JP2022029322A - Imaging element and signal processing circuit thereof - Google Patents
Imaging element and signal processing circuit thereof Download PDFInfo
- 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
Links
- 238000012545 processing Methods 0.000 title claims abstract description 53
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title abstract description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 116
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 45
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 38
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims abstract description 26
- 230000015654 memory Effects 0.000 claims description 26
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 21
- 239000010408 film Substances 0.000 description 92
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 34
- 238000000034 method Methods 0.000 description 18
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 15
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 13
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 10
- 230000006870 function Effects 0.000 description 8
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 7
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 7
- 239000011669 selenium Substances 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 5
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 244000126211 Hericium coralloides Species 0.000 description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000007429 general method Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
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
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
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
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
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
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
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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。
EF =(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
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、
VF1 =(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
(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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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 (
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Claims (9)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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) |
-
2020
- 2020-08-04 JP JP2020132610A patent/JP2022029322A/en active Pending
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 |