JP4747858B2 - Imaging device - Google Patents

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Description

本発明は、撮像装置に関するものである。   The present invention relates to an imaging apparatus.

従来から、撮像装置においては、特にその信号読み出し方法について、種々の検討がなされている。例えば、下記の特許文献1においては、ダイナミックレンジの拡大を目的とした信号読み出し方法が示されている。図12、13は、それぞれ、特許文献1の図12及び13に掲げられた第4実施例の画素回路の構成と、動作を示すタイミングチャートである。上述したとおり、この発明の目的と効果は、フリッカ発生を抑止することではなく、ダイナミックレンジの拡大としているが、蛍光灯照明下におけるフリッカ発生の抑止にも応用できるため、従来の例として紹介する。   2. Description of the Related Art Conventionally, various studies have been made on signal reading methods in imaging apparatuses. For example, in the following Patent Document 1, a signal reading method for the purpose of expanding the dynamic range is shown. 12 and 13 are timing charts showing the configuration and operation of the pixel circuit of the fourth embodiment listed in FIGS. 12 and 13 of Patent Document 1, respectively. As described above, the object and effect of the present invention is not to suppress the occurrence of flicker, but to increase the dynamic range. However, since it can be applied to the suppression of flicker generation under fluorescent lamp illumination, it is introduced as a conventional example. .

図12に示すように、CMOS画像センサの画素回路において、一つの画素について、第1の転送スイッチMTX1と第2の転送スイッチMTX2の、二つの転送スイッチを設けて、第1の転送スイッチMTX1と第2の転送スイッチMTX2との間に容量CFD1を、転送スイッチMTX2と増幅トランジスタMSFとの間に容量CFD2を、それぞれ設けている。図13に示すように、信号φTX2の制御により、増幅トランジスタMSFのゲートに付く容量が、容量CFD1と容量CFD2とを並列につなげたものか、容量CFD2単独にしたものかに、切り替えられるようにしている。   As shown in FIG. 12, in the pixel circuit of the CMOS image sensor, two transfer switches of a first transfer switch MTX1 and a second transfer switch MTX2 are provided for one pixel, and the first transfer switch MTX1 and A capacitor CFD1 is provided between the second transfer switch MTX2 and a capacitor CFD2 is provided between the transfer switch MTX2 and the amplification transistor MSF. As shown in FIG. 13, by controlling the signal φTX2, the capacitance attached to the gate of the amplification transistor MSF can be switched between the capacitance CFD1 and the capacitance CFD2 connected in parallel or the capacitance CFD2 alone. ing.

フォトダイオードPDに蓄積された光生成キャリアは、第2の転送スイッチMTX2のゲート電圧ΦTX2がハイレベルの状態で、第1の転送スイッチMTX1のゲート電圧ΦTX1がハイレベルになるため、容量CFD1と容量CFD2に分配されて転送される。その後、第1の転送スイッチMTX1のゲート電圧ΦTX1をローレベルにして、容量CFD1と容量CFD2に溜まった光生成キャリアによる信号を読み出す。このとき、増幅トランジスタMSFのゲートにかかる電圧VFD2は、光生成キャリアの電荷量をQPD、容量CFD1と容量CFD2の容量値をそれぞれ、CFD1とCFD2とすると、
VFD2=QPD/(CFD1+CFD2)
となる。
The photo-generated carriers stored in the photodiode PD have a capacitance CFD1 and a capacitance because the gate voltage ΦTX1 of the first transfer switch MTX1 becomes high level while the gate voltage ΦTX2 of the second transfer switch MTX2 is high level. Distributed and transferred to CFD2. Thereafter, the gate voltage ΦTX1 of the first transfer switch MTX1 is set to a low level, and a signal generated by the photogenerated carriers accumulated in the capacitors CFD1 and CFD2 is read. At this time, the voltage V FD2 applied to the gate of the amplification transistor MSF is Q PD as the charge amount of photogenerated carriers, and C FD1 and C FD2 as the capacitance values of the capacitors CFD1 and CFD2, respectively.
V FD2 = Q PD / (C FD1 + C FD2 )
It becomes.

次に、何らかの手法で、容量CFD1に溜まっていた電荷を容量CFD2に転送した後、第2の転送スイッチMTX2のゲート電圧ΦTX2をローレベルにして、容量CFD2に溜まった光生成キャリアによる信号を読み出したとすると、増幅トランジスタMSFのゲートにかかる電圧VFD2’は、
VFD2’=QPD/CFD2
となる。
Next, after the charge accumulated in the capacitor CFD1 is transferred to the capacitor CFD2 by some method, the gate voltage ΦTX2 of the second transfer switch MTX2 is set to a low level, and the signal generated by the photogenerated carriers accumulated in the capacitor CFD2 is read. Assuming that the voltage V FD2 ′ applied to the gate of the amplification transistor MSF is
V FD2 '= Q PD / C FD2
It becomes.

ここで、VFD2とVFD2’を比べると、分母のCFD1分だけVFD2が低い。すなわち、感度が低くなる。 Here, when comparing V FD2 and V FD2 ′, V FD2 is lower by C FD1 of the denominator. That is, the sensitivity is lowered.

照明装置の光源の明滅周期以上の蓄積時間、すなわち、交流商用電源の周期の半分以上の蓄積時間で動作できない、フリッカの発生する輝度領域においては、蓄積時間を電源の周期の半分以上に延ばしてフリッカの発生を抑止するために、画素の感度を低くする。すなわち、電荷が容量CFD1と容量CFD2に分配されて溜っている状態での増幅トランジスタMSFのゲートにかかる電圧VFD2による信号を用いる。以上のように、画素回路の感度を低くすることにより、フリッカの発生を抑止できる。 In a luminance region where flicker occurs and the accumulation time is longer than the blinking cycle of the light source of the illuminating device, that is, more than half the cycle of the AC commercial power supply, the accumulation time is extended to more than half the cycle of the power supply. In order to suppress the occurrence of flicker, the sensitivity of the pixel is lowered. That is, a signal based on the voltage V FD2 applied to the gate of the amplification transistor MSF in a state where charges are distributed and accumulated in the capacitors CFD1 and CFD2 is used. As described above, the occurrence of flicker can be suppressed by reducing the sensitivity of the pixel circuit.

一方、電源の周期の半分以上の蓄積時間で動作できる、フリッカの発生しない輝度領域では、画素の感度を高くするため、容量CFD2だけに電荷を溜めた状態での増幅トランジスタMSFのゲートにかかる電圧VFD2’による信号を用いる。このように、輝度により用いる信号を切り替えることで、フリッカの発生を抑制できる。 On the other hand, the voltage applied to the gate of the amplification transistor MSF in the state where the charge is accumulated only in the capacitor CFD2 in order to increase the sensitivity of the pixel in the luminance region where flicker does not occur, which can be operated with an accumulation time of more than half of the power cycle. The signal by V FD2 'is used. In this way, the occurrence of flicker can be suppressed by switching the signal used depending on the luminance.

しかしながら、上記特許文献1の撮像装置には、1つの画素内に2つの容量CFD1、CFD2と2つの転送スイッチMTX1、MTX2を設けなければならず、回路構成が複雑となり撮像装置の製造コストの高騰を招来するという問題点がある。   However, the image pickup apparatus disclosed in Patent Document 1 must be provided with two capacitors CFD1 and CFD2 and two transfer switches MTX1 and MTX2 in one pixel, which complicates the circuit configuration and increases the manufacturing cost of the image pickup apparatus. There is a problem of inviting.

ところで、複数の画素間でフローティングディフュージョン(FD)を共有する撮像素子に関する発明としては、以下の特許文献2乃至5に記載された発明がある。特許文献2には、直列接続されたMOSトランジスタ駆動に関し、第2グループの光電変換素子の信号電荷を第1グループの光電変換素子内に混合した後に、第2グループの光電変換素子に残留する電荷を吐き出す固体撮像素子が示されている。特許文献3には、複数画素で増幅トランジスタを共有したときに起こる画素のアンバランスに対して全面選択信号配線により駆動することにより、画素間のばらつきを抑制するようにした固体撮像装置が示されている。特許文献4には、各画素に複数の光電変換部を設けて、各光電変換部における蓄積時間等を異ならせることにより、撮影時のダイナミックレンジの拡大を行うようにした撮像素子が示されている。特許文献5には、光電変換部で発生した光電荷をフローティングゲートに転送し、信号検出を行った後、その電荷を再び光電変換部へ逆転送することにより、光電荷の蓄積状態を継続したまま、蓄積時間の異なる複数のデータを取り出せるようにした固体撮像装置が示されている。   By the way, as inventions related to an image sensor that shares floating diffusion (FD) among a plurality of pixels, there are inventions described in Patent Documents 2 to 5 below. Patent Document 2 relates to driving of MOS transistors connected in series, and charges remaining in the second group of photoelectric conversion elements after the signal charges of the second group of photoelectric conversion elements are mixed in the first group of photoelectric conversion elements. The solid-state image sensor which discharges is shown. Patent Document 3 discloses a solid-state imaging device that suppresses variations between pixels by driving the pixel unbalance that occurs when an amplification transistor is shared by a plurality of pixels by a full-surface selection signal wiring. ing. Patent Document 4 discloses an image sensor in which a plurality of photoelectric conversion units are provided in each pixel and the dynamic range at the time of shooting is expanded by varying the accumulation time in each photoelectric conversion unit. Yes. In Patent Document 5, photocharge generated in the photoelectric conversion unit is transferred to the floating gate, signal detection is performed, and then the charge is accumulated again by reverse transfer to the photoelectric conversion unit again. A solid-state imaging device is shown in which a plurality of data having different accumulation times can be taken out.

しかしながら、特許文献2乃至5に記載された発明では、上記特許文献1の撮像装置に関する問題点を解消することができない。
特開2000−165754号公報 特開平06−334920号公報 特開2004−172950号公報 特開2002−199284号公報 特開2004−015291号公報
However, the inventions described in Patent Documents 2 to 5 cannot solve the problems related to the imaging apparatus disclosed in Patent Document 1.
JP 2000-165754 A Japanese Patent Laid-Open No. 06-334920 JP 2004-172950 A JP 2002-199284 A Japanese Patent Laid-Open No. 2004-015291

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、特別な構成要素を設けることなく、安価かつ簡素な構成で、被写体輝度に応じて画素の感度を変更し得るようにして、フリッカの発生を抑制する撮像装置を得ることを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and it is possible to change the sensitivity of a pixel in accordance with subject brightness with an inexpensive and simple configuration without providing a special component. An object of the present invention is to obtain an imaging device that suppresses occurrence.

上記目的を達成するために請求項1の発明は、光電変換部及び該光電変換部から出力された電荷を転送する転送手段を有する半導体によって成る複数の画素と、前記転送手段から転送された電荷を保持する容量手段と、前記容量手段に保持された電荷に対応する信号を増幅して出力する信号増幅手段と、前記容量手段に保持された電荷をリセットするリセット手段と、信号の読み出し対象となる画素を選択するための画素選択手段とを有する画素回路を備え、全ての画素から出力された電荷に基く信号を順次読み出す全画素読み出しモードと、適宜間引いた画素から出力された電荷に基く信号を読み出す画素間引き読み出しモードを有する撮像装置において、隣り合う画素間で、前記信号増幅手段、リセット手段、及び画素選択手段を共用し、被写体輝度が、光電変換部の電荷蓄積時間が照明装置の光源の明滅周期以下となるような、所定の閾値以上であるか否かを判定する輝度判定手段をさらに備え、前記各画素内の転送手段は、それぞれゲートを有しており、前記ゲートの下の半導体部分における前記容量手段側(以下、容量手段側部分という)には、前記容量手段を形成しているのと同じ極性のドーパントが前記容量手段よりも薄くドーピングされており、前記ゲートの下の半導体部分における前記光電変換部側(以下、光電変換側部分という)には、ドーパントがドーピングされていないか、前記容量手段側部分と同じ極性のドーパントが前記容量手段側部分よりも薄くドーピングされているか、又は前記容量手段側部分と反対の極性のドーパントがドーピングされており、前記画素間引き読み出しモードは、前記輝度判定手段によって被写体輝度が前記閾値未満であると判定されたとき、通常の感度で前記画素回路を駆動する通常輝度モードと、被写体輝度が前記閾値以上であると判定されたとき、前記通常の感度よりも低い感度で前記画素回路を駆動する高輝度モードを含み、前記画素間引き読み出しモードにおいて間引かれる画素と読み出し対象となる画素とは、前記信号増幅手段、リセット手段、及び画素選択手段を共用する前記隣り合う画素の関係にあり、前記高輝度モードのとき、前記複数の画素のうちの読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧をハイレベルにして、前記読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を前記容量手段等に転送する際に、ポテンシャルが、前記読み出し対象となる画素の光電変換部、前記読み出し対象となる画素の光電変換側部分、前記読み出し対象となる画素の容量手段側部分、前記容量手段の順に低くなり、前記間引かれる画素の前記ゲートの電圧をハイレベルにしたままで、前記読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧をローレベルにして、前記容量手段の電位を読み出す際に、前記読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧がハイレベルからローレベルに遷移する間、ポテンシャルが、常に、前記読み出し対象となる画素の光電変換側部分、前記読み出し対象となる画素の容量手段側部分、前記容量手段の順に低くなり、前記容量手段に加えて、前記間引かれる画素の光電変換部、光電変換側部分、及び容量手段側部分を、前記読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を保持する容量として使用することにより、前記容量手段の電位を低下させて、画素の感度を低くし、簡素な構成でフリッカの発生を抑制し得るようにしたものである。 In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is directed to a plurality of pixels including a photoelectric conversion unit and a semiconductor having transfer means for transferring charges output from the photoelectric conversion unit, and charges transferred from the transfer means. Capacitor means for holding the signal, signal amplification means for amplifying and outputting a signal corresponding to the charge held in the capacitor means, reset means for resetting the charge held in the capacitor means, and a signal read target A pixel circuit having a pixel selection means for selecting a pixel, and an all-pixel readout mode for sequentially reading out signals based on charges output from all the pixels, and a signal based on charges output from the pixels thinned out as appropriate In an imaging apparatus having a pixel decimation readout mode for reading out, the signal amplification means, the reset means, and the pixel selection means are shared between adjacent pixels. Further comprising a luminance determination means for determining whether the subject luminance is equal to or greater than a predetermined threshold value such that the charge accumulation time of the photoelectric conversion unit is equal to or less than the blinking cycle of the light source of the illumination device, and transfer within each pixel Each means has a gate, and a dopant having the same polarity as the capacitor means is formed on the capacitor means side (hereinafter referred to as a capacitor means side portion) in a semiconductor portion below the gate. It is doped thinner than the capacitor means, and the semiconductor portion under the gate is not doped with a dopant on the photoelectric conversion portion side (hereinafter referred to as a photoelectric conversion side portion), or the capacitor means side portion and The dopant of the same polarity is doped thinner than the capacitor means side portion, or the dopant of the opposite polarity to the capacitor means side portion is doped. The pixel thinning readout mode includes a normal luminance mode in which the pixel circuit is driven with normal sensitivity when the luminance determining unit determines that the subject luminance is less than the threshold, and the subject luminance is equal to or higher than the threshold. A high luminance mode for driving the pixel circuit at a lower sensitivity than the normal sensitivity when determined, and the pixels to be thinned and the pixels to be read in the pixel thinning readout mode include the signal amplification unit, In the relationship between the adjacent pixels sharing the reset unit and the pixel selection unit, and in the high luminance mode, the gate voltage of the pixel to be read out of the plurality of pixels is set to a high level, When the charge generated by the photoelectric conversion unit of the pixel to be read is transferred to the capacitor means or the like, the potential is The photoelectric conversion unit of the pixel to be extracted, the photoelectric conversion side portion of the pixel to be read, the capacitance means side portion of the pixel to be read, and the capacitance means, the gate of the pixel to be thinned out in this order When the voltage of the gate of the pixel to be read is set to a low level and the potential of the capacitor is read, the voltage of the gate of the pixel to be read is high. During the transition from the level to the low level, the potential always decreases in the order of the photoelectric conversion side portion of the pixel to be read out, the capacitance means side portion of the pixel to be read out, and the capacitance means, and the capacitance means In addition, the photoelectric conversion unit, the photoelectric conversion side portion, and the capacitance means side portion of the pixel to be thinned out by the photoelectric conversion unit of the pixel to be read out. The use as capacitor for holding the generated electric charges, lowering the potential of said capacitor means, to lower the sensitivity of the pixel is obtained by adapted to suppress the occurrence of flicker with a simple configuration.

請求項2の発明は、光電変換部及び該光電変換部から出力された電荷を転送する転送手段を有する半導体によって成る複数の画素と、前記転送手段から転送された電荷を保持する容量手段と、前記容量手段に保持された電荷に対応する信号を増幅して出力する信号増幅手段と、前記容量手段に保持された電荷をリセットするリセット手段と、信号の読み出し対象となる画素を選択するための画素選択手段とを有する画素回路を備え、全ての画素から出力された電荷に基く信号を順次読み出す全画素読み出しモードと、適宜間引いた画素から出力された電荷に基く信号を読み出す画素間引き読み出しモードを有する撮像装置において、隣り合う画素間で、前記信号増幅手段、リセット手段、及び画素選択手段を共用し、前記各画素内の転送手段は、それぞれゲートを有しており、前記ゲートの下の半導体部分における前記容量手段側(以下、容量手段側部分という)には、前記容量手段を形成しているのと同じ極性のドーパントが前記容量手段よりも薄くドーピングされており、前記ゲートの下の半導体部分における前記光電変換部側(以下、光電変換側部分という)には、ドーパントがドーピングされていないか、前記容量手段側部分と同じ極性のドーパントが前記容量手段側部分よりも薄くドーピングされているか、又は前記容量手段側部分と反対の極性のドーパントがドーピングされており、前記画素間引き読み出しモードにおいて間引かれる画素と読み出し対象となる画素とは、前記信号増幅手段、リセット手段、及び画素選択手段を共用する前記隣り合う画素の関係にあり、前記画素間引き読み出しモードのとき、前記複数の画素のうちの読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を前記容量手段等に転送する際に、ポテンシャルが、前記読み出し対象となる画素の光電変換部、前記読み出し対象となる画素の光電変換側部分、前記読み出し対象となる画素の容量手段側部分、前記容量手段の順に低くなり、前記容量手段の電位を読み出す際に、前記読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧がハイレベルからローレベルに遷移する間、ポテンシャルが、常に、前記読み出し対象となる画素の光電変換側部分、前記読み出し対象となる画素の容量手段側部分、前記容量手段の順に低くなり、前記容量手段に加えて、前記間引かれる画素の光電変換部、光電変換側部分、及び容量手段側部分を、前記読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を保持する容量として使用することにより、前記容量手段の電位を低下させて、画素の感度を低くし、簡素な構成でフリッカの発生を抑制し得るようにしたものである。 According to a second aspect of the present invention, a plurality of pixels made of a semiconductor having a photoelectric conversion unit and a transfer unit that transfers charges output from the photoelectric conversion unit, and a capacitor unit that holds charges transferred from the transfer unit, A signal amplifying means for amplifying and outputting a signal corresponding to the charge held in the capacitance means; a reset means for resetting the charge held in the capacitance means; and a pixel for selecting a signal to be read. A pixel circuit having pixel selection means, and an all-pixel readout mode for sequentially reading out signals based on charges output from all pixels, and a pixel-thinning-out readout mode for reading out signals based on charges output from appropriately thinned pixels. In the imaging apparatus, the signal amplification means, the reset means, and the pixel selection means are shared between adjacent pixels, and the transfer means in each pixel Each having a gate, and a dopant having the same polarity as that forming the capacitor means is formed on the capacitor means side (hereinafter referred to as a capacitor means side portion) in a semiconductor portion below the gate. The photoelectric conversion part side (hereinafter referred to as the photoelectric conversion side part) in the semiconductor part below the gate is doped with a dopant or has the same polarity as the capacitor means side part. Is doped thinner than the capacitance means side portion, or is doped with a dopant having a polarity opposite to that of the capacitance means side portion, and a pixel to be read out and a pixel to be read out in the pixel thinning readout mode Is the relationship between the adjacent pixels sharing the signal amplification means, reset means, and pixel selection means. When the pixel thinning readout mode, when transferring charge generated by the photoelectric conversion portion of the read that the pixel of the plurality of pixels to said capacitor means and the like, potential, the pixel serving as the read target The photoelectric conversion unit, the photoelectric conversion side portion of the pixel to be read out, the capacitance means side portion of the pixel to be read out, and the capacitance means become lower in this order, and when reading the potential of the capacitance means, While the voltage of the gate of the pixel to be changed from the high level to the low level, the potential is always the photoelectric conversion side portion of the pixel to be read, the capacitance means side portion of the pixel to be read, the capacitance means In addition to the capacitance means, the thinned pixel photoelectric conversion unit, photoelectric conversion side portion, and capacitance means side portion, By using it as a capacitor for holding the charge generated by the photoelectric conversion unit of the pixel to be read, the potential of the capacitor means is lowered, the sensitivity of the pixel is lowered, and flicker is generated with a simple configuration. It can be suppressed.

請求項3の発明は、請求項2に記載の撮像装置において、前記画素間引き読み出しモードは、被写体輝度が、前記光電変換部の電荷蓄積時間が照明装置の光源の明滅周期以下となるような、所定の閾値未満であるとき、通常の感度で前記画素回路を駆動する通常輝度モードと、被写体輝度が前記閾値以上であるとき、前記通常の感度よりも低い感度で前記画素回路を駆動する高輝度モードを含み、前記高輝度モードのとき、前記複数の画素のうちの読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧をハイレベルにして、前記読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を前記容量手段及び間引かれる画素の光電変換部に転送する際に、ポテンシャルが、前記読み出し対象となる画素の光電変換部、前記読み出し対象となる画素の光電変換側部分、前記読み出し対象となる画素の容量手段側部分、前記容量手段の順に低くなり、前記間引かれる画素の前記ゲートの電圧をハイレベルにしたままで、前記読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧をローレベルにして、前記容量手段の電位を読み出す際に、前記読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧がハイレベルからローレベルに遷移する間、ポテンシャルが、常に、前記読み出し対象となる画素の光電変換側部分、前記読み出し対象となる画素の容量手段側部分、前記容量手段の順に低くなるものである。   According to a third aspect of the present invention, in the imaging apparatus according to the second aspect, in the pixel thinning readout mode, the subject luminance is such that the charge accumulation time of the photoelectric conversion unit is equal to or less than the blinking cycle of the light source of the lighting device. A normal luminance mode in which the pixel circuit is driven with a normal sensitivity when the threshold is less than a predetermined threshold, and a high luminance in which the pixel circuit is driven with a sensitivity lower than the normal sensitivity when the subject luminance is equal to or higher than the threshold. Mode, and in the high luminance mode, the voltage of the gate of the pixel to be read out of the plurality of pixels is set to a high level, and the charge generated by the photoelectric conversion unit of the pixel to be read out is When transferring to the capacitance means and the photoelectric conversion unit of the pixel to be thinned out, the potential is the photoelectric conversion unit of the pixel to be read out, the potential of the pixel to be read out The electric conversion side portion, the capacitance means side portion of the pixel to be read out, and the capacitance means become lower in this order, and the voltage of the gate of the pixel to be thinned is kept at a high level, and the pixel to be read out When the potential of the capacitor means is read by setting the gate voltage to a low level, the potential is always set to the read target while the gate voltage of the pixel to be read changes from a high level to a low level. In this order, the photoelectric conversion side portion of the pixel, the capacitance means side portion of the pixel to be read out, and the capacitance means become lower in this order.

請求項1の発明によれば、被写体輝度が、光電変換部の電荷蓄積時間が照明装置の光源の明滅周期以下となるような、所定の閾値以上であるときには、通常の感度よりも低い感度で画素回路を駆動する高輝度モードに移行する。そして、この高輝度モードにおいて、複数の画素のうちの読み出し対象となる画素の転送手段のゲートの電圧をハイレベルにして、読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を容量手段等に転送する際に、ポテンシャルが、読み出し対象となる画素の光電変換部、読み出し対象となる画素の光電変換側部分、読み出し対象となる画素の容量手段側部分、容量手段の順に低くなるようにした。これにより、読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を、容量手段、及び読み出し対象となる画素における光電変換側部分と容量手段側部分とに転送することができる。   According to the first aspect of the present invention, when the subject luminance is not less than a predetermined threshold value such that the charge accumulation time of the photoelectric conversion unit is not more than the blinking cycle of the light source of the lighting device, the sensitivity is lower than the normal sensitivity. The high-luminance mode for driving the pixel circuit is entered. Then, in this high luminance mode, the voltage of the gate of the transfer means for the pixel to be read out of the plurality of pixels is set to a high level, and the charge generated by the photoelectric conversion unit of the pixel to be read is set as the capacity means or the like The potential is lowered in the order of the photoelectric conversion unit of the pixel to be read, the photoelectric conversion side portion of the pixel to be read, the capacitance means side portion of the pixel to be read, and the capacitance means. . Thereby, the electric charge generated by the photoelectric conversion unit of the pixel to be read can be transferred to the capacitor means and the photoelectric conversion side portion and the capacitor means side portion in the pixel to be read.

また、上記の電荷転送処理の後、間引かれる画素の転送手段のゲートの電圧をハイレベルにしたままで、読み出し対象となる画素の転送手段のゲートの電圧をローレベルにして、容量手段の電位を読み出す際に、読み出し対象となる画素の転送手段のゲートの電圧がハイレベルからローレベルに遷移する間、ポテンシャルが、常に、読み出し対象となる画素の光電変換側部分、読み出し対象となる画素の容量手段側部分、容量手段の順に低くなるようにした。これにより、上記の電荷転送処理において容量手段等に転送された電荷が、読み出し対象となる画素の光電変換部に戻らないようにすることができるので、読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を、漏れなく、容量手段、及び間引かれる画素の光電変換部と光電変換側部分と容量手段側部分に転送した上で、容量手段の電位を読み出すことができる。   In addition, after the above charge transfer process, the gate voltage of the transfer means of the pixel to be read is kept at a high level while the gate voltage of the transfer means of the pixel to be read is set to a low level, When the potential is read, while the gate voltage of the transfer means of the pixel to be read transitions from the high level to the low level, the potential is always the photoelectric conversion side portion of the pixel to be read, the pixel to be read The capacity means side portion and the capacity means are made lower in this order. As a result, the charge transferred to the capacitor means or the like in the above charge transfer process can be prevented from returning to the photoelectric conversion unit of the pixel to be read out, and thus generated by the photoelectric conversion unit of the pixel to be read out. After the transferred charges are transferred to the capacitor means and the photoelectric conversion unit, the photoelectric conversion side portion, and the capacitor means side portion of the thinned pixel without leakage, the potential of the capacitor means can be read out.

また、上記のように、読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を、容量手段、及び間引かれる画素の光電変換部と光電変換側部分と容量手段側部分に転送した上で、容量手段の電位を読み出すということは、容量手段に加えて、間引かれる画素の光電変換部と光電変換側部分と容量手段側部分を、読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を保持する容量として使用することにつながる。従って、高輝度モードのときに、容量手段の電位を低下させて、画素の感度を低くすることができる。すなわち、特別な構成要素を設けることなく、安価かつ簡素な構成で、被写体輝度に応じて画素の感度を変更して、フリッカの発生を抑制することができる。   In addition, as described above, after the charge generated by the photoelectric conversion unit of the pixel to be read is transferred to the capacitor means and the photoelectric conversion unit, the photoelectric conversion side portion, and the capacitance means side portion of the thinned pixel Reading out the potential of the capacitor means means that, in addition to the capacitor means, the photoelectric conversion unit, the photoelectric conversion side portion, and the capacitance means side portion of the pixel to be thinned are generated by the photoelectric conversion unit of the pixel to be read. This leads to use as a capacitor for holding electric charge. Therefore, in the high luminance mode, the sensitivity of the pixel can be lowered by lowering the potential of the capacitor means. In other words, it is possible to suppress the occurrence of flicker by changing the sensitivity of the pixel according to the subject brightness with an inexpensive and simple configuration without providing a special component.

請求項2の発明によれば、画素間引き読み出しモードにおいて、複数の画素のうちの読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を容量手段等に転送する際に、ポテンシャルが、読み出し対象となる画素の光電変換部、読み出し対象となる画素の光電変換側部分、読み出し対象となる画素の容量手段側部分、容量手段の順に低くなるようにした。これにより、読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を、容量手段、及び読み出し対象となる画素における光電変換側部分と容量手段側部分とに転送することができる。   According to the second aspect of the present invention, in the pixel thinning readout mode, when the charge generated by the photoelectric conversion unit of the pixel to be read out of the plurality of pixels is transferred to the capacitor means or the like, the potential is read out. The photoelectric conversion portion of the pixel to be read, the photoelectric conversion side portion of the pixel to be read out, the capacitance means side portion of the pixel to be read out, and the capacitance means in this order. Thereby, the electric charge generated by the photoelectric conversion unit of the pixel to be read can be transferred to the capacitor means and the photoelectric conversion side portion and the capacitor means side portion in the pixel to be read.

また、上記の電荷転送処理の後、容量手段の電位を読み出す際に、読み出し対象となる画素の転送手段のゲートの電圧がハイレベルからローレベルに遷移する間、ポテンシャルが、常に、読み出し対象となる画素の光電変換側部分、読み出し対象となる画素の容量手段側部分、容量手段の順に低くなるようにした。これにより、上記の電荷転送処理において容量手段等に転送された電荷が、読み出し対象となる画素の光電変換部に戻らないようにすることができるので、読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を、漏れなく、間引かれる画素の光電変換部、光電変換側部分、及び容量手段側部分に転送した上で、容量手段の電位を読み出すことができる。   In addition, after the above charge transfer process, when the potential of the capacitor means is read, the potential is always the same as the read target while the voltage of the gate of the transfer means of the pixel to be read changes from high level to low level. In this order, the photoelectric conversion side portion of the pixel, the capacitance means side portion of the pixel to be read out, and the capacitance means are sequentially lowered. As a result, the charge transferred to the capacitor means or the like in the above charge transfer process can be prevented from returning to the photoelectric conversion unit of the pixel to be read out, and thus generated by the photoelectric conversion unit of the pixel to be read out. After the transferred charges are transferred to the photoelectric conversion unit, the photoelectric conversion side portion, and the capacitance means side portion of the pixel to be thinned out without leakage, the potential of the capacitance means can be read out.

また、上記のように、読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を、間引かれる画素の光電変換部、光電変換側部分、及び容量手段側部分に転送した上で、容量手段の電位を読み出すということは、容量手段に加えて、間引かれる画素の光電変換部、光電変換側部分、及び容量手段側部分を、読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を保持する容量として使用することにつながる。従って、高輝度モードのときに、容量手段の電位を低下させて、画素の感度を低くすることができる。すなわち、特別な構成要素を設けることなく、安価かつ簡素な構成で、被写体輝度に応じて画素の感度を変更して、フリッカの発生を抑制することができる。   In addition, as described above, the charge generated by the photoelectric conversion unit of the pixel to be read is transferred to the photoelectric conversion unit, the photoelectric conversion side portion, and the capacitance means side portion of the pixel to be thinned, and then the capacitance unit In addition to the capacitor means, in addition to the capacitor means, the photoelectric conversion unit of the pixel to be thinned out, the photoelectric conversion side part, and the capacitor means side part are charged with the charges generated by the photoelectric conversion part of the pixel to be read out. It leads to using as capacity to hold. Therefore, in the high luminance mode, the sensitivity of the pixel can be lowered by lowering the potential of the capacitor means. In other words, it is possible to suppress the occurrence of flicker by changing the sensitivity of the pixel according to the subject brightness with an inexpensive and simple configuration without providing a special component.

以下、本発明を実施するための最良の実施形態による撮像装置について図面を参照して説明する。図1は、撮像装置100の概略構成を示している。撮像装置100は、画像を撮像して対応する電気信号として出力する撮像部10と、撮像部10から出力された出力信号50を処理する信号処理部20と、信号処理部20から出力された処理結果の信号(処理結果信号)60を受信すると共に、撮像部10に制御信号70を出力して撮像部10等の装置各部の制御を司る制御部40等によって構成されている。撮像部10は、多数の画素回路11を有している。   Hereinafter, an image pickup apparatus according to a best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration of the imaging apparatus 100. The imaging device 100 captures an image and outputs it as a corresponding electrical signal, a signal processing unit 20 that processes an output signal 50 output from the imaging unit 10, and a process output from the signal processing unit 20. The control unit 40 includes a control unit 40 that receives a result signal (processing result signal) 60 and outputs a control signal 70 to the imaging unit 10 to control each unit of the imaging unit 10 and the like. The imaging unit 10 has a large number of pixel circuits 11.

通常、画素回路においては、後述するフォトダイオード、転送スイッチ、容量、増幅トランジスタ、リセットスイッチ、選択スイッチ等の各種部品が画素ごとに設けられている。このような構成では、1つの画素に多くの部品を実装しなければならず画素回路の小型化を図るのが困難となる。そこで、本発明においては、隣り合う複数の画素間でフォトダイオード、転送スイッチ以外を共用し、画素サイズの小型化を図っている。   Usually, in a pixel circuit, various components such as a photodiode, a transfer switch, a capacitor, an amplification transistor, a reset switch, and a selection switch described later are provided for each pixel. In such a configuration, many components must be mounted on one pixel, and it is difficult to reduce the size of the pixel circuit. Therefore, in the present invention, the pixels other than the photodiode and the transfer switch are shared between a plurality of adjacent pixels to reduce the pixel size.

図2は、隣り合う4つの画素間でフォトダイオード、転送スイッチ以外を共用した画素回路11の構成を示した模式図である。同図では、多数の画素の中から4つの画素を示している。画素回路11は、画素1、2、3、4ごとに、光を電気信号に変換するフォトダイオード(光電変換部)PD1、PD2、PD3、PD4と、フォトダイオードPD1、PD2、PD3、PD4から出力された信号電荷を転送する転送スイッチ(転送手段)MTX1、MTX2、MTX3、MTX4とを有し、隣り合う4つの画素間で転送スイッチMTX1、MTX2、MTX3、MTX4から転送された信号電荷を保持するフローティングデフュージョンとしての容量(容量手段)CFDと、容量CFDに保持された電荷に対応する信号を増幅して出力する増幅トランジスタ(信号増幅手段)MSFと、容量CFDに保持される電荷をリセットするリセットスイッチ(リセット手段)MRESと、信号の読み出し対象となる画素を選択するための選択スイッチ(画素選択手段)MSELとを共用している。   FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration of a pixel circuit 11 that shares a pixel other than a photodiode and a transfer switch between four adjacent pixels. In the figure, four pixels are shown among many pixels. The pixel circuit 11 outputs, for each of the pixels 1, 2, 3, and 4, photodiodes (photoelectric conversion units) PD1, PD2, PD3, and PD4 that convert light into electric signals, and photodiodes PD1, PD2, PD3, and PD4. Transfer switches (transfer means) MTX1, MTX2, MTX3, and MTX4 that transfer the signal charges that have been transferred, and hold the signal charges transferred from the transfer switches MTX1, MTX2, MTX3, and MTX4 between four adjacent pixels Capacitance (capacitance means) CFD as floating diffusion, amplification transistor (signal amplification means) MSF that amplifies and outputs a signal corresponding to the charge held in the capacitance CFD, and resets the charge held in the capacitance CFD A reset switch (reset means) MRES and a selection switch (pixel selection means) MSEL for selecting a pixel from which a signal is to be read are shared.

図3は、画素1、2、3、4及び容量CFDを構成する半導体の平面図の一例であり、図4は、図3中のA−A’線断面図である。図2中の転送スイッチMTX1、MTX2、MTX3、MTX4は、それぞれゲートTX1、TX2、TX3、TX4を有している。以下において、各ゲートTX1、TX2、TX3、TX4に印加される電圧を、それぞれΦTX1、ΦTX2、ΦTX3、ΦTX4とする。   FIG. 3 is an example of a plan view of a semiconductor constituting the pixels 1, 2, 3, 4 and the capacitor CFD, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in FIG. 3. The transfer switches MTX1, MTX2, MTX3, and MTX4 in FIG. 2 have gates TX1, TX2, TX3, and TX4, respectively. Hereinafter, the voltages applied to the gates TX1, TX2, TX3, and TX4 are referred to as ΦTX1, ΦTX2, ΦTX3, and ΦTX4, respectively.

各画素の転送スイッチMTX1、MTX2、MTX3、MTX4において、ゲートTX1、TX2、TX3、TX4の下の半導体部分における、CFD側の(CFD寄りの)容量CD12、CD22(及び不図示の容量CD32、CD42)の部分(請求項おける容量手段側部分)には、容量CFDを形成しているのと同じ極性のドーパントが薄くドーピングされている。また、ゲートTX1、TX2、TX3、TX4の下の半導体部分における、それぞれのフォトダイオードPD1、PD2、PD3、PD4側の(PD1、PD2、PD3、PD4寄りの)容量CD11、CD21(及び不図示の容量CD31、CD41)の部分(請求項おける光電変換側部分)には、ドーパントがドーピングされていなくて半導体基板と同じ不純物と濃度が保たれているか、それぞれ、CD12、CD22、CD32、CD42と同じ極性のドーパントが、CD12、CD22、CD32、CD42よりも薄くドーピングされているか、又はそれぞれ、CD12、CD22、CD32、CD42と反対の極性のドーパントがドーピングされている。   In the transfer switches MTX1, MTX2, MTX3, and MTX4 of each pixel, CFD side (close to CFD) capacitances CD12 and CD22 (and capacitances CD32 and CD42 (not shown) in the semiconductor portion under the gates TX1, TX2, TX3, and TX4 ) (Capacitor side portion in claims) is thinly doped with a dopant having the same polarity as that forming the capacitor CFD. In addition, in the semiconductor portion under the gates TX1, TX2, TX3, TX4, capacitances CD11, CD21 (and not shown) on the respective photodiodes PD1, PD2, PD3, PD4 side (near PD1, PD2, PD3, PD4) (Capacitance CD31, CD41) part (photoelectric conversion side part in claims) is not doped with dopant and has the same impurity and concentration as the semiconductor substrate, or the same as CD12, CD22, CD32, CD42, respectively Polar dopants are doped thinner than CD12, CD22, CD32, CD42, or are doped with dopants of opposite polarity to CD12, CD22, CD32, CD42, respectively.

この画素構成において、画素1〜4のゲートTX1〜TX4にかかるそれぞれの電圧φTX1〜φTX4がともにローレベルである時のシリコン表面でのポテンシャルは、図5に示すように、CD11、CD21(及び不図示の容量CD31、CD41)の部分が最も高く、次にポテンシャルが高い部分は、CD12、CD22(及び不図示の容量CD32、CD42)となる。その次にポテンシャルが高い部分は、フォトダイオードPD1、PD2、PD3、PD4であり、最もポテンシャルが低い部分は、CFDとなる。なお、本明細書において、「ポテンシャルが低い」とは、ポテンシャル井戸の深さが深いことをいう。   In this pixel configuration, the potential on the silicon surface when the voltages φTX1 to φTX4 applied to the gates TX1 to TX4 of the pixels 1 to 4 are both at a low level, as shown in FIG. The portions of the illustrated capacitances CD31 and CD41) are the highest, and the portion having the next highest potential is CD12 and CD22 (and the capacitances CD32 and CD42 not shown). The next highest potential parts are photodiodes PD1, PD2, PD3, and PD4, and the lowest potential part is CFD. In this specification, “low potential” means that the potential well is deep.

画素回路11は、静止画撮像時において、全ての画素1、2、3、4から出力された電荷に基く信号を順次読み出す全画素読み出しモードと、動画を撮像時又はファインダ表示時において、画素1、2、3又は画素4のうちいずれか一つから出力された電荷に基く信号のみを読み出し、他の画素から出力された電荷に基く信号を読み出さない画素間引きモードを有している。   The pixel circuit 11 is configured to read out signals based on the charges output from all the pixels 1, 2, 3, and 4 sequentially when capturing a still image, and the pixel 1 when capturing a moving image or displaying a finder. Only the signal based on the charge output from any one of 2, 3, 3 or the pixel 4 is read out, and the pixel thinning mode in which the signal based on the charge output from other pixels is not read out is provided.

図6乃至図10は、図2に示した画素回路11の動作を示すタイミングチャートである。全画素読み出しモードでは、図6に示すタイミングチャートに従い、画素1、2、3、4の信号を順次読み出す。そのため、全画素読み出しモードでは、フリッカ発生の抑生はできない。しかしながら、画素回路11のデジタルスチルカメラなどへの応用を考えた場合、通常、全画素読み出しを用いる静止画撮像の場合は、読み出しに時間がかかるため、外部の機械式シャッターなどと併用するのが一般的である。従って、この場合、蓄積時間は外部シャッターで制御されるため、フリッカ発生は問題にならない。   6 to 10 are timing charts showing the operation of the pixel circuit 11 shown in FIG. In the all-pixel reading mode, the signals of the pixels 1, 2, 3, and 4 are sequentially read according to the timing chart shown in FIG. Therefore, flicker generation cannot be suppressed in the all-pixel readout mode. However, considering the application of the pixel circuit 11 to a digital still camera or the like, normally, in the case of still image imaging using all-pixel readout, it takes time to read out, so it is necessary to use it together with an external mechanical shutter or the like. It is common. Therefore, in this case, since the accumulation time is controlled by an external shutter, the occurrence of flicker is not a problem.

次に、画素を飛び飛びに読み出す画素間引き読み出しモードにおけるフリッカ発生の抑制方法を、以下に説明する。このモードでは、信号の読み出しを迅速に行う必要があるために、画素を飛び飛びに読み出すので、画素1のみの信号を使い、画素2乃至4の信号は使わない。そして、この画素間引き読み出しモードは、被写体輝度に応じて通常輝度モードと高輝度モードを有し、制御部40は、いずれかのモードに択一的に切り替えて画素回路11を駆動する。   Next, a method of suppressing the occurrence of flicker in the pixel thinning readout mode for reading out pixels in a skipped manner will be described below. In this mode, since it is necessary to read out signals quickly, the pixels are read out in a blinking manner, so that only the signal of pixel 1 is used and the signals of pixels 2 to 4 are not used. The pixel thinning readout mode has a normal luminance mode and a high luminance mode according to the subject luminance, and the control unit 40 selectively switches to either mode to drive the pixel circuit 11.

通常輝度モード又は高輝度モードのうちいずれのモードで画素回路11を駆動するかは、信号処理部(輝度判定部)20において被写体輝度が所定の閾値以上であるか否かを判断することにより決定される。この被写体輝度の判定は、撮像部内部に別途設けられた論理回路で行うようにしてもよい。ここで、上記所定の閾値とは、例えば、フォトダイオードPD1、PD2、PD3、PD4の電荷蓄積時間が商用電源周期の1/2(蛍光灯照明装置の明滅周期)以下となるような値である。画素回路11は、通常輝度モードのとき通常の感度設定で駆動され、高輝度モードのとき低い感度設定で駆動される。   Whether the pixel circuit 11 is driven in the normal luminance mode or the high luminance mode is determined by determining whether or not the subject luminance is equal to or higher than a predetermined threshold in the signal processing unit (luminance determination unit) 20. Is done. The determination of the subject luminance may be performed by a logic circuit provided separately inside the imaging unit. Here, the predetermined threshold is, for example, a value such that the charge accumulation time of the photodiodes PD1, PD2, PD3, and PD4 is equal to or less than ½ of the commercial power supply cycle (blink cycle of the fluorescent lamp illumination device). . The pixel circuit 11 is driven with a normal sensitivity setting in the normal luminance mode, and is driven with a low sensitivity setting in the high luminance mode.

まず、通常輝度モード、すなわち画素の感度を下げない場合の駆動方法を説明する。図7に示すように、通常輝度モードのタイミングチャートで駆動すると、読み出し時に転送スイッチMTX2、MTX3、MTX4のゲート電圧ΦTX2、ΦTX3、ΦTX4がローレベルのままなので、フォトダイオードPD1に蓄積されていた電荷は転送スイッチMTX1により、容量CFDだけに転送される。このとき、増幅トランジスタMSFのゲートにかかる電圧VFD’は、フォトダイオードPD1に蓄積された光生成キャリアの電荷量をQPD1、容量CFDの容量値をCFDとすると
VFD’=QPD1/CFD
となり、画素回路11の感度は高いままになる。
First, the driving method in the normal luminance mode, that is, when the sensitivity of the pixel is not lowered will be described. As shown in FIG. 7, when driven in the normal luminance mode timing chart, the gate voltages ΦTX2, ΦTX3, and ΦTX4 of the transfer switches MTX2, MTX3, and MTX4 remain at a low level at the time of reading, so that the charge accumulated in the photodiode PD1 Is transferred only to the capacitor CFD by the transfer switch MTX1. At this time, the voltage V FD ′ applied to the gate of the amplification transistor MSF is Q PD1 , where the charge amount of photogenerated carriers accumulated in the photodiode PD1 is C PD1 and the capacitance value of the capacitor CFD is C FD.
V FD '= Q PD1 / C FD
Thus, the sensitivity of the pixel circuit 11 remains high.

図11は、画素間引き読み出しモードにおける画素1のフォトダイオードPD1、画素1のフォトダイオードPD1側の容量CD11、画素1のCFD側の容量CD12、容量CFD、画素2のCFD側の容量CD22、画素2のフォトダイオードPD2側の容量CD21、及び画素2のフォトダイオードPD2のシリコン表面でのポテンシャルの変化を示している。画素3及び4のフォトダイオードPD3、PD4、容量CD31、CD41、及び容量CD32、CD42に関しては、画素2のフォトダイオードPD2、容量CD21、及び容量CD22と同様であるので、図示を省略している。同図において、左段側は通常輝度モードでのポテンシャルの変化を、右段側は高輝度モードのポテンシャルの変化をそれぞれ示している。   FIG. 11 shows the photodiode PD1 of the pixel 1 in the pixel thinning readout mode, the capacitance CD11 on the photodiode PD1 side of the pixel 1, the capacitance CD12 on the CFD side of the pixel 1, the capacitance CFD, the capacitance CD22 on the CFD side of the pixel 2, and the pixel 2 The change in potential on the silicon surface of the capacitor CD21 on the photodiode PD2 side and the photodiode PD2 of the pixel 2 is shown. The photodiodes PD3 and PD4, the capacitors CD31 and CD41, and the capacitors CD32 and CD42 of the pixels 3 and 4 are the same as the photodiode PD2, the capacitor CD21, and the capacitor CD22 of the pixel 2, and are not shown. In the figure, the left side shows the potential change in the normal luminance mode, and the right side shows the potential change in the high luminance mode.

上記通常輝度モードでの動作を、図7及び図11を用いて詳しく説明する。まず、図7の「画素1リセット」に示すように、画素1の転送スイッチMTX1のゲート電圧φTX1をハイレベルにして、PD1に溜まっていた電荷を容量CFDを介して、リセットトランジスタMRESでリセットする。このとき、図11の「リセット」に示すように、ゲート電圧φTX1、及びフォトダイオードPD1、容量CD11、容量CD12、容量CFDの各々の不純物濃度が、フォトダイオードPD1、容量CD11、容量CD12、容量CFDの順にポテンシャルが低くなるような関係に設定されているので、フォトダイオードPD1の電荷が容量CFDに完全に転送されて、完全なリセットが行われる。次に、図7に示すように、ゲート電圧φTX1をローレベルにすると、PD1で光生成電荷の蓄積が開始される。   The operation in the normal luminance mode will be described in detail with reference to FIGS. First, as shown in “pixel 1 reset” in FIG. 7, the gate voltage φTX1 of the transfer switch MTX1 of the pixel 1 is set to the high level, and the charge accumulated in the PD1 is reset by the reset transistor MRES via the capacitor CFD. . At this time, as shown in “Reset” in FIG. 11, the gate voltage φTX1 and the impurity concentrations of the photodiode PD1, the capacitor CD11, the capacitor CD12, and the capacitor CFD are the photodiode PD1, the capacitor CD11, the capacitor CD12, and the capacitor CFD. Since the potential is set to decrease in this order, the charge of the photodiode PD1 is completely transferred to the capacitor CFD, and a complete reset is performed. Next, as shown in FIG. 7, when the gate voltage φTX1 is set to the low level, accumulation of photogenerated charges is started in PD1.

蓄積時間経過後、まず、ノイズを低減する相関2重サンプリングのために、ゲート電圧φTX1をローレベルの状態にしたまま、容量CFDのリセットを行い、次に、選択トランジスタMSELのゲート電圧φSELをハイレベルにして、リセットレベルを読み出す。このときのポテンシャルは、図11左段側の「リセットレベル読み出し」に示すようになっている。   After the accumulation time has elapsed, first, for correlated double sampling to reduce noise, the capacitor CFD is reset while the gate voltage φTX1 is kept at a low level, and then the gate voltage φSEL of the selection transistor MSEL is set to high. Read the reset level. The potential at this time is as shown in “reset level reading” on the left side of FIG.

次に、ゲート電圧φTX1をハイレベルにして、図11左段側の「電荷転送」に示すように、フォトダイオードPD1から容量CFDに光生成電荷を転送する。   Next, the gate voltage φTX1 is set to a high level, and photogenerated charges are transferred from the photodiode PD1 to the capacitor CFD as shown in “Charge transfer” on the left side of FIG.

上記の電荷転送の終了後、ゲート電圧φTX1をローレベルにする。このとき、図11左段側の「φTX1がハイレベルからローレベルに遷移する中間状態1、2」に示すように、ゲート電圧φTX1がハイレベルからローレベルに遷移する間、常に容量CD11、CD12、CDFの順にポテンシャルが低くなるように、容量CD11、CD12、CFDの各々の不純物濃度が設定されているので、ゲート電圧φTX1がローレベルになったとき、図11左段側の「信号レベル読み出し」に示すように、光生成電荷を容量CFDだけ、あるいは、電荷が多い場合には、容量CD12、CD22、CD32、CD42の下にも転送することができる。   After completion of the above charge transfer, the gate voltage φTX1 is set to low level. At this time, as shown in “intermediate states 1 and 2 in which φTX1 transits from a high level to a low level” on the left side in FIG. 11, the capacitances CD11 and CD12 are always generated while the gate voltage φTX1 transits from a high level to a low level. Since the impurity concentrations of the capacitors CD11, CD12, and CFD are set so that the potential decreases in the order of CDF and CDF, when the gate voltage φTX1 becomes low level, the “signal level readout” on the left side of FIG. As shown in FIG. 2, the photogenerated charge can be transferred only to the capacitor CFD or under the capacitors CD12, CD22, CD32, and CD42 when the charge is large.

上記の電荷転送後、信号電位を読み出す。このとき、図11左段側の「信号レベル読み出し」に示す、電荷の溜まっている高さが、増幅トランジスタMSFのゲート入力電圧になる信号レベル(信号電圧)に相当し、感度は高いままになる。なお、画素間引き読み出しのため、画素2〜4の信号は読み出さない。   After the above charge transfer, the signal potential is read out. At this time, the charge accumulation height shown in “Signal level reading” on the left side of FIG. 11 corresponds to the signal level (signal voltage) that becomes the gate input voltage of the amplification transistor MSF, and the sensitivity remains high. Become. Note that the signals of the pixels 2 to 4 are not read for pixel thinning readout.

次に、高輝度モード、すなわち電源の周期の半分以上の蓄積時間で動作できない、フリッカの発生する輝度の高い領域において、フリッカ発生を抑止するために画素の感度を下げる場合における駆動方法を説明する。図8に示すように、高輝度モードのタイミングチャートで駆動すると、読み出し時に転送スイッチMTX2、MTX3、MTX4のゲート電圧φTX2、φTX3、φTX4がハイレベルなので、フォトダイオードPD1に蓄積されていた電荷は転送スイッチMTX1により、容量CFDとフォトダイオードPD2、PD3、PD4に分配されて転送される。このとき、増幅トランジスタMSFのゲートにかかる電圧VFDは、フォトダイオードPD2、PD3、PD4の容量値を、それぞれ、CPD2、CPD3、CPD4とすると、
VFD=QPD1/(CFD+CPD2+CPD3+CPD4)
となる。これにより、画素回路11の感度が小さくなり、フリッカ発生を抑止できる。
Next, a driving method in the case of reducing the sensitivity of the pixel in order to suppress the occurrence of flicker in a high luminance mode, that is, in a high luminance area where flicker is generated that cannot be operated in an accumulation time of half or more of the cycle of the power supply will be described. . As shown in FIG. 8, when driven by the timing chart of the high luminance mode, the charges stored in the photodiode PD1 are transferred because the gate voltages φTX2, φTX3, and φTX4 of the transfer switches MTX2, MTX3, and MTX4 are at a high level during reading. By the switch MTX1, the capacitance CFD and the photodiodes PD2, PD3, PD4 are distributed and transferred. At this time, the voltage V FD applied to the gate of the amplification transistor MSF is set such that the capacitance values of the photodiodes PD2, PD3, and PD4 are C PD2 , C PD3 , and C PD4 , respectively.
V FD = Q PD1 / (C FD + C PD2 + C PD3 + C PD4 )
It becomes. Thereby, the sensitivity of the pixel circuit 11 is reduced, and the occurrence of flicker can be suppressed.

上記高輝度モードでの動作を、図8及び図11を用いて詳しく説明する。図11に示すように、リセット時及び蓄積時の動作とポテンシャルについては、通常輝度モードの場合と同じである。但し、高輝度モードにおいては、図8のタイミングチャートに示すように、リセットレベル読み出しのためのリセットの前に、転送スイッチMTX2、MTX3、MTX4のゲート電圧φTX2、φTX3、φTX4をハイレベルにする。   The operation in the high luminance mode will be described in detail with reference to FIGS. As shown in FIG. 11, the operation and potential at the time of reset and accumulation are the same as those in the normal luminance mode. However, in the high luminance mode, as shown in the timing chart of FIG. 8, the gate voltages φTX2, φTX3, and φTX4 of the transfer switches MTX2, MTX3, and MTX4 are set to the high level before resetting for reset level reading.

蓄積時間経過後、相関2重サンプリングのために、転送スイッチMTX1のゲート電圧φTX1をローレベルの状態にしたまま、リセットスイッチMRESのゲート電圧φRESをハイレベルにして、容量CFD、及びフォトダイオードPD2、PD3、PD4のリセットを行う。次に、ゲート電圧φRESをローレベルにした後、選択トランジスタMSELのゲート電圧φSELをハイレベルにして、リセットレベルを読み出す。このときのポテンシャルは、図11右段側の「リセットレベル読み出し」に示すようになっており、ゲート電圧φTX2、φTX3、φTX4がハイレベルなので、フォトダイオードPD2、PD3、PD4に溜まっていた電荷が容量CFDを介してリセットされ、その状態のリセットレベルが読み出される。   After the accumulation time has elapsed, for correlated double sampling, the gate voltage φRES of the reset switch MRES is set to a high level while the gate voltage φTX1 of the transfer switch MTX1 is kept at a low level, and the capacitor CFD and the photodiode PD2, Reset PD3 and PD4. Next, after setting the gate voltage φRES to a low level, the gate voltage φSEL of the selection transistor MSEL is set to a high level to read the reset level. The potential at this time is as shown in “reset level reading” on the right side of FIG. 11. Since the gate voltages φTX2, φTX3, and φTX4 are at a high level, the charges accumulated in the photodiodes PD2, PD3, and PD4 Reset is performed via the capacitor CFD, and the reset level of the state is read out.

次に、ゲート電圧φSELをローレベルにした後、ゲート電圧φTX1をハイレベルにして、図11右段側の「電荷転送」に示すように、フォトダイオードPD1から容量CFDや画素2、3、4の転送スイッチMTX2、MTX3、MTX4のゲートの下(容量CD11、CD12、CD21、CD22、CD31、CD32、CD41、CD42)に光生成電荷を転送する。   Next, after setting the gate voltage φSEL to a low level, the gate voltage φTX1 is set to a high level, and as shown in “charge transfer” on the right side of FIG. The photogenerated charges are transferred under the gates of the transfer switches MTX2, MTX3, and MTX4 (capacitances CD11, CD12, CD21, CD22, CD31, CD32, CD41, and CD42).

電荷転送後、図11右段側の「信号レベル読み出し」(図8中の「画素1信号レベル読み出し」に相当)を行う前に、図8に示すように、ゲート電圧φTX1をローレベルにする。このとき、図11右段側の「φTX1がハイレベルからローレベルに遷移する中間状態1、2」に示すように、ゲート電圧φTX1がハイレベルからローレベルに遷移する間、常に容量CD11、CD12、CDFの順にポテンシャルが低くなるように、容量CD11、CD12、CFDの各々の不純物濃度が設定されている。これにより、上記の図11右段側の「電荷転送」処理において容量CFDや容量CD11、CD12等に転送された電荷が、フォトダイオードPD1に戻らないようにすることができる。従って、ゲート電圧φTX1がローレベルになったとき、図11右段側の「信号レベル読み出し」に示すように、光生成電荷を容量CFDだけではなく、容量CD21、CD22、CD31、CD32、CD41、CD42、及びフォトダイオードPD2、PD3、PD4の下にも転送することができる。   After charge transfer, before performing “signal level readout” (corresponding to “pixel 1 signal level readout” in FIG. 8) on the right side of FIG. 11, the gate voltage φTX1 is set to a low level as shown in FIG. . At this time, as shown in “intermediate states 1 and 2 in which φTX1 transits from a high level to a low level” on the right side of FIG. The impurity concentrations of the capacitors CD11, CD12, and CFD are set so that the potential decreases in the order of CDF. Thereby, it is possible to prevent the charges transferred to the capacitor CFD, the capacitors CD11, CD12, etc. in the “charge transfer” process on the right side of FIG. 11 from returning to the photodiode PD1. Therefore, when the gate voltage φTX1 becomes low level, as shown in “signal level reading” on the right side of FIG. 11, not only the capacitance CFD but also the capacitances CD21, CD22, CD31, CD32, CD41, It can also be transferred under CD42 and photodiodes PD2, PD3, PD4.

これに対して、上記図11右段側の「φTX1がハイレベルからローレベルに遷移する中間状態1、2」において、ゲート電圧φTX1がハイレベルからローレベルに遷移する間、例えば容量CD11のポテンシャルが容量CD12よりも低くなるように、容量CD11、CD12の各々の不純物濃度が設定されていた場合には、容量CD11や容量CD12に転送されていた電荷が、フォトダイオードPD1に戻ってしまう事態が起こり得る。従って、上記のように、ゲート電圧φTX1がハイレベルからローレベルに遷移する間、常に容量CD11、CD12、CDFの順にポテンシャルが低くなるように、容量CD11、CD12、CFDの各々の不純物濃度を設定することにより、電荷がフォトダイオードPD1に戻ってしまうことを防いでいるのである。   In contrast, in “intermediate states 1 and 2 in which φTX1 transits from high level to low level” on the right side of FIG. 11, during the transition of gate voltage φTX1 from high level to low level, for example, the potential of the capacitor CD11 If the impurity concentration of each of the capacitors CD11 and CD12 is set so that is lower than the capacitor CD12, the charge transferred to the capacitor CD11 and the capacitor CD12 may return to the photodiode PD1. Can happen. Therefore, as described above, while the gate voltage φTX1 transitions from the high level to the low level, the impurity concentrations of the capacitors CD11, CD12, and CFD are set so that the potential always decreases in the order of the capacitors CD11, CD12, and CDF. This prevents the charge from returning to the photodiode PD1.

図11右段側の「信号レベル読み出し」に示す、電荷の溜まっている高さが、増幅トランジスタMSFのゲート入力電圧になる信号レベル(信号電圧)に相当し、この高さが、図11左段側の「信号レベル読み出し」に示す、電荷の高さより低くなっている。すなわち、画素回路11の感度が下がっていることがわかる。   The charge accumulation height shown in “Signal level reading” on the right side of FIG. 11 corresponds to the signal level (signal voltage) that becomes the gate input voltage of the amplification transistor MSF, and this height is the left of FIG. It is lower than the charge level shown in “Signal level reading” on the stage side. That is, it can be seen that the sensitivity of the pixel circuit 11 is lowered.

図2、3の構成では、容量として使えるフォトダイオードが3個あるため、図8に示すように、容量としてPD2とPD3とPD4の3個を使った場合に限られることなく、例えば、図9に示すように、容量としてPD2とPD3の2個を使った場合、あるいは、図10に示すように、容量としてPD2の1個を使った場合でも動作させることができ、輝度に応じて、容量として使用するフォトダイオードの個数を変化させることで、より細やかな画素の感度変更を行うことができる。また、本実施形態では、画素1の信号読み出し方法を説明したが、読み出し時の転送スイッチMTX1のゲート電圧φTX1を、転送スイッチMTX2、MTX3、MTX4のゲート電圧φTX2、φTX3、φTX4のうちのひとつと入れ替えることで、画素2、3、4の信号読み出しが行えることは、いうまでもない。   2 and 3, since there are three photodiodes that can be used as capacitors, the present invention is not limited to the case where three capacitors PD2, PD3, and PD4 are used as shown in FIG. As shown in Fig. 10, it can be operated even when two capacitors PD2 and PD3 are used, or when one capacitor PD2 is used as shown in Fig. 10, depending on the luminance. By changing the number of photodiodes to be used, the pixel sensitivity can be changed more finely. In the present embodiment, the signal readout method of the pixel 1 has been described. The gate voltage φTX1 of the transfer switch MTX1 at the time of readout is set to one of the gate voltages φTX2, φTX3, and φTX4 of the transfer switches MTX2, MTX3, and MTX4. Needless to say, the signals can be read out from the pixels 2, 3, and 4 by switching.

以上のように、本実施形態の撮像装置100によれば、被写体輝度が、フォトダイオードPD1、PD2、PD3、PD4の電荷蓄積時間が照明装置の光源の明滅周期以下となるような、所定の閾値以上であるときには、通常の感度よりも低い感度で画素回路11を駆動する高輝度モードに移行する。そして、この高輝度モードにおいて、複数の画素1〜4のうちの読み出し対象となる画素1のゲート電圧φTX1をハイレベルにして、読み出し対象となる画素1のフォトダイオードPD1によって生成された電荷を容量CFD等に転送する際に、ポテンシャルが、読み出し対象となる画素1のフォトダイオードPD1、読み出し対象となる画素1の容量CD11、読み出し対象となる画素の容量CD12、容量CFDの順に低くなるようにした。これにより、読み出し対象となる画素1のフォトダイオードPD1によって生成された電荷を、容量CFD、及び読み出し対象となる画素1における容量CD11と容量CD12とに転送することができる。   As described above, according to the imaging apparatus 100 of the present embodiment, the subject brightness has a predetermined threshold value such that the charge accumulation time of the photodiodes PD1, PD2, PD3, and PD4 is less than or equal to the blinking cycle of the light source of the lighting device. When it is above, the mode shifts to the high luminance mode in which the pixel circuit 11 is driven with a sensitivity lower than the normal sensitivity. In this high luminance mode, the gate voltage φTX1 of the pixel 1 to be read out of the plurality of pixels 1 to 4 is set to the high level, and the charge generated by the photodiode PD1 of the pixel 1 to be read is stored in the capacity. When transferring to CFD, etc., the potential is decreased in the order of the photodiode PD1 of the pixel 1 to be read, the capacitance CD11 of the pixel 1 to be read, the capacitance CD12 of the pixel to be read, and the capacitance CFD. . Thereby, the charge generated by the photodiode PD1 of the pixel 1 to be read can be transferred to the capacitor CFD and the capacitors CD11 and CD12 in the pixel 1 to be read.

また、上記の電荷転送処理の後、間引かれる画素2〜4のゲート電圧φTX2、φTX3、φTX4をハイレベルにしたままで、読み出し対象となる画素1のゲート電圧φTX1をローレベルにして、容量CFDの電位を読み出す際に、読み出し対象となる画素1のゲート電圧φTX1がハイレベルからローレベルに遷移する間、ポテンシャルが、常に、容量CD11、CD12、CFDの順に低くなるようにした。これにより、上記の電荷転送処理において容量CFD等に転送された電荷が、読み出し対象となる画素1のフォトダイオードPD1に戻らないようにすることができるので、読み出し対象となる画素1のフォトダイオードPD1によって生成された電荷を、漏れなく、容量CFDと、フォトダイオードPD2〜4と、容量CD11、CD21、CD31、CD41と、容量CD12、CD22、CD32、CD42に転送した上で、容量CFDの電位を読み出すことができる。   Further, after the above charge transfer processing, the gate voltages φTX2, φTX3, and φTX4 of the pixels 2 to 4 to be thinned out are kept at the high level, and the gate voltage φTX1 of the pixel 1 to be read out is set to the low level so that the capacitance When the potential of the CFD is read, the potential is always decreased in the order of the capacitances CD11, CD12, and CFD while the gate voltage φTX1 of the pixel 1 to be read changes from the high level to the low level. Thus, the charge transferred to the capacitor CFD or the like in the above charge transfer process can be prevented from returning to the photodiode PD1 of the pixel 1 to be read, and thus the photodiode PD1 of the pixel 1 to be read. The charge generated by the capacitor CFD is transferred to the capacitors CFD, the photodiodes PD2 to PD4, the capacitors CD11, CD21, CD31, CD41, and the capacitors CD12, CD22, CD32, CD42 without leakage, and then the potential of the capacitor CFD is set. Can be read.

また、上記のように、読み出し対象となる画素1のフォトダイオードPD1によって生成された電荷を、容量CFDに加えて、間引かれる画素2〜4のフォトダイオードPD2〜4、容量CD11、CD21、CD31、CD41、及び容量CD12、CD22、CD32、CD42に転送した上で、容量CFDの電位を読み出すということは、容量CFDに加えて、間引かれる画素2〜4のフォトダイオードPD2〜4、これらのフォトダイオードPD2〜4側の容量CD11、CD21、CD31、CD41、及び容量CFD側の容量CD12、CD22、CD32、CD42を、読み出し対象となる画素1のフォトダイオードPD1によって生成された電荷を保持する容量として使用することにつながる。従って、高輝度モードのときに、容量CFDの電位を低下させて、画素の感度を低くすることができる。すなわち、特別な構成要素を設けることなく、安価かつ簡素な構成で、被写体輝度に応じて画素の感度を変更して、フリッカの発生を抑制することができる。   Further, as described above, the charge generated by the photodiode PD1 of the pixel 1 to be read is added to the capacitor CFD, and the photodiodes PD2 to PD4 of the pixels 2 to 4 to be thinned out, the capacitors CD11, CD21, and CD31. , CD41, and the capacitance CD12, CD22, CD32, and CD42, and reading the potential of the capacitance CFD means that in addition to the capacitance CFD, the photodiodes PD2-4 of the pixels 2 to 4 to be thinned out, these Capacitors that hold the charges generated by the photodiode PD1 of the pixel 1 to be read out of the capacitors CD11, CD21, CD31, and CD41 on the photodiodes PD2 to PD4 side and the capacitors CD12, CD22, CD32, and CD42 on the capacitor CFD side Lead to use as. Accordingly, in the high luminance mode, the potential of the capacitor CFD can be lowered to reduce the sensitivity of the pixel. In other words, it is possible to suppress the occurrence of flicker by changing the sensitivity of the pixel according to the subject brightness with an inexpensive and simple configuration without providing a special component.

なお、本発明は上記実施形態の構成に限られることなく、種々の変形を行うことが可能である。例えば、上記の実施携帯では、隣り合う4つの画素間で、増幅トランジスタMSF、リセットスイッチMRES、及び選択スイッチMSELを共用する場合の例を示したが、増幅トランジスタMSF、リセットスイッチMRES、及び選択スイッチMSELを共用する画素の数は4つに限られず、2つ以上であればよい。   The present invention is not limited to the configuration of the above embodiment, and various modifications can be made. For example, in the above mobile phone, an example in which the amplification transistor MSF, the reset switch MRES, and the selection switch MSEL are shared between four adjacent pixels has been shown, but the amplification transistor MSF, the reset switch MRES, and the selection switch The number of pixels sharing the MSEL is not limited to four, and may be two or more.

本発明の一実施形態による撮像装置の概略構成を示すブロック図。1 is a block diagram showing a schematic configuration of an imaging apparatus according to an embodiment of the present invention. 同撮像装置に適用される画素回路の構成を示す図。2 is a diagram showing a configuration of a pixel circuit applied to the imaging apparatus. FIG. 同画素回路の画素1、2、3、4及び容量CFDを構成する半導体の平面図。The top view of the semiconductor which comprises the pixels 1, 2, 3, 4 and capacity | capacitance CFD of the pixel circuit. 図3におけるA−A’線断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ in FIG. 3. ゲート電圧φTX1、φTX2が共にローレベルのときの図3のA−A’線断面におけるポテンシャル分布を示す図。The figure which shows the potential distribution in the A-A 'line cross section of FIG. 3 when gate voltage (phi) TX1 and (phi) TX2 are both low level. 全画素読み出しモードにおける同画素回路の動作を示すタイミングチャート。6 is a timing chart showing the operation of the pixel circuit in the all-pixel readout mode. 通常輝度モードにおける同画素回路の動作を示すタイミングチャート。6 is a timing chart showing the operation of the pixel circuit in a normal luminance mode. 高輝度モードにおいて、画素1を読み出し、残りの画素2〜4を容量として使った場合における同画素回路の動作を示すタイミングチャート。6 is a timing chart showing the operation of the pixel circuit when the pixel 1 is read and the remaining pixels 2 to 4 are used as capacitors in the high luminance mode. 高輝度モードにおいて、画素1を読み出し、画素2〜3を容量として使った場合における同画素回路の動作を示すタイミングチャート。4 is a timing chart showing the operation of the pixel circuit when the pixel 1 is read and the pixels 2 to 3 are used as capacitors in the high luminance mode. 高輝度モードにおいて、画素1を読み出し、画素2を容量として使った場合における同画素回路の動作を示すタイミングチャート。9 is a timing chart showing the operation of the pixel circuit when the pixel 1 is read and the pixel 2 is used as a capacitor in the high luminance mode. 通常輝度モード時と高輝度モード時における図3のA−A’線断面のポテンシャル分布の変化を示す図。The figure which shows the change of the potential distribution of the A-A 'line cross section of FIG. 3 in the normal luminance mode and the high luminance mode. 従来の撮像装置に適用される画素回路の構成を示す図。FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of a pixel circuit applied to a conventional imaging device. 同画素回路の動作を示すタイミングチャート。6 is a timing chart showing the operation of the pixel circuit.

符号の説明Explanation of symbols

1 画素
2 画素
3 画素
4 画素
11 画素回路
20 信号処理部(輝度判定手段)
100 撮像装置
PD1、PD2、PD3、PD4 フォトダイオード(光電変換部)
MTX1、MTX2、MTX3、MTX4 転送スイッチ(転送手段)
CFD 容量(容量手段)
MSF 増幅トランジスタ(信号増幅手段)
MRES リセットスイッチ(リセット手段)
MSEL 選択スイッチ(画素選択手段)
TX1、TX2、TX3、TX4 ゲート
CD12、CD22、CD32、CD42 容量(容量手段側部分)
CD11、CD21、CD31、CD41 容量(光電変換側部分)
1 pixel 2 pixel 3 pixel 4 pixel 11 pixel circuit 20 signal processing unit (luminance determination means)
100 Imaging device
PD1, PD2, PD3, PD4 Photodiode (photoelectric converter)
MTX1, MTX2, MTX3, MTX4 transfer switch (transfer means)
CFD capacity (capacity means)
MSF amplification transistor (signal amplification means)
MRES reset switch (reset means)
MSEL selection switch (pixel selection means)
TX1, TX2, TX3, TX4 gate
CD12, CD22, CD32, CD42 capacity (capacity means side part)
CD11, CD21, CD31, CD41 capacity (photoelectric conversion side)

Claims (3)

光電変換部及び該光電変換部から出力された電荷を転送する転送手段を有する半導体によって成る複数の画素と、前記転送手段から転送された電荷を保持する容量手段と、前記容量手段に保持された電荷に対応する信号を増幅して出力する信号増幅手段と、前記容量手段に保持された電荷をリセットするリセット手段と、信号の読み出し対象となる画素を選択するための画素選択手段とを有する画素回路を備え、
全ての画素から出力された電荷に基く信号を順次読み出す全画素読み出しモードと、適宜間引いた画素から出力された電荷に基く信号を読み出す画素間引き読み出しモードを有する撮像装置において、
隣り合う画素間で、前記信号増幅手段、リセット手段、及び画素選択手段を共用し、
被写体輝度が、光電変換部の電荷蓄積時間が照明装置の光源の明滅周期以下となるような、所定の閾値以上であるか否かを判定する輝度判定手段をさらに備え、
前記各画素内の転送手段は、それぞれゲートを有しており、
前記ゲートの下の半導体部分における前記容量手段側(以下、容量手段側部分という)には、前記容量手段を形成しているのと同じ極性のドーパントが前記容量手段よりも薄くドーピングされており、
前記ゲートの下の半導体部分における前記光電変換部側(以下、光電変換側部分という)には、ドーパントがドーピングされていないか、前記容量手段側部分と同じ極性のドーパントが前記容量手段側部分よりも薄くドーピングされているか、又は前記容量手段側部分と反対の極性のドーパントがドーピングされており、
前記画素間引き読み出しモードは、前記輝度判定手段によって被写体輝度が前記閾値未満であると判定されたとき、通常の感度で前記画素回路を駆動する通常輝度モードと、被写体輝度が前記閾値以上であると判定されたとき、前記通常の感度よりも低い感度で前記画素回路を駆動する高輝度モードを含み、
前記画素間引き読み出しモードにおいて間引かれる画素と読み出し対象となる画素とは、前記信号増幅手段、リセット手段、及び画素選択手段を共用する前記隣り合う画素の関係にあり、
前記高輝度モードのとき、
前記複数の画素のうちの読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧をハイレベルにして、前記読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を前記容量手段等に転送する際に、ポテンシャルが、前記読み出し対象となる画素の光電変換部、前記読み出し対象となる画素の光電変換側部分、前記読み出し対象となる画素の容量手段側部分、前記容量手段の順に低くなり、
前記間引かれる画素の前記ゲートの電圧をハイレベルにしたままで、前記読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧をローレベルにして、前記容量手段の電位を読み出す際に、前記読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧がハイレベルからローレベルに遷移する間、ポテンシャルが、常に、前記読み出し対象となる画素の光電変換側部分、前記読み出し対象となる画素の容量手段側部分、前記容量手段の順に低くなり、
前記容量手段に加えて、前記間引かれる画素の光電変換部、光電変換側部分、及び容量手段側部分を、前記読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を保持する容量として使用することにより、前記容量手段の電位を低下させて、画素の感度を低くし、
簡素な構成でフリッカの発生を抑制し得るようにしたことを特徴とする撮像装置。
A plurality of pixels made of a semiconductor having a photoelectric conversion unit and a transfer unit that transfers charges output from the photoelectric conversion unit, a capacitor unit that holds charges transferred from the transfer unit, and a capacitor unit A pixel having signal amplifying means for amplifying and outputting a signal corresponding to the charge, reset means for resetting the charge held in the capacitor means, and pixel selecting means for selecting a pixel from which a signal is to be read. With a circuit,
In an imaging apparatus having an all-pixel readout mode for sequentially reading out signals based on charges output from all pixels and a pixel-thinning-out readout mode for reading out signals based on charges output from appropriately thinned pixels,
Between the adjacent pixels, the signal amplification means, the reset means, and the pixel selection means are shared,
Brightness determination means for determining whether the subject brightness is equal to or greater than a predetermined threshold value such that the charge accumulation time of the photoelectric conversion unit is equal to or less than the blinking cycle of the light source of the illumination device;
Each of the transfer means in each pixel has a gate,
On the capacitor means side (hereinafter referred to as a capacitor means side portion) in the semiconductor portion under the gate, a dopant having the same polarity as that forming the capacitor means is doped thinner than the capacitor means,
On the photoelectric conversion part side (hereinafter referred to as the photoelectric conversion side part) in the semiconductor part under the gate, a dopant is not doped, or a dopant having the same polarity as that of the capacity means side part is present from the capacity means side part. Thinly doped or doped with a dopant having a polarity opposite to that of the capacitor means side portion,
The pixel thinning readout mode includes a normal luminance mode in which the pixel circuit is driven with normal sensitivity when the luminance determining unit determines that the subject luminance is less than the threshold, and the subject luminance is equal to or higher than the threshold. A high brightness mode for driving the pixel circuit with a lower sensitivity than the normal sensitivity when determined,
The pixel to be thinned out in the pixel thinning readout mode and the pixel to be read are in the relationship between the adjacent pixels sharing the signal amplification unit, the reset unit, and the pixel selection unit,
When in the high brightness mode,
When the voltage of the gate of the pixel to be read out of the plurality of pixels is set to a high level and the charge generated by the photoelectric conversion unit of the pixel to be read out is transferred to the capacitor means or the like, the potential is increased. Is in the order of the photoelectric conversion unit of the pixel to be read, the photoelectric conversion side portion of the pixel to be read, the capacitance means side portion of the pixel to be read, the capacitance means,
When the voltage of the gate of the pixel to be read is set to a low level while the gate voltage of the pixel to be thinned is kept at a high level, the potential of the capacitor means is read out While the voltage of the gate of the pixel transits from a high level to a low level, the potential is always the photoelectric conversion side portion of the pixel to be read, the capacitance means side portion of the pixel to be read, Lower in order,
In addition to the capacitance means, the thinned-out pixel photoelectric conversion unit, photoelectric conversion side portion, and capacitance means side portion are used as a capacity for holding charges generated by the photoelectric conversion unit of the pixel to be read out. By reducing the potential of the capacitive means, the sensitivity of the pixel is lowered,
An imaging apparatus characterized by being able to suppress the occurrence of flicker with a simple configuration.
光電変換部及び該光電変換部から出力された電荷を転送する転送手段を有する半導体によって成る複数の画素と、前記転送手段から転送された電荷を保持する容量手段と、前記容量手段に保持された電荷に対応する信号を増幅して出力する信号増幅手段と、前記容量手段に保持された電荷をリセットするリセット手段と、信号の読み出し対象となる画素を選択するための画素選択手段とを有する画素回路を備え、
全ての画素から出力された電荷に基く信号を順次読み出す全画素読み出しモードと、適宜間引いた画素から出力された電荷に基く信号を読み出す画素間引き読み出しモードを有する撮像装置において、
隣り合う画素間で、前記信号増幅手段、リセット手段、及び画素選択手段を共用し、
前記各画素内の転送手段は、それぞれゲートを有しており、
前記ゲートの下の半導体部分における前記容量手段側(以下、容量手段側部分という)には、前記容量手段を形成しているのと同じ極性のドーパントが前記容量手段よりも薄くドーピングされており、
前記ゲートの下の半導体部分における前記光電変換部側(以下、光電変換側部分という)には、ドーパントがドーピングされていないか、前記容量手段側部分と同じ極性のドーパントが前記容量手段側部分よりも薄くドーピングされているか、又は前記容量手段側部分と反対の極性のドーパントがドーピングされており、
前記画素間引き読み出しモードにおいて間引かれる画素と読み出し対象となる画素とは、前記信号増幅手段、リセット手段、及び画素選択手段を共用する前記隣り合う画素の関係にあり、
前記画素間引き読み出しモードのとき、
前記複数の画素のうちの読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を前記容量手段等に転送する際に、ポテンシャルが、前記読み出し対象となる画素の光電変換部、前記読み出し対象となる画素の光電変換側部分、前記読み出し対象となる画素の容量手段側部分、前記容量手段の順に低くなり、
前記容量手段の電位を読み出す際に、前記読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧がハイレベルからローレベルに遷移する間、ポテンシャルが、常に、前記読み出し対象となる画素の光電変換側部分、前記読み出し対象となる画素の容量手段側部分、前記容量手段の順に低くなり、
前記容量手段に加えて、前記間引かれる画素の光電変換部、光電変換側部分、及び容量手段側部分を、前記読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を保持する容量として使用することにより、前記容量手段の電位を低下させて、画素の感度を低くし、
簡素な構成でフリッカの発生を抑制し得るようにしたことを特徴とする撮像装置。
A plurality of pixels made of a semiconductor having a photoelectric conversion unit and a transfer unit that transfers charges output from the photoelectric conversion unit, a capacitor unit that holds charges transferred from the transfer unit, and a capacitor unit A pixel having signal amplifying means for amplifying and outputting a signal corresponding to the charge, reset means for resetting the charge held in the capacitor means, and pixel selecting means for selecting a pixel from which a signal is to be read. With a circuit,
In an imaging apparatus having an all-pixel readout mode for sequentially reading out signals based on charges output from all pixels and a pixel-thinning-out readout mode for reading out signals based on charges output from appropriately thinned pixels,
Between the adjacent pixels, the signal amplification means, the reset means, and the pixel selection means are shared,
Each of the transfer means in each pixel has a gate,
On the capacitor means side (hereinafter referred to as a capacitor means side portion) in the semiconductor portion under the gate, a dopant having the same polarity as that forming the capacitor means is doped thinner than the capacitor means,
On the photoelectric conversion part side (hereinafter referred to as the photoelectric conversion side part) in the semiconductor part under the gate, a dopant is not doped, or a dopant having the same polarity as that of the capacity means side part is present from the capacity means side part. Thinly doped or doped with a dopant having a polarity opposite to that of the capacitor means side portion,
The pixel to be thinned out in the pixel thinning readout mode and the pixel to be read are in the relationship between the adjacent pixels sharing the signal amplification unit, the reset unit, and the pixel selection unit,
In the pixel thinning readout mode,
When transferring the charge generated by the photoelectric conversion unit of the pixel to be read out of the plurality of pixels to the capacitor unit or the like, the potential is the photoelectric conversion unit of the pixel to be read out, the read target and The lower the photoelectric conversion side part of the pixel, the lower part of the capacity means side of the pixel to be read, the lower the order of the capacity means,
When the potential of the capacitor means is read, while the gate voltage of the pixel to be read transitions from a high level to a low level, the potential is always the photoelectric conversion side portion of the pixel to be read, The capacity means side portion of the pixel to be read out becomes lower in the order of the capacity means,
In addition to the capacitance means, the thinned-out pixel photoelectric conversion unit, photoelectric conversion side portion, and capacitance means side portion are used as a capacity for holding charges generated by the photoelectric conversion unit of the pixel to be read out. By reducing the potential of the capacitive means, the sensitivity of the pixel is lowered,
An imaging apparatus characterized by being able to suppress the occurrence of flicker with a simple configuration.
前記画素間引き読み出しモードは、被写体輝度が、前記光電変換部の電荷蓄積時間が照明装置の光源の明滅周期以下となるような、所定の閾値未満であるとき、通常の感度で前記画素回路を駆動する通常輝度モードと、被写体輝度が前記閾値以上であるとき、前記通常の感度よりも低い感度で前記画素回路を駆動する高輝度モードを含み、
前記高輝度モードのとき、
前記複数の画素のうちの読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧をハイレベルにして、前記読み出し対象となる画素の光電変換部によって生成された電荷を前記容量手段及び間引かれる画素の光電変換部に転送する際に、ポテンシャルが、前記読み出し対象となる画素の光電変換部、前記読み出し対象となる画素の光電変換側部分、前記読み出し対象となる画素の容量手段側部分、前記容量手段の順に低くなり、
前記間引かれる画素の前記ゲートの電圧をハイレベルにしたままで、前記読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧をローレベルにして、前記容量手段の電位を読み出す際に、前記読み出し対象となる画素の前記ゲートの電圧がハイレベルからローレベルに遷移する間、ポテンシャルが、常に、前記読み出し対象となる画素の光電変換側部分、前記読み出し対象となる画素の容量手段側部分、前記容量手段の順に低くなることを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。
The pixel decimation readout mode drives the pixel circuit with normal sensitivity when the subject brightness is less than a predetermined threshold such that the charge accumulation time of the photoelectric conversion unit is less than or equal to the blinking cycle of the light source of the lighting device. A normal luminance mode, and when the subject luminance is equal to or higher than the threshold, a high luminance mode for driving the pixel circuit with a sensitivity lower than the normal sensitivity,
When in the high brightness mode,
The voltage of the gate of the pixel to be read out of the plurality of pixels is set to a high level, and the electric charge generated by the photoelectric conversion unit of the pixel to be read out is photoelectrically converted by the capacitor means and the pixels to be thinned out When transferring to the unit, the potential is in the order of the photoelectric conversion unit of the pixel to be read, the photoelectric conversion side portion of the pixel to be read, the capacitance means side portion of the pixel to be read, and the capacitance means. Lower,
When the voltage of the gate of the pixel to be read is set to a low level while the gate voltage of the pixel to be thinned is kept at a high level, the potential of the capacitor means is read out While the voltage of the gate of the pixel transits from a high level to a low level, the potential is always the photoelectric conversion side portion of the pixel to be read, the capacitance means side portion of the pixel to be read, The imaging apparatus according to claim 2, which decreases in order.
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