JP2023069476A - Imaging element and imaging apparatus - Google Patents

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周太郎 加藤
Shutaro Kato
修 猿渡
Osamu Saruwatari
航 船水
Ko Funamizu
元 米持
Hajime Yonemochi
大輝 小倉
Daiki Ogura
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Abstract

To suppress current consumption by reducing a current flowing during reading, in an imaging element for processing signals outputted from a plurality of pixels in parallel.SOLUTION: In the imaging element, a processing circuit part 210 includes a conversion part (pixel circuit) which converts an analog signal outputted from a pixel to a digital signal and stores it in a pixel memory, a first output line 302 which is connected to a plurality of first conversion parts in a plurality of conversion parts and to which a signal stored in the pixel memory of the first conversion part is outputted, and a second output line 304 which is connected to a plurality of second conversion parts in the plurality of conversion parts and to which the signal stored in the pixel memory of the second conversion part is outputted. The processing circuit part 210 may further include a first sub output line 270 to which the signal of one conversion part of the plurality of first conversion parts is outputted, a second sub output line 272 to which the signal of another conversion part of the plurality of first conversion parts is outputted, and a first switching part which switches connection to the first output line to one of the first sub output line and the second sub output line.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、撮像素子および撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging device and an imaging device.

複数の画素からそれぞれ出力された信号を並列的に処理可能な撮像素子が知られている(たとえば、特許文献1)。従来より、画素からの信号を並列的に処理することに起因する消費電流の増大が問題となっていた。
[先行技術文献]
[特許文献]
[特許文献1] 国際公開WO2013/129202
An imaging device capable of processing signals output from a plurality of pixels in parallel is known (for example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2002-100003). Conventionally, an increase in current consumption due to parallel processing of signals from pixels has been a problem.
[Prior art documents]
[Patent Literature]
[Patent Document 1] International Publication WO2013/129202

本発明の第1の態様においては、撮像素子であって、行方向に並んで配置され、アナログ信号をデジタル信号に変換する複数の変換部と、複数の変換部のうち複数の第1変換部に接続され、第1変換部でデジタル信号に変換された信号が出力される第1出力線と、複数の変換部のうち複数の第2変換部に接続され、第2変換部でデジタル信号に変換された信号が出力される第2出力線と、を備える。 In a first aspect of the present invention, an imaging device includes a plurality of conversion units arranged in a row direction for converting analog signals into digital signals, and a plurality of first conversion units among the plurality of conversion units. connected to a first output line for outputting a signal converted into a digital signal by the first conversion unit; and a second output line through which the converted signal is output.

本発明の第2の態様においては、撮像装置であって上記撮像素子を備える。 According to a second aspect of the present invention, there is provided an image pickup apparatus including the above image pickup device.

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。 It should be noted that the above summary of the invention does not list all the features of the invention. Subcombinations of these feature groups can also be inventions.

本実施形態に係る撮像素子400の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline|summary of the image pick-up element 400 which concerns on this embodiment. 第1半導体基板100の平面レイアウトの一例を示す。An example of a planar layout of the first semiconductor substrate 100 is shown. 第2半導体基板200の平面レイアウトの一例を示す。An example of a planar layout of the second semiconductor substrate 200 is shown. 画素112および画素回路212の回路構成の一例を示す。An example of the circuit configuration of the pixel 112 and the pixel circuit 212 is shown. 画素メモリ220の読み出しについての回路を説明する概略図である。3 is a schematic diagram illustrating a circuit for reading out a pixel memory 220; FIG. 第3半導体基板300の平面レイアウトの一例を示す。An example of a planar layout of the third semiconductor substrate 300 is shown. メモリブロック312を模式的に示す。A memory block 312 is shown schematically. 画素メモリ220のデータを、メモリ部310へ読み出す他の回路を説明する概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram illustrating another circuit for reading out data in the pixel memory 220 to the memory section 310; 図8の行方向に隣接した画素回路212、213の配置の例を模式的に示す。8 schematically shows an example of the arrangement of pixel circuits 212 and 213 adjacent in the row direction of FIG. 8. FIG. 画素メモリ220のデータを、メモリ部310へ読み出すさらに他の回路を説明する概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram illustrating still another circuit for reading out data in the pixel memory 220 to the memory section 310; 画素メモリ220のデータを、メモリ部310へ読み出すさらに他の回路を説明する概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram illustrating still another circuit for reading out data in the pixel memory 220 to the memory section 310; 画素メモリ220のデータを、メモリ部310へ読み出すさらに他の回路を説明する概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram illustrating still another circuit for reading out data in the pixel memory 220 to the memory section 310; 画素メモリ220のデータを、メモリ部310へ読み出すさらに他の回路を説明する概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram illustrating still another circuit for reading out data in the pixel memory 220 to the memory section 310; 他の撮像素子402の概要を示す図である。4 is a diagram showing an outline of another imaging device 402. FIG. CDSブロック316を模式的に示す。A CDS block 316 is shown schematically. 他のCDSブロック318を模式的に示す。Another CDS block 318 is shown schematically. 実施例に係る撮像装置500の構成例を示すブロック図である。2 is a block diagram showing a configuration example of an imaging device 500 according to an embodiment; FIG.

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. Also, not all combinations of features described in the embodiments are essential for the solution of the invention.

図1は、本実施形態に係る撮像素子400の概要を示す図である。撮像素子400は、被写体を撮像する。撮像素子400は、撮像された被写体の画像データを生成する。撮像素子400は、第1半導体基板100、第2半導体基板200および第3半導体基板300を備える。図1に示すように、第1半導体基板100は、第2半導体基板200に積層されている。第2半導体基板200は第3半導体基板300に積層されている。 FIG. 1 is a diagram showing an overview of an imaging device 400 according to this embodiment. The imaging element 400 images a subject. The imaging device 400 generates image data of a captured subject. The imaging device 400 includes a first semiconductor substrate 100 , a second semiconductor substrate 200 and a third semiconductor substrate 300 . As shown in FIG. 1 , the first semiconductor substrate 100 is laminated on the second semiconductor substrate 200 . A second semiconductor substrate 200 is stacked on a third semiconductor substrate 300 .

第1半導体基板100は、画素部110を有する。画素部110は、入射された光に基づく画素信号を出力する。なお、第1半導体基板100を画素チップと呼ぶことがある。 The first semiconductor substrate 100 has a pixel portion 110 . The pixel unit 110 outputs pixel signals based on incident light. Note that the first semiconductor substrate 100 is sometimes called a pixel chip.

第2半導体基板200は、処理回路部210および周辺回路部230を有する。なお、第2半導体基板200を信号処理チップと呼ぶことがある。 The second semiconductor substrate 200 has a processing circuit section 210 and a peripheral circuit section 230 . Note that the second semiconductor substrate 200 may be called a signal processing chip.

第3半導体基板300は、メモリ部310および周辺回路部320を有する。なお、第3半導体基板300をメモリチップと呼ぶことがある。 The third semiconductor substrate 300 has a memory section 310 and a peripheral circuit section 320 . Note that the third semiconductor substrate 300 may be called a memory chip.

処理回路部210は、第1半導体基板100から出力された画素信号が入力される。処理回路部210は、入力された画素信号を処理する。例えば、処理回路部210は、アナログ信号をデジタル信号に変換する処理を行う。具体的には、処理回路部210は、入力された画素信号をデジタル信号に変換する処理を行う。処理回路部210は他の信号処理を行ってもよい。 A pixel signal output from the first semiconductor substrate 100 is input to the processing circuit unit 210 . The processing circuit unit 210 processes input pixel signals. For example, the processing circuit unit 210 performs processing for converting analog signals into digital signals. Specifically, the processing circuit unit 210 performs a process of converting an input pixel signal into a digital signal. Processing circuitry 210 may perform other signal processing.

本例の処理回路部210は、第2半導体基板200において、画素部110と対向する位置に配置されている。すなわち、処理回路部210は光軸方向について少なくとも部分的に画素部110と重なるように配される。処理回路部210は、画素部110の駆動を制御するための制御信号を画素部110に出力してもよい。 The processing circuit section 210 of this example is arranged at a position facing the pixel section 110 on the second semiconductor substrate 200 . That is, the processing circuit section 210 is arranged so as to at least partially overlap the pixel section 110 in the optical axis direction. The processing circuit section 210 may output a control signal for controlling driving of the pixel section 110 to the pixel section 110 .

周辺回路部230は、処理回路部210の駆動を制御する。周辺回路部230は、第2半導体基板200において、処理回路部210の周辺に配置されている。また、周辺回路部230は、第1半導体基板100と電気的に接続され、画素部110の駆動を制御してもよい。 The peripheral circuit section 230 controls driving of the processing circuit section 210 . The peripheral circuit section 230 is arranged around the processing circuit section 210 on the second semiconductor substrate 200 . Also, the peripheral circuit section 230 may be electrically connected to the first semiconductor substrate 100 to control driving of the pixel section 110 .

メモリ部310は、処理回路部210で処理された画素信号を出力線302,304を介して受け取り、記憶する。図1では撮像素子400が分解図的に描かれているので出力線203,304が長く見えているが、出力線302,304は、TSV等を用いた基板間配線であるので、面内の配線に比べて短くすることができる。 The memory section 310 receives and stores the pixel signals processed by the processing circuit section 210 via the output lines 302 and 304 . In FIG. 1, the image sensor 400 is drawn in an exploded view, so the output lines 203 and 304 look long. It can be shorter than wiring.

周辺回路部320は、メモリ部310に記憶された画素信号に対してノイズ除去などの画像処理を行う。なお、撮像素子400の構造は、裏面照射型であっても、表面照射型であってもよい。以下、裏面照射型の例で説明する。 The peripheral circuit section 320 performs image processing such as noise removal on the pixel signals stored in the memory section 310 . Note that the structure of the imaging element 400 may be of a backside illumination type or a frontside illumination type. An example of the backside illumination type will be described below.

図2は、第1半導体基板100の平面レイアウトの一例を示す。第1半導体基板100の面内の中央付近に、画素部110が配される。 FIG. 2 shows an example of a planar layout of the first semiconductor substrate 100. As shown in FIG. A pixel portion 110 is arranged near the center of the surface of the first semiconductor substrate 100 .

画素部110は、行方向および列方向に沿って並んで配置された複数の画素112を有する。本例の画素部110は、M×N個(M,Nは、自然数)の画素112を有する。本例では、MがNと異なる場合を図示しているが、MとNは等しくてもよい。 The pixel section 110 has a plurality of pixels 112 arranged side by side along the row direction and the column direction. The pixel unit 110 of this example has M×N (M and N are natural numbers) pixels 112 . Although this example illustrates the case where M is different from N, M and N may be equal.

図3は、第2半導体基板200の平面レイアウトの一例を示す。第2半導体基板200の面内の中央付近に処理回路部210が配される。 FIG. 3 shows an example of a planar layout of the second semiconductor substrate 200. As shown in FIG. A processing circuit section 210 is arranged near the center of the surface of the second semiconductor substrate 200 .

処理回路部210は、行方向および列方向に沿って並んで配置された複数の画素回路212を有する。本例の処理回路部210は、M×N個の画素回路212を有する。 The processing circuit section 210 has a plurality of pixel circuits 212 arranged side by side along the row direction and the column direction. The processing circuit section 210 of this example has M×N pixel circuits 212 .

本実施形態において、画素回路212と画素112は光軸方向から見て重なった位置に配される。この場合に、画素回路212と画素112の面積は隣接するブロック間のマージンを含めて略同一であってよい。 In this embodiment, the pixel circuit 212 and the pixel 112 are arranged at overlapping positions when viewed from the optical axis direction. In this case, the areas of the pixel circuits 212 and the pixels 112 may be substantially the same including margins between adjacent blocks.

画素回路212は、電気的に接続された画素112の駆動を制御する。画素回路212と画素112とが電気的に接続されていることを、対応する、と呼ぶ場合がある。 The pixel circuit 212 controls driving of the electrically connected pixels 112 . Electrical connection between the pixel circuit 212 and the pixel 112 may be referred to as corresponding.

本実施形態では、互いに重なった位置に配された画素回路212と画素112とが接続されている。しかしながら、重なった位置に配された画素回路212と画素112とが接続されることに代えて、互いに重ならない位置に配された画素回路212と画素112とが接続されてもよい。 In the present embodiment, the pixel circuits 212 and the pixels 112 that are arranged in overlapping positions are connected. However, instead of connecting the pixel circuit 212 and the pixel 112 arranged at the overlapping position, the pixel circuit 212 and the pixel 112 arranged at the position not overlapping with each other may be connected.

処理回路部210の周辺には周辺回路部230の一例としての、画素制御回路250および読出制御回路260が配される。画素制御回路250は、画素112と画素回路212とを制御する。画素制御回路250は、例えば、画素回路212が画素112からの信号をAD変換するための制御信号を供給する。また、画素制御回路250は、例えば、画素112の露光時間を制御する。読出制御回路260は、画素回路212に記憶された画素信号をメモリ部310に出力するための読み出しを制御する。 A pixel control circuit 250 and a readout control circuit 260 as an example of the peripheral circuit section 230 are arranged around the processing circuit section 210 . Pixel control circuit 250 controls pixel 112 and pixel circuit 212 . The pixel control circuit 250 supplies, for example, a control signal for the pixel circuit 212 to AD-convert the signal from the pixel 112 . The pixel control circuit 250 also controls the exposure time of the pixels 112, for example. The readout control circuit 260 controls readout for outputting pixel signals stored in the pixel circuit 212 to the memory section 310 .

図4は、画素112および画素回路212の回路構成の一例を示す。画素112は、光電変換部130と、リセット部132と、蓄積部134と、転送部136とを備える。 FIG. 4 shows an example of the circuit configuration of the pixel 112 and the pixel circuit 212. As shown in FIG. The pixel 112 includes a photoelectric conversion section 130 , a reset section 132 , an accumulation section 134 and a transfer section 136 .

光電変換部130は、光を電荷に変換する光電変換機能と光電変換された電荷を蓄積する蓄積機能とを有する。光電変換部130は、例えば、フォトダイオードである。 The photoelectric conversion unit 130 has a photoelectric conversion function of converting light into electric charge and an accumulation function of accumulating the photoelectrically converted electric charge. The photoelectric conversion unit 130 is, for example, a photodiode.

蓄積部134は、光電変換部130で生じた電荷をその量に応じた電圧に変換する。蓄積部134は、フローティングディフュージョン(FD)の一例である。 The storage unit 134 converts the charge generated in the photoelectric conversion unit 130 into a voltage corresponding to the amount. The storage unit 134 is an example of a floating diffusion (FD).

リセット部132は、制御信号φRSTに基づき蓄積部134の電荷を所定の電源電圧VDDが供給される電源配線に排出する。リセット部132は、制御信号φRSTに基づき蓄積部134の電位を所定の電源電圧VDDにリセットする。リセット部132のゲート端子は、画素制御回路250に接続される。 The reset unit 132 discharges the electric charges of the storage unit 134 to a power supply line supplied with a predetermined power supply voltage VDD based on the control signal φRST. The reset unit 132 resets the potential of the storage unit 134 to a predetermined power supply voltage VDD based on the control signal φRST. A gate terminal of the reset unit 132 is connected to the pixel control circuit 250 .

転送部136は、制御信号φTXに基づき光電変換部130に蓄積された電荷を、蓄積部134に転送する。また、転送部136は、制御信号φTXに基づき光電変換部130に蓄積された電荷を所定の電源電圧VDDが供給される電源配線に排出する。転送部136は、例えば、制御信号φTXと制御信号φRSTを同時に給することで、光電変換部130に蓄積された電荷を所定の電源電圧VDDが供給される電源配線に排出する。転送部136は、光電変換部130の電荷を転送するトランスファーゲートの一例である。換言すれば、転送部136をゲートとし、光電変換部130をソースとし、蓄積部134をドレインとして、これらがいわゆる転送トランジスタを構成している。 The transfer unit 136 transfers the charge accumulated in the photoelectric conversion unit 130 to the storage unit 134 based on the control signal φTX. In addition, the transfer unit 136 discharges the charge accumulated in the photoelectric conversion unit 130 to the power supply wiring supplied with the predetermined power supply voltage VDD based on the control signal φTX. For example, the transfer unit 136 supplies the control signal φTX and the control signal φRST at the same time, thereby discharging the charge accumulated in the photoelectric conversion unit 130 to the power supply wiring supplied with the predetermined power supply voltage VDD. The transfer unit 136 is an example of a transfer gate that transfers charges of the photoelectric conversion unit 130 . In other words, the transfer section 136 as a gate, the photoelectric conversion section 130 as a source, and the storage section 134 as a drain constitute a so-called transfer transistor.

画素回路212は、比較器216と制御回路214と画素メモリ220とを備える。比較器216は、蓄積部134の電圧と、画素制御回路250から給される基準電圧RAMPとを比較し、その比較結果を制御回路214に出力する。比較器216は例えば差動対により構成される。また、比較器216は例えば、蓄積部134との間にソースフォロワ回路を配してもよい。制御回路214は、比較器216からの信号とφCTLの信号に基づき、画素メモリ220を制御する。 The pixel circuit 212 comprises a comparator 216 , a control circuit 214 and a pixel memory 220 . The comparator 216 compares the voltage of the storage section 134 with the reference voltage RAMP supplied from the pixel control circuit 250 and outputs the comparison result to the control circuit 214 . The comparator 216 is composed of, for example, a differential pair. In addition, for example, a source follower circuit may be arranged between the comparator 216 and the storage unit 134 . The control circuit 214 controls the pixel memory 220 based on the signal from the comparator 216 and the φCTL signal.

画素メモリ220は、デジタル信号に変換された画素信号を記憶する。画素メモリ220は例えば、画素制御回路250より給されるカウント信号を受け、制御回路214より出力される制御信号が反転した場合に、そのときのカウント信号の値を記憶する。画素メモリ220はさらに、選択信号φSELに基づいて、記憶している画素信号を出力する。画素メモリ220の一例はSRAMである。 The pixel memory 220 stores pixel signals converted into digital signals. For example, the pixel memory 220 receives the count signal supplied from the pixel control circuit 250 and stores the value of the count signal when the control signal output from the control circuit 214 is inverted. The pixel memory 220 further outputs the stored pixel signal based on the selection signal φSEL. An example of pixel memory 220 is SRAM.

画素112および画素回路212の1フレームの動作の一例について説明する。まず、1フレームの蓄積開始時において、画素制御回路250は制御信号φTXと制御信号φRSTを同時に給することにより、光電変換部130に蓄積された電荷をリセットする。次に、1フレーム終了時の読み出し期間において、画素制御回路250は制御信号φRSTを給することで、蓄積部134の電圧を所定の電圧にリセットする。その後、画素制御回路250は、制御信号φCTLと、基準電圧RAMPと、画素メモリ220に給するカウント信号を制御することで、蓄積部134のリセット電圧に対応した値を画素メモリ220に記憶させる(DARK変換)。そして、読出制御回路260は、選択信号φSELを制御することにより、画素メモリ220に記憶されたDARK変換結果のデータを、メモリ部310へ読み出す。画素メモリ220のデータ読み出しについては、さらに後述する。さらに、画素制御回路250は制御信号φTXを給することで、光電変換部130に蓄積された電荷を蓄積部134に転送する。その後、画素制御回路250は、制御信号φCTLと、基準電圧RAMPと、画素メモリ220に給するカウント信号を制御することで、電荷転送後の蓄積部134の電圧に対応した値を画素メモリ220に記憶させる(SIG変換)。最後に、読出制御回路260は、選択信号φSELを制御することにより、画素メモリ220に記憶されたSIG変換結果のデータを、メモリ部310へ読み出す。 An example of the operation of the pixel 112 and the pixel circuit 212 for one frame will be described. First, at the start of accumulation of one frame, the pixel control circuit 250 simultaneously supplies the control signal φTX and the control signal φRST to reset the charge accumulated in the photoelectric conversion section 130 . Next, in a readout period at the end of one frame, the pixel control circuit 250 supplies a control signal φRST to reset the voltage of the storage section 134 to a predetermined voltage. After that, the pixel control circuit 250 controls the control signal φCTL, the reference voltage RAMP, and the count signal supplied to the pixel memory 220 to store the value corresponding to the reset voltage of the storage section 134 in the pixel memory 220 ( DARK conversion). Then, the read control circuit 260 reads the DARK conversion result data stored in the pixel memory 220 to the memory unit 310 by controlling the selection signal φSEL. Data reading from the pixel memory 220 will be further described later. Furthermore, the pixel control circuit 250 transfers the charge accumulated in the photoelectric conversion section 130 to the accumulation section 134 by supplying the control signal φTX. After that, the pixel control circuit 250 controls the control signal φCTL, the reference voltage RAMP, and the count signal to be supplied to the pixel memory 220 so that the value corresponding to the voltage of the storage section 134 after the charge transfer is transferred to the pixel memory 220. Store (SIG conversion). Finally, the readout control circuit 260 reads out the SIG conversion result data stored in the pixel memory 220 to the memory unit 310 by controlling the selection signal φSEL.

本実施形態では、1つの画素112に対して、1つの画素回路212が設けられており、すべての画素112および画素回路212は同時に制御される。よって、画素部110に含まれる複数の画素112について同時刻に露光する、いわゆるグローバルシャッタ動作が可能である。また、個々の画素112に対して別個の時刻に露光するような動作も可能である。 In this embodiment, one pixel circuit 212 is provided for one pixel 112, and all pixels 112 and pixel circuits 212 are controlled simultaneously. Therefore, a so-called global shutter operation in which a plurality of pixels 112 included in the pixel portion 110 are exposed at the same time is possible. It is also possible to perform an operation in which individual pixels 112 are exposed at separate times.

図5は、画素メモリ220のデータを、メモリ部310へ読み出す回路を説明する概略図である。説明しない構成については図を省略している。 FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a circuit for reading out data in the pixel memory 220 to the memory section 310. As shown in FIG. Configurations that are not described are omitted from the drawing.

処理回路部210にはM×N個の画素121に対応して、M×N個の画素メモリ220が配される。ここで、一度に多くの画素メモリ220から読み出し動作が行われると、読み出し時の電流が増えてしまう。そこで、本実施形態では下記に説明するように、複数の画素メモリ220から読み出される画素信号の出力線を束ねたり、読み出された画素信号をメモリ部310に一旦記憶するなどにより、読み出し時の電流を抑える。 The processing circuit unit 210 is provided with M×N pixel memories 220 corresponding to the M×N pixels 121 . Here, if the readout operation is performed from many pixel memories 220 at once, the current at the time of readout increases. Therefore, in the present embodiment, as described below, by bundling the output lines of the pixel signals read out from the plurality of pixel memories 220, or by temporarily storing the read out pixel signals in the memory unit 310, curb the current.

図5において、3行2列に並んだ6個の画素メモリ220が出力線302に共通に接続されている。出力線266には画素メモリ220から読み出された画素信号が出力される。出力線266は、ビット線とも呼ばれることがある。より詳しくは、3行1列に並んだ3個の画素メモリ220が1つのサブ出力線270に接続され、これらと列方向に隣接し3行1列に並んだ3個の画素メモリ220が他のサブ出力線272に接続され、サブ出力線270とサブ出力線272が出力線302に接続されている。 In FIG. 5, six pixel memories 220 arranged in three rows and two columns are commonly connected to an output line 302 . A pixel signal read from the pixel memory 220 is output to the output line 266 . Output lines 266 are sometimes referred to as bit lines. More specifically, three pixel memories 220 arranged in three rows and one column are connected to one sub output line 270, and three pixel memories 220 arranged in three rows and one column adjacent to them in the column direction are connected to each other. , and the sub-output lines 270 and 272 are connected to the output line 302 .

ここで、画素メモリ220は画像信号の階調等に対応したビット数のデジタル信号を記憶するので、画素112毎に当該ビット数に応じたメモリセルを有する。例えば1画素の画素信号をモノクロの256階調で表すのに8ビットを用いるとすれば、8個のメモリセルが用いられる。よって、画素メモリ220からの出力に対しても、時分割しないとすれば、1列の画素メモリ220につき少なくとも当該ビット数分の出力線302が用いられる。図5以降において、図5の出力線302のように配線に斜線を付すことで、複数の配線を1本で代表していることを示す。 Here, since the pixel memory 220 stores a digital signal having a number of bits corresponding to the gradation of the image signal, each pixel 112 has a memory cell corresponding to the number of bits. For example, if 8 bits are used to express a pixel signal of one pixel in 256 monochrome gradations, 8 memory cells are used. Therefore, if the output from the pixel memory 220 is not time-divided, at least the output lines 302 corresponding to the number of bits are used for each column of the pixel memory 220 . In FIG. 5 and subsequent figures, wirings are hatched like the output line 302 in FIG. 5 to indicate that a plurality of wirings are represented by one wiring.

さらに、図5の例では、出力線302に接続された3行2列に並んだ6個の画素メモリ220と行方向に隣接する3行2列に並んだ6個の画素メモリ220が、出力線304に共通に接続されている。より詳しくは、3行1列に並んだ3個の画素メモリ220が1つのサブ出力線280に接続され、これらと列方向に隣接し3行1列に並んだ3個の画素メモリ220が他のサブ出力線282に接続され、サブ出力線280とサブ出力線282が出力線304に接続されている。 Furthermore, in the example of FIG. 5, the six pixel memories 220 arranged in three rows and two columns connected to the output line 302 and the six pixel memories 220 arranged in three rows and two columns adjacent to each other in the row direction output A line 304 is connected in common. More specifically, three pixel memories 220 arranged in three rows and one column are connected to one sub-output line 280, and three pixel memories 220 arranged in three rows and one column adjacent to them in the column direction are connected to the other. , and the sub-output lines 280 and 282 are connected to the output line 304 .

上記構成により、3行2列に並んだ6個の画素メモリ220が読出しに関してひとつにグループ化されているともいえる。説明を簡便にするためにグループ化された複数の画素メモリ220をグループ290,291と呼ぶことがある。 With the above configuration, it can be said that the six pixel memories 220 arranged in three rows and two columns are grouped into one with respect to readout. For convenience of explanation, the grouped pixel memories 220 are sometimes referred to as groups 290 and 291 .

複数のグループ290,291の間で、対応する位置の画素メモリ220は読出制御回路260の行選択線264、265に共通に接続されている。行選択線264、265には、画素メモリ220に記憶された画素信号を読み出すための制御信号の一例としての選択信号φSELが出力される。行選択線264は、ワード選択線とも呼ばれることがある。 Among the plurality of groups 290 and 291 , the pixel memories 220 at corresponding positions are commonly connected to row selection lines 264 and 265 of the readout control circuit 260 . A selection signal φSEL as an example of a control signal for reading pixel signals stored in the pixel memory 220 is output to the row selection lines 264 and 265 . Row select lines 264 are sometimes referred to as word select lines.

各グループ290,291毎に、当該グループに含まれる画素メモリ220が選択信号φSELで一つずつ選択され、選択された画素メモリ220の画素信号がそれぞれの出力線302、304に出力される。換言すれば、各グループ290,291内では逐次読み出しで、グループ間では同時読み出しであると言える。 One pixel memory 220 included in each group 290 and 291 is selected by a selection signal φSEL, and pixel signals of the selected pixel memory 220 are output to output lines 302 and 304, respectively. In other words, it can be said that the reading is performed sequentially within each of the groups 290 and 291 and the reading is performed simultaneously between the groups.

各グループ290、291には、少なくとも2つの行方向に並んだ画素メモリ220が含まれることが好ましい。一方、読み出しを早くする観点からは、処理回路部210の全体として、行方向について2つ以上にグループ化されていることが好ましい。同様に、各グループ290,291には、少なくとも2つの列方向に並んだ画素メモリ220が含まれることが好ましいが、処理回路部210の全体として、列方向について2つ以上にグループ化されていることが好ましい。 Each group 290 , 291 preferably includes at least two row-wise pixel memories 220 . On the other hand, from the viewpoint of speeding up reading, it is preferable that the processing circuit unit 210 as a whole be grouped into two or more in the row direction. Similarly, each group 290, 291 preferably includes at least two pixel memories 220 arranged in the column direction, but the processing circuit unit 210 as a whole is grouped into two or more in the column direction. is preferred.

図6は、第3半導体基板300の平面レイアウトの一例を示す。第3半導体基板300の面内の中央付近にメモリ部310が配される。 FIG. 6 shows an example of a planar layout of the third semiconductor substrate 300. As shown in FIG. A memory section 310 is arranged near the center of the surface of the third semiconductor substrate 300 .

メモリ部310は、行方向および列方向に沿って並んで配置された複数のメモリブロック312を有する。メモリブロック312の個数は、処理回路部210に含まれる画素メモリ220のグループの数と同じであってよい。例えば、画素メモリ220がp行q列にグループ化されている場合に、メモリ部310は(M/p)×(N/q)個のメモリブロック312を有してよい。なお、メモリブロック312とグループ290とが出力線302で電気的に接続されていることを、対応する、と呼ぶ場合がある。 The memory unit 310 has a plurality of memory blocks 312 arranged side by side along the row and column directions. The number of memory blocks 312 may be the same as the number of groups of pixel memories 220 included in the processing circuitry 210 . For example, if the pixel memories 220 are grouped into p rows and q columns, the memory section 310 may have (M/p)×(N/q) memory blocks 312 . The electrical connection between the memory block 312 and the group 290 via the output line 302 may be called corresponding.

本実施形態において、メモリブロック312と対応する画素メモリ220のグループ290とは光軸方向から見て重なった位置に配される。この場合に、メモリブロック312とグループ290の面積は隣接するブロック間のマージンを含めて略同一であってよい。ただし、メモリブロック312の数や配置は図6の例に限られない。 In this embodiment, the memory block 312 and the corresponding group 290 of the pixel memories 220 are arranged at overlapping positions when viewed from the optical axis direction. In this case, the areas of memory block 312 and group 290 may be substantially the same, including margins between adjacent blocks. However, the number and arrangement of the memory blocks 312 are not limited to the example in FIG.

メモリ部310の周辺には周辺回路部320が配される。周辺回路部320にはCDS回路322が含まれる。CDS回路322は、例えばSIG変換の結果からDARK変換の結果を画素毎に引き算することでCDS(相関2重サンプリング)を行う、ノイズ除去部の一例となっている。 A peripheral circuit section 320 is arranged around the memory section 310 . The peripheral circuit section 320 includes a CDS circuit 322 . The CDS circuit 322 is an example of a noise removal unit that performs CDS (correlated double sampling) by subtracting, for each pixel, the result of DARK conversion from the result of SIG conversion.

図7は、メモリブロック312を模式的に示す。メモリブロック312は一つの出力線302に対してk画素分のメモリ対350を有する。メモリ対350のそれぞれは、1画素分の、DARK変換の結果を記憶するDARKメモリ352と、SIG変換の結果を記憶するSIGメモリ354とを有する。DARKメモリ352,SIGメモリ354はそれぞれSRAMであってよい。 FIG. 7 schematically shows memory block 312 . The memory block 312 has memory pairs 350 for k pixels for one output line 302 . Each memory pair 350 has a DARK memory 352 for storing the result of DARK conversion and a SIG memory 354 for storing the result of SIG conversion for one pixel. DARK memory 352 and SIG memory 354 may each be SRAM.

よって、一つのメモリブロック312は対応する一つのグループ290に含まれるk画素に対応して、2k個のメモリを有する。図5のようにグループ290が6個の画素に対応する画素メモリ220を有する場合に、メモリブロック312は2×6=12個のメモリを有する。なお、2k個以上のメモリを設けてもよい。 Therefore, one memory block 312 has 2k memories corresponding to k pixels included in one corresponding group 290 . If group 290 has pixel memories 220 corresponding to 6 pixels as in FIG. 5, then memory block 312 has 2×6=12 memories. Note that 2k or more memories may be provided.

図5で説明したように、グループ290内で複数の画素メモリ220からDARK変換の結果の画素信号が出力線302に逐次読み出されるので、各画素信号が各DARKメモリ352に記憶される。次に、グループ290内で複数の画素メモリ220からSIG変換の結果の画素信号が出力線302に逐次読み出されるので、各画素信号が各SIGメモリ354に記憶される。その後、各画素に対応するメモリ対350ごとに記憶されたDARK変換の結果とSIG変換の結果がCDS回路322に読み出されてノイズ除去処理がされる。 As described with reference to FIG. 5, the pixel signals resulting from the DARK conversion are sequentially read from the plurality of pixel memories 220 in the group 290 to the output line 302 , so each pixel signal is stored in each DARK memory 352 . Next, pixel signals resulting from the SIG conversion are sequentially read out from the plurality of pixel memories 220 in the group 290 to the output line 302 , so that each pixel signal is stored in each SIG memory 354 . After that, the DARK conversion result and the SIG conversion result stored in each memory pair 350 corresponding to each pixel are read out to the CDS circuit 322 and subjected to noise removal processing.

付言すれば、本実施形態では、比較器216でデジタル信号に変換された画素信号を一旦記憶するラッチとしての画素メモリ220とは別個に、その下流にメモリブロック312を設けた。これにより早く読み出さないといけない区間を短くして、読み出し時に流れる電流を小さくすることができる。 In addition, in this embodiment, a memory block 312 is provided downstream separately from the pixel memory 220 as a latch for temporarily storing the pixel signal converted into a digital signal by the comparator 216 . As a result, it is possible to shorten the section in which the data must be read out quickly, and to reduce the current that flows during the readout.

図8は、画素メモリ220のデータを、メモリ部310へ読み出す他の回路を説明する概略図である。図1から図7までと同じ構成については同じ参照番号を付して説明を省略する。また、図8には一つのグループ292を図示した。 FIG. 8 is a schematic diagram illustrating another circuit for reading out data in the pixel memory 220 to the memory section 310. As shown in FIG. The same reference numerals are assigned to the same configurations as those in FIGS. 1 to 7, and the description thereof is omitted. Also, one group 292 is illustrated in FIG.

図8において、3行2列に並んだ6個の画素メモリ220が出力線302に共通に接続されている。ただし、図5とは異なり、行方向に隣接した画素メモリ220から共通の出力線302に直接的に接続されている。これにより出力に関する配線の数をさらに減らすことができる。 In FIG. 8, six pixel memories 220 arranged in three rows and two columns are commonly connected to an output line 302 . However, unlike FIG. 5, the pixel memories 220 adjacent in the row direction are directly connected to the common output line 302 . This can further reduce the number of wirings for the output.

図9は、図8の行方向に隣接した画素回路212、213の配置の例を模式的に示す。図9において、一方の画素回路212と他方の画素回路213とは、互いに少なくとも一部の配置が出力線302を中心に線対称である。図9の例では、比較器216、制御回路214および画素メモリ220の並び順が線対称になっている。各回路の素子の並びも線対称であってよい。さらに、画素112まで含めて線対称の配置であってもよい。 FIG. 9 schematically shows an arrangement example of pixel circuits 212 and 213 adjacent in the row direction of FIG. In FIG. 9, the pixel circuits 212 on one side and the pixel circuits 213 on the other side are at least partially arranged line-symmetrically with respect to the output line 302 . In the example of FIG. 9, the order of arrangement of the comparator 216, the control circuit 214 and the pixel memory 220 is line symmetrical. The arrangement of the elements of each circuit may also be axisymmetric. Furthermore, the arrangement including the pixels 112 may be line-symmetrical.

図10は、画素メモリ220のデータを、メモリ部310へ読み出すさらに他の回路を説明する概略図である。図1から図9までと同じ構成については同じ参照番号を付して説明を省略する。また、図10には一つのグループ293を図示した。 FIG. 10 is a schematic diagram illustrating still another circuit for reading out data in the pixel memory 220 to the memory section 310. As shown in FIG. The same reference numerals are assigned to the same configurations as those in FIGS. 1 to 9, and the description thereof is omitted. Also, one group 293 is illustrated in FIG.

図10において、3行1列に並んだ3個の画素メモリ220が1つのサブ出力線270に接続され、これらと列方向に隣接し3行1列に並んだ3個の画素メモリ220が他のサブ出力線272に接続されている。2つのサブ出力線270,272は切替部274を介してそのいずれかが出力線302に接続される。 In FIG. 10, three pixel memories 220 arranged in three rows and one column are connected to one sub-output line 270, and three pixel memories 220 arranged in three rows and one column adjacent to them in the column direction are connected to each other. is connected to the sub-output line 272 of . One of the two sub-output lines 270 and 272 is connected to the output line 302 via a switching section 274 .

切替部274は選択信号φSELと連動して操作される。切替部274は、サブ出力線270に画素信号が出力される場合にはサブ出力線270を出力線302に接続する。一方、切替部274は、サブ出力線272に画素信号が出力される場合にはサブ出力線272を出力線302に接続する。これにより配線容量をさらに削減することができる。 The switching unit 274 is operated in conjunction with the selection signal φSEL. The switching unit 274 connects the sub-output line 270 to the output line 302 when a pixel signal is output to the sub-output line 270 . On the other hand, the switching unit 274 connects the sub-output line 272 to the output line 302 when a pixel signal is output to the sub-output line 272 . This makes it possible to further reduce the wiring capacity.

図11は、画素メモリ220のデータを、メモリ部310へ読み出すさらに他の回路を説明する概略図である。図1から図10までと同じ構成については同じ参照番号を付して説明を省略する。また、図11には一つのグループ294を図示した。 FIG. 11 is a schematic diagram illustrating still another circuit for reading out data in the pixel memory 220 to the memory section 310. As shown in FIG. The same reference numerals are assigned to the same configurations as in FIGS. 1 to 10, and the description thereof is omitted. Also, one group 294 is illustrated in FIG.

図11のグループ294は、図8のグループ292と図10のグループ293とを組み合わせた形態である。まず、3行2列に並んだ6個の画素メモリ220がサブ出力線270に直接的に接続され、さらに他の3行2列に並んだ6個の画素メモリ220がサブ出力線272に直接的に接続されている。2つのサブ出力線270,272は切替部274を介してそのいずれかが出力線302に接続される。これにより配線容量をさらに削減することができる。 Group 294 in FIG. 11 is a combination of group 292 in FIG. 8 and group 293 in FIG. First, 6 pixel memories 220 arranged in 3 rows and 2 columns are directly connected to the sub-output line 270 , and the other 6 pixel memories 220 arranged in 3 rows and 2 columns are directly connected to the sub-output line 272 . properly connected. One of the two sub-output lines 270 and 272 is connected to the output line 302 via a switching section 274 . This makes it possible to further reduce the wiring capacity.

図12は、画素メモリ220のデータを、メモリ部310へ読み出すさらに他の回路を説明する概略図である。図1から図11までと同じ構成については同じ参照番号を付して説明を省略する。また、図12には一つのグループ295を図示した。 FIG. 12 is a schematic diagram illustrating still another circuit for reading the data in the pixel memory 220 to the memory section 310. As shown in FIG. The same reference numerals are assigned to the same configurations as those in FIGS. 1 to 11, and the description thereof is omitted. Also, one group 295 is illustrated in FIG.

グループ295は、図10のグループ293において行選択線265を省略した形態に対応する。各グループ295内において行方向の画素メモリ220からの出力は切替部274で実質的に切り替えることができるから、行方向を選択する行選択線の数を省略してもグループ293内で逐次読み出しをすることができる。 Group 295 corresponds to group 293 of FIG. 10 with row select line 265 omitted. In each group 295, the output from the pixel memory 220 in the row direction can be substantially switched by the switching unit 274. Therefore, even if the number of row selection lines for selecting the row direction is omitted, sequential readout can be performed within the group 293. can do.

図13は、画素メモリ220のデータを、メモリ部310へ読み出すさらに他の回路を説明する概略図である。図1から図12までと同じ構成については同じ参照番号を付して説明を省略する。また、図13には一つのグループ296を図示した。 FIG. 13 is a schematic diagram illustrating still another circuit for reading the data in the pixel memory 220 to the memory section 310. As shown in FIG. The same reference numerals are assigned to the same configurations as in FIGS. 1 to 12, and the description thereof is omitted. Also, one group 296 is illustrated in FIG.

グループ296は、図11のグループ294において行選択線265を省略した形態に対応する。各グループ295内において行方向の画素メモリ220からの出力は切替部274で実質的に切り替えることができるから、行方向を選択する行選択線の数を省略してもグループ295内で逐次読み出しをすることができる。 Group 296 corresponds to group 294 of FIG. 11 with row select line 265 omitted. In each group 295, the output from the pixel memory 220 in the row direction can be substantially switched by the switching unit 274. Therefore, even if the number of row selection lines for selecting the row direction is omitted, sequential readout can be performed within the group 295. can do.

図14は、他の撮像素子402の概要を示す図である。撮像素子402において、撮像素子400と同じ構成について同じ参照番号を付して説明を省略する。 FIG. 14 is a diagram showing an outline of another imaging device 402. As shown in FIG. In the imaging device 402, the same reference numerals are assigned to the same configurations as in the imaging device 400, and the description thereof is omitted.

撮像素子402は、撮像素子400とは、第3半導体基板300においてメモリ部310および周辺回路部320に代えて、CDS部314および出力部326を有する点が異なる。CDS部314は複数のCDSブロック316を有する。CDSブロック316の数、配置、および、画素メモリ220との接続関係は、撮像素子400のメモリブロック312と同じであってよい。出力部326はCDS部314に記憶された画素信号を読み出す。 The imaging element 402 differs from the imaging element 400 in that it has a CDS section 314 and an output section 326 instead of the memory section 310 and the peripheral circuit section 320 on the third semiconductor substrate 300 . CDS section 314 has a plurality of CDS blocks 316 . The number, arrangement, and connection relationship with the pixel memory 220 of the CDS blocks 316 may be the same as those of the memory blocks 312 of the image sensor 400 . The output unit 326 reads out pixel signals stored in the CDS unit 314 .

図15は、CDSブロック316を模式的に示す。CDSブロック316は、グレイコード・バイナリ変換回路360、CDS回路362および複数の兼用メモリ364を有する。 FIG. 15 schematically shows the CDS block 316. As shown in FIG. The CDS block 316 has a Gray code to binary conversion circuit 360 , a CDS circuit 362 and a plurality of dual purpose memories 364 .

グレイコード・バイナリ変換回路360は、出力線302に出力された画素信号をグレイコードからバイナリへ変換してCDS回路362に出力する。CDS回路362は特に記載する点を除き上記したCDS回路322と同じ機能を有する。 The Gray code/binary conversion circuit 360 converts the pixel signal output to the output line 302 from Gray code to binary, and outputs it to the CDS circuit 362 . CDS circuit 362 has the same function as CDS circuit 322 described above, except where noted.

複数の兼用メモリ364はそれぞれ、スイッチ366を介して選択的に信号線367と接続すると共に、スイッチ368を介して選択的に信号線369と接続する。兼用メモリ364は対応する画素メモリ220のグループの画素数k+1個であることが好ましい。例えば、図5の例でグループ290に6個の画素分の画素メモリ600が含まれる場合に、CDSブロック316には7個の画素分の兼用メモリ364が含まれることが好ましい。なお、兼用メモリ364の数はそれより多くてよい。兼用メモリ364はそれぞれSRAMであってよい。説明のために、兼用メモリに(0)から(k)まで番号を付けて区別する。 Each of the multiple shared memories 364 is selectively connected to the signal line 367 via the switch 366 and selectively connected to the signal line 369 via the switch 368 . The dual-purpose memory 364 preferably has k+1 pixels in the corresponding pixel memory 220 group. For example, if group 290 includes pixel memory 600 for 6 pixels in the example of FIG. 5, CDS block 316 preferably includes shared memory 364 for 7 pixels. Note that the number of shared memories 364 may be larger than that. The shared memories 364 may each be an SRAM. For the sake of explanation, the shared memories are numbered from (0) to (k) to distinguish them.

CDSブロック316においてまず、対応する複数の画素メモリ220から逐次DARK変換の結果が出力され、それらがグレイコード・バイナリ変換回路360でグレイコードからバイナリへ変換される。さらにCDS回路にφBYPS信号を与えて当該回路をバイパスして、グレイコードからバイナリへ変換後のDARK変換の結果をそのまま兼用メモリに記憶する。この場合に兼用メモリ(1)から(k)のスイッチ368を順次オンオフすることで、信号線369に出力される1番目の画素からk番目の画素までDARK変換の結果をそれぞれ記憶させる。 In the CDS block 316 , the results of the DARK conversion are sequentially output from the corresponding plurality of pixel memories 220 , and converted from Gray code to binary by the Gray code/binary conversion circuit 360 . Further, the φBYPS signal is supplied to the CDS circuit to bypass the circuit, and the result of the DARK conversion after conversion from Gray code to binary is stored in the shared memory as it is. In this case, by sequentially turning on and off the switches 368 of shared memories (1) to (k), the results of the DARK conversion from the first pixel to the k-th pixel output to the signal line 369 are stored respectively.

次に、対応する複数の画素メモリ220から逐次SIG変換の結果が出力され、それらがグレイコード・バイナリ変換回路360でグレイコードからバイナリへ変換される。ここで、j番目の画素(jは1からkまでの整数)のSIG変換の結果がグレイコードからバイナリへ変換された場合に、兼用メモリ(j)に記憶されたDARK変換の結果がスイッチ366をオンにすることで信号線367に出力されてCDS回路362に入力されるとともに、SIG変換の結果もCDS回路362に入力される。これによりCDS回路362でCDS処理がなされ、その結果が兼用メモリ(j-1)のスイッチ368がオンされて記憶される。これがj=1からkまで繰り返される。 Next, the results of the SIG conversion are sequentially output from the corresponding plurality of pixel memories 220 and converted from Gray code to binary by the Gray code/binary conversion circuit 360 . Here, when the result of SIG conversion of the j-th pixel (j is an integer from 1 to k) is converted from Gray code to binary, the result of DARK conversion stored in dual-purpose memory (j) is transferred to switch 366. is turned on, it is output to the signal line 367 and input to the CDS circuit 362 , and the result of SIG conversion is also input to the CDS circuit 362 . As a result, the CDS circuit 362 performs CDS processing, and the result is stored by turning on the switch 368 of the shared memory (j-1). This is repeated from j=1 to k.

付言すれば、兼用メモリ(j)は、j番目のDARK変換の結果を記憶するメモリであるとともに、(j+1)番目のCDS処理の結果を記憶するメモリでもある。本実施形態では、比較器216でデジタル信号に変換された画素信号を一旦記憶するラッチとしての画素メモリ220とは別個に、その下流に複数の兼用メモリ364を設けた。これにより早く読み出さないといけない区間を短くして、読み出し時に流れる電流を小さくすることができる。 In addition, the shared memory (j) is a memory for storing the result of the jth DARK conversion and also a memory for storing the result of the (j+1)th CDS processing. In this embodiment, apart from the pixel memory 220 as a latch for temporarily storing pixel signals converted into digital signals by the comparator 216, a plurality of shared memories 364 are provided downstream thereof. As a result, it is possible to shorten the section in which the data must be read out quickly, and to reduce the current that flows during the readout.

図16は、他のCDSブロック318を模式的に示す。CDSブロック318において、図15のCDSブロック316と同じ構成については同じ参照番号を付して説明を省略する。 FIG. 16 schematically shows another CDS block 318. As shown in FIG. In the CDS block 318, the same reference numerals are given to the same configurations as those of the CDS block 316 in FIG. 15, and the description thereof will be omitted.

CDSブロック318は、k個の兼用メモリ364を有するとともに、ひとつのバッファメモリ370を有する。バッファメモリ370はSRAMであってよく、二つ以上あってもよい。 The CDS block 318 has k shared memories 364 and one buffer memory 370 . The buffer memory 370 may be an SRAM, and there may be two or more.

CDSブロック318においてまず、対応する複数の画素メモリ220から逐次DARK変換の結果が出力され、それらがグレイコード・バイナリ変換回路360でグレイコードからバイナリへ変換される。さらに、CDS回路にφBYPS信号を与えて当該回路をバイパスして、グレイコードからバイナリへ変換後のDARK変換の結果をそのまま兼用メモリ(0)から(k-1)に順次記憶する。 First, in the CDS block 318 , the results of the DARK conversion are sequentially output from the corresponding plurality of pixel memories 220 and converted from Gray code to binary by the Gray code/binary conversion circuit 360 . Further, the φBYPS signal is applied to the CDS circuit to bypass the circuit, and the results of DARK conversion after conversion from Gray code to binary are sequentially stored in shared memories (0) to (k−1) as they are.

次に、対応する複数の画素メモリ220から逐次SIG変換の結果が出力され、それらがグレイコード・バイナリ変換回路360でグレイコードからバイナリへ変換される。ここで、j番目の画素(jは1からkまでの整数)のSIG変換の結果がグレイコードからバイナリへ変換された場合に、兼用メモリ(j―1)に記憶されたDARK変換の結果がスイッチ366をオンにすることで信号線367を介してバッファメモリ370にバッファされる。当該バッファメモリ370のDRAK変換の結果と、グレイコード・バイナリ変換回路360から出力されたj番目のSIG変換の結果がCDS回路362に入力される。これによりCDS回路362でCDS処理がなされ、その結果がすでに空になった兼用メモリ(j-1)のスイッチ368がオンされて記憶される。 Next, the results of the SIG conversion are sequentially output from the corresponding plurality of pixel memories 220 and converted from Gray code to binary by the Gray code/binary conversion circuit 360 . Here, when the SIG conversion result of the j-th pixel (j is an integer from 1 to k) is converted from Gray code to binary, the DARK conversion result stored in the shared memory (j-1) is By turning on the switch 366 , the signal is buffered in the buffer memory 370 via the signal line 367 . The DRAK conversion result of the buffer memory 370 and the j-th SIG conversion result output from the Gray code/binary conversion circuit 360 are input to the CDS circuit 362 . As a result, the CDS circuit 362 performs CDS processing, and the result is stored by turning on the switch 368 of the dual-purpose memory (j-1), which is already empty.

付言すれば、兼用メモリ(j)は、j番目のDARK変換の結果を記憶するメモリであるとともに、j番目のCDS処理の結果を記憶するメモリでもある。バッファメモリ370はk個の画素に胸中して用いられるバッファである。本実施形態では、比較器216でデジタル信号に変換された画素信号を一旦記憶するラッチとしての画素メモリ220とは別個に、その下流に複数の兼用メモリ364および少なくとも一つのバッファメモリ370を設けた。これにより早く読み出さないといけない区間を短くして、読み出し時に流れる電流を小さくすることができる。 In addition, shared memory (j) is a memory for storing the result of the jth DARK conversion and also a memory for storing the result of the jth CDS processing. Buffer memory 370 is a buffer used for storing k pixels. In this embodiment, a plurality of shared memories 364 and at least one buffer memory 370 are provided downstream of the pixel memory 220 as a latch for temporarily storing the pixel signal converted into a digital signal by the comparator 216. . As a result, it is possible to shorten the section in which the data must be read out quickly, and to reduce the current that flows during the readout.

以上、本実施形態によれば、読み出し時に流れる電流を小さくすることができる。なお、上記実施形態においては、1つの画素112に1つの制御回路214が設けられている。これに代えて、複数の画素112に対して1つの制御回路214が設けられてもよい。その場合に1つの制御回路214に対応する複数の画素112を画素ブロックと呼ぶとすれば、1つの画素ブロックに含まれる画素112はm行n列(mは2以上でMより小さい自然数、nは2以上でNより小さい自然数)に配列されたものであり、当該画素ブロックが行列方向に複数配されたものであってよい。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to reduce the current that flows during reading. Note that one control circuit 214 is provided for one pixel 112 in the above embodiment. Alternatively, one control circuit 214 may be provided for multiple pixels 112 . In this case, if a plurality of pixels 112 corresponding to one control circuit 214 is called a pixel block, the pixels 112 included in one pixel block are m rows and n columns (m is a natural number of 2 or more and less than M, n is a natural number equal to or greater than 2 and smaller than N), and a plurality of the pixel blocks may be arranged in the matrix direction.

なお、上記実施形態はいずれも、第1半導体基板100、第2半導体基板300および第3半導体基板300を有する三層構造である。これに代えて、第2半導体基板200に上記実施形態の第3半導体基板の構成および機能を設けてもよい。すなわち、図5から図13、図15および図16の少なくともいずれかの配線構造を保ちつつ、処理回路部210等とメモリ部310等(またはCDS部314)が同一の半導体基板に設けられてもよい。 It should be noted that each of the above-described embodiments has a three-layer structure having a first semiconductor substrate 100, a second semiconductor substrate 300 and a third semiconductor substrate 300. FIG. Alternatively, the second semiconductor substrate 200 may have the configuration and functions of the third semiconductor substrate of the above embodiment. That is, even if the processing circuit portion 210 and the like and the memory portion 310 and the like (or the CDS portion 314) are provided on the same semiconductor substrate while maintaining the wiring structure of at least one of FIGS. good.

図17は、実施例に係る撮像装置500の構成例を示すブロック図である。撮像装置500は、撮像素子400と、システム制御部501と、駆動部502と、測光部503と、ワークメモリ504と、記録部505と、表示部506と、駆動部514と、撮影レンズ520とを備える。撮像素子400に代えて撮像素子402が用いられてもよい。 FIG. 17 is a block diagram showing a configuration example of an imaging device 500 according to the embodiment. The imaging apparatus 500 includes an imaging device 400, a system control unit 501, a driving unit 502, a photometry unit 503, a work memory 504, a recording unit 505, a display unit 506, a driving unit 514, and an imaging lens 520. Prepare. An imaging device 402 may be used instead of the imaging device 400 .

撮影レンズ520は、光軸OAに沿って入射する被写体光束を撮像素子400へと導く。撮影レンズ520は、複数の光学レンズ群から構成され、シーンからの被写体光束をその焦点面近傍に結像させる。撮影レンズ520は、撮像装置500に対して着脱できる交換式レンズであってもよい。なお、図17では瞳近傍に配置された仮想的な1枚のレンズで当該撮影レンズ520を代表している。 The photographing lens 520 guides subject light beams incident along the optical axis OA to the image sensor 400 . The photographing lens 520 is composed of a plurality of optical lens groups, and forms an image of subject light flux from a scene in the vicinity of its focal plane. The imaging lens 520 may be an interchangeable lens that can be attached to and detached from the imaging device 500 . In addition, in FIG. 17, the photographing lens 520 is represented by one virtual lens arranged in the vicinity of the pupil.

駆動部514は、撮影レンズ520を駆動する。一例において、駆動部514は、撮影レンズ520の光学レンズ群を移動させて合焦位置を変更する。また、駆動部514は、撮影レンズ520内の虹彩絞りを駆動して撮像素子400に入射する被写体光束の光量を制御してよい。 A driving unit 514 drives a photographing lens 520 . In one example, the drive unit 514 moves the optical lens group of the taking lens 520 to change the focus position. Further, the driving unit 514 may drive the iris diaphragm in the photographing lens 520 to control the light amount of the subject light flux incident on the imaging device 400 .

駆動部502は、システム制御部501からの指示に従って撮像素子400のタイミング制御、領域制御等の電荷蓄積制御を実行する制御回路を有する。また、操作部508は、レリーズボタン等により撮像者からの指示を受け付ける。 The drive unit 502 has a control circuit that executes charge accumulation control such as timing control and area control of the image sensor 400 according to instructions from the system control unit 501 . Further, the operation unit 508 receives instructions from the photographer using a release button or the like.

撮像素子400は、画素信号をシステム制御部501の画像処理部511へ引き渡す。画像処理部511は、ワークメモリ504をワークスペースとして種々の画像処理を施した画像データを生成する。例えば、JPEGファイル形式の画像データを生成する場合は、ベイヤー配列で得られた信号からカラー映像信号を生成した後に圧縮処理を実行する。生成された画像データは、記録部505に記録されるとともに、表示信号に変換されて予め設定された時間の間、表示部506に表示される。 The image pickup device 400 transfers pixel signals to the image processing unit 511 of the system control unit 501 . The image processing unit 511 generates image data by performing various image processing using the work memory 504 as a workspace. For example, when generating image data in the JPEG file format, compression processing is executed after a color video signal is generated from the signal obtained in the Bayer array. The generated image data is recorded in the recording unit 505, converted into a display signal, and displayed on the display unit 506 for a preset time.

測光部503は、画像データを生成する一連の撮影シーケンスに先立ち、シーンの輝度分布を検出する。測光部503は、例えば100万画素程度のAEセンサを含む。システム制御部501の演算部512は、測光部503の出力を受けてシーンの領域ごとの輝度を算出する。 A photometry unit 503 detects the luminance distribution of a scene prior to a series of shooting sequences for generating image data. The photometry unit 503 includes, for example, an AE sensor with approximately one million pixels. A calculation unit 512 of the system control unit 501 receives the output of the photometry unit 503 and calculates the brightness for each area of the scene.

演算部512は、算出した輝度分布に従ってシャッタ速度、絞り値、ISO感度を決定する。測光部503は撮像素子400で兼用してもよい。なお、演算部512は、撮像装置500を動作させるための各種演算も実行する。駆動部502は、一部または全部が撮像素子400に搭載されてよい。システム制御部501の一部が撮像素子400に搭載されてもよい。 A calculation unit 512 determines the shutter speed, the aperture value, and the ISO sensitivity according to the calculated luminance distribution. The photometry unit 503 may also be used by the image sensor 400 . Note that the calculation unit 512 also executes various calculations for operating the imaging device 500 . The drive unit 502 may be partially or wholly mounted on the imaging device 400 . A part of the system control unit 501 may be mounted on the imaging device 400 .

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 Although the present invention has been described above using the embodiments, the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiments. It is obvious to those skilled in the art that various modifications and improvements can be made to the above embodiments. It is clear from the description of the scope of claims that forms with such modifications or improvements can also be included in the technical scope of the present invention.

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。 The execution order of each process such as actions, procedures, steps, and stages in the devices, systems, programs, and methods shown in the claims, the specification, and the drawings is particularly "before", "before etc., and it should be noted that they can be implemented in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Regarding the operation flow in the claims, the specification, and the drawings, even if the description is made using "first," "next," etc. for the sake of convenience, it means that it is essential to carry out in this order. not a thing

100 第1半導体基板、110 画素部、112 画素、130 光電変換部、132 リセット部、134 蓄積部、136 転送部、200 第2半導体基板、210 処理回路部、212、213 画素回路、214 制御回路、216 比較器、220 画素メモリ、230 周辺回路部、250 画素制御回路、260 読出制御回路、264、265 行選択線、270、272、280、282 サブ出力線、274 切替部、290、291、292 グループ、302、304 出力線、310 メモリ部、312 メモリブロック、314 CDS部、316、318 CDSブロック、320 周辺回路部、322、362 CDS回路、326 出力部、350 メモリ対、352 DARKメモリ、354 SIGメモリ、360 グレイコード・バイナリ変換回路、364 兼用メモリ、366、368 スイッチ、367、369 信号線、370 バッファメモリ、400、402 撮像素子、500 撮像装置、501 システム制御部、502 駆動部、503 測光部、504 ワークメモリ、505 記録部、506 表示部、508 操作部、511 画像処理部、512 演算部、514 駆動部、520 撮影レンズ 100 first semiconductor substrate 110 pixel unit 112 pixel 130 photoelectric conversion unit 132 reset unit 134 storage unit 136 transfer unit 200 second semiconductor substrate 210 processing circuit unit 212, 213 pixel circuit 214 control circuit , 216 comparator, 220 pixel memory, 230 peripheral circuit section, 250 pixel control circuit, 260 readout control circuit, 264, 265 row selection line, 270, 272, 280, 282 sub-output line, 274 switching section, 290, 291, 292 groups, 302, 304 output lines, 310 memory section, 312 memory block, 314 CDS section, 316, 318 CDS block, 320 peripheral circuit section, 322, 362 CDS circuit, 326 output section, 350 memory pair, 352 DARK memory, 354 SIG memory, 360 Gray code/binary conversion circuit, 364 shared memory, 366, 368 switch, 367, 369 signal line, 370 buffer memory, 400, 402 imaging device, 500 imaging device, 501 system control unit, 502 driving unit, 503 photometry unit, 504 work memory, 505 recording unit, 506 display unit, 508 operation unit, 511 image processing unit, 512 calculation unit, 514 driving unit, 520 photographing lens

Claims (10)

行方向に並んで配置され、アナログ信号をデジタル信号に変換する複数の変換部と、
前記複数の変換部のうち複数の第1変換部に接続され、前記第1変換部でデジタル信号に変換された信号が出力される第1出力線と、
前記複数の変換部のうち複数の第2変換部に接続され、前記第2変換部でデジタル信号に変換された信号が出力される第2出力線と、
を備える撮像素子。
a plurality of conversion units arranged side by side in the row direction for converting analog signals into digital signals;
a first output line connected to a plurality of first conversion units among the plurality of conversion units and outputting a signal converted into a digital signal by the first conversion unit;
a second output line connected to a plurality of second conversion units among the plurality of conversion units and outputting a signal converted into a digital signal by the second conversion unit;
An image sensor.
前記複数の第1変換部のうちの1の変換部の信号が出力される第1サブ出力線と、
前記複数の第1変換部のうちの他の変換部の信号が出力される第2サブ出力線と、
前記第1出力線との接続を前記第1サブ出力線と前記第2サブ出力線のいずれかに切り替える第1切替部と
をさらに備える請求項1に記載の撮像素子。
a first sub-output line for outputting a signal from one of the plurality of first conversion units;
a second sub-output line for outputting a signal from another one of the plurality of first converters;
2. The imaging device according to claim 1, further comprising a first switching unit that switches connection with the first output line to either the first sub-output line or the second sub-output line.
前記複数の第1変換部のうちの1の変換部と、前記1の変換部に列方向で隣接する他の変換部とは、互いに少なくとも一部の配置が線対称である請求項1または2に記載の撮像素子。 3. An arrangement of at least a part of one conversion portion among the plurality of first conversion portions and another conversion portion adjacent to the one conversion portion in a column direction is line symmetrical with each other. The imaging device according to . 前記第1出力線に出力された前記信号を記憶する記憶部をさらに備え、
前記記憶部は、前記複数の第1変換部の個数と少なくとも同じ個数の記憶領域を有する請求項1から3のいずれか1項に記載の撮像素子。
further comprising a storage unit that stores the signal output to the first output line;
The imaging device according to any one of claims 1 to 3, wherein the storage section has at least the same number of storage areas as the plurality of first conversion sections.
前記記憶部に記憶された前記信号に基づいてノイズ除去処理をするノイズ除去部をさらに備える請求項4に記載の撮像素子。 5. The imaging device according to claim 4, further comprising a noise removal section that performs noise removal processing based on the signal stored in the storage section. 前記記憶領域の前記個数は、前記複数の第1変換部の前記個数の少なくとも2倍である請求項5に記載の撮像素子。 6. The imaging device according to claim 5, wherein the number of the storage areas is at least twice the number of the plurality of first conversion units. 前記第1出力線に出力された前記信号に基づいてノイズ処理した信号を前記記憶部に記憶するノイズ除去部をさらに備える請求項4に記載の撮像素子。 5. The imaging device according to claim 4, further comprising a noise removal section that stores a noise-processed signal in the storage section based on the signal output to the first output line. 前記記憶領域の前記個数は、前記複数の第1変換部の前記個数より少なくとも1つ多い請求項7に記載の撮像素子。 8. The imaging device according to claim 7, wherein the number of the storage areas is at least one larger than the number of the plurality of first conversion units. 前記複数の変換部が配された第1半導体基板と、
前記第1半導体基板と積層され、前記記憶部が配された第2半導体基板と
を備える請求項4から8のいずれか1項に記載の撮像素子。
a first semiconductor substrate on which the plurality of conversion units are arranged;
9. The imaging device according to any one of claims 4 to 8, further comprising a second semiconductor substrate laminated with the first semiconductor substrate and provided with the storage section.
請求項1から8のいずれか1項に記載の撮像素子を有する撮像装置。 An imaging apparatus comprising the imaging device according to claim 1 .
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