JP2022029322A - Imaging element and signal processing circuit thereof - Google Patents

Imaging element and signal processing circuit thereof Download PDF

Info

Publication number
JP2022029322A
JP2022029322A JP2020132610A JP2020132610A JP2022029322A JP 2022029322 A JP2022029322 A JP 2022029322A JP 2020132610 A JP2020132610 A JP 2020132610A JP 2020132610 A JP2020132610 A JP 2020132610A JP 2022029322 A JP2022029322 A JP 2022029322A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
voltage
circuit
photoelectric conversion
signal processing
output
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2020132610A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
正英 後藤
Masahide Goto
成亨 為村
Shigeaki Tamemura
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Broadcasting Corp
Original Assignee
Nippon Hoso Kyokai NHK
Japan Broadcasting Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Hoso Kyokai NHK, Japan Broadcasting Corp filed Critical Nippon Hoso Kyokai NHK
Priority to JP2020132610A priority Critical patent/JP2022029322A/en
Publication of JP2022029322A publication Critical patent/JP2022029322A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

To provide an imaging element and a signal processing circuit thereof which can prevent a change in the light receiving sensitivity of a photoelectric conversion film regardless of the generation of a signal charge.SOLUTION: A signal processing circuit of an imaging element provided with a photoelectric conversion film 10 whose light receiving sensitivity changes depending on an applied electric field includes a voltage detection node 13 that is connected to the photoelectric conversion film 10 and generates a voltage corresponding to the amount of charge generated by the photoelectric conversion film 10, an output conversion circuit 40 that outputs a photoelectric conversion signal for each pixel on the basis of the voltage of the voltage detection node 13, and a voltage adjustment circuit 51 that adjusts the applied voltage of the photoelectric conversion film 10 such that the applied electric field becomes constant on the basis of the voltage of the voltage detection node 13.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、撮像素子及びその信号処理回路に関し、特に、光電変換膜積層型の撮像素子とその信号処理回路に関する。 The present invention relates to an image pickup device and its signal processing circuit, and more particularly to a photoelectric conversion film laminated type image pickup device and its signal processing circuit.

近年、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサなどの固体撮像素子に無機や有機の光電変換膜を積層する撮像素子が提案されている。光電変換膜積層型撮像素子は、膜材料の選択により、感度の向上やダイナミックレンジの拡大が可能になる特徴がある。また、光電変換膜に電圧を印加することにより、高性能・多機能な素子が提案されている。 In recent years, an image pickup device in which an inorganic or organic photoelectric conversion film is laminated on a solid-state image pickup device such as a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor has been proposed. The photoelectric conversion film laminated image sensor has a feature that the sensitivity can be improved and the dynamic range can be expanded by selecting the film material. Further, a high-performance and multifunctional element has been proposed by applying a voltage to a photoelectric conversion film.

特許文献1の撮像素子は、膜の印加電圧の変更により一時的に感度を0にして、グローバルシャッタ動作を可能としている。また、多重露光の際に、露光ごとに膜の印加電圧を変化させて、受光感度を変えることを提案している。特許文献2の撮像素子は、画素電極の周囲に補助電極を配置し、この補助電極に信号電荷の一部を収集することで、画素電極に入る信号を調整することができる。 The image pickup device of Patent Document 1 temporarily sets the sensitivity to 0 by changing the applied voltage of the film, and enables the global shutter operation. It is also proposed to change the light receiving sensitivity by changing the applied voltage of the film for each exposure during multiple exposure. In the image pickup device of Patent Document 2, an auxiliary electrode is arranged around the pixel electrode, and a part of the signal charge is collected on the auxiliary electrode, whereby the signal entering the pixel electrode can be adjusted.

本発明者らは、アバランシェ増倍が可能な結晶セレン膜の研究を行っており(非特許文献1)、この膜を固体撮像素子に積層し、光電変換して発生した電荷を増倍させることで、感度の向上を実現している。この光電変換膜により、画像の高精細化のために撮像素子の画素が微細になり(例えば、3μm角以下)、シリコンのフォトダイオードで検出できる信号が不足する問題を解決することができる。 The present inventors are studying a crystalline selenium film capable of multiplying an avalanche (Non-Patent Document 1), and this film is laminated on a solid-state image sensor to multiply the charge generated by photomultiplier tube conversion. The sensitivity has been improved. With this photoelectric conversion film, it is possible to solve the problem that the pixels of the image pickup device become finer (for example, 3 μm square or less) in order to improve the definition of the image, and the signal that can be detected by the silicon photodiode is insufficient.

図13に、従来の光電変換膜積層型撮像素子の信号処理回路(信号読み出し回路)の例を示す。各画素は、光電変換膜10を有する光電変換部と、フローティングディフュージョン(FD)13と、リセットトランジスタ(TRST)20と、出力トランジスタ30と、選択トランジスタ32とを備えている。光電変換膜10は、上面に透明導電膜で形成された電圧VFを印加するための電圧印加電極11と、フローティングディフュージョン(FD)13に接続する光電荷収集電極12を有する。 FIG. 13 shows an example of a signal processing circuit (signal readout circuit) of a conventional photoelectric conversion film laminated image sensor. Each pixel includes a photoelectric conversion unit having a photoelectric conversion film 10, a floating diffusion (FD) 13, a reset transistor (T RST ) 20, an output transistor 30, and a selection transistor 32. The photoelectric conversion film 10 has a voltage application electrode 11 for applying a voltage V F formed of a transparent conductive film on the upper surface thereof, and a light charge collection electrode 12 connected to a floating diffusion (FD) 13.

光電変換された電荷の蓄積によりフローティングディフュージョン(FD)13の電圧検出ノード14の電位VFDが変化する。この電圧検出ノード14は、出力トランジスタ30のゲートに接続されており、出力トランジスタ30はソースフォロア回路SFを構成している。行選択線31により選択トランジスタ32が選択されると、画素の出力(光電変換信号)は定電流源34を有する垂直信号線33に読み出され、出力変換回路40(雑音除去回路41及びA/D変換回路42)でA/D(アナログ/デジタル)変換して読み出される。 The potential V FD of the voltage detection node 14 of the floating diffusion (FD) 13 changes due to the accumulation of photoelectrically converted charges. The voltage detection node 14 is connected to the gate of the output transistor 30, and the output transistor 30 constitutes a source follower circuit SF. When the selection transistor 32 is selected by the row selection line 31, the output of the pixel (photoelectric conversion signal) is read out to the vertical signal line 33 having the constant current source 34, and the output conversion circuit 40 (noise removal circuit 41 and A /). It is read by A / D (analog / digital) conversion by the D conversion circuit 42).

特許第6202512号公報Japanese Patent No. 6202512 特開2016-86407号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-86407 特開2017-55321号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-55321 特開2018-19353号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-19353

S. Imura et al.,“High Sensitivity Image Sensor Overlaid with Thin-Film Crystalline-Selenium-based Heterojunction Photodiode”, IEDM 2014, 4.3, (2014)S. Imura et al., “High Sensitivity Image Sensor Overlaid with Thin-Film Crystalline-Selenium-based Heterojunction Photodiode”, IEDM 2014, 4.3, (2014) 日浦慎作、「符号化撮像によるぶれ・ぼけの除去」、光学、(2011年)、40巻10号、pp.522-527Shinsaku Hiura, "Removal of Blurring and Blurring by Coded Imaging", Optics, (2011), Vol. 40, No. 10, pp. 522-527

光電変換膜10は、印加される電界(膜内電界)によって膜内で発生する信号電荷(電子又は正孔)量が変化する。アバランシェ増倍を行う結晶セレン膜の場合、印加電界によって、電荷の増倍率が変わる。ここで、印加電界は、膜に印加する電源の電圧(VF)と、固体撮像素子側の電圧検出ノード14(フローティングディフュージョン:FD)の電圧(VFD)の差に基づいて決定される。ところが、FDの電圧は信号電荷が蓄積されるにつれて変化するため、これによって印加電界が変化し、増倍率すなわち受光感度が変化してしまうという問題があった。 In the photoelectric conversion film 10, the amount of signal charge (electrons or holes) generated in the film changes depending on the applied electric field (intra-film electric field). In the case of a crystalline selenium film that multiplies an avalanche, the charge multiplication factor changes depending on the applied electric field. Here, the applied electric field is determined based on the difference between the voltage of the power supply applied to the film (VF) and the voltage (VF) of the voltage detection node 14 (floating diffusion : FD ) on the solid-state image sensor side. However, since the voltage of the FD changes as the signal charge is accumulated, there is a problem that the applied electric field changes due to this, and the multiplication factor, that is, the light receiving sensitivity changes.

図14は、従来技術による信号電荷の蓄積による印加電界の変化を説明する図である。図14(a)に示すように、1フレーム期間Tの最初は、出力トランジスタ30の入力電圧VS(=VFD)がVS0であったものとする。VS0はVFD=VRSTの時のVSの値である。信号電荷が電子の場合を考えると、光入射によって信号電荷がFDに蓄積するにつれて、VFDの値が小さくなるため、VSの値も小さくなる。1フレーム期間Tの終わりにはVSがVS1になるとする。このとき、図14(b)のように膜印加電圧VF=VF0で一定とすると、図14(c)に示すように、印加電界EFが電荷蓄積とともに低下してしまい、フレーム期間の中で受光感度が低下してしまうことが分かる。 FIG. 14 is a diagram illustrating a change in the applied electric field due to the accumulation of signal charges by the prior art. As shown in FIG. 14A, it is assumed that the input voltage V S (= V FD ) of the output transistor 30 is V S 0 at the beginning of the one frame period T. V S 0 is the value of V S when V FD = V RST . Considering the case where the signal charge is an electron, the value of V FD becomes smaller as the signal charge is accumulated in the FD due to the incident of light, so that the value of VS also becomes smaller. It is assumed that V S becomes V S 1 at the end of one frame period T. At this time, if the film applied voltage V F = V F 0 is constant as shown in FIG. 14 (b), the applied electric field E F decreases with charge accumulation as shown in FIG. 14 (c), and the frame period It can be seen that the light receiving sensitivity is lowered.

特許文献1,2の撮像素子は感度を低減することが目的であり、信号電荷の発生による感度の変化を防ぐことはできない。 The purpose of the image pickup devices of Patent Documents 1 and 2 is to reduce the sensitivity, and it is not possible to prevent the change in sensitivity due to the generation of signal charge.

したがって、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、印加電界によって受光感度が変化する光電変換膜を用いた撮像素子において、信号電荷の発生に関わらず、光電変換膜の受光感度の変化を防ぐことができる、撮像素子及びその信号処理回路を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention made in view of the above problems is to receive light received by the photoelectric conversion film regardless of the generation of signal charge in an image pickup device using a photoelectric conversion film whose light receiving sensitivity changes depending on an applied electric field. It is an object of the present invention to provide an image pickup device and a signal processing circuit thereof that can prevent a change in sensitivity.

上記課題を解決するために本発明に係る信号処理回路は、印加電界により受光感度が変化する光電変換膜を備えた撮像素子の信号処理回路であって、前記光電変換膜に接続され、前記光電変換膜で生成した電荷量に対応する電圧を生じる電圧検出ノードと、前記電圧検出ノードの電圧に基づいて、各画素の光電変換信号を出力する出力回路と、前記電圧検出ノードの電圧に基づいて、前記印加電界が一定となるように、前記光電変換膜の印加電圧を調整する電圧調整回路とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the signal processing circuit according to the present invention is a signal processing circuit of an image pickup element provided with a photoelectric conversion film whose light receiving sensitivity changes depending on an applied electric voltage, and is connected to the photoelectric conversion film and is connected to the photoelectric conversion film. Based on the voltage detection node that generates the voltage corresponding to the amount of charge generated by the conversion film, the output circuit that outputs the photoelectric conversion signal of each pixel based on the voltage of the voltage detection node, and the voltage of the voltage detection node. It is characterized by including a voltage adjusting circuit for adjusting the applied voltage of the photoelectric conversion film so that the applied electric field becomes constant.

また、前記信号処理回路は、前記出力回路が、出力トランジスタ及びアンプの少なくとも一方を備えることが望ましい。 Further, in the signal processing circuit, it is desirable that the output circuit includes at least one of an output transistor and an amplifier.

また、前記信号処理回路は、前記出力回路が、前記電圧検出ノードの電圧が入力されるインバータ回路と、前記インバータ回路の出力に基づいて前記電圧検出ノードの電圧をリセット電圧とするリセット手段と、前記インバータ回路の出力するパルスをカウントするカウンタ回路とを備えることが望ましい。 Further, the signal processing circuit includes an inverter circuit in which the output circuit inputs the voltage of the voltage detection node, and a reset means in which the voltage of the voltage detection node is set as a reset voltage based on the output of the inverter circuit. It is desirable to include a counter circuit that counts the pulse output by the inverter circuit.

また、前記信号処理回路は、前記カウンタ回路のビット数に対応するメモリと、前記カウンタ回路と前記メモリとを接続するカウンタ出力スイッチとを更に備えることが望ましい。 Further, it is desirable that the signal processing circuit further includes a memory corresponding to the number of bits of the counter circuit and a counter output switch connecting the counter circuit and the memory.

また、前記信号処理回路は、前記電圧調整回路が、前記印加電圧を符号化パターンで生成し、符号化露光をすることが望ましい。 Further, in the signal processing circuit, it is desirable that the voltage adjusting circuit generates the applied voltage in a coded pattern and performs coded exposure.

上記課題を解決するために本発明に係る撮像素子は、印加電界により受光感度が変化する光電変換膜と、前記信号処理回路とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the image pickup device according to the present invention is characterized by comprising a photoelectric conversion film whose light receiving sensitivity changes depending on an applied electric field and the signal processing circuit.

また、前記撮像素子は、前記光電変換膜が、アバランシェ増倍が可能な光電変換膜であることが望ましい。 Further, it is desirable that the photoelectric conversion film of the image pickup element is a photoelectric conversion film capable of multiplying the avalanche.

また、前記撮像素子は、前記印加電圧を、複数画素を含む画素ブロックごとに設定することが望ましい。 Further, it is desirable that the image pickup device sets the applied voltage for each pixel block including a plurality of pixels.

また、前記撮像素子は、前記光電変換膜を前記信号処理回路上に積層するとともに、前記信号処理回路を構成する構成要素を異なる層に設けて3次元構造としたことが望ましい。 Further, it is desirable that the image pickup device has a three-dimensional structure in which the photoelectric conversion film is laminated on the signal processing circuit and the components constituting the signal processing circuit are provided in different layers.

本発明における撮像素子及びその信号処理回路によれば、印加電界によって受光感度が変化する光電変換膜を用いた撮像素子において、信号電荷の発生に関わらず、光電変換膜の受光感度の変化を防ぐことができる。 According to the image pickup device and the signal processing circuit thereof in the present invention, in the image pickup device using the photoelectric conversion film whose light receiving sensitivity changes depending on the applied electric field, the change in the light receiving sensitivity of the photoelectric conversion film is prevented regardless of the generation of signal charge. be able to.

第1の実施形態の信号処理回路及び撮像素子の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the signal processing circuit and the image pickup element of 1st Embodiment. 光電変換部の構成と動作のイメージ図である。It is an image diagram of the structure and operation of a photoelectric conversion part. 光電変換膜の電極構造の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the electrode structure of a photoelectric conversion film. 第1の実施形態において、電圧調整を行う場合の各電圧等の変化を示す図である。In the first embodiment, it is a figure which shows the change of each voltage and the like at the time of performing voltage adjustment. 第2の実施形態の信号処理回路及び撮像素子の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the signal processing circuit and the image pickup element of 2nd Embodiment. 第2の実施形態において、電圧調整を行う場合の各電圧等の変化を示す図である。In the second embodiment, it is a figure which shows the change of each voltage and the like at the time of performing voltage adjustment. 第2の実施形態の変形例の信号処理回路及び撮像素子の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the signal processing circuit and the image pickup element of the modification of the 2nd Embodiment. 符号化露光を行う際の、印加電圧のパターンの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the pattern of the applied voltage at the time of performing a coded exposure. 電圧調整を行わない場合の符号化露光の各電圧等の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of each voltage of the coded exposure when voltage adjustment is not performed. 第3の実施形態において、電圧調整を行う場合の各電圧等の変化を示す図である。In the third embodiment, it is a figure which shows the change of each voltage and the like at the time of performing voltage adjustment. 電圧調整を行わない場合の符号化露光の各電圧等の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of each voltage of the coded exposure when voltage adjustment is not performed. 第4の実施形態において、電圧調整を行う場合の各電圧等の変化を示す図である。In the fourth embodiment, it is a figure which shows the change of each voltage and the like at the time of performing voltage adjustment. 従来の光電変換膜積層型撮像素子の信号処理回路の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the signal processing circuit of the conventional photoelectric conversion film laminated type image sensor. 従来技術による信号電荷の蓄積による印加電界の変化を説明する図である。It is a figure explaining the change of the applied electric field by the accumulation of the signal charge by the prior art.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
図1に、本発明の第1の実施形態の信号処理回路及び撮像素子の例を示す。各画素は、光電変換膜10を有する光電変換部と、フローティングディフュージョン(FD)13と、リセットトランジスタ(TR)20と、出力トランジスタ30と、選択トランジスタ(SEL)32と、アンプ(増幅器)50と、電圧調整回路51とを備えている。図13の従来の画素と比較して、アンプ50と電圧調整回路51とが追加されている。本実施形態では、この画素が縦方向・横方向に繰り返された二次元の画素アレイで、撮像素子が構成されている。
(First Embodiment)
FIG. 1 shows an example of a signal processing circuit and an image pickup device according to the first embodiment of the present invention. Each pixel has a photoelectric conversion unit having a photoelectric conversion film 10, a floating diffusion (FD) 13, a reset transistor ( TR ) 20, an output transistor 30, a selection transistor (SEL) 32, and an amplifier (amplifier) 50. And a voltage adjusting circuit 51. Compared with the conventional pixel of FIG. 13, an amplifier 50 and a voltage adjusting circuit 51 are added. In the present embodiment, the image pickup device is composed of a two-dimensional pixel array in which the pixels are repeated in the vertical direction and the horizontal direction.

画素の出力(光電変換信号)を、定電流源34を有する垂直信号線33に読み出し、出力変換回路40でA/D(アナログ/デジタル)変換して読み出す。出力変換回路40は、例えば、雑音除去回路41及びA/D変換回路42を備えている。垂直信号線33及び出力変換回路40は、縦方向に配列された一列分の画素の出力を処理し、これが横方向に繰り返され、複数の垂直信号線33から二次元の画素アレイの出力信号が読み出される。なお、垂直信号線33が単一のラインセンサを構成することも可能である。 The output of the pixel (photoelectric conversion signal) is read out to a vertical signal line 33 having a constant current source 34, and is A / D (analog / digital) converted and read out by the output conversion circuit 40. The output conversion circuit 40 includes, for example, a noise reduction circuit 41 and an A / D conversion circuit 42. The vertical signal line 33 and the output conversion circuit 40 process the output of one row of pixels arranged in the vertical direction, and this is repeated in the horizontal direction, and the output signal of the two-dimensional pixel array is generated from the plurality of vertical signal lines 33. Read out. It is also possible that the vertical signal line 33 constitutes a single line sensor.

まず、本実施形態で使用する光電変換部について説明する。図2は、光電変換部の構成と動作のイメージ図である。光電変換膜10は、本実施形態では結晶セレン(c-Se)又はアモルファスセレン(a-Se)で形成されているが、電荷のアバランシェ増倍が可能な他の材料を用いることもできる。 First, the photoelectric conversion unit used in the present embodiment will be described. FIG. 2 is an image diagram of the configuration and operation of the photoelectric conversion unit. Although the photoelectric conversion film 10 is made of crystalline selenium (c-Se) or amorphous selenium (a-Se) in this embodiment, other materials capable of multiplying the charge avalanche can also be used.

光電変換膜を積層した撮像素子では、図13に示すように、光電変換膜の下側に光電荷収集電極を設け、光電変換膜の上側に透明導電膜を積層し、この透明導電膜に電圧を印加して、膜の積層方向に電界を発生させるのが一般的な方法である。しかし、画素ごとに独立した電圧を印加するためには、通常は素子全体を覆う形で製膜する透明導電膜を、画素ごとに分離して作成し、個別に電圧を印加する必要があるため、電極・配線製造に困難が伴う。 In an image pickup device in which a photoelectric conversion film is laminated, as shown in FIG. 13, a photocharge collecting electrode is provided on the lower side of the photoelectric conversion film, a transparent conductive film is laminated on the upper side of the photoelectric conversion film, and a voltage is applied to the transparent conductive film. Is a general method to generate an electric field in the film stacking direction. However, in order to apply an independent voltage to each pixel, it is necessary to separately create a transparent conductive film that normally forms a film covering the entire element for each pixel and apply the voltage individually. , Difficulty in manufacturing electrodes and wiring.

本実施形態では、光電変換膜10に電圧を印加するための電極11,12の両方を、光電変換膜10の基板(信号処理回路)側の面に設けている。作製にあたっては、信号処理回路が形成された基板上に、電圧VFを印加するための電圧印加電極11と、フローティングディフュージョン(FD)13に接続する光電荷収集電極12を、半導体プロセスの電極・配線製造工程によって形成する。その後、光電変換膜10を、電極11,12を覆って基板全体に製膜することにより、光電変換部を作製する。 In the present embodiment, both the electrodes 11 and 12 for applying a voltage to the photoelectric conversion film 10 are provided on the surface of the photoelectric conversion film 10 on the substrate (signal processing circuit) side. In the production, the voltage application electrode 11 for applying the voltage VF and the photocharge collection electrode 12 connected to the floating diffusion ( FD ) 13 are mounted on the substrate on which the signal processing circuit is formed, and the electrodes of the semiconductor process are used. It is formed by the wiring manufacturing process. After that, the photoelectric conversion film 10 is formed on the entire substrate by covering the electrodes 11 and 12, so that the photoelectric conversion portion is manufactured.

光電変換膜10に光が入射すると、光電変換により膜内に電荷が発生する。そして、電圧印加電極11側に電圧VF(電荷が電子か正孔かにより、電圧VFの+-は変わる)を印加すると、光電変換膜10内において電極11,12間に膜平面方向に電界(印加電界)が発生する。その結果、アバランシェ増倍が生じ、増倍された電荷が光電荷収集電極12に流れる。これにより、高感度の光検出が可能となる。また、印加電圧VFにより、光電変換で発生した電荷のアバランシェ増倍率を制御できる。 When light is incident on the photoelectric conversion film 10, electric charges are generated in the film due to photoelectric conversion. Then, when a voltage V F (+-of the voltage V F changes depending on whether the charge is an electron or a hole) is applied to the voltage application electrode 11 side, the voltage V F changes between the electrodes 11 and 12 in the photoelectric conversion film 10 in the film plane direction. An electric field (applied electric field) is generated. As a result, avalanche multiplication occurs, and the multiplied charge flows to the photomultiplier electrode 12. This enables highly sensitive photodetection. Further, the applied voltage V F can control the avalanche multiplication factor of the electric charge generated by the photoelectric conversion.

図3は、光電変換膜10の電極構造の例である。画素ごとに異なる電圧が印加できるように、電極形状は、例えば、図3(a)のようにくし歯形状(くし歯電極11,12の歯を交互に組み合わせた形状)や図3(b)のように格子形状(光電荷収集電極12をVF電圧印加電極11で囲む形状)とし、この電極構造を画素ごとに独立して形成する。また、基板内に各電極に接続する配線を形成することで、画素ごとに電圧印加の制御が可能となる。さらに、両電極は半導体プロセスの配線工程によって形成されるため、電極間を短い距離(例えば、10~100nm)とすることができ、比較的低い印加電圧で、電極間にアバランシェ増倍が生じる電界(107V/m程度)を発生させることができる。 FIG. 3 is an example of the electrode structure of the photoelectric conversion film 10. The electrode shape is, for example, a comb tooth shape (a shape in which the teeth of the comb tooth electrodes 11 and 12 are alternately combined) and FIG. 3 (b) as shown in FIG. 3 (a) so that a different voltage can be applied to each pixel. The shape is a grid (a shape in which the light charge collecting electrode 12 is surrounded by the VF voltage application electrode 11), and this electrode structure is independently formed for each pixel. Further, by forming wiring connected to each electrode in the substrate, it is possible to control the voltage application for each pixel. Furthermore, since both electrodes are formed by the wiring process of the semiconductor process, the distance between the electrodes can be short (for example, 10 to 100 nm), and an electric field that causes avalanche multiplication between the electrodes at a relatively low applied voltage. (About 107 V / m) can be generated.

なお、ここでは、画素ごとに独立して電圧印加するとしたが、光電変換膜の印加電圧を複数画素の画素ブロックごとに制御する場合は、印加電圧ノード(電圧印加電極11)の電圧は必ずしも画素ごとに別系統としなくても、複数画素をまとめた画素ブロックごとに別系統としてもよい。 Here, it is assumed that the voltage is applied independently for each pixel, but when the applied voltage of the photoelectric conversion film is controlled for each pixel block of a plurality of pixels, the voltage of the applied voltage node (voltage application electrode 11) is not necessarily the pixel. It does not have to be a separate system for each, but may be a separate system for each pixel block in which a plurality of pixels are grouped together.

図1に戻って、各画素における信号処理回路の構成について説明する。上述のように、光電変換膜10は、画素ごとに設けられた電圧印加電極11(印加電圧ノードVF)と光電荷収集電極12(電圧検出ノード14)の間の印加電圧によって、膜内に電界が発生し、電荷のアバランシェ増倍を生じさせる。光電変換膜10で発生した電荷(信号電荷)は、光電荷収集電極12からフローティングディフュージョン(FD)13に流れる。 Returning to FIG. 1, the configuration of the signal processing circuit in each pixel will be described. As described above, the photoelectric conversion film 10 is formed in the film by the applied voltage between the voltage application electrode 11 (applied voltage node V F ) provided for each pixel and the light charge collection electrode 12 (voltage detection node 14). An electric field is generated, causing an avalanche multiplication of the charge. The electric charge (signal charge) generated by the photoelectric conversion film 10 flows from the optical charge collecting electrode 12 to the floating diffusion (FD) 13.

フローティングディフュージョン(FD)13はコンデンサとして機能し、初期状態(リセット状態)では電圧検出ノード14の電位VFDがリセット電圧VRSTであり、信号電荷が流れ込むことにより、電圧検出ノード14の電位VFDが変化する。この電圧検出ノード14は、アンプ50に接続され、アンプ50の出力電圧VSが出力トランジスタ30のゲート電極及び電圧調整回路51に入力される。 The floating diffusion (FD) 13 functions as a capacitor, and in the initial state (reset state), the potential V FD of the voltage detection node 14 is the reset voltage V RST , and when the signal charge flows in, the potential V FD of the voltage detection node 14 Changes. The voltage detection node 14 is connected to the amplifier 50, and the output voltage VS of the amplifier 50 is input to the gate electrode of the output transistor 30 and the voltage adjustment circuit 51.

リセットトランジスタ(TRST)20は、所定の制御信号で制御され、1フレーム期間終了後にオン(導通)することにより、フローティングディフュージョン13にリセット電圧VRSTを印加する。これにより、電圧検出ノード14の電位VFDがリセット電圧VRSTになり、フローティングディフュージョン13に蓄積されていた信号電荷が消去される。このように、リセットトランジスタ(TRST)20は、画素のリセット手段として機能する。 The reset transistor (T RST ) 20 is controlled by a predetermined control signal and is turned on (conducting) after the end of one frame period to apply a reset voltage V RST to the floating diffusion 13. As a result, the potential V FD of the voltage detection node 14 becomes the reset voltage V RST , and the signal charge accumulated in the floating diffusion 13 is erased. In this way, the reset transistor (T RST ) 20 functions as a pixel reset means.

出力トランジスタ30はソースフォロア回路SFを構成しており、選択トランジスタ(SEL)32が選択されると、アンプ50の出力電圧VSに対応して(すなわち、電圧検出ノード14の電圧に基づいて)、ソース電極ノードに光電変換信号としての出力電圧を出力する。出力トランジスタ30(ソースフォロア回路SF)は、各画素の出力回路として機能している。なお、選択トランジスタ(SEL)32は、垂直シフトレジスタ(図示せず)によって選択された行選択線31により、ON(導通)/OFF(非導通)が制御される。 The output transistor 30 constitutes the source follower circuit SF, and when the selection transistor (SEL) 32 is selected, it corresponds to the output voltage VS of the amplifier 50 (that is, based on the voltage of the voltage detection node 14). , The output voltage as a photoelectric conversion signal is output to the source electrode node. The output transistor 30 (source follower circuit SF) functions as an output circuit for each pixel. The selection transistor (SEL) 32 is controlled to be ON (conducting) / OFF (non-conducting) by the row selection line 31 selected by the vertical shift register (not shown).

垂直信号線33は定電流源34を有しており、選択トランジスタ(SEL)32を介して、選択された行の画素の出力信号(光電変換信号)が出力される。本実施形態では、画素の出力信号は、出力変換回路40の雑音除去回路41及びA/D変換回路42を経て、デジタル信号として出力される。なお、図1の出力変換回路40は一例であって、画素の出力信号をアナログ信号として出力する回路であってもよい。 The vertical signal line 33 has a constant current source 34, and an output signal (photoelectric conversion signal) of the pixels of the selected line is output via the selection transistor (SEL) 32. In the present embodiment, the output signal of the pixel is output as a digital signal via the noise reduction circuit 41 and the A / D conversion circuit 42 of the output conversion circuit 40. The output conversion circuit 40 in FIG. 1 is an example, and may be a circuit that outputs a pixel output signal as an analog signal.

その後、リセットトランジスタ(TRST)20をON(導通)させて、フローティングディフュージョン13をリセットする。リセットの後、フローティングディフュージョン13は次の受光期間(フレーム)の電荷の蓄積を再開する。 After that, the reset transistor (T RST ) 20 is turned ON (conducting) to reset the floating diffusion 13. After the reset, the floating diffusion 13 resumes charge accumulation during the next light receiving period (frame).

次に、電圧調整回路51の動作と光電変換膜10への印加電圧VFの制御について説明する。 Next, the operation of the voltage adjusting circuit 51 and the control of the voltage V F applied to the photoelectric conversion film 10 will be described.

光電変換膜10は画素ごとに設けられた電圧印加電極11(膜印加電圧ノード)の電圧VFと光電荷収集電極12(電圧検出ノード14)の電圧VFD間の印加電界EFによって、発生した電荷をアバランシェ増倍する。なお、このアバランシェの増倍率は、画素ごとに異ならせてもよい。1フレーム期間終了後、通常のCMOSイメージセンサと同じように、蓄積した電荷に対応する信号を選択トランジスタ(SEL)32から垂直信号線33に出力する。 The photoelectric conversion film 10 is generated by an applied electric field E F between the voltage V F of the voltage application electrode 11 (membrane application voltage node) provided for each pixel and the voltage V F D of the photocharge collection electrode 12 (voltage detection node 14). Multiplies the charged charge by the avalanche. The magnification of this avalanche may be different for each pixel. After the end of one frame period, a signal corresponding to the accumulated charge is output from the selection transistor (SEL) 32 to the vertical signal line 33 in the same manner as a normal CMOS image sensor.

電圧検出ノード14はアンプ50に接続され、アンプ50は電圧検出ノード14の電圧VFDに対応した電圧VSを電圧調整回路51に出力する。一方、アンプ50を省略して、フローティングディフュージョン(FD)13の電圧検出ノード14を直接に電圧調整回路51へ接続する構成も可能であるが、電圧調整回路51の挿入によってフローティングディフュージョン(FD)13の容量が増大することを防ぐためには、アンプ50を入れることが望ましい。また、アンプ50を用いる場合は、ソースフォロアSFのドライブのためのトランジスタ30及び定電流源CI34を省略して、アンプ50の出力のノード(VS)を直接選択トランジスタ(SEL)32のドレイン側に接続しても良い。すなわち、アンプ50を画素の出力回路としてもよい。 The voltage detection node 14 is connected to the amplifier 50, and the amplifier 50 outputs the voltage VS corresponding to the voltage V FD of the voltage detection node 14 to the voltage adjustment circuit 51. On the other hand, although it is possible to omit the amplifier 50 and connect the voltage detection node 14 of the floating diffusion (FD) 13 directly to the voltage adjustment circuit 51, the floating diffusion (FD) 13 can be connected by inserting the voltage adjustment circuit 51. In order to prevent the capacity of the amplifier from increasing, it is desirable to insert the amplifier 50. When the amplifier 50 is used, the transistor 30 for driving the source follower SF and the constant current source CI34 are omitted, and the output node (VS) of the amplifier 50 is directly selected on the drain side of the transistor (SEL) 32. You may connect to. That is, the amplifier 50 may be used as a pixel output circuit.

電圧調整回路51は、光電変換膜10に印加する電圧VFの生成手段を有しており、アンプ50の出力電圧VSの値に応じて(すなわち、電圧検出ノード14の電圧VFDに基づいて)、光電変換膜10の印加電界が一定となるように膜印加電圧VFを調整し、光電変換膜10の電圧印加電極11へ出力する。 The voltage adjustment circuit 51 has a means for generating a voltage V F applied to the photoelectric conversion film 10, and is based on the value of the output voltage V S of the amplifier 50 (that is, based on the voltage V F D of the voltage detection node 14). The voltage applied to the film V F is adjusted so that the applied electric circuit of the photoelectric conversion film 10 becomes constant, and the voltage is output to the voltage application electrode 11 of the photoelectric conversion film 10.

図4は、電圧調整回路51により電圧調整を行う場合の各電圧等の変化を示す。図4(a)はアンプ50の出力電圧VS、図4(b)は光電変換膜10への印加電圧VF、図4(c)は光電変換膜10内の印加電界EFを示している。 FIG. 4 shows changes in each voltage and the like when voltage adjustment is performed by the voltage adjustment circuit 51. 4 (a) shows the output voltage VS of the amplifier 50, FIG. 4 (b) shows the applied voltage V F to the photoelectric conversion film 10, and FIG. 4 (c) shows the applied electric field E F in the photoelectric conversion film 10. There is.

1フレーム期間Tの最初は、アンプ50の出力電圧VSがVS0であったものとする。VS0はVFD=VRSTの時のアンプ出力VSの値である。信号電荷が電子の場合を考えると、光入射によって信号電荷がフローティングディフュージョン(FD)13に蓄積するにつれて、ノード14の電圧VFDの値が小さくなるため、アンプ出力VSの値も小さくなる。1フレーム期間Tの終わりにはVSがVS1になるとする。ここで、電圧調整回路51では、図4(b)に示すように、電圧印加電極11の電圧VFの値を初期値VF0からVF1まで、前述のアンプ出力VSの変化に応じて低下させて出力する。この効果で、光電変換膜10に印加される電界EFは、図4(c)に示されるように、全期間でEF0に一定に保たれ、受光感度を一定とすることができる。なお、電荷が電子ではなく正孔の場合は、電圧の正負及び増減を反対にすればよい。 At the beginning of one frame period T, it is assumed that the output voltage VS of the amplifier 50 is V S 0 . V S 0 is the value of the amplifier output VS when V FD = V RST . Considering the case where the signal charge is an electron, as the signal charge accumulates in the floating diffusion (FD) 13 due to light incident, the value of the voltage V FD of the node 14 decreases, so that the value of the amplifier output VS also decreases. It is assumed that V S becomes V S 1 at the end of one frame period T. Here, in the voltage adjustment circuit 51, as shown in FIG. 4B, the value of the voltage V F of the voltage application electrode 11 is changed from the initial value V F 0 to V F 1 according to the change of the above-mentioned amplifier output V S. Decrease and output. Due to this effect, the electric field E F applied to the photoelectric conversion film 10 is kept constant at E F 0 over the entire period as shown in FIG. 4 (c), and the light receiving sensitivity can be made constant. When the charge is not an electron but a hole, the positive / negative and the increase / decrease of the voltage may be reversed.

電圧印加電極11の電圧VFの設定については、以下の式が成り立つことを利用して、印加電界EFを一定にするように電圧VFを制御すればよい。
F =(VFD-VF)/d=(VS/α-VF)/d
(ただし、dは膜の厚さ、αはアンプの変換効率でVS =αVFD
Regarding the setting of the voltage V F of the voltage application electrode 11, the voltage V F may be controlled so as to make the applied electric field E F constant by utilizing the fact that the following equation holds.
E F = (V FD - VF ) / d = ( VS / α-VF) / d
(However, d is the film thickness, α is the conversion efficiency of the amplifier, and VS = αV FD )

この式から、電界EFを一定にするためには、VS0/α-VF0=VS1/α-VF1 が成り立てばよいから、
F1 =(VS1-VS0)/α+VF0
と設定すればよい。
From this equation, in order to make the electric field E F constant, V S0 / α-V F0 = V S1 / α-V F1 should hold.
V F1 = (V S1 -V S0 ) / α + V F0
Should be set.

電圧印加電極11の電圧VFの調整は画素ごとに行うことが望ましいが、電圧調整回路51や配線の面積を削減する目的で、複数画素をまとめたブロックごとに行っても良い。その場合は、複数の画素のアンプ50の出力を1つの電圧調整回路51に入力し、各画素の出力値VSの平均値を用いて、VFを調整するなどの構成が考えられる。その場合、電圧調整回印加電圧ノードVFは、画素ごとに別系統ではなく、複数画素をまとめたブロックごとに設けることとなる。 It is desirable to adjust the voltage V F of the voltage application electrode 11 for each pixel, but for the purpose of reducing the area of the voltage adjustment circuit 51 and the wiring, it may be performed for each block in which a plurality of pixels are grouped. In that case, the output of the amplifier 50 of a plurality of pixels may be input to one voltage adjustment circuit 51, and the V F may be adjusted by using the average value of the output values V S of each pixel. In that case, the voltage adjustment application voltage node V F is not provided for each pixel but for each block in which a plurality of pixels are grouped.

(第2の実施形態)
図5に、本発明の第2の実施形態の信号処理回路及び撮像素子の例を示す。第2の実施形態の信号処理回路は、1ビット型A/D変換回路を利用している。
(Second embodiment)
FIG. 5 shows an example of the signal processing circuit and the image pickup device of the second embodiment of the present invention. The signal processing circuit of the second embodiment uses a 1-bit type A / D conversion circuit.

光電変換部は、アバランシェ増倍を行う光電変換膜10であり、第1の実施形態で説明したものと同じ構造を備えている。各画素は、フローティングディフュージョン(FD)13と、リセットトランジスタ(TRST)20と、アンプ50と、電圧調整回路51と、インバータ回路(インバータ・チェーン)60と、カウンタ回路70とを備える。このうち、電圧検出ノード14、リセットトランジスタ20、及びインバータ回路60は、パルス発生回路を構成し、出力(VOUT)として、光電変換膜10で生成された電荷量に対応するパルスを発生する。また、このパルス発生回路とカウンタ回路70とにより、信号電荷量のA/D変換回路を構成する。すなわち、パルス発生回路とカウンタ回路70は、各画素の光電変換信号を出力する出力回路として機能する。 The photomultiplier tube is a photomultiplier tube 10 that performs avalanche multiplication, and has the same structure as that described in the first embodiment. Each pixel includes a floating diffusion (FD) 13, a reset transistor ( TRST ) 20, an amplifier 50, a voltage adjusting circuit 51, an inverter circuit (inverter chain) 60, and a counter circuit 70. Of these, the voltage detection node 14, the reset transistor 20, and the inverter circuit 60 form a pulse generation circuit, and generate a pulse corresponding to the amount of charge generated by the photoelectric conversion film 10 as an output (V OUT ). Further, the pulse generation circuit and the counter circuit 70 constitute an A / D conversion circuit for the amount of signal charge. That is, the pulse generation circuit and the counter circuit 70 function as an output circuit that outputs a photoelectric conversion signal of each pixel.

本実施形態では、この画素が縦方向・横方向に繰り返された二次元の画素アレイで、撮像素子が構成されている。各画素の出力(光電変換信号)は、例えばXYアドレス方式等、任意の読み出し方式で読みだすことができる。以下、各構成要素について説明する。 In the present embodiment, the image pickup device is composed of a two-dimensional pixel array in which the pixels are repeated in the vertical direction and the horizontal direction. The output (photoelectric conversion signal) of each pixel can be read out by an arbitrary reading method such as an XY address method. Hereinafter, each component will be described.

光電変換膜10は、画素ごとに設けられた電圧印加電極11(印加電圧ノードVF)と光電荷収集電極12(電圧検出ノード14)の間の印加電圧によって、膜内に電界EFが発生し、電荷のアバランシェ増倍を生じさせる。生成された電荷(信号電荷)は、フローティングディフュージョン(FD)13に流れる。 In the photoelectric conversion film 10, an electric field E F is generated in the film by the applied voltage between the voltage application electrode 11 (applied voltage node V F ) and the photocharge collection electrode 12 (voltage detection node 14) provided for each pixel. And causes an avalanche multiplication of the charge. The generated charge (signal charge) flows through the floating diffusion (FD) 13.

フローティングディフュージョン(FD)13の構成・機能は、第1の実施形態と同じであり、信号電荷が流れ込むことにより、電圧検出ノード14の電位VFDが変化する。この電圧検出ノード14は、アンプ50及びインバータ回路60に接続される。さらに、アンプ50の出力電圧VSは、電圧調整回路51に入力される。 The configuration / function of the floating diffusion (FD) 13 is the same as that of the first embodiment, and the potential V FD of the voltage detection node 14 changes when the signal charge flows in. The voltage detection node 14 is connected to the amplifier 50 and the inverter circuit 60. Further, the output voltage VS of the amplifier 50 is input to the voltage adjusting circuit 51.

リセットトランジスタ(TRST)20は、インバータ回路60の出力電圧(VOUT)で制御され、オン(導通)することにより、フローティングディフュージョン13の電圧検出ノード14にリセット電圧(VRST)を印加する。リセットトランジスタ(TRST)20は、フローティングディフュージョン13に蓄積されていた信号電荷を消去するリセット手段として機能する。 The reset transistor (T RST ) 20 is controlled by the output voltage (V OUT ) of the inverter circuit 60, and by turning on (conducting), a reset voltage (V RST ) is applied to the voltage detection node 14 of the floating diffusion 13. The reset transistor (T RST ) 20 functions as a reset means for erasing the signal charge accumulated in the floating diffusion 13.

インバータ回路(インバータ・チェーン)60は、反転回路であるインバータ61~63が奇数段接続された多段回路である。各インバータは、例えばCMOSインバータで構成される。インバータ・チェーン60の最終段のインバータ63の出力は、パルス発生回路の出力(VOUT)として、カウンタ回路70に出力されるとともに、リセットトランジスタ(TRST)20のゲートに入力される。このインバータ回路60は一種の遅延回路として機能し、パルス幅の調整や、パルス発生動作の安定化に寄与する。なお、インバータ回路60の初段は、コンパレータで構成してもよい。 The inverter circuit (inverter chain) 60 is a multi-stage circuit in which inverters 61 to 63, which are inverting circuits, are connected in odd-numbered stages. Each inverter is composed of, for example, a CMOS inverter. The output of the inverter 63 at the final stage of the inverter chain 60 is output to the counter circuit 70 as the output (V OUT ) of the pulse generation circuit and is input to the gate of the reset transistor (T RST ) 20. The inverter circuit 60 functions as a kind of delay circuit, and contributes to the adjustment of the pulse width and the stabilization of the pulse generation operation. The first stage of the inverter circuit 60 may be configured by a comparator.

カウンタ回路70は、パルス発生回路の出力(VOUT)のパルス数をカウントし、電荷量の検出期間(例えば、1フレーム期間)ごとに確定したビット値を出力する。また、ビット値が読み出された後、リセットされる。カウンタ回路70は、例えば8bit(1bitのカウンタ8個)からなり、各カウンタ71~78はパルスが入力されるとその立ち上がり(又は立ち下り)で1と0の出力が切り換わり、入力された半分の数のパルスを次のカウンタに出力する。したがって、カウンタ71が1bit目、カウンタ72が2bit目、カウンタ78が8bit目の出力となり、8bitカウンタとしてパルスをカウントし、ビット値をカウンタ出力(O1~O8)として出力する。なお、全ビットのカウンタにはリセット端子(CRST)が接続され、リセット端子CRSTがHighレベルの時には各ビットのカウンタの値は0となり、Lowレベルの時には通常のカウンタ動作をするという制御を行う。また、1bit目のカウンタにはイネーブル端子ENが設けられており、イネーブル端子ENがHighレベルの時にはカウンタは動作するが、Lowレベルの時には動作しないという制御を行う。1bit目が動作しなければ、2bit目以降も変化しないので、イネーブル端子ENによって全ビットのカウンタ制御(カウント動作と停止)ができる。例えば、カウンタ出力の読み出し時に、イネーブル端子ENをLowにしてカウンタの動作を止めることで、画素間の露光時間が変わるのを防ぐことができる。カウンタ回路70は、1bitカウンタに限らず、例えば、2bitカウンタを1つの要素として構成してもよい。また、必要があれば、8ビットに限らず、さらに多数のカウンタを設けてもよい。 The counter circuit 70 counts the number of pulses at the output (V OUT ) of the pulse generation circuit, and outputs a fixed bit value for each charge amount detection period (for example, one frame period). Also, after the bit value is read, it is reset. The counter circuit 70 is composed of, for example, 8 bits (8 1-bit counters), and each counter 71 to 78 switches the output of 1 and 0 at the rising edge (or falling edge) when a pulse is input, and is half of the input. Outputs the number of pulses of to the next counter. Therefore, the counter 71 is the 1st bit, the counter 72 is the 2nd bit, and the counter 78 is the 8th bit. The pulse is counted as an 8-bit counter, and the bit value is output as the counter output (O1 to O8). A reset terminal (CRST) is connected to the counter of all bits, and when the reset terminal CRST is at the High level, the value of the counter of each bit becomes 0, and when the reset terminal CRST is at the Low level, the normal counter operation is performed. Further, the 1st bit counter is provided with an enable terminal EN, and controls that the counter operates when the enable terminal EN is at the High level but does not operate at the Low level. If the 1st bit does not operate, it does not change after the 2nd bit, so counter control (count operation and stop) of all bits can be performed by the enable terminal EN. For example, by setting the enable terminal EN to Low and stopping the operation of the counter when reading the counter output, it is possible to prevent the exposure time between pixels from changing. The counter circuit 70 is not limited to the 1-bit counter, and for example, a 2-bit counter may be configured as one element. Further, if necessary, not only 8 bits but also a larger number of counters may be provided.

まず、信号処理回路の動作について説明する。 First, the operation of the signal processing circuit will be described.

説明の都合上、フローティングディフュージョン13のリセットが完了して、電圧検出ノード14の電位VFDがリセット電圧(≒VRST)であり、リセット解除された状態からスタートする。インバータ回路60の初段のインバータ61の入力に電圧VFDが入力され、このときVFDはインバータ61の反転電圧より高いから、インバータ61の出力はLowである。したがって、インバータ回路60の奇数段の最終段インバータ63の出力、すなわちパルス発生回路の出力(VOUT)もLowであり、リセットトランジスタ(TRST)20はオフ(OFF)状態になっている。 For convenience of explanation, the reset of the floating diffusion 13 is completed, the potential V FD of the voltage detection node 14 is the reset voltage (≈V RST ), and the reset is started from the released state. The voltage V FD is input to the input of the inverter 61 in the first stage of the inverter circuit 60, and since the V FD is higher than the inverting voltage of the inverter 61 at this time, the output of the inverter 61 is Low. Therefore, the output of the final stage inverter 63 of the odd-numbered stage of the inverter circuit 60, that is, the output (V OUT ) of the pulse generation circuit is also Low, and the reset transistor (T RST ) 20 is in the OFF state.

光電変換膜10に光が入射し、生成された電荷(電子)がフローティングディフュージョン(FD)13に蓄積して、電圧検出ノード14の電圧(VFD)が次第に低下し、インバータ61の反転電圧(反転しきい値電圧VTH)に達すると、インバータ61の出力がHighに反転する。この出力変化は奇数段のインバータの出力が順次反転して伝達され、最終段のインバータ63の出力、すなわち、パルス発生回路の出力(VOUT)がHighとなる。 Light is incident on the photoelectric conversion film 10, the generated charges (electrons) are accumulated in the floating diffusion (FD) 13, the voltage (V FD ) of the voltage detection node 14 gradually decreases, and the inverting voltage (inverting voltage) of the inverter 61 ( When the inverting threshold voltage V TH ) is reached, the output of the inverter 61 is inverted to High. This output change is transmitted by sequentially inverting the output of the odd-numbered stage inverter, and the output of the final stage inverter 63, that is, the output (V OUT ) of the pulse generation circuit becomes High.

パルス発生回路の出力(VOUT)がHighになると、リセットトランジスタ20がオン(ON)状態になり、電圧検出ノード14の電極にリセット電圧(VRST)が印加され、フローティングディフュージョン13が再びリセットされる。 When the output (V OUT ) of the pulse generation circuit becomes High, the reset transistor 20 is turned on (ON), a reset voltage (V RST ) is applied to the electrodes of the voltage detection node 14, and the floating diffusion 13 is reset again. To.

フローティングディフュージョン13がリセットされると、インバータ61の入力電圧VFDがリセット電圧(≒VRST)となり、インバータ61の出力がLowに戻る。インバータ61の出力変化は、インバータ・チェーン60が順次反転して伝達され、最終段のインバータ63の出力、すなわち、パルス発生回路の出力(VOUT)がLowになり、初期状態に戻る。このような過程を経て、出力(VOUT)にパルスが発生する。 When the floating diffusion 13 is reset, the input voltage V FD of the inverter 61 becomes the reset voltage (≈V RST ), and the output of the inverter 61 returns to Low. The output change of the inverter 61 is transmitted by sequentially inverting the inverter chain 60, and the output of the inverter 63 in the final stage, that is, the output (V OUT ) of the pulse generation circuit becomes Low, and returns to the initial state. Through such a process, a pulse is generated at the output (V OUT ).

その後は、上記の過程が繰り返されて、パルスが複数発生し、カウンタ回路70(カウンタ71~78)により、パルス数がカウントされる。こうして、発生した電荷量に対応するデジタル信号がカウンタ回路70から出力される。各画素のカウンタの値は、例えばXYアドレス方式などで読み出される。カウンタ出力の読み出し後(1フレーム期間終了後)、リセット端子CRSTがHighとなり、カウンタの値は0にリセットされる。その後、リセット端子CRSTを再びLowレベルにして、次のフレームのカウント動作を再開する。 After that, the above process is repeated, a plurality of pulses are generated, and the number of pulses is counted by the counter circuits 70 (counters 71 to 78). In this way, the digital signal corresponding to the generated charge amount is output from the counter circuit 70. The value of the counter of each pixel is read out by, for example, the XY address method. After reading the counter output (after the end of one frame period), the reset terminal CRST becomes High, and the value of the counter is reset to 0. After that, the reset terminal CRST is set to the Low level again, and the counting operation of the next frame is restarted.

次に、電圧調整回路51の動作と光電変換膜10への印加電圧VFの制御について説明する。 Next, the operation of the voltage adjusting circuit 51 and the control of the voltage V F applied to the photoelectric conversion film 10 will be described.

図5では、フローティングディフュージョン(FD)13の電圧検出ノード14は、アンプ50に接続され、アンプ50はノード14の電圧VFDに対応した電圧VSを電圧調整回路51に出力する。一方、アンプ50を省略して、フローティングディフュージョン(FD)13を直接に電圧調整回路51へ接続する構成も可能であるが、電圧調整回路51の挿入によってフローティングディフュージョン(FD)13の容量が増大することを防ぐためには、アンプ50を入れることが望ましい。電圧調整回路51は、VSの値に応じて膜印加電圧VFを調整して、光電変換膜10の電圧印加電極11へ出力する。 In FIG. 5, the voltage detection node 14 of the floating diffusion (FD) 13 is connected to the amplifier 50, and the amplifier 50 outputs the voltage VS corresponding to the voltage V FD of the node 14 to the voltage adjustment circuit 51. On the other hand, although it is possible to omit the amplifier 50 and connect the floating diffusion (FD) 13 directly to the voltage adjustment circuit 51, the capacity of the floating diffusion (FD) 13 increases due to the insertion of the voltage adjustment circuit 51. In order to prevent this, it is desirable to insert an amplifier 50. The voltage adjustment circuit 51 adjusts the film application voltage V F according to the value of VS and outputs the voltage to the voltage application electrode 11 of the photoelectric conversion film 10.

電圧調整回路51の動作は、図1の電圧調整回路51と同じであり、アンプ50の出力電圧VSに対応して(すなわち、電圧検出ノード14の電圧VFDに基づいて)、光電変換膜10への印加電圧VFを制御し、光電変換膜10内の印加電界EFを一定に保持する。 The operation of the voltage regulator circuit 51 is the same as that of the voltage regulator circuit 51 of FIG. 1 and corresponds to the output voltage VS of the amplifier 50 (that is, based on the voltage V FD of the voltage detection node 14). The applied voltage V F to 10 is controlled, and the applied electric circuit E F in the photoelectric conversion film 10 is kept constant.

図6は、電圧調整回路51により電圧調整を行う場合の各電圧等の変化を示す。図6(a)はアンプ50の出力電圧VS、図6(b)は光電変換膜10への印加電圧VF、図6(c)は光電変換膜10内の印加電界EFを示している。 FIG. 6 shows changes in each voltage and the like when voltage adjustment is performed by the voltage adjustment circuit 51. 6 (a) shows the output voltage VS of the amplifier 50, FIG. 6 (b) shows the applied voltage V F to the photoelectric conversion film 10, and FIG. 6 (c) shows the applied electric field E F in the photoelectric conversion film 10. There is.

第1の実施形態では、1フレーム期間Tごとにリセットトランジスタ(TRST)20が動作したが、第2の実施形態では、電圧検出ノード14の電圧がインバータ回路60の反転電圧になるたびに、リセットトランジスタ(TRST)20が動作する。第2の実施形態では、フローティングディフュージョン13のリセット後、次のパルスが発生するまでの電荷蓄積期間をtとし、この期間tの間において、印加電圧VFを制御する。 In the first embodiment, the reset transistor (TR ST ) 20 operates every frame period T, but in the second embodiment, each time the voltage of the voltage detection node 14 becomes the inverting voltage of the inverter circuit 60, The reset transistor (T RST ) 20 operates. In the second embodiment, the charge accumulation period from the reset of the floating diffusion 13 to the generation of the next pulse is t, and the applied voltage V F is controlled during this period t.

図6(a)のように、期間tの最初は、アンプ50の出力電圧VSがVS0であったものとする。VS0はVFD=VRSTの時のアンプ出力VSの値である。信号電荷が電子の場合を考えると、光入射によって信号電荷がFD13に蓄積するにつれて、VFDの値が小さくなるため、アンプ出力VSの値も小さくなる。期間tの終わりにはVSがVS1になるとする。ここで、電圧調整回路51では、図6(b)に示すように、電圧印加電極11の電圧VFの値を初期値VF0からVF1まで、アンプ出力VSの変化に応じて低下させて出力する。この効果で、光電変換膜10に印加される電界EFは、図6(c)に示されるように、全期間でEF0に一定に保たれ、受光感度を一定とすることができる。 As shown in FIG. 6A, it is assumed that the output voltage VS of the amplifier 50 is V S 0 at the beginning of the period t. V S 0 is the value of the amplifier output VS when V FD = V RST . Considering the case where the signal charge is an electron, the value of V FD becomes smaller as the signal charge is accumulated in the FD 13 due to the incident of light, so that the value of the amplifier output VS also becomes smaller. It is assumed that V S becomes V S 1 at the end of the period t. Here, in the voltage adjustment circuit 51, as shown in FIG. 6B, the value of the voltage V F of the voltage application electrode 11 is lowered from the initial value V F 0 to V F 1 according to the change of the amplifier output V S. And output. Due to this effect, the electric field E F applied to the photoelectric conversion film 10 is kept constant at E F 0 over the entire period as shown in FIG. 6 (c), and the light receiving sensitivity can be made constant.

印加電圧の調整を行わない従来の場合は、図14のように、膜印加電界EFが電荷蓄積とともに低下してしまい、電荷蓄積期間の中で感度が低下してしまう。 In the conventional case where the applied voltage is not adjusted, as shown in FIG. 14, the film applied electric field E F decreases with charge accumulation, and the sensitivity decreases during the charge accumulation period.

なお、印加電圧VFの設定については、第1の実施形態と同様に、膜印加電界EFが一定になるよう、VF1 =(VS1-VS0)/α+VF0 (αはアンプの変換効率)が成立するように印加電圧VFを設定すればよい。 Regarding the setting of the applied voltage V F , as in the first embodiment, V F1 = (V S1 -V S0 ) / α + V F0 (α is the conversion of the amplifier so that the film applied electric field E F becomes constant. The applied voltage V F may be set so that the efficiency) is satisfied.

第2の実施形態では、インバータ回路60が反転してパルスが発生するたびに電圧検出ノード14がリセットされるため、期間tが1フレーム期間Tよりもかなり短い。このため、期間tにおける電圧検出ノード14の電圧VFD及びアンプ出力VSの電圧変動も小さい。したがって、第2の実施形態は、第1の実施形態と比較して、電圧調整回路51で調整する電圧幅が小さく、電圧調整を容易に行うことができる。 In the second embodiment, the voltage detection node 14 is reset each time the inverter circuit 60 is inverted and a pulse is generated, so that the period t is considerably shorter than the one-frame period T. Therefore, the voltage fluctuation of the voltage V FD and the amplifier output VS of the voltage detection node 14 in the period t is also small . Therefore, in the second embodiment, the voltage width adjusted by the voltage adjusting circuit 51 is smaller than that in the first embodiment, and the voltage adjustment can be easily performed.

印加電圧VFの調整は画素ごとに行うことが望ましいが、電圧調整回路や配線の面積を削減する目的で、複数画素をまとめたブロックごとに行っても良い。その場合は、複数の画素のアンプ出力を1つの電圧調整回路に入力し、各画素の出力値VSの平均値を用いて、VFを調整するなどの構成が考えられる。その場合、電圧調整回印加電圧ノードVFは、画素ごとに別系統ではなく、複数画素をまとめたブロックごとに設けることとなる。 It is desirable to adjust the applied voltage V F for each pixel, but for the purpose of reducing the area of the voltage adjustment circuit and wiring, it may be performed for each block in which a plurality of pixels are grouped. In that case, it is conceivable that the amplifier outputs of a plurality of pixels are input to one voltage adjustment circuit, and the V F is adjusted by using the average value of the output values V S of each pixel. In that case, the voltage adjustment application voltage node V F is not provided for each pixel but for each block in which a plurality of pixels are grouped.

(第2の実施形態の変形例)
図7は、第2の実施形態の変形例の信号処理回路及び撮像素子の例である。図7の信号処理回路は、撮像素子の1画素に対応しており、図5と同様に1ビット型A/D変換回路を構成している。
(Modified example of the second embodiment)
FIG. 7 is an example of a signal processing circuit and an image pickup device according to a modification of the second embodiment. The signal processing circuit of FIG. 7 corresponds to one pixel of the image pickup device, and constitutes a 1-bit type A / D conversion circuit as in FIG.

第2の実施形態の変形例において、光電変換部は、アバランシェ増倍を行う光電変換膜10であり、第1、第2の実施形態で説明したものと同じ構造を備えている。各画素は、フローティングディフュージョン(FD)13と、リセットトランジスタ(TRST)20と、アンプ50と、電圧調整回路51と、インバータ回路(インバータ・チェーン)60と、カウンタ回路70と、カウンタ出力スイッチ(SW)80と、メモリ90とを備える。 In the modified example of the second embodiment, the photoelectric conversion unit is a photomultiplier tube 10 that performs avalanche multiplication, and has the same structure as that described in the first and second embodiments. Each pixel has a floating diffusion (FD) 13, a reset transistor ( TRST ) 20, an amplifier 50, a voltage adjustment circuit 51, an inverter circuit (inverter chain) 60, a counter circuit 70, and a counter output switch ( A SW) 80 and a memory 90 are provided.

本変形例は、第2の実施形態と比較して、カウンタ出力スイッチ(SW)80とメモリ90が追加されており、それ以外の構成・動作は同じである。以下、追加された構成要素について説明する。 In this modification, the counter output switch (SW) 80 and the memory 90 are added as compared with the second embodiment, and the other configurations and operations are the same. The added components will be described below.

カウンタ出力スイッチ(SW)80は、カウンタ回路70の各ビット(71~78)の出力に対応して設けられており、カウンタ回路70とメモリ90とを接続する。 The counter output switch (SW) 80 is provided corresponding to the output of each bit (71 to 78) of the counter circuit 70, and connects the counter circuit 70 and the memory 90.

メモリ90はカウンタ回路70のビット数に対応しており、例えば1bitのメモリ8個からなる。各1bitメモリ91~98は、それぞれカウンタ71~78に対応している。メモリ90(91~98)は、スイッチ80が導通すると、カウンタ回路70の出力が書き込まれ、所定の読み出しタイミングにおいて、書き込まれたビット値をメモリ出力(O1~O8)として出力する。図7では、一例として1bitメモリ8個を用いているが、8bitのカウンタ回路出力を同時に書き込むことができれば、8bit入力の1個のメモリであってもよい。メモリの構成はDRAM(Dynamic Random Access Memory)やSRAM(Static Random Access Memory)が考えられる。 The memory 90 corresponds to the number of bits of the counter circuit 70, and is composed of, for example, eight 1-bit memories. Each of the 1-bit memories 91 to 98 corresponds to the counters 71 to 78, respectively. When the switch 80 is conducted, the memory 90 (91 to 98) writes the output of the counter circuit 70, and outputs the written bit value as a memory output (O1 to O8) at a predetermined read timing. In FIG. 7, eight 1-bit memories are used as an example, but one memory with 8-bit inputs may be used as long as the 8-bit counter circuit output can be written at the same time. As the memory configuration, DRAM (Dynamic Random Access Memory) or SRAM (Static Random Access Memory) can be considered.

第2の実施形態の変形例(図7)の動作について説明する。第2の実施形態(図5)と同様に、光電変換膜10で発生・増倍した電荷がフローティングディフュージョン(FD)13に読み出される。フローティングディフュージョン(FD)13の電圧検出ノード14は奇数個のインバータ・チェ-ン60に接続されて、電圧検出ノード14の電圧VFDがインバータの反転しきい値VTHに達するたびに出力VOUTがHighレベルになる。すると、リセットトランジスタTRがオンしてリセット状態に戻り、これを繰り返してパルスを発生する。1フレーム期間に発生したパルス信号の数をカウンタで数えて、読み出す。 The operation of the modified example (FIG. 7) of the second embodiment will be described. Similar to the second embodiment (FIG. 5), the charge generated and multiplied by the photoelectric conversion film 10 is read out to the floating diffusion (FD) 13. The voltage detection node 14 of the floating diffusion (FD) 13 is connected to an odd number of inverter chains 60, and the output V OUT each time the voltage V FD of the voltage detection node 14 reaches the inverting threshold V TH of the inverter. Becomes the High level. Then, the reset transistor TR turns on and returns to the reset state, and this is repeated to generate a pulse. The number of pulse signals generated in one frame period is counted by a counter and read out.

カウンタ回路70の制御の例を説明する。フレームの最初にCRSTがHighとなり、各カウンタ71~78がリセットされる。その後、CRSTがLowとなってパルスのカウントを始め、1フレーム期間Tの終了後に、スイッチ(SW)の制御信号がHighとなり、カウンタ出力スイッチ(SW)80がONして、全ビットの値(1フレーム期間Tに発生したパルスを数えたカウンタの値)をメモリ90に書き込む。その後、直ちにCRSTがHighとなりカウンタ回路70がリセットされ、CRSTがLowとなってパルスのカウントを再開する。 An example of control of the counter circuit 70 will be described. CRST becomes High at the beginning of the frame, and each counter 71 to 78 is reset. After that, CRST becomes Low and pulse counting starts, and after the end of one frame period T, the control signal of the switch (SW) becomes High, the counter output switch (SW) 80 turns ON, and the values of all bits ( The value of the counter that counts the pulses generated in one frame period T) is written in the memory 90. Immediately after that, CRST becomes High, the counter circuit 70 is reset, CRST becomes Low, and pulse counting is restarted.

各画素のメモリ出力(O1~O8)は例えばXYアドレス方式などで読み出す。メモリの値の読み出しは、カウンタ回路70を動作させている間に行うものとする。 The memory outputs (O1 to O8) of each pixel are read out by, for example, the XY address method. The reading of the memory value shall be performed while the counter circuit 70 is in operation.

メモリ90はフレームメモリとしての機能を担っており、メモリ90があることで、各画素のメモリの値の読み出し期間に、カウンタ回路70によって次の期間のパルスカウントを行うことができ、常時パルスをカウントすることが可能となる。第2の実施形態では、イネーブル端子ENの信号によりカウンタの読み出し期間はパルスのカウントを止めているが、本変形例では、カウンタの値をメモリ90に書き込んだ後は、直ちにカウンタ回路70のリセットとカウント再開を行うことができ、フレーム期間Tの間の時間を限りなく小さくできる。よって、メモリ90を搭載することにより正確な光量(電荷量)の検出ができる。 The memory 90 has a function as a frame memory, and the presence of the memory 90 allows the counter circuit 70 to perform pulse counting for the next period during the reading period of the memory value of each pixel, and constantly performs a pulse. It becomes possible to count. In the second embodiment, the pulse count is stopped during the read period of the counter by the signal of the enable terminal EN, but in this modification, the counter circuit 70 is reset immediately after the counter value is written to the memory 90. And the count can be restarted, and the time during the frame period T can be made as short as possible. Therefore, by mounting the memory 90, it is possible to accurately detect the amount of light (charge amount).

なお、図7の回路では、カウンタ71にイネーブル端子(EN)が記載されているが、第2の実施形態の変形例においては、1フレーム期間終了後にカウンタ出力スイッチ(SW)80を動作させて、瞬時にカウンタ回路70の出力をメモリ90に転送できるため、カウンタ回路70を止める必要はない。したがって、イネーブル端子(EN)を削除することも可能である。 In the circuit of FIG. 7, the enable terminal (EN) is described in the counter 71, but in the modified example of the second embodiment, the counter output switch (SW) 80 is operated after the end of one frame period. Since the output of the counter circuit 70 can be instantly transferred to the memory 90, it is not necessary to stop the counter circuit 70. Therefore, it is also possible to delete the enable terminal (EN).

(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態の信号処理回路及び撮像素子として、符号化露光を行う例を示す。撮像素子を高性能化するために符号化露光法という撮像方式が知られている。符号化露光法は、露光パターンを時間軸方向に符号化して撮影を行う方法であり、動きぼけやぶれの補正、ダイナミックレンジ拡大などの効果がある(非特許文献2)。
(Third embodiment)
An example of performing coded exposure as the signal processing circuit and the image pickup device of the third embodiment of the present invention is shown. An image pickup method called a coded exposure method is known in order to improve the performance of an image pickup device. The coded exposure method is a method in which an exposure pattern is coded in the time axis direction for shooting, and has effects such as correction of motion blur and blurring, and expansion of a dynamic range (Non-Patent Document 2).

符号化露光を行うには、一般には撮像素子に入射する光を高速に透過・遮断する。そのためには照明を高速に明滅するか、液晶シャッタ等の素子をカメラレンズの前面に取り付けて光を透過・遮断する必要がある。したがって、光学系が特殊となり、システムが複雑化してしまうという問題がある。 In order to perform coded exposure, generally, light incident on the image sensor is transmitted / blocked at high speed. For that purpose, it is necessary to blink the illumination at high speed or to attach an element such as a liquid crystal shutter to the front of the camera lens to transmit / block the light. Therefore, there is a problem that the optical system becomes special and the system becomes complicated.

また、特殊な光学系に代えて、撮像素子の画素に転送トランジスタやオーバーフロートランジスタを設けて、これらのゲートに与える信号パターンを符号化することで、蓄積中の電荷を転送・排出させて符号化露光する方法も提案されている(特許文献3、特許文献4)。しかし、符号化に伴う複数回の高速な電荷転送・排出が必要であるため、トランジスタのオンオフ動作に起因するkTCノイズが増大してしまう問題、及び、電荷の転送は回路の時定数に対応する時間を要するため、符号化の速度には限界があるという問題があった。 Further, instead of a special optical system, a transfer transistor or an overflow transistor is provided in the pixel of the image sensor to encode the signal pattern given to these gates, thereby transferring and discharging the accumulated charge for coding. A method of exposure has also been proposed (Patent Documents 3 and 4). However, since high-speed charge transfer / discharge is required multiple times due to coding, there is a problem that kTC noise due to the on / off operation of the transistor increases, and charge transfer corresponds to the time constant of the circuit. Since it takes time, there is a problem that the speed of coding is limited.

これに対し、印加電圧により電荷の発生を制御できる光電変換膜を用い、1フレーム期間中に膜印加電圧(VF)のパターンを符号化することで、符号化露光が可能となる。例えば、図13の撮像素子により符号化露光を行う際の、電極11の印加電圧(VF)のパターンの例を図8に示す。パターンは符号化の要求により種々設定できるが、入力画像における特定の周波数の信号が失われることがないように、周期的な矩形波などでないことが望ましい。ここで、「VF=VFAの時の増倍率」>「VF=VFBの時の増倍率」となるように、VFAとVFBを設定するものとする。VF=VFBの時の増倍率を0とする場合は、光を遮断する効果が得られるし、VF=VFBの時の増倍率を0より大きくして感度を持たせる場合でも、VF=VFAの時の増倍率との差によって、符号化露光の効果が得られる。 On the other hand, by using a photoelectric conversion film whose charge generation can be controlled by the applied voltage and coding the pattern of the film applied voltage ( VF ) during one frame period, coded exposure becomes possible. For example, FIG. 8 shows an example of the pattern of the applied voltage ( VF ) of the electrode 11 when the coded exposure is performed by the image pickup device of FIG. The pattern can be set in various ways according to the coding requirements, but it is desirable that the pattern is not a periodic square wave or the like so that the signal of a specific frequency in the input image is not lost. Here, it is assumed that V FA and V FB are set so that "magnification when VF = V FA ">"magnification when VF = V FB ". When the magnification is set to 0 when V F = V FB , the effect of blocking light can be obtained, and even when the magnification is made larger than 0 when V F = V FB to give sensitivity. The effect of coded exposure is obtained by the difference from the magnification when VF = VF A.

しかしながら、図14で説明したように、フローティングディフュージョン(FD)13への信号電荷の蓄積を考慮せずに、膜印加電圧(VF)をパターン化しても、増倍率が変動し正確な符号化露光を行うことができない。 However, as described in FIG. 14, even if the film applied voltage (VF) is patterned without considering the accumulation of the signal charge in the floating diffusion ( FD ) 13, the multiplication factor fluctuates and accurate coding is performed. Unable to perform exposure.

図9は、電圧印加電極11の電圧VFの電圧調整を行わない場合の符号化露光の各電圧等の変化である。図9(a)に示すように、1フレーム期間Tの最初は、出力トランジスタ30の入力電圧VS(=VFD)がVS0であったものとする。VS0はVFD=VRSTの時のVSの値である。光入射によって信号電荷(電子)がFDに蓄積するにつれて、VFDの値が小さくなるため、VSの値も小さくなる。1フレーム期間Tの終わりにはVSがVS1になるとする。このとき、図9(b)のように光電変換膜10の電極11を印加電圧VF=VFA(一定)とVF=VFB(一定)で符号化パターンとしても、図9(c)に示すように、光電変換膜10に印加される電界EFが電荷蓄積とともに低下してしまい、フレーム期間の中で受光感度が低下してしまう。このため、符号化露光による正確な電荷を得ることができない。 FIG. 9 shows changes in each voltage of the coded exposure when the voltage V F of the voltage application electrode 11 is not adjusted. As shown in FIG. 9A, it is assumed that the input voltage V S (= V FD ) of the output transistor 30 is V S 0 at the beginning of the one frame period T. V S 0 is the value of V S when V FD = V RST . As the signal charge (electrons) accumulates in the FD due to light incident, the value of V FD decreases, so the value of VS also decreases. It is assumed that V S becomes V S 1 at the end of one frame period T. At this time, as shown in FIG. 9 (b), the electrode 11 of the photoelectric conversion film 10 may be encoded with the applied voltages VF = V FA (constant) and VF = V FB ( constant) as a coding pattern, as shown in FIG. 9 (c). As shown in the above, the electric field E F applied to the photoelectric conversion film 10 decreases with charge accumulation, and the light receiving sensitivity decreases during the frame period. Therefore, it is not possible to obtain an accurate charge by coded exposure.

第3の実施形態では、図1の電圧調整回路51を備えた撮像素子により、符号化露光を行う。撮像素子の信号処理回路は、図1と同じであるから、説明を省略する。 In the third embodiment, the coded exposure is performed by the image pickup device provided with the voltage adjusting circuit 51 of FIG. Since the signal processing circuit of the image pickup device is the same as that in FIG. 1, the description thereof will be omitted.

図10に、本実施形態の電圧調整回路51により電圧VFの電圧調整を行う場合の符号化露光の各電圧等の変化を示す。図10(a)に示すように、1フレーム期間Tの最初は、出力トランジスタ30の入力電圧VS(=VFD)がVS0であったものが、信号電荷(電子)の蓄積により、1フレーム期間Tの終わりにはVSがVS1になる。このとき、本実施形態の電圧調整回路51では、図10(b)に示すように、VSの変化に応じてVFの電圧レベルを低下させながら、符号化の変調パターンを出力する。この効果で、図10(c)に示すように、膜印加電界EFは全期間でEF0とEF1との2つの電界に基づいた変調が行われ、所望の符号化露光が可能となる。 FIG. 10 shows changes in each voltage and the like of the coded exposure when the voltage of the voltage V F is adjusted by the voltage adjusting circuit 51 of the present embodiment. As shown in FIG. 10A, at the beginning of the 1-frame period T , the input voltage VS (= V FD ) of the output transistor 30 was VS 0 , but due to the accumulation of signal charges (electrons), 1 At the end of the frame period T, V S becomes V S 1 . At this time, as shown in FIG. 10B, the voltage adjustment circuit 51 of the present embodiment outputs a coding modulation pattern while lowering the voltage level of V F according to the change of VS. Due to this effect, as shown in FIG. 10 (c), the film-applied electric field E F is modulated based on the two electric fields E F0 and E F1 over the entire period, and a desired coded exposure is possible. ..

なお、電圧印加電極11(VF)に与える符号化の電圧パターンはすべての画素に対して同じでなくとも、画素ごと、又は複数の画素をまとめたブロックごとにパターンを変えても良い。エリア(ブロックや画素)ごとに符号化パターンを変えることで、時間的な符号化に加えて、空間的な符号化を行うこととなるため、解像度を向上させるなどの効果が生じる。または、エリアの一部はVFを常時一定値(ただし、電圧調整を行う)として通常の露光を行い、通常の露光と符号化露光をした画素を混在させることで、全画素を符号化露光した時と比較して受光感度を向上させることが可能となる。 The coding voltage pattern given to the voltage application electrode 11 ( VF ) is not the same for all pixels, but the pattern may be changed for each pixel or for each block in which a plurality of pixels are grouped. By changing the coding pattern for each area (block or pixel), spatial coding is performed in addition to temporal coding, which has the effect of improving the resolution. Alternatively, a part of the area is subjected to normal exposure with VF always set to a constant value (however, voltage adjustment is performed), and by mixing normal exposure and coded exposure pixels, all the pixels are coded exposed. It is possible to improve the light receiving sensitivity as compared with the case where the light is received.

本実施形態による符号化露光法では、光電変換膜で発生する電荷量の制御により符号化を実現しており、回路規模の増大や信号転送動作の増加がないため、ノイズを増大させることがなく、画素の高精細化が可能である。 In the coded exposure method according to the present embodiment, coding is realized by controlling the amount of charge generated in the photoelectric conversion film, and since there is no increase in circuit scale or signal transfer operation, noise is not increased. , High-definition of pixels is possible.

(第4の実施形態)
本発明の第4の実施形態の信号処理回路及び撮像素子として、第2の実施形態の信号処理回路、すなわち、図5又は図7に示す電圧調整回路51を備えた信号処理回路により、符号化露光を行う例を示す。撮像素子の信号処理回路は、図5、図7と同じであるから、説明を省略する。
(Fourth Embodiment)
As the signal processing circuit and the image pickup element of the fourth embodiment of the present invention, it is encoded by the signal processing circuit of the second embodiment, that is, the signal processing circuit provided with the voltage adjusting circuit 51 shown in FIG. 5 or FIG. An example of performing exposure is shown. Since the signal processing circuit of the image pickup device is the same as that in FIGS. 5 and 7, the description thereof will be omitted.

符号化パターンは、第3の実施形態と同様に、「VF=VFAの時の増倍率」>「VF=VFBの時の増倍率」となるように、VFAとVFBを設定するものとする。VF=VFBの時の増倍率を0とする場合は、光を遮断する効果が得られる。 As in the third embodiment, the coding pattern is V FA and V FB so that "magnification at the time of VF = V FA ">"magnification at the time of VF = V FB " . It shall be set. When the magnification is set to 0 when V F = V F B, the effect of blocking light can be obtained.

図11と図12を用いて、本実施形態の電圧調整回路51の動作を示す。図12は、図6及び図10に対応させて電圧調整を行う場合、図11は比較のため、電圧調整を行わない場合(図9に相当)を示す。 11 and 12 are used to show the operation of the voltage adjusting circuit 51 of the present embodiment. FIG. 12 shows a case where the voltage adjustment is performed corresponding to FIGS. 6 and 10, and FIG. 11 shows a case where the voltage adjustment is not performed (corresponding to FIG. 9) for comparison.

ここで、パルス発生回路のリセット時VSがVS0であったものが、信号電荷(電子)の蓄積により、フローティングディフュージョン(FD)13の電圧がインバータ回路の反転しきい値となった時(VFD=VTHの時)のVSの値がVS1となり、1フレーム期間Tの中でパルスが3個発生するものとする。図11,12において、縦の破線がパルス発生のタイミングであり、VSがリセットされる状態を示している。 Here, when the V S at the time of resetting the pulse generation circuit was V S 0 , the voltage of the floating diffusion (FD) 13 became the inverting threshold value of the inverter circuit due to the accumulation of signal charges (electrons) ( It is assumed that the value of VS of (when V FD = V TH ) becomes VS 1 and three pulses are generated in one frame period T. In FIGS. 11 and 12, the vertical broken line indicates the timing of pulse generation, and shows the state in which VS is reset.

印加電圧の調整を行わない場合は、図11(a)に示すように、光入射によって信号電荷(電子)がFDに蓄積するにつれて、VFDの値が小さくなるため、VSの値も小さくなり、インバータ回路60が反転するときにはVSがVS1になる。このとき、図11(b)のように光電変換膜10の電極11を印加電圧VF=VFA(一定)とVF=VFB(一定)で符号化パターンとしても、図11(c)に示すように、光電変換膜10に印加される電界EFが電荷蓄積とともに低下してしまい、フレーム期間の中で所望の符号化露光ができないことになる。 When the applied voltage is not adjusted, as shown in FIG. 11A, the value of V FD decreases as the signal charge (electrons) accumulates in the FD due to the incident of light, so the value of VS also decreases. Therefore, when the inverter circuit 60 is inverted, V S becomes V S 1 . At this time, as shown in FIG. 11 (b), the electrode 11 of the photoelectric conversion film 10 may be coded with the applied voltages VF = V FA (constant) and VF = V FB ( constant) as a coding pattern, as shown in FIG. 11 (c). As shown in the above, the electric field E F applied to the photoelectric conversion film 10 decreases with charge accumulation, and the desired coded exposure cannot be performed within the frame period.

図12は、本実施形態の電圧調整回路51により、VSの変化に応じて電圧VFの電圧調整を行う場合の符号化露光の各電圧等の変化を示す。すなわち、図12(a)に示すように、インバータ回路60が反転するときにはVSがVS1になる。本実施形態の電圧調整回路51では、図12(b)に示すように、VSの変化に応じてVFの電圧レベルを低下させながら、符号化の変調パターンを出力する。この効果で、図12(c)に示すように、膜印加電界EFは全期間でEF0とEF1との2つの電界に基づいた変調が行われ、所望の符号化露光が可能となる。 FIG. 12 shows changes in each voltage of the coded exposure when the voltage of the voltage V F is adjusted according to the change of V S by the voltage adjusting circuit 51 of the present embodiment. That is, as shown in FIG. 12A, VS becomes V S1 when the inverter circuit 60 is inverted. As shown in FIG. 12B, the voltage adjusting circuit 51 of the present embodiment outputs a coding modulation pattern while lowering the voltage level of V F according to the change of V S. Due to this effect, as shown in FIG. 12 (c), the film-applied electric field E F is modulated based on the two electric fields E F0 and E F1 over the entire period, and a desired coded exposure is possible. ..

第3の実施形態と同様に、VFに与える符号化の電圧パターンはすべての画素に対して同じでなくとも、画素ごと、又は複数の画素をまとめたブロックごとにパターンを変えても良い。エリア(ブロックや画素)ごとに符号化パターンを変えることで、時間的な符号化に加えて、空間的な符号化を行うこととなるため、解像度を向上させるなどの効果が生じる。または、エリアの一部はVFを常時一定値(ただし、電圧調整を行う)として通常の露光を行い、通常の露光と符号化露光をした画素を混在させることで、全画素を符号化露光した時と比較して受光感度を向上させることが可能となる。 Similar to the third embodiment, the coding voltage pattern given to V F is not the same for all pixels, but the pattern may be changed for each pixel or for each block in which a plurality of pixels are grouped. By changing the coding pattern for each area (block or pixel), spatial coding is performed in addition to temporal coding, which has the effect of improving the resolution. Alternatively, a part of the area is subjected to normal exposure with VF always set to a constant value (however, voltage adjustment is performed), and by mixing normal exposure and coded exposure pixels, all the pixels are coded exposed. It is possible to improve the light receiving sensitivity as compared with the case where the light is received.

本実施形態による符号化露光法では、光電変換膜で発生する電荷量の制御により符号化を実現しており、回路規模の増大や信号転送動作の増加がないため、ノイズを増大させることがなく、画素の高精細化が可能である。なお、第4の実施形態は、第3の実施形態と比較して、電圧検出ノード14がリセットされる間隔が短く、電圧調整回路51で調整する電圧幅が小さいため、電圧調整を容易に行うことができる。 In the coded exposure method according to the present embodiment, coding is realized by controlling the amount of charge generated in the photoelectric conversion film, and since there is no increase in circuit scale or signal transfer operation, noise is not increased. , High-definition of pixels is possible. In the fourth embodiment, as compared with the third embodiment, the interval at which the voltage detection node 14 is reset is short, and the voltage width adjusted by the voltage adjusting circuit 51 is small, so that the voltage adjustment can be easily performed. be able to.

本発明の各実施形態では、画素又はブロックごとに電圧VFの供給を変えるため、複数の配線による画素及び素子面積の増大も懸念される。そのため、光電変換膜を信号処理回路上に積層するとともに、信号処理回路を構成する構成要素を異なる層に(複数層に分割して)設けて3次元構造としてもよい。例えば、画素アレイを配置する基板の下に、VF信号を供給する電圧調整回路及び配線の基板を配置することも考えられる。また、第2の実施形態において、各画素のパルス発生回路とカウンタ回路とを別の基板に配置してもよい。 In each embodiment of the present invention, since the supply of the voltage V F is changed for each pixel or block, there is a concern that the pixel and element areas may increase due to the plurality of wirings. Therefore, the photoelectric conversion film may be laminated on the signal processing circuit, and the components constituting the signal processing circuit may be provided in different layers (divided into a plurality of layers) to form a three-dimensional structure. For example, it is conceivable to arrange a voltage adjustment circuit for supplying a VF signal and a wiring board under the board on which the pixel array is arranged. Further, in the second embodiment, the pulse generation circuit and the counter circuit of each pixel may be arranged on different substrates.

上記の各実施形態では、撮像素子とその信号処理回路の構成と動作について説明したが、本発明はこれに限らず、撮像素子の信号処理方法として構成されてもよい。すなわち、各実施形態の図のデータの流れに従って、光電変換信号を処理する方法として構成されても良い。 In each of the above embodiments, the configuration and operation of the image pickup device and its signal processing circuit have been described, but the present invention is not limited to this, and may be configured as a signal processing method of the image pickup device. That is, it may be configured as a method of processing a photoelectric conversion signal according to the flow of data in the figure of each embodiment.

上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、実施形態に記載の複数の構成ブロックを1つに組み合わせたり、あるいは1つの構成ブロックを分割したりすることが可能である。 Although the above embodiments have been described as typical examples, it will be apparent to those skilled in the art that many modifications and substitutions can be made within the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited by the above-described embodiments, and various modifications and modifications can be made without departing from the scope of claims. For example, it is possible to combine the plurality of constituent blocks described in the embodiment into one, or to divide one constituent block into one.

10 光電変換膜
11 電圧印加電極
12 光電荷収集電極
13 フローティングディフュージョン
14 電圧検出ノード
20 リセットトランジスタ
30 出力トランジスタ
31 行選択線
32 選択トランジスタ
33 垂直信号線
34 定電流源
40 出力変換回路
41 雑音除去回路
42 A/D変換回路
50 アンプ
51 電圧調整回路
60 インバータ回路
70 カウンタ回路
80 カウンタ出力スイッチ
90 メモリ
10 Photoelectric conversion film 11 Voltage application electrode 12 Photocharge collection electrode 13 Floating diffusion 14 Voltage detection node 20 Reset transistor 30 Output transistor 31 Row selection line 32 Selection transistor 33 Vertical signal line 34 Constant current source 40 Output conversion circuit 41 Noise reduction circuit 42 A / D conversion circuit 50 Amplifier 51 Voltage adjustment circuit 60 Inverter circuit 70 Counter circuit 80 Counter output switch 90 Memory

Claims (9)

印加電界により受光感度が変化する光電変換膜を備えた撮像素子の信号処理回路であって、
前記光電変換膜に接続され、前記光電変換膜で生成した電荷量に対応する電圧を生じる電圧検出ノードと、
前記電圧検出ノードの電圧に基づいて、各画素の光電変換信号を出力する出力回路と、
前記電圧検出ノードの電圧に基づいて、前記印加電界が一定となるように、前記光電変換膜の印加電圧を調整する電圧調整回路と
を備えることを特徴とする、信号処理回路。
It is a signal processing circuit of an image pickup device provided with a photoelectric conversion film whose light receiving sensitivity changes depending on an applied electric field.
A voltage detection node that is connected to the photoelectric conversion film and generates a voltage corresponding to the amount of charge generated by the photoelectric conversion film.
An output circuit that outputs a photoelectric conversion signal for each pixel based on the voltage of the voltage detection node.
A signal processing circuit comprising a voltage adjusting circuit for adjusting the applied voltage of the photoelectric conversion film so that the applied electric field becomes constant based on the voltage of the voltage detection node.
請求項1に記載の信号処理回路において、
前記出力回路は、出力トランジスタ及びアンプの少なくとも一方を備えることを特徴とする、信号処理回路。
In the signal processing circuit according to claim 1,
The output circuit is a signal processing circuit including at least one of an output transistor and an amplifier.
請求項1に記載の信号処理回路において、
前記出力回路は、前記電圧検出ノードの電圧が入力されるインバータ回路と、前記インバータ回路の出力に基づいて前記電圧検出ノードの電圧をリセット電圧とするリセット手段と、前記インバータ回路の出力するパルスをカウントするカウンタ回路とを備えることを特徴とする、信号処理回路。
In the signal processing circuit according to claim 1,
The output circuit includes an inverter circuit into which the voltage of the voltage detection node is input, a reset means for using the voltage of the voltage detection node as a reset voltage based on the output of the inverter circuit, and a pulse output by the inverter circuit. A signal processing circuit comprising a counter circuit for counting.
請求項3に記載の信号処理回路において、
前記カウンタ回路のビット数に対応するメモリと、前記カウンタ回路と前記メモリとを接続するカウンタ出力スイッチとを更に備えることを特徴とする、信号処理回路。
In the signal processing circuit according to claim 3,
A signal processing circuit further comprising a memory corresponding to the number of bits of the counter circuit and a counter output switch connecting the counter circuit and the memory.
請求項1乃至4のいずれか一項に記載の信号処理回路において、
前記電圧調整回路は、前記印加電圧を符号化パターンで生成し、符号化露光をすることを特徴とする、信号処理回路。
In the signal processing circuit according to any one of claims 1 to 4.
The voltage adjusting circuit is a signal processing circuit, characterized in that the applied voltage is generated in a coded pattern and coded exposure is performed.
印加電界により受光感度が変化する光電変換膜と、
請求項1乃至5のいずれか一項に記載の信号処理回路と
を備えることを特徴とする、撮像素子。
A photoelectric conversion film whose light-receiving sensitivity changes depending on the applied electric field,
An image pickup device comprising the signal processing circuit according to any one of claims 1 to 5.
請求項6に記載の撮像素子において、
前記光電変換膜は、アバランシェ増倍が可能な光電変換膜であることを特徴とする、撮像素子。
In the image pickup device according to claim 6,
The photoelectric conversion film is an image pickup element, which is a photoelectric conversion film capable of multiplying an avalanche.
請求項6又は7に記載の撮像素子において、
前記印加電圧を、複数画素を含む画素ブロックごとに設定することを特徴とする、撮像素子。
In the image pickup device according to claim 6 or 7.
An image pickup device, characterized in that the applied voltage is set for each pixel block including a plurality of pixels.
請求項6乃至8のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記光電変換膜を前記信号処理回路上に積層するとともに、前記信号処理回路を構成する構成要素を異なる層に設けて3次元構造としたことを特徴とする、撮像素子。
The image pickup device according to any one of claims 6 to 8.
An image pickup device characterized in that the photoelectric conversion film is laminated on the signal processing circuit and the components constituting the signal processing circuit are provided in different layers to form a three-dimensional structure.
JP2020132610A 2020-08-04 2020-08-04 Imaging element and signal processing circuit thereof Pending JP2022029322A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020132610A JP2022029322A (en) 2020-08-04 2020-08-04 Imaging element and signal processing circuit thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020132610A JP2022029322A (en) 2020-08-04 2020-08-04 Imaging element and signal processing circuit thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2022029322A true JP2022029322A (en) 2022-02-17

Family

ID=80271502

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020132610A Pending JP2022029322A (en) 2020-08-04 2020-08-04 Imaging element and signal processing circuit thereof

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2022029322A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10051212B2 (en) Solid state imaging apparatus, signal reading method, and electronic apparatus
JP6541523B2 (en) Imaging device, imaging system, and control method of imaging device
JP5258416B2 (en) Solid-state imaging device
TWI599226B (en) Solid-state image pickup apparatus, signal processing method for a solid-state image pickup apparatus, and electronic apparatus
TWI386046B (en) Solid-state imaging device, method of driving the same, signal processing method for the same, and imaging apparatus
JP4931160B2 (en) Solid-state image sensor
JP6727938B2 (en) IMAGING DEVICE, IMAGING DEVICE CONTROL METHOD, AND IMAGING SYSTEM
JP6501462B2 (en) PHOTOELECTRIC CONVERSION DEVICE AND DRIVING METHOD OF PHOTOELECTRIC CONVERSION DEVICE
TW201705753A (en) Solid-state imaging device, control method therefor, and electronic apparatus
TW201340708A (en) Solid imaging device and electronic equipment
US10645327B2 (en) Solid-state imaging device, method for driving solid-state imaging device, and electronic apparatus
JP2011182130A (en) Solid-state imaging device, and driving method
JP2018093298A (en) Photoelectric conversion device and photoelectric conversion system
JP2018092990A (en) Photoelectric conversion device and imaging system
TW201448600A (en) Solid-state imaging device
WO2005027511A1 (en) Solid-state imaging device and camera system
KR20200098764A (en) Image sensor and driving method thereof
US9241119B2 (en) Image pickup apparatus, method of driving image pickup apparatus, and image pickup system
JP2020162109A (en) Photoelectric conversion device, photoelectric conversion system, and mobile body
JP2017005404A (en) Imaging device
JP2008186894A (en) Solid-state image sensor
JP2006148328A (en) Solid-state imaging apparatus
JP6195728B2 (en) Solid-state imaging device and imaging apparatus
JP2020047780A (en) Photodetector
WO2014196176A1 (en) Solid-state imaging element and imaging apparatus

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230704

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20240311

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20240507