍とすると、高ゲイン相当の低ゲイン画素信号の入出力特性の傾きも1倍となるので、以上の加算後の入出力特性の傾きは2倍である。また、HDR処理における入力がAD飽和信号値DmaxADである場合、HDR処理後の値はAD飽和信号値DmaxADの2倍(2・DmaxAD)である。 When the input in the HDR processing is less than the AD saturation signal value DmaxAD, the arithmetic circuit 405 adds the high gain low illuminance signal value DsH_low and the low gain low illuminance signal value 4 · DsL_low corresponding to the high gain. At this time, if the slope of the input / output characteristics of the high gain pixel signal is multiplied by 1, the slope of the input / output characteristics of the low gain pixel signal corresponding to the high gain is also multiplied by 1, so that the slope of the input / output characteristics after the above addition is also multiplied by 1. Is double. When the input in the HDR processing is the AD saturation signal value DmaxAD, the value after the HDR processing is twice the AD saturation signal value DmaxAD (2. DmaxAD).

HDR処理における入力がAD飽和信号値DmaxADを上回り高ゲイン相当の低ゲインAD飽和信号値4・DmaxAD未満である場合、高ゲイン高照度信号値DsH_highと高ゲイン相当の低ゲイン高照度信号値4・DsL_highとが加算される。この際、高ゲイン高照度信号値DsH_highがAD飽和信号値DmaxADに固定される一方、高ゲイン相当の低ゲイン画素信号の入出力特性の傾きは1倍のままであるので、以上の加算後の入出力特性の傾きは1倍である。また、HDR処理における入力が高ゲイン相当の低ゲインAD飽和信号値4・DmaxADである場合、HDR処理後の値はAD飽和信号値DmaxADの5倍(5・DmaxAD)である。以上の構成によれば、AD変換精度の5倍のHDR処理を施した画像が取得される。 When the input in HDR processing exceeds the AD saturation signal value DmaxAD and is less than the low gain AD saturation signal value 4 · DmaxAD corresponding to the high gain, the high gain high illuminance signal value DsH_high and the low gain high illuminance signal value 4 · corresponding to the high gain DsL_high is added. At this time, while the high gain high illuminance signal value DsH_high is fixed to the AD saturation signal value DmaxAD, the slope of the input / output characteristics of the low gain pixel signal corresponding to the high gain remains 1 times, so that after the above addition. The slope of the input / output characteristics is 1 time. Further, when the input in the HDR processing is a low gain AD saturation signal value 4 · DmaxAD corresponding to a high gain, the value after the HDR processing is 5 times (5 · DmaxAD) of the AD saturation signal value DmaxAD. According to the above configuration, an image subjected to HDR processing having 5 times the AD conversion accuracy is acquired.

第4のHDR処理について説明する。概略的には、本処理では低ゲイン画素信号VsLの値を4倍せずにそのまま用いる。各演算回路405は、高ゲイン画素信号VsHの値と低ゲイン画素信号VsLの値とを加算する。より具体的には、以下の通りである。 The fourth HDR process will be described. Generally, in this process, the value of the low gain pixel signal VsL is used as it is without being quadrupled. Each arithmetic circuit 405 adds the value of the high gain pixel signal VsH and the value of the low gain pixel signal VsL. More specifically, it is as follows.

HDR処理における入力がAD飽和信号値DmaxAD未満である場合、演算回路405は、高ゲイン低照度信号値DsH_lowと低ゲイン低照度信号値DsL_lowを加算する。この際、高ゲイン画素信号における入出力特性の傾きを1倍とすると、高ゲイン相当の低ゲイン画素信号の入出力特性の傾きは1/4倍となるので、以上の加算後の入出力特性の傾きは5/4倍である。また、HDR処理における入力がAD飽和信号値DmaxADである場合、HDR処理後の値はAD飽和信号値DmaxADの5/4倍((5/4)・DmaxAD)である。 When the input in the HDR processing is less than the AD saturation signal value DmaxAD, the arithmetic circuit 405 adds the high gain low illuminance signal value DsH_low and the low gain low illuminance signal value DsL_low. At this time, if the slope of the input / output characteristics of the high gain pixel signal is 1 times, the slope of the input / output characteristics of the low gain pixel signal corresponding to the high gain is 1/4 times, so that the input / output characteristics after the above addition The slope of is 5/4 times. When the input in the HDR processing is the AD saturation signal value DmaxAD, the value after the HDR processing is 5/4 times the AD saturation signal value DmaxAD ((5/4) · DmaxAD).

HDR処理における入力がAD飽和信号値DmaxADを上回り4倍のAD飽和信号値4・DmaxAD未満である場合、演算回路405は、高ゲイン高照度信号値DsH_highと低ゲイン高照度信号値DsL_highとを加算する。この際、高ゲイン高照度信号値DsH_highがAD飽和信号値DmaxADに固定される一方、低ゲイン画素信号の入出力特性の傾きは1/4倍のままであるので、以上の加算後の入出力特性の傾きは1/4倍である。また、HDR処理における入力が4倍のAD飽和信号値4・DmaxADである場合、HDR処理後の値はAD飽和信号値DmaxADの2倍(2・DmaxAD)である。以上の構成によれば、AD変換精度の2倍のHDR処理を施した画像が取得される。 When the input in HDR processing exceeds the AD saturation signal value DmaxAD and is less than 4 times the AD saturation signal value 4 · DmaxAD, the arithmetic circuit 405 adds the high gain high illuminance signal value DsH_high and the low gain high illuminance signal value DsL_high. To do. At this time, while the high gain high illuminance signal value DsH_high is fixed to the AD saturation signal value DmaxAD, the slope of the input / output characteristics of the low gain pixel signal remains 1/4 times, so that the input / output after the above addition is performed. The slope of the characteristic is 1/4 times. Further, when the input in the HDR processing is the AD saturation signal value 4 · DmaxAD which is 4 times, the value after the HDR processing is twice the AD saturation signal value DmaxAD (2 · DmaxAD). According to the above configuration, an image subjected to HDR processing having twice the AD conversion accuracy is acquired.

以上に説明したHDR処理のいずれかを演算回路405が実行することによって、読み出した画素200に対応する演算回路405からの出力が1つになる。いずれのHDR処理を実行するかは、ユーザによる設定に基づいて決定されてもよいし、撮像条件等のパラメータに基づいて自動的に決定されてもよい。 When the arithmetic circuit 405 executes any of the HDR processing described above, the output from the arithmetic circuit 405 corresponding to the read pixels 200 becomes one. Which HDR process is to be executed may be determined based on a setting by the user, or may be automatically determined based on parameters such as imaging conditions.

他に、撮像装置1の信号処理部13がHDR処理を実行してもよい。本例の場合、演算回路405は、高ゲイン画素信号VsHのデジタル信号値と低ゲイン画素信号VsLのデジタル信号値(4倍していない値)とを出力する。信号処理部13は、低ゲイン画素信号VsLのデジタル信号値を4倍した後、上記した第1、第2、もしくは第3のHDR処理を実行する。または、信号処理部13は、低ゲイン画素信号VsLのデジタル信号値を4倍せずにそのまま用いて、上記した第4のHDR処理を実行する。第1、第2、または第3のHDR処理を信号処理部13が実行する場合、演算回路405は、高ゲイン相当の画素信号のデジタル信号値を信号処理部13へ出力してもよい。 Alternatively, the signal processing unit 13 of the image pickup apparatus 1 may execute the HDR processing. In the case of this example, the arithmetic circuit 405 outputs the digital signal value of the high gain pixel signal VsH and the digital signal value of the low gain pixel signal VsL (value not multiplied by 4). The signal processing unit 13 executes the above-mentioned first, second, or third HDR processing after multiplying the digital signal value of the low gain pixel signal VsL by four. Alternatively, the signal processing unit 13 executes the above-mentioned fourth HDR processing by using the digital signal value of the low gain pixel signal VsL as it is without quadrupling it. When the signal processing unit 13 executes the first, second, or third HDR processing, the arithmetic circuit 405 may output the digital signal value of the pixel signal corresponding to the high gain to the signal processing unit 13.

上記した第1ないし第3のHDR処理では、低ゲイン画素信号VsLの値(DsL_low,DsL_high)を4倍することによって高ゲイン相当の値に変換している。高ゲイン相当の低ゲイン画素信号VsLの値における量子化誤差を低減するために、誤差拡散法が適用されてもよい。例えば、変換後の高ゲイン相当の低ゲイン画素信号VsLの値に対して、乱数を用いて選択された0,1,2,3のうちのいずれかの値が加算されてよい。以上の乱数加算による誤差拡散は、演算回路405と信号処理部13とのいずれにおいて実行されてもよい。以上の構成によれば、高ゲイン相当の低ゲイン画素信号VsLの量子化誤差が低減され、HDR処理後の画像の画質を向上させることができる。 In the first to third HDR processing described above, the value of the low gain pixel signal VsL (DsL_low, DsL_high) is quadrupled to convert it to a value corresponding to high gain. An error diffusion method may be applied in order to reduce the quantization error at the value of the low gain pixel signal VsL corresponding to the high gain. For example, any one of 0, 1, 2, and 3 selected using a random number may be added to the value of the low gain pixel signal VsL corresponding to the high gain after conversion. The error diffusion by the above random number addition may be executed by either the arithmetic circuit 405 or the signal processing unit 13. According to the above configuration, the quantization error of the low gain pixel signal VsL corresponding to the high gain is reduced, and the image quality of the image after the HDR processing can be improved.

以上のHDR処理では、高ゲインAD変換と低ゲインAD変換のゲイン比が4倍であるが、任意のゲイン比を採用することが可能である。FD容量CFDとFD加算容量CFDaddとの比を1:nに設定することによって、ゲイン比をn倍に設定することができる。 In the above HDR processing, the gain ratio of the high gain AD conversion and the low gain AD conversion is four times, but any gain ratio can be adopted. By setting the ratio of the FD capacitance CFD and the FD addition capacitance CFDadd to 1: n, the gain ratio can be set to n times.

上記した本実施形態の構成によれば、AD変換における広いダイナミックレンジ(特に、高照度画素における広いダイナミックレンジ)と高い解像精度(特に、低照度画素における高い解像精度)を実現できる。また、低照度信号と高照度信号とが同一波形のシングルスロープ(ランプ波)を用いてAD変換されるので、信号ムラが低減された良好な画像信号を取得でき、ひいては撮像画像の画質を向上させることができる。加えて、1回の露光処理によって撮影動作が終了するので、HDR処理を行っても画像中の移動体がブレないという効果が奏される。 According to the configuration of the present embodiment described above, a wide dynamic range (particularly, a wide dynamic range in high-light pixels) and high resolution accuracy (particularly, high resolution accuracy in low-light pixels) in AD conversion can be realized. In addition, since the low-light signal and the high-light signal are AD-converted using a single slope (lamp wave) having the same waveform, a good image signal with reduced signal unevenness can be obtained, and the image quality of the captured image is improved. Can be made to. In addition, since the shooting operation is completed by one exposure process, the effect that the moving body in the image does not blur even if the HDR process is performed is achieved.

また、本実施形態の構成によれば、光電変換素子PDの信号電荷の読出しに先立つFD部のリセット信号の読出しにおいて低ゲインリセット信号を高ゲインリセット信号に変換することで、2種類のゲインに対応するリセット信号を連続的に読出し可能である。同様に、光電変換素子PDの信号電荷の読出しにおいて、高ゲイン画素信号を低ゲイン画素信号に変換することで、2種類のゲインに対応する画素信号を連続的に読出し可能である。また、2種類のゲインに対応したリセット信号と画素信号とを共通の状態で読み出すことができるので、撮像画像の画質をさらに向上させることができる。 Further, according to the configuration of the present embodiment, in the reading of the reset signal of the FD unit prior to the reading of the signal charge of the photoelectric conversion element PD, the low gain reset signal is converted into the high gain reset signal to obtain two types of gain. The corresponding reset signal can be read continuously. Similarly, in reading the signal charge of the photoelectric conversion element PD, the pixel signals corresponding to the two types of gain can be continuously read by converting the high gain pixel signal into the low gain pixel signal. Further, since the reset signal and the pixel signal corresponding to the two types of gain can be read out in a common state, the image quality of the captured image can be further improved.

さらに、上記した本実施形態のFD接続部TFDおよびFD拡張部FDextを用いたゲイン制御では、電荷を完全に転送できるのでノイズの発生が顕著に抑制されている。加えて、本実施形態の構成では、高ゲインのリセット信号と高ゲインの画素信号とを連続的に読み出すのでゲイン変更が行われない。したがって、低照度範囲(例えば、画素の飽和電圧の1/4未満の範囲)でのゲイン変更に基づく僅かなノイズの発生も抑制できるので、撮像画像の画質をさらに向上させることができる。 Further, in the gain control using the FD connection portion TFD and the FD extension portion FDext of the present embodiment described above, the electric charge can be completely transferred, so that the generation of noise is remarkably suppressed. In addition, in the configuration of the present embodiment, since the high gain reset signal and the high gain pixel signal are continuously read out, the gain is not changed. Therefore, it is possible to suppress the generation of slight noise due to the gain change in the low illuminance range (for example, the range of less than 1/4 of the saturation voltage of the pixel), so that the image quality of the captured image can be further improved.

<第5実施形態>
以下、図24ないし図26を参照して、本発明の第5実施形態について説明する。第1実施形態に係る図1、図2、および図5についての説明、並びに第4実施形態に係る図18および図20ないし図22についての説明を第5実施形態に援用する。
<Fifth Embodiment>
Hereinafter, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 24 to 26. The description of FIGS. 1, 2, and 5 according to the first embodiment and the description of FIGS. 18 and 20 to 22 according to the fourth embodiment are incorporated into the fifth embodiment.

第4実施形態では、高ゲイン画素信号VsH_low,VsH_highがAD変換された後、電荷電圧変換ゲインが低ゲイン状態に変更され、次いで、低ゲイン画素信号VsL_low,VsL_highがAD変換される。 In the fourth embodiment, after the high gain pixel signals VsH_low and VsH_high are AD-converted, the charge-voltage conversion gain is changed to the low gain state, and then the low-gain pixel signals VsL_low and VsL_high are AD-converted.

対照的に、第5実施形態では、信号電荷が高ゲイン状態のFD部に読み出された後、判定電圧Vjdに基づいて低照度信号と高照度信号とのいずれであるかが判定され、高ゲイン低照度信号VsH_lowが選択される。次いで、高ゲイン状態から低ゲイン状態に電荷電圧変換ゲインが変更され、低ゲイン高照度信号VsL_highと高ゲイン低照度信号VsH_lowとが1回のAD変換でデジタル信号に変換される。 In contrast, in the fifth embodiment, after the signal charge is read out to the FD unit in the high gain state, it is determined whether the signal is a low illuminance signal or a high illuminance signal based on the determination voltage Vjd, and the signal charge is high. The gain low light signal VsH_low is selected. Next, the charge-voltage conversion gain is changed from the high gain state to the low gain state, and the low gain high illuminance signal VsL_high and the high gain low illuminance signal VsH_low are converted into digital signals by one AD conversion.

図24は、本実施形態に係る撮像素子12の列信号処理部203の回路構成を示す回路図である。列信号処理部203は、第1実施形態(図4)と同様に、比較器402、カウンタ回路403、ラッチ回路404、および演算回路405に加えて、2つのスイッチ回路400,401を備えている。以下に説明するように、列信号処理部203はAD変換回路として機能する。 FIG. 24 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the column signal processing unit 203 of the image pickup device 12 according to the present embodiment. Similar to the first embodiment (FIG. 4), the column signal processing unit 203 includes two switch circuits 400 and 401 in addition to the comparator 402, the counter circuit 403, the latch circuit 404, and the arithmetic circuit 405. .. As described below, the column signal processing unit 203 functions as an AD conversion circuit.

スイッチ回路400は、接続されているスイッチ制御線pSwSを介した列信号処理部203からの制御に基づいて、垂直信号線231から伝送される画素信号Vsigをサンプルホールド容量CSHに保持するサンプルホールド動作を制御する。スイッチ回路400は、スイッチ制御線pSwSから供給される制御信号がHighである場合に導通し(オン状態となり)、Lowである場合に遮断される(オフ状態となる)。 The switch circuit 400 has a sample hold operation of holding the pixel signal Vsig transmitted from the vertical signal line 231 in the sample hold capacitance CSH based on the control from the column signal processing unit 203 via the connected switch control line pSwS. To control. The switch circuit 400 conducts when the control signal supplied from the switch control line pSwS is High (turns on), and shuts off when the control signal is Low (turns off).

スイッチ回路401は、接続されているスイッチ制御線pSwHを介した比較器402からの制御に基づいて、垂直信号線231から伝送される画素信号Vsigをサンプルホールド容量CSHに保持するサンプルホールド動作を制御する。スイッチ回路401は、スイッチ制御線pSwHから供給される制御信号がHighである場合に導通し(オン状態となり)、Lowである場合に遮断される(オフ状態となる)。 The switch circuit 401 controls the sample hold operation of holding the pixel signal Vsig transmitted from the vertical signal line 231 in the sample hold capacitance CSH based on the control from the comparator 402 via the connected switch control line pSwH. To do. The switch circuit 401 conducts when the control signal supplied from the switch control line pSwH is High (turns on), and shuts off when the control signal is Low (turns off).

比較器402は、2つの入力信号の比較結果を出力する要素であって、例えば、2つの入力信号の大小関係が逆転した時に、出力信号をHighからLowに変化させる。比較器402には、2つの入力信号源として、サンプルホールド容量CSHとランプ波信号線Vrmpとが接続されている。 The comparator 402 is an element that outputs a comparison result of two input signals. For example, when the magnitude relationship between the two input signals is reversed, the output signal is changed from High to Low. A sample hold capacitance CSH and a ramp wave signal line Vrmp are connected to the comparator 402 as two input signal sources.

さらに、比較器402は、判定電圧Vjdと画素信号Vsigとの比較結果に基づいて、列毎にサンプルホールド動作を制御するスイッチ制御線pSwHに切替信号を出力することができる。本実施形態では、比較器402は、画素信号Vsigの電圧(画素電圧)が判定電圧Vjdよりも大きければスイッチ回路401をオン状態に設定する。結果として、画素信号Vsigが入力可能な状態に維持される。他方、比較器402は、画素信号Vsigの電圧が判定電圧Vjdよりも小さければスイッチ回路401をオフ状態に設定する。結果として、比較器402による比較動作の時点における画素信号Vsigがサンプルホールド容量CSHに保持される。スイッチ制御線pSwHに対する切替信号の出力の詳細については後述される。 Further, the comparator 402 can output a switching signal to the switch control line pSwH that controls the sample hold operation for each column based on the comparison result between the determination voltage Vjd and the pixel signal Vsig. In the present embodiment, the comparator 402 sets the switch circuit 401 to the ON state when the voltage (pixel voltage) of the pixel signal Vsig is larger than the determination voltage Vjd. As a result, the pixel signal Vsig is maintained in a state in which it can be input. On the other hand, the comparator 402 sets the switch circuit 401 to the off state if the voltage of the pixel signal Vsig is smaller than the determination voltage Vjd. As a result, the pixel signal Vsig at the time of the comparison operation by the comparator 402 is held in the sample hold capacitance CSH. Details of the output of the switching signal with respect to the switch control line pSwH will be described later.

比較器402に関する他の構成および動作は第4実施形態と同様であるので、詳細な説明を省略する。同様に、カウンタ回路403、ラッチ回路404、および演算回路405の構成および動作は第4実施形態と同様であるので、詳細な説明を省略する。 Since other configurations and operations regarding the comparator 402 are the same as those in the fourth embodiment, detailed description thereof will be omitted. Similarly, since the configuration and operation of the counter circuit 403, the latch circuit 404, and the arithmetic circuit 405 are the same as those in the fourth embodiment, detailed description thereof will be omitted.

演算回路405は、判定電圧Vjdと画素信号Vsigとの比較結果を記憶し、後述される信号処理動作を実行する。 The arithmetic circuit 405 stores the comparison result between the determination voltage Vjd and the pixel signal Vsig, and executes the signal processing operation described later.

以上に説明したように、列信号処理部203は、比較器402、カウンタ回路403、ラッチ回路404、およびランプ波信号線Vrmpを用いたAD変換回路を構成している。 As described above, the column signal processing unit 203 constitutes an AD conversion circuit using a comparator 402, a counter circuit 403, a latch circuit 404, and a ramp wave signal line Vrmp.

上記のように、タイミング部211から列信号処理部203に接続される制御線281は、スイッチ制御線pSwS、ランプ波信号線Vrmp、カウンタ制御線pCNT、ラッチ制御線pLTC、および演算制御線pCALを含む。水平走査部207から列信号処理部203に接続される列選択線251は、図24の選択線pHに相当する。列信号処理部203から出力部209に接続される水平出力線261は、図24のデジタル出力線DSigに相当する。 As described above, the control line 281 connected from the timing unit 211 to the column signal processing unit 203 includes a switch control line pSwS, a ramp wave signal line Vrmmp, a counter control line pCNT, a latch control line pLTC, and an arithmetic control line pCAL. Including. The column selection line 251 connected from the horizontal scanning unit 207 to the column signal processing unit 203 corresponds to the selection line pH in FIG. 24. The horizontal output line 261 connected from the column signal processing unit 203 to the output unit 209 corresponds to the digital output line DSig in FIG. 24.

図25および図26を参照して、本発明の第5実施形態に係る撮像素子12の画素読出し動作および比較動作を説明する。図25は、本発明の第5実施形態に係る撮像素子12における読出し動作および比較動作を示す列信号処理部203のタイミングチャートである。図25は、図5の時刻s04,s08,s12から開始する行毎の動作における1行の画素信号の読出し動作を示しており、比較器402に入力される画素信号Vsigおよびランプ波Vrmpの推移を示している。横軸(t方向)が時間の経過に対応し、縦軸(V方向)がランプ波Vrmpの初期電圧を基準とした電位に対応する。 The pixel readout operation and the comparison operation of the image pickup device 12 according to the fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 25 and 26. FIG. 25 is a timing chart of the column signal processing unit 203 showing the read operation and the comparison operation in the image sensor 12 according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 25 shows the operation of reading the pixel signal of one row in the operation of each row starting from the times s04, s08, and s12 of FIG. 5, and the transition of the pixel signal Vsig and the lamp wave Vrmp input to the comparator 402. Is shown. The horizontal axis (t direction) corresponds to the passage of time, and the vertical axis (V direction) corresponds to the potential based on the initial voltage of the lamp wave Vrmp.

期間tr1において、列信号処理部203を初期設定する動作が実行される。以上の初期設定として、例えば、比較器402の入力信号に対するクランプが実行される。より詳細には以下の通りである。比較器402からスイッチ制御線pSwHへの出力がHighに設定されると共に、スイッチ制御線pSwSがHighに設定される。結果として、2つのスイッチ回路400,401がオン状態に設定されて、垂直信号線231の初期状態となる画素信号Vsigがサンプルホールド容量CSHへ保持される。この時、比較器402では、2つの入力信号である画素信号Vsigおよびランプ波信号Vrmpが基準レベルとしてクランプされる。スイッチ制御線pSwHは、後述する判定期間が到来するまでHighに維持される。 In the period tr1, the operation of initializing the column signal processing unit 203 is executed. As the above initial setting, for example, clamping on the input signal of the comparator 402 is executed. More details are as follows. The output from the comparator 402 to the switch control line pSwH is set to High, and the switch control line pSwS is set to High. As a result, the two switch circuits 400 and 401 are set to the ON state, and the pixel signal Vsig, which is the initial state of the vertical signal line 231 is held in the sample hold capacitance CSH. At this time, in the comparator 402, the pixel signal Vsig and the lamp wave signal Vrmp, which are two input signals, are clamped as reference levels. The switch control line pSwH is maintained high until the determination period described later is reached.

期間tt1において、FD部がリセットされると共に、電荷電圧変換のゲインがFD加算容量CFDaddを用いて電荷電圧変換を実行する低ゲイン(すなわち1/4倍)に設定される。低ゲインのリセット信号VnLが、垂直信号線231を介してサンプルホールド容量CSHおよび比較器402へと入力される。なお、スイッチ制御線pSwSをLowに設定してスイッチ回路400をオフ状態に設定することによって、リセット信号VnLをサンプルホールド容量CSHへ保持してもよい。スイッチ制御線pSwHはHighに維持され、スイッチ回路401がオン状態に維持される。 In the period tt1, the FD unit is reset and the gain of the charge-voltage conversion is set to a low gain (that is, 1/4 times) for executing the charge-voltage conversion using the FD addition capacitance CFDadd. A low gain reset signal VnL is input to the sample hold capacitance CSH and the comparator 402 via the vertical signal line 231. The reset signal VnL may be held in the sample hold capacitance CSH by setting the switch control line pSwS to Low and setting the switch circuit 400 to the off state. The switch control line pSwH is maintained high and the switch circuit 401 is maintained in the on state.

期間tr2においてランプ波G1が生成される。比較器402は、低ゲインのリセット信号VnLとランプ波G1とを比較した結果を示す比較信号を出力する。そして、比較器402からの比較信号が反転したタイミング(期間tnLが経過した時刻)におけるカウント値cnLが演算回路405に記憶される。 The lamp wave G1 is generated in the period tr2. The comparator 402 outputs a comparison signal indicating the result of comparing the low gain reset signal VnL and the lamp wave G1. Then, the count value cnL at the timing when the comparison signal from the comparator 402 is inverted (the time when the period tnL has elapsed) is stored in the arithmetic circuit 405.

期間tt2において、電荷電圧変換のゲインがFD容量CFDのみを用いて電荷電圧変換を実行する高ゲイン(すなわち1倍)に変更される。期間tt1においてスイッチ制御線pSwSをLowに設定した場合は、スイッチ制御線pSwSを再びHighに設定してスイッチ回路400をオン状態に設定することで、サンプルホールド容量CSHに垂直信号線231の信号を入力可能にする。 In period tt2, the gain of charge-voltage conversion is changed to a high gain (ie, 1x) to perform charge-voltage conversion using only the FD capacitance CFD. When the switch control line pSwS is set to Low in the period tt1, the signal of the vertical signal line 231 is set to the sample hold capacitance CSH by setting the switch control line pSwS to High again and setting the switch circuit 400 to the ON state. Make it inputtable.

高ゲインのリセット信号VnHが、垂直信号線231を介してサンプルホールド容量CSHおよび比較器402へと入力される。なお、スイッチ制御線pSwSをLowに設定してスイッチ回路400をオフ状態に設定することによって、リセット信号VnHをサンプルホールド容量CSHへ保持してもよい。スイッチ制御線pSwHはHighに維持され、スイッチ回路401がオン状態に維持される。 A high gain reset signal VnH is input to the sample hold capacitance CSH and the comparator 402 via the vertical signal line 231. The reset signal VnH may be held in the sample hold capacitance CSH by setting the switch control line pSwS to Low and setting the switch circuit 400 to the off state. The switch control line pSwH is maintained high and the switch circuit 401 is maintained in the on state.

期間tr3においてランプ波G1が生成される。比較器402は、リセット信号VnHとランプ波G1とを比較した結果を示す比較信号を出力する。そして、比較器402からの比較信号が反転したタイミング(期間tnHが経過した時刻)におけるカウント値cnHが演算回路405に記憶される。 The lamp wave G1 is generated in the period tr3. The comparator 402 outputs a comparison signal indicating the result of comparing the reset signal VnH and the lamp wave G1. Then, the count value cnH at the timing when the comparison signal from the comparator 402 is inverted (the time when the period tnH has elapsed) is stored in the arithmetic circuit 405.

期間tt3において、光電変換素子PDに蓄積した電荷がFD部に転送される。期間tt2においてスイッチ制御線pSwSをLowに設定した場合は、スイッチ制御線pSwSをHighに設定しスイッチ回路400をオン状態に設定することで、サンプルホールド容量CSHに垂直信号線231の信号を入力可能にする。本期間ではFD部が高ゲインに設定されているので、高ゲイン低照度信号VsH_lowまたは高ゲイン高照度信号VsH_highが、画素信号Vsigとして垂直信号線231を介してサンプルホールド容量CSHおよび比較器402へと入力される。スイッチ制御線pSwSをLowに設定してスイッチ回路400をオフ状態に設定することによって、以上の高ゲインの画素信号をサンプルホールド容量CSHへ保持してもよい。スイッチ制御線pSwHはHighに維持され、スイッチ回路401がオン状態に維持される。 In the period tt3, the electric charge accumulated in the photoelectric conversion element PD is transferred to the FD unit. When the switch control line pSwS is set to Low in the period tt2, the signal of the vertical signal line 231 can be input to the sample hold capacitance CSH by setting the switch control line pSwS to High and setting the switch circuit 400 to the ON state. To. Since the FD section is set to high gain in this period, the high gain low illuminance signal VsH_low or the high gain high illuminance signal VsH_high is sent to the sample hold capacitance CSH and the comparator 402 via the vertical signal line 231 as the pixel signal Vsig. Is entered. By setting the switch control line pSwS to Low and setting the switch circuit 400 to the off state, the pixel signal having the above high gain may be held in the sample hold capacitance CSH. The switch control line pSwH is maintained high and the switch circuit 401 is maintained in the on state.

期間tr4において、比較器402が、ランプ波信号線Vrmpに出力された判定電圧Vjdと高ゲインの画素信号Vsig(高ゲイン低照度信号VsH_lowまたは高ゲイン高照度信号VsH_high)の電圧とを比較して大小関係を判定する。期間tr4は判定期間に相当する。以下、図26も参照して、比較器402による判定動作を説明する。 In the period tr4, the comparator 402 compares the determination voltage Vjd output to the ramp wave signal line Vrmp with the voltage of the high gain pixel signal Vsig (high gain low illuminance signal VsH_low or high gain high illuminance signal VsH_high). Judge the magnitude relationship. The period tr4 corresponds to the determination period. Hereinafter, the determination operation by the comparator 402 will be described with reference to FIG. 26.

図26は、本発明の第5実施形態に係る撮像素子12の列信号処理部203が実行する判定動作の説明図である。図26では、説明のため、高照度信号が出力される垂直信号線231が接続する列信号処理部203が上側に、低照度信号が出力される垂直信号線231が接続する列信号処理部203が下側に示される。高照度信号は低ゲイン高照度信号VsL_highまたは高ゲイン高照度信号VsH_highであり、低照度信号は低ゲイン低照度信号VsL_lowまたは高ゲイン低照度信号VsH_lowである。なお、図26において、判定動作を実行するサンプルホールド回路S&Hおよび比較器Comp(比較器402)以外の要素は簡略化して示されている。 FIG. 26 is an explanatory diagram of a determination operation executed by the column signal processing unit 203 of the image pickup device 12 according to the fifth embodiment of the present invention. In FIG. 26, for explanation, the column signal processing unit 203 to which the vertical signal line 231 to which the high-intensity signal is output is connected is on the upper side, and the column signal processing unit 203 to which the vertical signal line 231 to which the low-intensity signal is output is connected. Is shown on the bottom. The high illuminance signal is a low gain high illuminance signal VsL_high or a high gain high illuminance signal VsH_high, and the low illuminance signal is a low gain low illuminance signal VsL_low or a high gain low illuminance signal VsH_low. In FIG. 26, elements other than the sample hold circuit S & H for executing the determination operation and the comparator Comp (comparator 402) are shown in a simplified manner.

図26(a)は、判定電圧Vjdが出力される期間tr4の直前におけるサンプルホールド回路S&Hの状態を示す。双方のサンプルホールド回路S&Hにおいて、スイッチ制御線pSwS,pSwHがHighに設定されることで、スイッチ回路400,401がオン状態に設定されている。したがって、期間tt3について上述したように、高ゲイン高照度信号VsH_highおよび高ゲイン低照度信号VsH_lowが、それぞれ、サンプルホールド容量CSHおよび比較器402へ入力される。 FIG. 26A shows the state of the sample hold circuit S & H immediately before the period tr4 at which the determination voltage Vjd is output. In both sample hold circuits S & H, the switch control lines pSwS and pSwH are set to High, so that the switch circuits 400 and 401 are set to the ON state. Therefore, as described above for the period tt3, the high gain high illuminance signal VsH_high and the high gain low illuminance signal VsH_low are input to the sample hold capacitance CSH and the comparator 402, respectively.

図26(b)は、判定期間である期間tr4におけるサンプルホールド回路S&Hの状態を示す。図26(b)では、比較器402が、ランプ波信号線Vrmpに出力された判定電圧Vjdと高ゲイン画素信号Vsig(VsH_high,VsH_low)との大小関係を判定している。スイッチ制御線pSwSがLowに設定されることでスイッチ回路400がオフ状態に設定され、高ゲイン画素信号Vsig(VsH_high,VsH_low)がサンプルホールド容量CSHに保持されている。 FIG. 26B shows the state of the sample hold circuit S & H in the period tr4, which is the determination period. In FIG. 26B, the comparator 402 determines the magnitude relationship between the determination voltage Vjd output to the lamp wave signal line Vrmp and the high gain pixel signal Vsig (VsH_high, VsH_low). When the switch control line pSwS is set to Low, the switch circuit 400 is set to the off state, and the high gain pixel signal Vsig (VsH_high, VsH_low) is held in the sample hold capacitance CSH.

高ゲイン高照度信号VsH_highが入力された比較器402(上側)では、高ゲイン高照度信号VsH_highの電圧が判定電圧Vjd以上であるので、比較器402による比較結果はHighである。比較器402は、比較結果を示すHighをスイッチ制御線pSwHに出力して、スイッチ回路401をオン状態に維持する。 In the comparator 402 (upper side) to which the high-gain high-intensity signal VsH_high is input, the voltage of the high-gain high-intensity signal VsH_high is equal to or higher than the determination voltage Vjd, so that the comparison result by the comparator 402 is High. The comparator 402 outputs High indicating the comparison result to the switch control line pSwH, and keeps the switch circuit 401 in the ON state.

他方、高ゲイン低照度信号VsH_lowが入力された比較器402(下側)では、高ゲイン低照度信号VsH_lowの電圧が判定電圧Vjdよりも小さいので、比較器402による比較結果はLowである。比較器402は、比較結果を示すLowをスイッチ制御線pSwHに出力して、スイッチ回路401をオフ状態に設定する。 On the other hand, in the comparator 402 (lower side) to which the high gain low illuminance signal VsH_low is input, the voltage of the high gain low illuminance signal VsH_low is smaller than the determination voltage Vjd, so the comparison result by the comparator 402 is Low. The comparator 402 outputs Low indicating the comparison result to the switch control line pSwH, and sets the switch circuit 401 to the off state.

以上のように、判定期間である期間tr4において、比較器402(比較器Comp)は、比較器402による比較結果を示す信号をそのまま切替信号としてスイッチ制御線pSwHに出力する。加えて、期間tr4以降におけるスイッチ制御線pSwHは、次行の画素信号読出しの期間tr1において列信号処理部203が初期設定されるまで、信号状態(HighまたはLow)を維持するように制御される。 As described above, in the period tr4 which is the determination period, the comparator 402 (Comparator Comp) outputs the signal indicating the comparison result by the comparator 402 as it is to the switch control line pSwH as a switching signal. In addition, the switch control line pSwH after the period tr4 is controlled to maintain the signal state (High or Low) until the column signal processing unit 203 is initialized in the period tr1 of the pixel signal reading of the next row. ..

期間tr4が終了すると、判定電圧Vjdの出力が停止することによって、高ゲイン画素信号Vsig(VsH_high,VsH_low)がランプ波信号Vrmpを上回るようになるので、比較器402による比較結果がHighに戻る。 When the period tr4 ends, the output of the determination voltage Vjd is stopped, so that the high gain pixel signal Vsig (VsH_high, VsH_low) exceeds the lamp wave signal Vrmp, so that the comparison result by the comparator 402 returns to High.

期間tt4において、電荷電圧変換のゲインがFD加算容量CFDaddを用いて電荷電圧変換を実行する低ゲイン(すなわち1/4倍)に変更される。先にスイッチ制御線pSwSをLowに設定している場合は、スイッチ制御線pSwSをHighに設定しスイッチ回路400をオン状態に設定することで、垂直信号線231の画素信号Vsigをサンプルホールド容量CSHに保持できるように設定する。 In the period tt4, the gain of the charge-voltage conversion is changed to a low gain (ie, 1/4 times) for performing the charge-voltage conversion using the FD addition capacitance CFDadd. When the switch control line pSwS is set to Low first, the pixel signal Vsig of the vertical signal line 231 is set to the sample hold capacity CSH by setting the switch control line pSwS to High and setting the switch circuit 400 to the ON state. Set so that it can be held in.

ここで、期間tr4において高ゲイン低照度信号VsH_lowが比較器402に入力され判定動作が実行された場合(下側)は、前述のように、スイッチ回路401がオフ状態に設定されている。したがって、低ゲインの電荷電圧変換によって得られた画素信号Vsigである低ゲイン低照度信号VsL_lowは、サンプルホールド容量CSHおよび比較器402に入力されない。他方、期間tr4において高ゲイン高照度信号VsH_highが比較器402に入力され判定動作が実行された場合(上側)は、前述のように、スイッチ回路401がオン状態に設定されている。したがって、低ゲインの電荷電圧変換によって得られた画素信号Vsigである低ゲイン高照度信号VsL_highが、サンプルホールド容量CSHおよび比較器402に入力される。 Here, when the high gain low illuminance signal VsH_low is input to the comparator 402 and the determination operation is executed (lower side) in the period tr4, the switch circuit 401 is set to the off state as described above. Therefore, the low gain low illuminance signal VsL_low, which is the pixel signal Vsig obtained by the low gain charge-voltage conversion, is not input to the sample hold capacitance CSH and the comparator 402. On the other hand, when the high gain high illuminance signal VsH_high is input to the comparator 402 and the determination operation is executed (upper side) in the period tr4, the switch circuit 401 is set to the ON state as described above. Therefore, the low gain high illuminance signal VsL_high, which is the pixel signal Vsig obtained by the low gain charge-voltage conversion, is input to the sample hold capacitance CSH and the comparator 402.

図26(c)は、期間tt4において、低ゲインの画素信号Vsig(VsL_high,VsL_low)が垂直信号線231を介してサンプルホールド回路S&Hに入力されている状態を示す。前述したように、期間tt4ではスイッチ制御線pSwSをHighに設定しスイッチ回路400をオン状態に設定する。 FIG. 26C shows a state in which a low gain pixel signal Vsig (VsL_high, VsL_low) is input to the sample hold circuit S & H via the vertical signal line 231 during the period tt4. As described above, in the period tt4, the switch control line pSwS is set to High and the switch circuit 400 is set to the ON state.

低ゲイン低照度信号VsL_lowが入力されたサンプルホールド回路S&H(下側)では、スイッチ回路401がオフ状態に設定されている。したがって、サンプルホールド容量CSHに保持されている高ゲイン低照度信号VsH_lowが比較器402に入力されている。他方、低ゲイン高照度信号VsL_highが入力されたサンプルホールド回路S&H(上側)では、スイッチ回路401がオン状態に設定されている。したがって、サンプルホールド回路S&Hに入力された低ゲイン高照度信号VsL_highが、サンプルホールド容量CSHに保持されると共に比較器402に入力されている。 In the sample hold circuit S & H (lower side) to which the low gain low illuminance signal VsL_low is input, the switch circuit 401 is set to the off state. Therefore, the high gain low illuminance signal VsH_low held in the sample hold capacitance CSH is input to the comparator 402. On the other hand, in the sample hold circuit S & H (upper side) to which the low gain high illuminance signal VsL_high is input, the switch circuit 401 is set to the ON state. Therefore, the low-gain high-illumination signal VsL_high input to the sample-hold circuit S & H is held in the sample-hold capacitance CSH and input to the comparator 402.

なお、低ゲインの画素信号Vsigが入力された後に、スイッチ制御線pSwSをLowに設定してスイッチ回路400をオフ状態に設定することによって、低ゲイン高照度信号VsL_highをサンプルホールド容量CSHへ保持してもよい。スイッチ回路400がオフ状態に設定されることで、サンプルホールド容量CSHに保持されている低ゲイン高照度信号VsL_highが垂直信号線231から電気的に切り離される。結果として、先の判定期間tr4において垂直信号線231から電気的に切り離されサンプルホールド容量CSHに保持されている高ゲイン低照度信号VsH_low(図26(b)の下側)と同様に、低ゲイン高照度信号VsL_highを保持できる。 After the low-gain pixel signal Vsig is input, the low-gain high-intensity signal VsL_high is held in the sample hold capacitance CSH by setting the switch control line pSwS to Low and setting the switch circuit 400 to the off state. You may. When the switch circuit 400 is set to the off state, the low gain high illuminance signal VsL_high held in the sample hold capacitance CSH is electrically disconnected from the vertical signal line 231. As a result, the low gain is similar to the high gain low illuminance signal VsH_low (lower side of FIG. 26B) that is electrically disconnected from the vertical signal line 231 and held in the sample hold capacitance CSH in the previous determination period tr4. The high illuminance signal VsL_high can be held.

期間tr5においてランプ波G1が生成される。サンプルホールド容量CSHに保持されている低ゲイン高照度信号VsL_highまたは高ゲイン低照度信号VsH_lowは、生成されたランプ波G1と比較されてAD変換される。期間tr5にて生成されたランプ波G1の変化率(スロープ)は期間tr2,tr3にて生成されたランプ波G1の変化率と略等しいので、期間tr2,tr3と期間tr5とにおいて共通の条件でAD変換が実行される。ただし、期間tr5は、画素信号の振幅に対して十分な余裕があるので、期間tr5でのランプ波G1の生成期間は期間tr2,tr3でのランプ波G1の生成期間よりも長い。前述の通り、判定電圧Vjdは、FD容量CFDに対して電荷電圧変換のリニアリティが保てる電荷量となるように、FD接続トランジスタTFDのオフ状態における電位よりも低く(すなわち、電荷量としては少なく・電圧としては高く)設定されている。したがって、本実施形態では、判定電圧Vjd以上の高ゲイン画素信号VsHは、低ゲイン画素信号VsLに変換された後、低ゲイン高照度信号VsL_highとしてAD変換される。期間tr5のランプ波G1の振幅は、画素信号の電荷電圧変換の線形性が維持される範囲である判定電圧Vjdと適合するように設定されている。 The lamp wave G1 is generated in the period tr5. The low gain high illuminance signal VsL_high or the high gain low illuminance signal VsH_low held in the sample hold capacitance CSH is AD-converted by being compared with the generated lamp wave G1. Since the rate of change (slope) of the lamp wave G1 generated in the period tr5 is substantially equal to the rate of change of the lamp wave G1 generated in the period tr2 and tr3, the conditions common to the period tr2 and tr3 and the period tr5 are the same. AD conversion is executed. However, since the period tr5 has a sufficient margin with respect to the amplitude of the pixel signal, the generation period of the lamp wave G1 in the period tr5 is longer than the generation period of the lamp wave G1 in the periods tr2 and tr3. As described above, the determination voltage Vjd is lower than the potential in the off state of the FD connection transistor TFD so that the linearity of the charge voltage conversion can be maintained with respect to the FD capacitance CFD (that is, the amount of charge is small. The voltage is set high). Therefore, in the present embodiment, the high gain pixel signal VsH having a determination voltage Vjd or higher is converted into a low gain pixel signal VsL and then AD converted as a low gain high illuminance signal VsL_high. The amplitude of the lamp wave G1 in the period tr5 is set to match the determination voltage Vjd, which is a range in which the linearity of the charge-voltage conversion of the pixel signal is maintained.

比較器402は、期間tr5において画素信号Vsigとランプ波G1とを比較した結果を示す比較信号を出力する。高ゲイン低照度信号VsH_lowに関しては、比較器402からの比較信号が反転したタイミング(期間tsH_lowが経過した時刻)におけるカウント値csH_lowが演算回路405に記憶される。低ゲイン高照度信号VsL_highに関しては、比較器402からの比較信号が反転したタイミング(期間tsL_highが経過した時刻)におけるカウント値csL_highが演算回路405に記憶される。 The comparator 402 outputs a comparison signal indicating the result of comparing the pixel signal Vsig and the lamp wave G1 in the period tr5. Regarding the high gain low illuminance signal VsH_low, the count value csH_low at the timing when the comparison signal from the comparator 402 is inverted (the time when the period tsH_low has elapsed) is stored in the arithmetic circuit 405. Regarding the low gain high illuminance signal VsL_high, the count value csL_high at the timing when the comparison signal from the comparator 402 is inverted (the time when the period tsL_high has elapsed) is stored in the arithmetic circuit 405.

次いで、演算回路405が、上記したカウント値に基づいて画素信号Vsigのデジタル信号値を取得して記憶する。高ゲイン低照度信号VsH_lowが入力された列信号処理部203(下側)の演算回路405は、高ゲイン低照度信号VsH_lowのカウント値csH_lowから高ゲインリセット信号VnHのカウント値cnHを減算する。演算回路405は、以上の減算によって得られた値を高ゲイン低照度信号VsH_lowのデジタル値として演算回路405自体に記憶する。 Next, the arithmetic circuit 405 acquires and stores the digital signal value of the pixel signal Vsig based on the above-mentioned count value. The arithmetic circuit 405 of the column signal processing unit 203 (lower side) to which the high gain low illuminance signal VsH_low is input subtracts the count value cnH of the high gain reset signal VnH from the count value csH_low of the high gain low illuminance signal VsH_low. The arithmetic circuit 405 stores the value obtained by the above subtraction in the arithmetic circuit 405 itself as a digital value of the high gain low illuminance signal VsH_low.

他方、低ゲイン高照度信号VsL_highが入力された列信号処理部203(上側)の演算回路405は、低ゲイン高照度信号VsL_highのカウント値csL_highから低ゲインリセット信号VnLのカウント値cnLを減算する。前述したように、低ゲイン高照度信号VsL_highおよび低ゲイン高照度信号VsL_highの電荷電圧変換時のゲインは1/4倍である。したがって、演算回路405は以上の減算で得た値を4倍して、低ゲイン高照度信号VsL_highを高ゲイン相当に変換したデジタル値として演算回路405自体に記憶する。 On the other hand, the arithmetic circuit 405 of the column signal processing unit 203 (upper side) to which the low-gain high-intensity signal VsL_high is input subtracts the low-gain reset signal VnL count value cnL from the low-gain high-intensity signal VsL_high count value csL_high. As described above, the gains of the low-gain high-intensity signal VsL_high and the low-gain high-intensity signal VsL_high at the time of charge-voltage conversion are 1/4 times. Therefore, the arithmetic circuit 405 multiplies the value obtained by the above subtraction by four and stores the low gain high illuminance signal VsL_high as a digital value converted to correspond to the high gain in the arithmetic circuit 405 itself.

なお、期間tr4における判定電圧Vjdと画素信号Vsigとの大小関係が比較結果として演算回路405に記憶されているので、演算回路405は、高ゲインリセット信号VnHと低ゲインリセット信号VnLとを選択することができる。 Since the magnitude relationship between the determination voltage Vjd and the pixel signal Vsig in the period tr4 is stored in the arithmetic circuit 405 as a comparison result, the arithmetic circuit 405 selects the high gain reset signal VnH and the low gain reset signal VnL. be able to.

期間tt5において、光電変換素子PDおよびFD部がリセットされ、1行の画素の信号読出し動作が終了する。期間tt5の詳細は第4実施形態と同様である。次行の画素信号の読出し動作と並行して、水平走査部207が、列選択線251を介して列信号処理部203を列毎に選択して、記憶されているデジタル化された画素信号が水平出力線261を介して出力部209に転送されるように制御する。 In the period tt5, the photoelectric conversion element PD and the FD unit are reset, and the signal reading operation of one line of pixels ends. The details of the period tt5 are the same as those in the fourth embodiment. In parallel with the operation of reading the pixel signal of the next row, the horizontal scanning unit 207 selects the column signal processing unit 203 for each column via the column selection line 251 to obtain the stored digitized pixel signal. It is controlled so that it is transferred to the output unit 209 via the horizontal output line 261.

上記した本実施形態の構成によれば、AD変換における広いダイナミックレンジ(特に、高照度画素における広いダイナミックレンジ)と高い解像精度(特に、低照度画素における高い解像精度)を実現できる。2種類のゲインのいずれかを用いた電荷電圧変換(デュアルゲイン処理)で得られた画素信号がAD変換されるからである。また、2種類のゲインの倍率比がn倍(例えば、4倍)である場合、画素の飽和電圧の入力に対してAD飽和信号値のn倍の出力となるような入出力特性が実現されるので、n倍のハイダイナミックレンジ(HDR)処理を施した画像を取得できる。 According to the configuration of the present embodiment described above, a wide dynamic range (particularly, a wide dynamic range in high-light pixels) and high resolution accuracy (particularly, high resolution accuracy in low-light pixels) in AD conversion can be realized. This is because the pixel signal obtained by charge-voltage conversion (dual gain processing) using either of the two types of gain is AD-converted. Further, when the magnification ratio of the two types of gain is n times (for example, 4 times), an input / output characteristic is realized so that the output is n times the AD saturation signal value with respect to the input of the pixel saturation voltage. Therefore, it is possible to acquire an image subjected to n times high dynamic range (HDR) processing.

上記した本実施形態の構成によれば、低照度信号と高照度信号とが並列的に(好ましくは、同時に)同一のシングルスロープを用いてAD変換されるので、信号ムラが低減された良好な画像信号を取得できる。したがって、撮像画像の画質を向上させることができる。また、1回の露光処理によって撮影動作が終了するので、HDR処理を行っても画像中の移動体がブレないという効果が奏される。加えて、1回の処理で低照度信号と高照度信号とを並列的に(好ましくは、同時に)AD変換できるので、フレームレートを向上させることができ、適時なAD変換を実現できる。 According to the configuration of the present embodiment described above, the low-light signal and the high-light signal are AD-converted in parallel (preferably at the same time) using the same single slope, so that signal unevenness is reduced. Image signals can be acquired. Therefore, the image quality of the captured image can be improved. Further, since the shooting operation is completed by one exposure process, the effect that the moving body in the image does not blur even if the HDR process is performed is achieved. In addition, since the low-light signal and the high-light signal can be AD-converted in parallel (preferably at the same time) in one process, the frame rate can be improved and timely AD conversion can be realized.

要約すると、本実施形態の構成では、画素信号の電圧の高低に応じて電荷電圧変換のゲインが比較器によって選択されるデュアルゲイン処理によって、1回のAD変換によるHDR処理を実現できると共にフレームレートの向上も実現できる。 In summary, in the configuration of the present embodiment, HDR processing by one AD conversion can be realized by dual gain processing in which the gain of charge-voltage conversion is selected by the comparator according to the voltage level of the pixel signal, and the frame rate. Can also be improved.

さらに、本実施形態の構成では、FD部のリセット信号を読み出すのに際し、低ゲインリセット信号VnLを高ゲインリセット信号VnHに変換する。以上の変換処理を行うことで、2種類のゲインに対応するリセット信号を連続して読み出すことができる。加えて、光電変換素子PDの信号電荷に対応する画素信号を読み出す際にも、高ゲイン画素信号VsHを低ゲイン画素信号VsLに変換する。以上の変換処理を行うことで、2種類のゲインに対応する画素信号を連続して読み出すことができる。以上のように、2種類のゲインに対応したリセット信号と画素信号とを共通の状態で読み出すことができるので、撮像画像の画質をさらに向上させることができる。 Further, in the configuration of the present embodiment, when reading the reset signal of the FD unit, the low gain reset signal VnL is converted into the high gain reset signal VnH. By performing the above conversion process, the reset signals corresponding to the two types of gain can be continuously read out. In addition, when reading out the pixel signal corresponding to the signal charge of the photoelectric conversion element PD, the high gain pixel signal VsH is converted into the low gain pixel signal VsL. By performing the above conversion processing, pixel signals corresponding to the two types of gain can be continuously read out. As described above, since the reset signal and the pixel signal corresponding to the two types of gain can be read out in a common state, the image quality of the captured image can be further improved.

さらに、第4実施形態と同様に、上記した本実施形態のFD接続部TFDおよびFD拡張部FDextを用いたゲイン制御では、電荷を完全に転送できるのでノイズの発生が顕著に抑制されている。加えて、本実施形態の構成では、高ゲインのリセット信号と高ゲインの画素信号とを連続的に読み出すのでゲイン変更が行われない。したがって、低照度範囲(例えば、画素の飽和電圧の1/4未満の範囲)でのゲイン変更に基づく僅かなノイズの発生も抑制できるので、撮像画像の画質をさらに向上させることができる。 Further, as in the fourth embodiment, in the gain control using the FD connection portion TFD and the FD extension portion FDext of the present embodiment described above, the electric charge can be completely transferred, so that the generation of noise is remarkably suppressed. In addition, in the configuration of the present embodiment, since the high gain reset signal and the high gain pixel signal are continuously read out, the gain is not changed. Therefore, it is possible to suppress the generation of slight noise due to the gain change in the low illuminance range (for example, the range of less than 1/4 of the saturation voltage of the pixel), so that the image quality of the captured image can be further improved.

<第5実施形態の変形例>
図27を参照して、本発明の第5実施形態の変形例について説明する。図27は、第5実施形態の変形例に係る撮像素子12の列信号処理部203の回路構成を示す回路図である。
<Modified example of the fifth embodiment>
A modified example of the fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 27. FIG. 27 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the column signal processing unit 203 of the image pickup device 12 according to the modified example of the fifth embodiment.

第5実施形態(図24)の列信号処理部203は2つのスイッチ回路400,401を有している。スイッチ回路400,401がスイッチ制御線pSwS,pSwHによってそれぞれ制御されることで、サンプルホールド動作が実現されている。 The column signal processing unit 203 of the fifth embodiment (FIG. 24) has two switch circuits 400 and 401. The sample hold operation is realized by controlling the switch circuits 400 and 401 by the switch control lines pSwS and pSwH, respectively.

対照的に、本変形例の列信号処理部203は1つのスイッチ回路401のみを有している。スイッチ制御線pSwS,pSwHが接続するAND回路の出力によってスイッチ回路401が制御されることで、本変形例のサンプルホールド動作が実現される。 In contrast, the column signal processing unit 203 of this modification has only one switch circuit 401. The sample hold operation of this modification is realized by controlling the switch circuit 401 by the output of the AND circuit to which the switch control lines pSwS and pSwH are connected.

第5実施形態では、期間tr5でのAD変換の際に、低ゲイン高照度信号VsL_highを保持したサンプルホールド容量CSHがスイッチ回路400(図24)によって垂直信号線231から電気的に切り離されている。同様に、期間tr5でのAD変換の際に、高ゲイン低照度信号VsH_lowを保持したサンプルホールド容量CSHがスイッチ回路401(図24)によって垂直信号線231から電気的に切り離されている。 In the fifth embodiment, the sample hold capacitance CSH holding the low gain high illuminance signal VsL_high is electrically separated from the vertical signal line 231 by the switch circuit 400 (FIG. 24) during the AD conversion in the period tr5. .. Similarly, during the AD conversion in the period tr5, the sample hold capacitance CSH holding the high gain low illuminance signal VsH_low is electrically separated from the vertical signal line 231 by the switch circuit 401 (FIG. 24).

対照的に、本変形例では、期間tr5でのAD変換の際に、サンプルホールド容量CSHは単一のスイッチ回路401によって垂直信号線231から切り離されている状態にある。 In contrast, in this modification, the sample hold capacitance CSH is separated from the vertical signal line 231 by a single switch circuit 401 during the AD conversion in the period tr5.

したがって、本変形例の構成によれば、図24の第5実施形態の構成と比較して、サンプルホールド容量CSHに保持される低ゲイン高照度信号VsL_highの状態と高ゲイン低照度信号VsH_lowの状態とをより近付けることができる。結果として、画像に対する信号ムラ等の悪影響をより低減することができる。 Therefore, according to the configuration of the present modification, as compared with the configuration of the fifth embodiment of FIG. 24, the state of the low gain high illuminance signal VsL_high and the state of the high gain low illuminance signal VsH_low held in the sample hold capacitance CSH. Can be closer. As a result, adverse effects such as signal unevenness on the image can be further reduced.

<第6実施形態>
以下、図28を参照して、本発明の第6実施形態について説明する。第1実施形態に係る図1、図2、および図5についての説明、並びに第4実施形態に係る図19ないし図23についての説明を第6実施形態に援用する。
<Sixth Embodiment>
Hereinafter, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 28. The description of FIGS. 1, 2, and 5 according to the first embodiment and the description of FIGS. 19 to 23 according to the fourth embodiment are incorporated in the sixth embodiment.

前述した実施形態においては、画素200のFD拡張部がゲート制御のMOS型トランジスタ(FD拡張トランジスタFDext)として構成され、ゲートにHighが入力されオン状態になっている際に信号電荷がFD拡張部に蓄積される。 In the above-described embodiment, the FD expansion unit of the pixel 200 is configured as a gate-controlled MOS transistor (FD expansion transistor FDext), and when High is input to the gate and is in the ON state, the signal charge is the FD expansion unit. Accumulate in.

対照的に、第6実施形態の画素200においては、FD拡張部(FD拡張コンデンサCext)が基板に対して接地した容量を構成する。 In contrast, in the pixel 200 of the sixth embodiment, the FD expansion unit (FD expansion capacitor Cext) constitutes a capacitance grounded with respect to the substrate.

図28は、本発明の第6実施形態に係る撮像素子12の画素200の回路構成を示す回路図である。本実施形態の画素200は、第4実施形態(図18)の画素200内のFD拡張部であるFD拡張トランジスタFDextをFD拡張コンデンサCextに置換した回路構成を有する。他の要素については図18と同様である。 FIG. 28 is a circuit diagram showing a circuit configuration of pixels 200 of the image pickup device 12 according to the sixth embodiment of the present invention. The pixel 200 of the present embodiment has a circuit configuration in which the FD expansion transistor FDext, which is an FD expansion portion in the pixel 200 of the fourth embodiment (FIG. 18), is replaced with an FD expansion capacitor Cext. Other elements are the same as in FIG.

図21を援用して、本実施形態の画素200の電位分布について説明する。図21(b−1)〜図21(b−7)において、FD拡張トランジスタFDextの部分が常時オン状態に設定されている構成が、FD拡張トランジスタFDextをFD拡張コンデンサCextに置換した構成に相当する。 The potential distribution of the pixel 200 of the present embodiment will be described with reference to FIG. 21. In FIGS. 21 (b-1) to 21 (b-7), the configuration in which the FD expansion transistor FDext portion is always set to the ON state corresponds to the configuration in which the FD expansion transistor FDext is replaced with the FD expansion capacitor Cext. To do.

FD拡張コンデンサCextに信号電荷が蓄積していない状態の電位(例えば、空乏電位)は、電源電圧Vddの電位よりも低く(すなわち、実際の電圧としては高く)設定されている。以上の電位が電源電圧Vddの電位よりも高く(すなわち、実際の電圧としては低く)設定されると、FD接続トランジスタTFDおよびリセットトランジスタRSがオン状態に設定されても、FD部を電源電圧Vddにリセットできないからである。 The potential (for example, the depletion potential) in the state where the signal charge is not accumulated in the FD expansion capacitor Cext is set lower than the potential of the power supply voltage Vdd (that is, higher as the actual voltage). When the above potential is set higher than the potential of the power supply voltage Vdd (that is, lower than the actual voltage), even if the FD connection transistor TFD and the reset transistor RS are set to the ON state, the power supply voltage Vdd of the FD unit is set. This is because it cannot be reset to.

図21(b−2)において、FD拡張コンデンサCextに信号電荷が蓄積していない状態の電位が電源電圧Vddの電位よりも低いので、FD部およびFD拡張コンデンサCextを電源電圧Vddにリセットすることができる。図21(b−3)および図21(b−4)においても、FD部およびFD拡張コンデンサCextがリセットされた電源電圧Vddに維持される。 In FIG. 21 (b-2), since the potential in the state where the signal charge is not accumulated in the FD expansion capacitor Cext is lower than the potential of the power supply voltage Vdd, the FD section and the FD expansion capacitor Cext are reset to the power supply voltage Vdd. Can be done. Also in FIGS. 21 (b-3) and 21 (b-4), the FD section and the FD expansion capacitor Cext are maintained at the reset power supply voltage Vdd.

したがって、上記した本実施形態の画素200の構成によれば、第4実施形態および第5実施形態と同様の動作、作用、および技術的効果を実現できる。 Therefore, according to the configuration of the pixel 200 of the present embodiment described above, the same operations, actions, and technical effects as those of the fourth and fifth embodiments can be realized.

さらに、基板に接地された容量であるFD拡張コンデンサCextの単位面積当たりの電荷蓄積容量は、低電圧化が進んでいるFD拡張トランジスタFDextの単位面積当たりの電荷蓄積容量より大きく構成することが容易に可能である。したがって、FD拡張コンデンサCextの面積を小さくし光電変換素子PDの面積を大きく取ることで、飽和・感度等の特性を改善することが可能である。一方、FD拡張コンデンサCextの面積を維持することで、HDR処理におけるダイナミックレンジの拡大倍率を大きく取ることが可能である。 Further, the charge storage capacity per unit area of the FD expansion capacitor Cext, which is the capacity grounded on the substrate, can be easily configured to be larger than the charge storage capacity per unit area of the FD expansion transistor FDext, which is becoming lower in voltage. Is possible. Therefore, by reducing the area of the FD expansion capacitor Cext and increasing the area of the photoelectric conversion element PD, it is possible to improve the characteristics such as saturation and sensitivity. On the other hand, by maintaining the area of the FD expansion capacitor Cext, it is possible to increase the magnification of the dynamic range in the HDR processing.

<その他の実施形態>
以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
<Other Embodiments>
Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and modifications can be made within the scope of the gist thereof.

12 撮像素子
200 画素
202 垂直走査部
203 列信号処理部
PD 光電変換素子(光電変換部)
CFD FD容量
TX 転送トランジスタ(転送スイッチ)
TFD FD接続トランジスタ(FD接続部)
FDext FD拡張トランジスタ(FD拡張部)
RS リセットトランジスタ(リセットスイッチ)
400 スイッチ回路
401 スイッチ回路
402 比較器
405 演算回路
VnL リセット信号
VnH リセット信号
Vsig 画素信号(VsL_low、VsL_high、VsH_low、VsH_high)
Vjd 判定電圧
G1 ランプ波
S&H サンプルホールド回路
12 Image sensor 200 pixels 202 Vertical scanning unit 203 Row signal processing unit PD photoelectric conversion element (photoelectric conversion unit)
CFD FD capacity TX transfer transistor (transfer switch)
TFD FD connection transistor (FD connection)
FDext FD expansion transistor (FD expansion part)
RS reset transistor (reset switch)
400 Switch circuit 401 Switch circuit 402 Comparator 405 Comparator circuit VnL reset signal VnH reset signal Vsig pixel signal (VsL_low, VsL_high, VsH_low, VsH_high)
Vjd judgment voltage G1 lamp wave S & H sample hold circuit

Claims (29)

光電変換部から転送された信号の電荷を電圧に変換するFD部と、前記FD部に接続され、オン状態に設定されることによって前記FD部の拡張容量として機能するFD拡張部と、を各々が備える行列状に配置された複数の画素と、
列方向に配置された複数の前記画素を各々が含む複数の画素列にそれぞれ共通して接続され、前記画素から供給される画素信号をそれぞれAD変換する複数の列信号処理部と、を備える撮像素子であって、
前記列信号処理部の各々は、
前記画素信号の画素電圧と判定電圧とを比較する比較器を備え、
前記画素電圧が前記判定電圧より小さい場合に、前記FD拡張部がオフ状態のときの前記画素信号である高ゲイン画素信号に対して第1AD変換を実行し、
前記画素電圧が前記判定電圧より大きい場合に、前記FD拡張部がオン状態のときの前記画素信号である低ゲイン画素信号に対して第2AD変換を実行し、
複数の前記列信号処理部は、
前記第1AD変換と前記第2AD変換とを並列的に開始する、ことを特徴とする撮像素子。
An FD unit that converts the charge of the signal transferred from the photoelectric conversion unit into a voltage, and an FD expansion unit that is connected to the FD unit and functions as an expansion capacity of the FD unit by being set to the ON state, respectively. With multiple pixels arranged in a matrix
An image pickup including a plurality of column signal processing units which are commonly connected to a plurality of pixel rows including each of the plurality of the pixels arranged in the column direction and AD-convert the pixel signals supplied from the pixels. It's an element
Each of the column signal processing units
A comparator for comparing the pixel voltage of the pixel signal with the determination voltage is provided.
When the pixel voltage is smaller than the determination voltage, the first AD conversion is executed on the high gain pixel signal which is the pixel signal when the FD extension unit is in the off state.
When the pixel voltage is larger than the determination voltage, the second AD conversion is executed on the low gain pixel signal which is the pixel signal when the FD extension unit is on.
The plurality of the column signal processing units
An image pickup device characterized in that the first AD conversion and the second AD conversion are started in parallel.
複数の前記列信号処理部において前記第1AD変換と前記第2AD変換とが同時に開始される、ことを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。 The image pickup device according to claim 1, wherein the first AD conversion and the second AD conversion are started at the same time in the plurality of column signal processing units. 前記列信号処理部の各々は、
前記比較器に入力された前記画素電圧が前記判定電圧より大きい場合に当該画素電圧を保持するサンプルホールド回路をさらに備える、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の撮像素子。
Each of the column signal processing units
The image pickup device according to claim 1 or 2, further comprising a sample hold circuit that holds the pixel voltage when the pixel voltage input to the comparator is larger than the determination voltage.
光電変換部から転送された信号の電荷を電圧に変換するFD部と、前記FD部に接続され、オン状態に設定されることによって前記FD部の拡張容量として機能するFD拡張部と、を各々が備える行列状に配置された複数の画素と、
行方向に配置された複数の前記画素を各々が含む複数の画素行に共通して接続され、前記画素の動作を制御する垂直走査部と、を備える撮像素子であって、
前記垂直走査部は、
前記FD拡張部のオン状態とオフ状態とを切り替えることが可能であり、
前記FD拡張部がオフ状態である前記画素から高ゲイン画素信号を読み出す第1読出し動作と、前記FD拡張部がオン状態である前記画素から低ゲイン画素信号を読み出す第2読出し動作とを実行する、ことを特徴とする撮像素子。
An FD unit that converts the charge of the signal transferred from the photoelectric conversion unit into a voltage, and an FD expansion unit that is connected to the FD unit and functions as an expansion capacity of the FD unit by being set to the ON state, respectively. With multiple pixels arranged in a matrix
An image sensor including a vertical scanning unit that is commonly connected to a plurality of pixel rows including each of the plurality of pixels arranged in the row direction and controls the operation of the pixels.
The vertical scanning unit is
It is possible to switch between the on state and the off state of the FD expansion unit.
A first read operation for reading a high gain pixel signal from the pixel in which the FD expansion unit is off and a second read operation for reading a low gain pixel signal from the pixel in which the FD expansion unit is on are executed. An image sensor characterized by that.
前記垂直走査部は、前記FD部をリセットしてから前記第1読出し動作を実行し、当該第1読出し動作の後に前記第2読出し動作を実行する、ことを特徴とする請求項4に記載の撮像素子。 The fourth aspect of claim 4, wherein the vertical scanning unit executes the first read operation after resetting the FD unit, and executes the second read operation after the first read operation. Image sensor. 前記画素の各々は、前記光電変換部から前記FD部への前記信号の転送を制御する転送スイッチをさらに備え、
前記垂直走査部は、前記FD部へ前記信号を転送してから前記第2読出し動作を実行し、当該第2読出し動作の後に前記第1読出し動作を実行する、ことを特徴とする請求項4または請求項5に記載の撮像素子。
Each of the pixels further comprises a transfer switch that controls the transfer of the signal from the photoelectric conversion unit to the FD unit.
4. The vertical scanning unit is characterized in that the signal is transferred to the FD unit and then the second read operation is executed, and the first read operation is executed after the second read operation. Alternatively, the image pickup device according to claim 5.
1列に配置された複数の前記画素を含む複数の画素列にそれぞれ共通して接続され、前記画素から供給される画素信号をそれぞれAD変換する複数の列信号処理部をさらに備え、
前記列信号処理部の各々は、前記画素信号の画素電圧と判定電圧とを比較する比較器を備え、
前記転送スイッチによって前記FD部へ前記信号が転送されてから実行された前記第2読出し動作の後に前記第2読出し動作によって読み出された前記低ゲイン画素信号に対する前記比較器の比較結果に基づいて、前記第1読出し動作によって読み出された前記高ゲイン画素信号と前記第2読出し動作によって読み出された前記低ゲイン画素信号とのいずれを保持するかが選択される、ことを特徴とする請求項6に記載の撮像素子。
Further, a plurality of column signal processing units are further provided, which are commonly connected to a plurality of pixel rows including the plurality of the pixels arranged in one row and AD-convert the pixel signals supplied from the pixels.
Each of the column signal processing units includes a comparator that compares the pixel voltage of the pixel signal with the determination voltage.
Based on the comparison result of the comparator with respect to the low gain pixel signal read by the second read operation after the second read operation executed after the signal is transferred to the FD unit by the transfer switch. , The high gain pixel signal read by the first read operation and the low gain pixel signal read by the second read operation are selected. Item 6. The image pickup device according to Item 6.
前記列信号処理部の各々は、
前記画素電圧が前記判定電圧より小さい場合に、前記FD拡張部がオフ状態のときの前記高ゲイン画素信号に対して第1AD変換を実行し、
前記画素電圧が前記判定電圧より大きい場合に、前記FD拡張部がオン状態のときの前記低ゲイン画素信号に対して第2AD変換を実行する、請求項7に記載の撮像素子。
Each of the column signal processing units
When the pixel voltage is smaller than the determination voltage, the first AD conversion is executed for the high gain pixel signal when the FD extension unit is in the off state.
The image pickup device according to claim 7, wherein when the pixel voltage is larger than the determination voltage, the second AD conversion is executed for the low gain pixel signal when the FD extension unit is in the ON state.
前記第1AD変換の結果および前記第2AD変換の結果に基づいてHDR処理が実行される、ことを特徴とする請求項8に記載の撮像素子。 The image pickup device according to claim 8, wherein the HDR process is executed based on the result of the first AD conversion and the result of the second AD conversion. 前記第1AD変換と前記第2AD変換との双方において変化率が略等しいランプ波の電圧が前記判定電圧として用いられる、ことを特徴とする請求項1または請求項8に記載の撮像素子。 The image pickup device according to claim 1 or 8, wherein the voltage of the lamp wave having substantially the same rate of change in both the first AD conversion and the second AD conversion is used as the determination voltage. 前記FD拡張部がオン状態のときの前記低ゲイン画素信号が前記画素から前記列信号処理部に供給された後に、前記FD拡張部がオン状態からオフ状態に切り替えられた後の前記高ゲイン画素信号が前記画素から前記列信号処理部に供給される、ことを特徴とする請求項1から請求項3または請求項7から請求項10のいずれか1項に記載の撮像素子。 The high gain pixel after the low gain pixel signal when the FD expansion unit is on is supplied from the pixel to the column signal processing unit and then the FD expansion unit is switched from the on state to the off state. The image pickup device according to any one of claims 1 to 3 or 7 to 10, wherein a signal is supplied from the pixel to the column signal processing unit. 前記FD部がリセットされた後、前記FD拡張部がオフ状態のときの高ゲインリセット信号が前記画素から前記列信号処理部に供給される、ことを特徴とする請求項1から請求項3または請求項7から請求項11のいずれか1項に記載の撮像素子。 Claims 1 to 3 or the like, wherein a high gain reset signal when the FD extension unit is in the off state is supplied from the pixel to the column signal processing unit after the FD unit is reset. The image pickup device according to any one of claims 7 to 11. 前記FD拡張部がオフ状態のときの前記高ゲインリセット信号が前記列信号処理部に供給された後、前記FD拡張部がオフ状態からオン状態に切り替えられた後の低ゲインリセット信号が前記画素から前記列信号処理部に供給される、ことを特徴とする請求項12に記載の撮像素子。 After the high gain reset signal when the FD expansion unit is in the off state is supplied to the column signal processing unit, the low gain reset signal after the FD expansion unit is switched from the off state to the on state is the pixel. The image pickup device according to claim 12, wherein the image pickup device is supplied to the row signal processing unit. 前記FD拡張部は、前記FD部と、前記FD部をリセットするリセットスイッチとの間に配置される、ことを特徴とする請求項1から請求項13のいずれか1項に記載の撮像素子。 The image pickup device according to any one of claims 1 to 13, wherein the FD extension unit is arranged between the FD unit and a reset switch for resetting the FD unit. 前記FD拡張部は、前記光電変換部と前記FD部との間に配置される、ことを特徴とする請求項1から請求項13のいずれか1項に記載の撮像素子。 The image pickup device according to any one of claims 1 to 13, wherein the FD extension unit is arranged between the photoelectric conversion unit and the FD unit. 光電変換部から転送された信号の電荷を電圧に変換するFD部と、前記FD部に容量として接続するFD接続部およびFD拡張部と、を各々が備える行列状に配置された複数の画素と、
行方向に配置された複数の前記画素を各々が含む複数の画素行に共通して接続され、前記画素の動作を制御する垂直走査部と、を備える撮像素子であって、
前記垂直走査部は、
前記FD接続部のオン状態とオフ状態とを切り替えることが可能であり、
前記FD接続部がオフ状態である前記画素から高ゲイン画素信号を読み出す第1読出し動作と、前記FD接続部がオン状態である前記画素から低ゲイン画素信号を読み出す第2読出し動作とを実行する、ことを特徴とする撮像素子。
A plurality of pixels arranged in a matrix each including an FD unit that converts the charge of the signal transferred from the photoelectric conversion unit into a voltage, and an FD connection unit and an FD extension unit that are connected to the FD unit as a capacitance. ,
An image sensor including a vertical scanning unit that is commonly connected to a plurality of pixel rows including each of the plurality of pixels arranged in the row direction and controls the operation of the pixels.
The vertical scanning unit is
It is possible to switch between the on state and the off state of the FD connection portion.
A first read operation for reading a high gain pixel signal from the pixel in which the FD connection portion is off and a second read operation for reading a low gain pixel signal from the pixel in which the FD connection portion is on are executed. An image sensor characterized by that.
前記垂直走査部は、前記FD部をリセットしてから前記第2読出し動作を実行し、当該第2読出し動作の後に前記第1読出し動作を実行する、ことを特徴とする請求項16に記載の撮像素子。 16. The 16th aspect of the present invention, wherein the vertical scanning unit executes the second read operation after resetting the FD unit, and executes the first read operation after the second read operation. Image sensor. 前記画素の各々は、前記光電変換部から前記FD部への前記信号の転送を制御する転送スイッチをさらに備え、
前記垂直走査部は、前記FD部へ前記信号を転送してから前記第1読出し動作を実行し、当該第1読出し動作の後に前記第2読出し動作を実行する、ことを特徴とする請求項16または請求項17に記載の撮像素子。
Each of the pixels further comprises a transfer switch that controls the transfer of the signal from the photoelectric conversion unit to the FD unit.
16. The vertical scanning unit is characterized in that the signal is transferred to the FD unit and then the first read operation is executed, and the second read operation is executed after the first read operation. Alternatively, the image pickup device according to claim 17.
1列に配置された複数の前記画素を含む複数の画素列にそれぞれ共通して接続され、前記画素から供給される画素信号をそれぞれAD変換する複数の列信号処理部をさらに備え、
前記列信号処理部の各々は、前記画素信号の画素電圧と判定電圧とを比較する比較器を備え、
前記転送スイッチによって前記FD部へ前記信号が転送されてから実行された前記第1読出し動作の後に前記第1読出し動作によって読み出された前記高ゲイン画素信号に対する前記比較器の比較結果に基づいて、前記第2読出し動作によって読み出された前記低ゲイン画素信号と前記第1読出し動作によって読み出された前記高ゲイン画素信号とのいずれを保持するかが選択される、ことを特徴とする請求項18に記載の撮像素子。
Further, a plurality of column signal processing units are further provided, which are commonly connected to a plurality of pixel rows including the plurality of the pixels arranged in one row and AD-convert the pixel signals supplied from the pixels.
Each of the column signal processing units includes a comparator that compares the pixel voltage of the pixel signal with the determination voltage.
Based on the comparison result of the comparator with respect to the high gain pixel signal read by the first read operation after the first read operation executed after the signal is transferred to the FD unit by the transfer switch. The claim is characterized in that it is selected whether to hold the low gain pixel signal read by the second read operation or the high gain pixel signal read by the first read operation. Item 18. The image pickup device according to Item 18.
光電変換部から転送された信号の電荷を電圧に変換するFD部と、前記FD部に容量として接続するFD接続部およびFD拡張部と、を各々が備える行列状に配置された複数の画素と、
列方向に配置された複数の前記画素を各々が含む複数の画素列にそれぞれ共通して接続され、前記画素から供給される画素信号をそれぞれAD変換する複数の列信号処理部と、を備える撮像素子であって、
前記列信号処理部の各々は、
前記画素信号の画素電圧と判定電圧とを比較する比較器を備え、
前記画素電圧が前記判定電圧より小さい場合に、前記FD接続部がオフ状態のときの前記画素信号である高ゲイン画素信号に対して第1AD変換を実行し、
前記画素電圧が前記判定電圧より大きい場合に、前記FD接続部がオン状態のときの前記画素信号である低ゲイン画素信号に対して第2AD変換を実行し、
複数の前記列信号処理部は、
前記第1AD変換と前記第2AD変換とを並列的に開始する、ことを特徴とする撮像素子。
A plurality of pixels arranged in a matrix, each of which includes an FD unit that converts the charge of a signal transferred from the photoelectric conversion unit into a voltage, and an FD connection unit and an FD extension unit that are connected to the FD unit as a capacitance. ,
An image pickup including a plurality of column signal processing units which are commonly connected to a plurality of pixel rows including each of the plurality of the pixels arranged in the column direction and AD-convert the pixel signals supplied from the pixels. It's an element
Each of the column signal processing units
A comparator for comparing the pixel voltage of the pixel signal with the determination voltage is provided.
When the pixel voltage is smaller than the determination voltage, the first AD conversion is executed on the high gain pixel signal which is the pixel signal when the FD connection portion is in the off state.
When the pixel voltage is larger than the determination voltage, the second AD conversion is executed on the low gain pixel signal which is the pixel signal when the FD connection portion is in the ON state.
The plurality of the column signal processing units
An image pickup device characterized in that the first AD conversion and the second AD conversion are started in parallel.
複数の前記列信号処理部において前記第1AD変換と前記第2AD変換とが同時に開始される、ことを特徴とする請求項20に記載の撮像素子。 The image pickup device according to claim 20, wherein the first AD conversion and the second AD conversion are started at the same time in the plurality of column signal processing units. 前記列信号処理部の各々は、
前記比較器に入力された前記画素電圧が前記判定電圧より小さい場合に当該画素電圧を保持するサンプルホールド回路をさらに備える、ことを特徴とする請求項20または請求項21に記載の撮像素子。
Each of the column signal processing units
The image pickup device according to claim 20 or 21, further comprising a sample hold circuit that holds the pixel voltage when the pixel voltage input to the comparator is smaller than the determination voltage.
前記第1AD変換と前記第2AD変換との双方において変化率が略等しいランプ波の電圧が前記判定電圧として用いられる、ことを特徴とする請求項20から請求項22のいずれか1項に記載の撮像素子。 The invention according to any one of claims 20 to 22, wherein the voltage of the lamp wave having substantially the same rate of change in both the first AD conversion and the second AD conversion is used as the determination voltage. Image sensor. 前記FD接続部は、前記FD部と前記FD拡張部との間に配置される、ことを特徴とする請求項16から請求項23のいずれか1項に記載の撮像素子。 The image pickup device according to any one of claims 16 to 23, wherein the FD connection portion is arranged between the FD portion and the FD extension portion. 請求項1から請求項24のいずれか1項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子の動作を制御する同期制御部と、
前記撮像素子から供給された画素信号に対して信号処理を施す信号処理部と、を備えることを特徴とする撮像装置。
The image sensor according to any one of claims 1 to 24,
A synchronous control unit that controls the operation of the image sensor,
An image pickup apparatus including a signal processing unit that performs signal processing on a pixel signal supplied from the image pickup device.
光電変換部から転送された信号の電荷を電圧に変換するFD部と、前記FD部に接続され、オン状態に設定されることによって前記FD部の拡張容量として機能するFD拡張部と、を各々が備える行列状に配置された複数の画素と、
列方向に配置された複数の前記画素を各々が含む複数の画素列にそれぞれ共通して接続され、前記画素から供給される画素信号をそれぞれAD変換する複数の列信号処理部と、を備える撮像素子の制御方法であって、
前記画素信号の画素電圧が判定電圧より小さい場合に、前記FD拡張部がオフ状態のときの前記画素信号である高ゲイン画素信号に対して第1AD変換を実行することと、
前記画素電圧が前記判定電圧より大きい場合に、前記FD拡張部がオン状態のときの前記画素信号である低ゲイン画素信号に対して第2AD変換を実行することと、を備え、
前記第1AD変換と前記第2AD変換とが並列的に開始されることを特徴とする制御方法。
An FD unit that converts the charge of the signal transferred from the photoelectric conversion unit into a voltage, and an FD expansion unit that is connected to the FD unit and functions as an expansion capacity of the FD unit by being set to the ON state, respectively. With multiple pixels arranged in a matrix
An image pickup including a plurality of column signal processing units which are commonly connected to a plurality of pixel rows including each of the plurality of the pixels arranged in the column direction and AD-convert the pixel signals supplied from the pixels. It is a control method of the element
When the pixel voltage of the pixel signal is smaller than the determination voltage, the first AD conversion is executed for the high gain pixel signal which is the pixel signal when the FD extension unit is in the off state.
When the pixel voltage is larger than the determination voltage, the second AD conversion is executed for the low gain pixel signal which is the pixel signal when the FD extension unit is on.
A control method characterized in that the first AD conversion and the second AD conversion are started in parallel.
光電変換部から転送された信号の電荷を電圧に変換するFD部と、前記FD部に接続され、オン状態に設定されることによって前記FD部の拡張容量として機能するFD拡張部と、を各々が備える行列状に配置された複数の画素と、
行方向に配置された複数の前記画素を各々が含む複数の画素行に共通して接続され、前記画素の動作を制御する垂直走査部と、を備える撮像素子の制御方法であって、
前記FD拡張部のオン状態とオフ状態とを切り替えることと、
前記FD拡張部がオフ状態である前記画素から高ゲイン画素信号を読み出す第1読出し動作と、前記FD拡張部がオン状態である前記画素から低ゲイン画素信号を読み出す第2読出し動作とを実行することと、を備えることを特徴とする制御方法。
An FD unit that converts the charge of the signal transferred from the photoelectric conversion unit into a voltage, and an FD expansion unit that is connected to the FD unit and functions as an expansion capacity of the FD unit by being set to the ON state, respectively. With multiple pixels arranged in a matrix
A method for controlling an image sensor, which includes a vertical scanning unit that is commonly connected to a plurality of pixel rows including a plurality of the pixels arranged in the row direction and controls the operation of the pixels.
Switching between the on state and the off state of the FD expansion unit
A first read operation for reading a high gain pixel signal from the pixel in which the FD expansion unit is off and a second read operation for reading a low gain pixel signal from the pixel in which the FD expansion unit is on are executed. A control method characterized by having a thing and.
光電変換部から転送された信号の電荷を電圧に変換するFD部と、前記FD部に容量として接続するFD接続部およびFD拡張部と、を各々が備える行列状に配置された複数の画素と、
行方向に配置された複数の前記画素を各々が含む複数の画素行に共通して接続され、前記画素の動作を制御する垂直走査部と、を備える撮像素子の制御方法であって、
前記FD接続部のオン状態とオフ状態とを切り替えることと、
前記FD接続部がオフ状態である前記画素から高ゲイン画素信号を読み出す第1読出し動作と、前記FD接続部がオン状態である前記画素から低ゲイン画素信号を読み出す第2読出し動作とを実行することと、を備えることを特徴とする制御方法。
A plurality of pixels arranged in a matrix each including an FD unit that converts the charge of the signal transferred from the photoelectric conversion unit into a voltage, and an FD connection unit and an FD extension unit that are connected to the FD unit as a capacitance. ,
A method for controlling an image sensor, which includes a vertical scanning unit that is commonly connected to a plurality of pixel rows including a plurality of the pixels arranged in the row direction and controls the operation of the pixels.
Switching between the on state and the off state of the FD connection part
A first read operation for reading a high gain pixel signal from the pixel in which the FD connection portion is off and a second read operation for reading a low gain pixel signal from the pixel in which the FD connection portion is on are executed. A control method characterized by having a thing and.
光電変換部から転送された信号の電荷を電圧に変換するFD部と、前記FD部に容量として接続するFD接続部およびFD拡張部と、を各々が備える行列状に配置された複数の画素と、
列方向に配置された複数の前記画素を各々が含む複数の画素列にそれぞれ共通して接続され、前記画素から供給される画素信号をそれぞれAD変換する複数の列信号処理部と、を備える撮像素子の制御方法であって、
前記画素信号の画素電圧が判定電圧より小さい場合に、前記FD接続部がオフ状態のときの前記画素信号である高ゲイン画素信号に対して第1AD変換を実行することと、
前記画素電圧が前記判定電圧より大きい場合に、前記FD接続部がオン状態のときの前記画素信号である低ゲイン画素信号に対して第2AD変換を実行することと、を備え、
前記第1AD変換と前記第2AD変換とが並列的に開始されることを特徴とする制御方法。
A plurality of pixels arranged in a matrix each including an FD unit that converts the charge of the signal transferred from the photoelectric conversion unit into a voltage, and an FD connection unit and an FD extension unit that are connected to the FD unit as a capacitance. ,
An image pickup including a plurality of column signal processing units which are commonly connected to a plurality of pixel rows including each of the plurality of the pixels arranged in the column direction and AD-convert the pixel signals supplied from the pixels. It is a control method of the element
When the pixel voltage of the pixel signal is smaller than the determination voltage, the first AD conversion is executed for the high gain pixel signal which is the pixel signal when the FD connection portion is in the off state.
When the pixel voltage is larger than the determination voltage, the second AD conversion is executed for the low gain pixel signal which is the pixel signal when the FD connection portion is on.
A control method characterized in that the first AD conversion and the second AD conversion are started in parallel.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024009343A1 (en) * 2022-07-04 2024-01-11 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 Optical detection device
WO2024070285A1 (en) * 2022-09-30 2024-04-04 キヤノン株式会社 Imaging device, imaging element control method, and electronic apparatus

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2024009343A1 (en) * 2022-07-04 2024-01-11 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 Optical detection device
WO2024070285A1 (en) * 2022-09-30 2024-04-04 キヤノン株式会社 Imaging device, imaging element control method, and electronic apparatus

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