JP5428792B2 - Solid-state imaging device, driving method thereof, camera system, and program - Google Patents

Solid-state imaging device, driving method thereof, camera system, and program Download PDF

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Description

本発明は、CCDやCMOSイメージセンサに代表される固体撮像素子およびその駆動方法、カメラシステム、プログラムに関するものである。   The present invention relates to a solid-state imaging device typified by a CCD or CMOS image sensor, a driving method thereof, a camera system, and a program.

ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどに用いられるCCDやCMOS(Complimentary Metal Oxide Semiconductor)に代表される固体撮像素子は、入射光量に応じた電荷を蓄積する光電変換素子で光電変換を行う。   A solid-state imaging device typified by a CCD or CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) used in a video camera, a digital still camera, or the like performs photoelectric conversion by a photoelectric conversion device that accumulates electric charge according to the amount of incident light.

ところで近年、CCDに代わる固体撮像素子(イメージセンサ)として、CMOSイメージセンサが注目を集めている。
これはCMOSイメージセンサが次の課題を克服しているからである。
すなわち、CCD画素の製造には専用プロセスを必要とし、また、その動作には複数の電源電圧が必要であり、さらに複数の周辺ICを組み合わせて動作させる必要がある。
このようなCCDの場合、システムが非常に複雑化するといった処々の問題を、CMOSイメージセンサが克服しているからである。
In recent years, CMOS image sensors have attracted attention as solid-state imaging devices (image sensors) that replace CCDs.
This is because the CMOS image sensor overcomes the following problems.
That is, a dedicated process is required for manufacturing a CCD pixel, a plurality of power supply voltages are required for its operation, and a plurality of peripheral ICs need to be operated in combination.
This is because, in the case of such a CCD, the CMOS image sensor overcomes various problems such as a very complicated system.

CMOSイメージセンサは、その製造には一般的なCMOS型集積回路と同様の製造プロセスを用いることが可能であり、また単一電源での駆動が可能で、さらにCMOSプロセスを用いたアナログ回路や論理回路を同一チップ内に混在させることができる。
このため、CMOSイメージセンサは、周辺ICの数を減らすことができるといった、大きなメリットを複数持ち合わせている。
The CMOS image sensor can be manufactured by using a manufacturing process similar to that of a general CMOS integrated circuit, can be driven by a single power source, and further, an analog circuit or logic using the CMOS process. Circuits can be mixed in the same chip.
For this reason, the CMOS image sensor has a plurality of great merits such that the number of peripheral ICs can be reduced.

CCDの出力回路は、浮遊拡散層(FD:Floating Diffusion)を有するFDアンプを用いた1チャネル(ch)出力が主流である。
これに対して、CMOSイメージセンサは画素毎にFDアンプを持ち合わせており、その出力は、画素アレイの中のある一行を選択し、それらを同時に列方向へと読み出すような列並列出力型が主流である。
これは、画素内に配置されたFDアンプでは十分な駆動能力を得ることは難しく、したがってデータレートを下げることが必要で、並列処理が有利とされているからである。
The output circuit of a CCD is mainly a 1-channel (ch) output using an FD amplifier having a floating diffusion layer (FD).
In contrast, a CMOS image sensor has an FD amplifier for each pixel, and the output is mainly a column parallel output type in which a row in a pixel array is selected and read out in the column direction at the same time. It is.
This is because it is difficult to obtain a sufficient driving capability with an FD amplifier arranged in a pixel, and therefore it is necessary to lower the data rate, and parallel processing is advantageous.

このような、CMOSイメージセンサは、デジタルカメラやカムコーダー、監視カメラ、車載カメラなどの撮像装置において、撮像素子として広く用いられている。   Such a CMOS image sensor is widely used as an image pickup element in an image pickup apparatus such as a digital camera, a camcorder, a surveillance camera, or an in-vehicle camera.

図1は、4つのトランジスタで構成されるCMOSイメージセンサの画素回路例を示す図である。   FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a pixel circuit of a CMOS image sensor including four transistors.

この画素回路10は、たとえばフォトダイオード(PD)からなる光電変換素子11を有する。
画素回路10は、この1個の光電変換素子11に対して、転送トランジスタ12、リセットトランジスタ13、増幅トランジスタ14、および選択トランジスタ15の4つのトランジスタを能動素子として有する。
The pixel circuit 10 includes a photoelectric conversion element 11 made of, for example, a photodiode (PD).
The pixel circuit 10 has four transistors, that is, a transfer transistor 12, a reset transistor 13, an amplification transistor 14, and a selection transistor 15, as active elements, for the one photoelectric conversion element 11.

光電変換素子11は、入射光をその光量に応じた量の電荷(ここでは電子)に光電変換する。
転送トランジスタ12は、光電変換素子11とフローティングディフュージョンFDとの間に接続され、転送制御線LTRGを通じてそのゲート(転送ゲート)に転送信号(駆動信号)TRGが与えられる。
これにより、光電変換素子11で光電変換された電子をフローティングディフュージョンFDに転送する。
The photoelectric conversion element 11 photoelectrically converts incident light into an amount of electric charges (here, electrons) corresponding to the amount of light.
The transfer transistor 12 is connected between the photoelectric conversion element 11 and the floating diffusion FD, and a transfer signal (drive signal) TRG is given to the gate (transfer gate) through the transfer control line LTRG.
Thereby, the electrons photoelectrically converted by the photoelectric conversion element 11 are transferred to the floating diffusion FD.

リセットトランジスタ13は、電源ラインLVREFとフローティングディフュージョンFDとの間に接続され、リセット制御線LRSTを通してそのゲートにリセット信号RSTが与えられる。
これにより、フローティングディフュージョンFDの電位を電源ラインLVREFの電位にリセットする。
The reset transistor 13 is connected between the power supply line LVREF and the floating diffusion FD, and a reset signal RST is given to the gate through the reset control line LRST.
As a result, the potential of the floating diffusion FD is reset to the potential of the power supply line LVREF.

フローティングディフュージョンFDには、増幅トランジスタ14のゲートが接続されている。増幅トランジスタ14は、選択トランジスタ15を介して垂直信号線16に接続され、画素部外の定電流源とソースフォロアを構成している。
そして、選択制御線LSELを通してアドレス信号(選択信号)SELが選択トランジスタ15のゲートに与えられ、選択トランジスタ15がオンする。
選択トランジスタ15がオンすると、増幅トランジスタ14はフローティングディフュージョンFDの電位を増幅してその電位に応じた電圧を垂直信号線16に出力する。垂直信号線16を通じて、各画素から出力された電圧は、読み出し回路に出力される。
The gate of the amplification transistor 14 is connected to the floating diffusion FD. The amplification transistor 14 is connected to the vertical signal line 16 via the selection transistor 15, and constitutes a constant current source and a source follower outside the pixel portion.
Then, an address signal (selection signal) SEL is given to the gate of the selection transistor 15 through the selection control line LSEL, and the selection transistor 15 is turned on.
When the selection transistor 15 is turned on, the amplification transistor 14 amplifies the potential of the floating diffusion FD and outputs a voltage corresponding to the potential to the vertical signal line 16. The voltage output from each pixel through the vertical signal line 16 is output to the readout circuit.

CMOSイメージセンサにおいては、このような構成を有する画素が2次元のアレイ状に配列される。   In a CMOS image sensor, pixels having such a configuration are arranged in a two-dimensional array.

一般に、光電変換素子は、その蓄積電荷量には上限があり、一定以上の光量を受けると蓄積電荷量が飽和レベルに達してしまい、一定以上の明るさの被写体領域は飽和した輝度レベルに設定されるいわゆる白とびが発生してしまう。   In general, the photoelectric conversion element has an upper limit on the amount of accumulated charge, and when the amount of light exceeds a certain level, the amount of accumulated charge reaches a saturation level, and subject areas with a certain level of brightness are set to a saturated luminance level. So-called overexposure occurs.

このような現象を防止するため、固体撮像素子においては、外光の変化等に応じて、光電変換素子における電荷蓄積時間を制御して露光時間を調整し、感度を最適値に制御する等の処理が行われる。
たとえば、明るい被写体に対しては、シャッタ速度を高速に切ることで露光時間を短縮し光電変換素子における電荷蓄積時間を短くして蓄積電荷量が飽和レベルに達する以前に電気信号を出力させる。
このような処理により被写体に応じた階調を正確に再現した画像の出力が可能となる。
In order to prevent such a phenomenon, in the solid-state imaging device, the exposure time is adjusted by controlling the charge accumulation time in the photoelectric conversion device according to the change in external light, etc., and the sensitivity is controlled to the optimum value, etc. Processing is performed.
For example, for a bright subject, the exposure time is shortened by cutting the shutter speed at a high speed, the charge accumulation time in the photoelectric conversion element is shortened, and an electric signal is output before the accumulated charge amount reaches the saturation level.
By such processing, it is possible to output an image in which the gradation corresponding to the subject is accurately reproduced.

しかし、明るいところと暗いところが混在するような被写体の撮影においては、シャッタを高速に切ると、暗い部分で十分な露光時間がとれないためにS/Nが劣化し画質が落ちることになる。
このように、明るいところと暗いところが混在する被写体の撮影画像において、明るい部分、暗い部分の輝度レベルを正確に再現するためには、次の処理が必要となる。
すなわち、イメージセンサ上での入射光が少ない画素では長い露光時間として高いS/Nを実現し、入射光が多い画素では飽和を回避する処理が必要となる。
However, when shooting a subject in which a bright place and a dark place are mixed, if the shutter is opened at a high speed, a sufficient exposure time cannot be taken in a dark portion, so that the S / N deteriorates and the image quality deteriorates.
As described above, in order to accurately reproduce the brightness levels of the bright and dark portions in the captured image of the subject in which the bright and dark portions are mixed, the following processing is necessary.
That is, it is necessary to realize a high S / N as a long exposure time for pixels with little incident light on the image sensor, and to avoid saturation for pixels with much incident light.

そのような状況に対応して、CMOSイメージセンサにおいて、そのダイナミックレンジを拡大する技術が特許文献1,2,3等に提案されている。   In response to such a situation, in the CMOS image sensor, techniques for expanding the dynamic range are proposed in Patent Documents 1, 2, 3, and the like.

特許文献1に開示された固体撮像素子では、転送トランジスタ12のゲート電極に複数の制御電圧を順次供給し、その際に転送トランジスタ12によって転送される信号電荷を2回以上読み出す。   In the solid-state imaging device disclosed in Patent Document 1, a plurality of control voltages are sequentially supplied to the gate electrode of the transfer transistor 12, and signal charges transferred by the transfer transistor 12 at that time are read out twice or more.

特許文献2に開示された固体撮像素子では、転送トランジスタ12のゲート電極に同じ電圧値の中間電圧を複数回供給し、その際に転送トランジスタ12によって転送される信号電荷を2回以上読み出す。
なお、ここで中間電圧(中間電位)とは、転送トランジスタ12が通常のような完全オフになるレベルではなく、あるレベル以上電子が蓄積されていたら余剰分をFD部に溢れさせることが可能なレベルである。
In the solid-state imaging device disclosed in Patent Document 2, an intermediate voltage having the same voltage value is supplied to the gate electrode of the transfer transistor 12 a plurality of times, and the signal charge transferred by the transfer transistor 12 at that time is read twice or more.
Here, the intermediate voltage (intermediate potential) is not a level at which the transfer transistor 12 is completely turned off as usual, but if electrons are accumulated more than a certain level, the surplus can overflow into the FD portion. Is a level.

特許文献1,2の固体撮像素子によれば、低照度にて通常飽和レベルを狭めることなく線形かつ高S/Nでの信号取得が可能となり、通常飽和レベル以上の入射光に対しても線形領域での良好なS/Nを実現しながらダイナミックレンジを拡大することができる。   According to the solid-state imaging devices disclosed in Patent Documents 1 and 2, it is possible to acquire a signal with a high S / N linearity without narrowing a normal saturation level at low illuminance, and linear with respect to incident light exceeding the normal saturation level The dynamic range can be expanded while realizing a good S / N in the region.

特許文献3に開示された撮像装置では、長時間露光画像および短時間露光画像を入力して、それぞれの有効な画像値を選択的に組み合わせた広ダイナミックレンジ画像を生成する処理において、輝度変化画素を検出し画素値を置き換える処理を行う。
この処理では、広ダイナミックレンジ画像に基づくぼかし画像と広ダイナミックレンジ画像における輝度変化画素の画素位置に対応する画素値を適用して出力画素値を決定する。
この撮像装置によれば、被写体の移動などによって発生する輝度変化画素の階調不良や偽色の発生が防止され、自然な見た目の高品質画像を得ることができる。
In the imaging device disclosed in Patent Document 3, in a process of inputting a long exposure image and a short exposure image and generating a wide dynamic range image in which each effective image value is selectively combined, a luminance change pixel Is detected and pixel values are replaced.
In this process, an output pixel value is determined by applying a pixel value corresponding to the pixel position of the luminance change pixel in the blurred image based on the wide dynamic range image and the wide dynamic range image.
According to this imaging apparatus, it is possible to prevent the occurrence of defective gradation and false color of luminance change pixels caused by movement of a subject, and to obtain a natural-looking high-quality image.

以下、これらの技術に基づいて、中間電位での読み出しを行う固体撮像素子の動作について説明する。
なお、以下の説明では簡略化のため、トランジスタでのばらつきを抑えるための中間電位を複数回印加する方法の説明については省略する。実際の動作では中間電位での複数回の印加が行われるが、この場合にも本発明の動作に関しては変更することなく使用することができる。
Hereinafter, based on these techniques, the operation of a solid-state imaging device that performs reading at an intermediate potential will be described.
In the following description, for the sake of simplification, description of a method of applying an intermediate potential multiple times for suppressing variations in transistors is omitted. In an actual operation, a plurality of times of application at an intermediate potential is performed. In this case as well, the operation of the present invention can be used without change.

図2は、中間電位読み出しを行う固体撮像素子での画素での電荷の時間的な変化を示す図である。
横軸S101は時間軸で、期間S102が長時間蓄積(以下、長蓄)フレームの蓄積時間となる。縦軸S103は、画素に蓄えられた電荷量を示し、S104は画素の電荷蓄積の飽和レベル、S105は読み出しのための中間電位を示す。
FIG. 2 is a diagram illustrating a temporal change in charge in a pixel in a solid-state imaging device that performs intermediate potential readout.
The horizontal axis S101 is a time axis, and the period S102 is the accumulation time of a long accumulation (hereinafter, long accumulation) frame. The vertical axis S103 represents the amount of charge stored in the pixel, S104 represents the saturation level of charge accumulation in the pixel, and S105 represents the intermediate potential for reading.

2つのフレームの合成によってより大きなダイナミックレンジを実現する方法では、長蓄フレームに加え、1枚の短時間蓄積(以下、短畜)のフレームが用いられる。
短蓄フレームの開始時刻S106から終了時刻S107までの間が短蓄フレームの蓄積時間S108となる。短蓄フレームの読み出しは、長蓄フレームの蓄積時間の中間の時間となる。
図2では、ある隣接する画素での三つの色の成分について、時間とともに増加する電荷の様子を示している。
たとえば、成分S109はグリーン(G)で、成分S110はレッド(R)、成分S111はブルー(B)などとなる。
それぞれの色の成分の電荷の増加の速度は、被写体の色の違いや、イメージセンサの色感度の違いなどにより差異がある。
図2では、被写体が暗く、すべての色での電荷量の増加の速度が遅い場合について示している。
このとき、すべての色成分において、画素で蓄積された最終的な値は、長蓄フレームの値を読み出すことにより行われ、これらの色データから画像が再構成(デモザイク)される。このとき短蓄のフレームからの出力はない。
In the method of realizing a larger dynamic range by combining two frames, one short-time accumulation (hereinafter, short-lived) frame is used in addition to the long accumulation frame.
The accumulation time S108 of the short accumulation frame is from the start time S106 to the end time S107 of the short accumulation frame. Reading of the short accumulation frame is an intermediate time of the accumulation time of the long accumulation frame.
FIG. 2 shows the state of charge increasing with time for three color components in a certain adjacent pixel.
For example, component S109 is green (G), component S110 is red (R), component S111 is blue (B), and the like.
The rate of increase in the charge of each color component varies depending on the color of the subject and the color sensitivity of the image sensor.
FIG. 2 shows a case where the subject is dark and the rate of increase in the charge amount in all colors is slow.
At this time, in all color components, the final value accumulated in the pixel is obtained by reading the value of the long accumulation frame, and the image is reconstructed (demosaiced) from these color data. At this time, there is no output from the short accumulation frame.

図3は、被写体が明るい場合おいて、中間電位読み出しを行う固体撮像素子での画素での電荷の時間的な変化を示す図である。S101〜S111は図2と同じものを示す。
この場合、各色成分S109、S110、S111の電荷量の増加は図2の場合に比べて早く、短蓄フレームの蓄積の開始時間までに中間電位MVを超えたり、あるいは飽和したりする。
このとき、中間電位S105でのリセットS201後の短蓄フレームの蓄積時間後の読み出しにより、各色成分として値S202、S203、S204が各色の短蓄フレームの値として読み出される。これらの3つの短蓄フレームの色データから画像が再構成(デモザイク)される。
FIG. 3 is a diagram illustrating a temporal change in charge in a pixel in a solid-state imaging device that reads out an intermediate potential when the subject is bright. S101 to S111 are the same as those in FIG.
In this case, the increase in the charge amount of each of the color components S109, S110, and S111 is faster than in the case of FIG. 2, and the intermediate potential MV is exceeded or saturated by the start time of accumulation of the short accumulation frame.
At this time, the values S202, S203, and S204 are read as the values of the short accumulation frame of each color as the respective color components by the readout after the accumulation time of the short accumulation frame after the reset S201 at the intermediate potential S105. An image is reconstructed (demosaiced) from the color data of these three short accumulation frames.

図2や図3の例では、隣接する色成分が同じ短蓄のフレームか、あるいは同じ長蓄のフレームから読み出され、正しい色の復元がこれらの値の組から行われる。   In the example of FIGS. 2 and 3, adjacent color components are read out from the same short accumulation frame or the same long accumulation frame, and correct color restoration is performed from the set of these values.

図4は、色ごとに電荷の増加速度に大きな差がある場合において、中間電位読み出しを行う固体撮像素子での画素での電荷の時間的な変化を示す図である。
成分S109は短蓄フレームの蓄積開始時刻までに中間電位S105を超え、短蓄フレームでの蓄積が行われる場合を示している。
成分S109は短蓄フレームの開始時刻S301でリセットされ、その後短蓄フレームの蓄積期間で蓄えられた電荷S302が読み出される。
一方、他の色成分S110、S111では短蓄フレームでの蓄積は行われず、長蓄フレームの出力として、電荷S303、S304が読み出される。
隣接画素において、短蓄の値と長蓄の値が混在するが、この場合にも正しい色を復元(デモザイク)することが可能となる。
FIG. 4 is a diagram illustrating temporal changes in charge in pixels in a solid-state imaging device that performs intermediate potential reading when there is a large difference in charge increase speed for each color.
The component S109 indicates a case where the intermediate potential S105 is exceeded by the accumulation start time of the short accumulation frame and accumulation in the short accumulation frame is performed.
The component S109 is reset at the start time S301 of the short accumulation frame, and then the charge S302 stored in the accumulation period of the short accumulation frame is read out.
On the other hand, in the other color components S110 and S111, accumulation in the short accumulation frame is not performed, and the charges S303 and S304 are read out as the output of the long accumulation frame.
In the adjacent pixels, the short accumulation value and the long accumulation value coexist. In this case, it is possible to restore (demosaic) the correct color.

これら3つのケース(図2〜図4)では、長蓄フレームの蓄積時間内での被写体の明暗の変化、色の変化はないものと仮定している。
そのため、短蓄フレームと長蓄フレームの値から、各色それぞれ正しい値を求めることができ、これらの色成分からデモザイクされ、復元された色も正しい色となり、偽色の発生などの現象は起こらない。
In these three cases (FIGS. 2 to 4), it is assumed that there is no change in the brightness or color of the subject within the accumulation time of the long accumulation frame.
Therefore, the correct value can be obtained for each color from the value of the short accumulation frame and the long accumulation frame, the demosaiced from these color components, the restored color becomes the correct color, and the phenomenon such as generation of false color does not occur .

特開2007‐151069号公報JP 2007-151069 A 特開平2008‐99158号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2008-99158 特開平2008‐227697号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2008-227697

しかしながら、このような中間電位を用いて読み出しを行う固体撮像素子では、被写体が動くなど、長畜フレームの蓄積時間の間に被写体の明暗や色が変化する場合には、短蓄フレーム側の正しい値が読み出せないという不利益がある。
このため、この色成分を用いてデモザイクすると偽色の発生などが起こる場合がある。
However, in a solid-state imaging device that performs reading using such an intermediate potential, if the subject changes in brightness or color during the accumulation time of the long-lived frame, such as when the subject moves, the right side of the short accumulation frame side is correct. There is a disadvantage that the value cannot be read.
For this reason, generation of a false color may occur when demosaicing using this color component.

図5は、問題となる第1の例を示す図である。
図5では、短蓄フレームの開始前までは暗く(S401)、その後明るくなる(S402)場合について示している。
FIG. 5 is a diagram illustrating a first example of a problem.
FIG. 5 shows a case where the image is dark before the start of the short accumulation frame (S401) and then becomes brighter (S402).

短蓄フレームの蓄積時間ではすでに明るい状況となっており、図5に示すようにその前の暗い状況での蓄積(S109)より早い速度で電荷が蓄積されて行く(S403)。
この短畜フレームでの値S403を読み出し、短蓄フレームと長蓄フレームの蓄積時間の比のゲインを掛けると、図5の成分値S406、S407、S408から予想値S409が求まる。
しかしながら、実際の値は、図5に示す値S109、S410、S411、S412から、値S413が正しい値となる。
そのため、単純な短蓄フレームからの読み出し値にゲインを掛けて求めたものからの予想値S409は、実際の値S413に比べ、成分値S414分だけ大きな値となってしまう。
この値を用いた場合、長蓄フレームで読みだされる他の色、S404とS405は正しい値であり、これらの値とともにこの部分でデモザイクを行い、色を求めると、実際の色とは異なるものとなってしまい、動被写体部分の画質が低下する場合もある。
The accumulation time of the short accumulation frame is already bright, and as shown in FIG. 5, charges are accumulated at a faster rate than the accumulation in the previous dark condition (S109) (S403).
When the value S403 in the short frame is read and multiplied by the gain of the ratio of the accumulation time of the short accumulation frame and the long accumulation frame, the expected value S409 is obtained from the component values S406, S407, and S408 in FIG.
However, the actual value is the correct value S413 from the values S109, S410, S411, and S412 shown in FIG.
Therefore, the expected value S409 obtained by multiplying the read value from the simple short accumulation frame by the gain is larger than the actual value S413 by the component value S414.
When this value is used, the other colors read in the long accumulation frame, S404 and S405 are correct values. When these values are demosaiced in this part and the color is obtained, it is different from the actual color. In some cases, the image quality of the moving subject portion is degraded.

図6は、問題となる第2の例を示す図である。
図6では、短蓄フレームの開始までは明るく(S501)、その後、暗くなる(S502)場合について示している。
FIG. 6 is a diagram illustrating a second example of a problem.
FIG. 6 shows a case where the image is bright until the start of the short accumulation frame (S501) and then becomes dark (S502).

短蓄フレームの蓄積開始時間ではすでに暗い状況となっており、図6に示すように、その前の明るい状況での蓄積(S109)より遅い速度で電荷が蓄積されて行く(S503)。
この短蓄フレームでの値S503を読みだし、短蓄フレームと長蓄フレームの蓄積時間の比のゲインを掛けると、図6のS506から予想値S507が求まる。
しかしながら、実際の値は、図6に示す値S109、S508、S509から、S510が正しい値となる。
そのため、単純な短蓄フレームからの読み出された値からの予想値S507は、実際の値S510に比べ、S511分だけ小さな値となってしまう。
この値を用いた場合、長蓄フレームで読みだされる他の色成分S504とS505は正しい値であり、これらの値とともにデモザイクを行い、この部分の色を求めると、実際の色とは異なるものとなってしまい、動被写体部分の画質が低下する場合もある。
The accumulation start time of the short accumulation frame is already dark, and as shown in FIG. 6, charges are accumulated at a slower rate than the accumulation in the previous bright situation (S109) (S503).
When the value S503 in the short accumulation frame is read and multiplied by the gain of the ratio of the accumulation times of the short accumulation frame and the long accumulation frame, an expected value S507 is obtained from S506 in FIG.
However, the actual value is the correct value in S510 from the values S109, S508, and S509 shown in FIG.
For this reason, the predicted value S507 from the value read from the simple short accumulation frame is smaller by S511 than the actual value S510.
When this value is used, the other color components S504 and S505 read out in the long accumulation frame are correct values, and when demosaicing is performed together with these values and the color of this portion is obtained, it is different from the actual color. In some cases, the image quality of the moving subject portion is degraded.

このような問題を解決するため、特許文献3では偽色の発生部分において、広ダイナミックレンジ画像と、これから生成されたぼかし画像の線形結合として新たな画像を作って置き換え、偽色を目立たなくするなどの方法が使用される。
しかしながら、この技術によっても偽色の発生を抑えることはできない。また、ぼかした画像を使うことで、ぼけが増えるという問題も残る。
In order to solve such a problem, in Patent Document 3, a new image is created and replaced as a linear combination of a wide dynamic range image and a blurred image generated from the generated false color in the false color occurrence portion, thereby making the false color inconspicuous. Such a method is used.
However, this technique cannot suppress the occurrence of false colors. In addition, there is a problem that blur is increased by using a blurred image.

本発明は、被写体が動いて明暗の変化や色の変化がある場合でも、複数の短時間蓄積の値から推定値の精度の向上が期待でき、偽色の発生などを抑えることが可能で、より自然な画像を得ることが可能な固体撮像素子およびその駆動方法、カメラシステム、プログラムを提供することにある。   The present invention can be expected to improve the accuracy of the estimated value from a plurality of short-time accumulation values even when the subject moves and changes in brightness or color, and can suppress the occurrence of false colors, etc. The object is to provide a solid-state imaging device capable of obtaining a more natural image, a driving method thereof, a camera system, and a program.

本発明の第1の観点の固体撮像素子は、光信号を信号電荷に変換する光電変換素子と、当該光電変換素子で光電変換された信号電荷を出力ノードに転送する転送ゲートとを含む画素が行列状に配列された画素アレイ部と、上記画素アレイ部のシャッタ動作、および上記画素アレイ部の画素から読み出しを行うように上記画素の動作を制御する画素駆動部と、上記画素駆動部により読み出された信号を処理する信号処理系と、を有し、上記画素駆動部は、電子シャッタ動作から通常の読み出し動作間での画像を取得する第1露光時間の第1蓄積期間中に、中間電圧転送により読み出し走査を実行し、その中間電圧転送による読み出し動作に応じた画像取得のための第2露光時間を含み、同じあるいは異なる電圧値の中間電圧による転送のための選択走査を、1回または複数回実行する機能を有し、上記第1露光時間より短い第2露光時間の第2蓄積期間が、第1露光時間の第1蓄積期間中に複数設定され、上記信号処理系は、複数の第2蓄積期間で読み出された値を用いて、当該第2蓄積期間の出力値を推定する処理を行い、被写体が暗から明に変化した場合、上記出力値を推定する処理において、実際の値としての可能な最大値を、暗期間において設定される上記第2蓄積期間の終了時点から増加し、その後、明期間において設定されている上記第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、実際の値として可能な最小値を、上記明期間において設定されている上記第2蓄積期間の開始時点から増加し、その後、当該第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、被写体が明から暗に変化した場合、上記出力値を推定する処理において、実際の値としての可能な最大値を、明期間において中間電位を超える成分の速度で、暗期間において設定されている上記第2蓄積期間の開始時点まで当該成分の速度で増加し、その後、上記暗期間において設定されている上記第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、実際の値として可能な最小値を、上記明期間において設定されている上記第2蓄積期間の終了時点まで上記成分の速度で増加し、その後、上記暗期間において設定されている上記第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、最大値としての出力値と最小値としての出力値から上記第2蓄積期間の出力値を推定する
A solid-state imaging device according to a first aspect of the present invention includes a pixel including a photoelectric conversion element that converts an optical signal into a signal charge, and a transfer gate that transfers the signal charge photoelectrically converted by the photoelectric conversion element to an output node. A pixel array unit arranged in a matrix, a shutter operation of the pixel array unit, a pixel driving unit that controls the operation of the pixel so as to perform reading from the pixel of the pixel array unit, and a reading by the pixel driving unit A signal processing system for processing the output signal, wherein the pixel driving unit is intermediate during a first accumulation period of a first exposure time for acquiring an image between an electronic shutter operation and a normal readout operation. A read scan is performed by voltage transfer, and includes a second exposure time for image acquisition according to a read operation by the intermediate voltage transfer, for transfer by an intermediate voltage of the same or different voltage value. A plurality of second accumulation periods of a second exposure time shorter than the first exposure time are set during the first accumulation period of the first exposure time, signal processing system uses the value read by the plurality of second accumulation period, have rows process of estimating the output value of the second accumulation period, when the subject has changed from dark to bright, the output value In the process of estimating the maximum possible value as an actual value is increased from the end of the second accumulation period set in the dark period, and then the second accumulation period set in the bright period is increased. As the output value when increasing at the accumulation speed, the minimum possible value as the actual value is increased from the start time of the second accumulation period set in the bright period, and then the second accumulation When it increases at the accumulation rate of the period When the subject changes from light to dark in the process of estimating the output value, the maximum possible value as the actual value is set in the dark period at the speed of the component that exceeds the intermediate potential in the light period. The output value is increased at the speed of the component until the start of the second accumulation period, and then increased at the accumulation speed of the second accumulation period set in the dark period, The minimum possible value as an actual value increases at the speed of the component until the end of the second accumulation period set in the bright period, and then the second accumulation period set in the dark period The output value in the second accumulation period is estimated from the output value as the maximum value and the output value as the minimum value .

本発明の第2の観点のカメラシステムは、固体撮像素子と、上記固体撮像素子に被写体像を結像する光学系と、を有し、上記固体撮像素子は、光信号を信号電荷に変換する光電変換素子と、当該光電変換素子で光電変換された信号電荷を出力ノードに転送する転送ゲートとを含む画素が行列状に配列された画素アレイ部と、上記画素アレイ部のシャッタ動作、および上記画素アレイ部の画素から読み出しを行うように上記画素の動作を制御する画素駆動部と、上記画素駆動部により読み出された信号を処理する信号処理系と、を有し、上記画素駆動部は、電子シャッタ動作から通常の読み出し動作間での画像を取得する第1露光時間の第1蓄積期間中に、中間電圧転送により読み出し走査を実行し、その中間電圧転送による読み出し動作に応じた画像取得のための第2露光時間を含み、同じあるいは異なる電圧値の中間電圧による転送のための選択走査を、1回または複数回実行する機能を有し、上記第1露光時間より短い第2露光時間の第2蓄積期間が、第1露光時間の第1蓄積期間中に複数設定され、上記信号処理系は、複数の第2蓄積期間で読み出された値を用いて、当該第2蓄積期間の出力値を推定する処理を行い、被写体が暗から明に変化した場合、上記出力値を推定する処理において、実際の値としての可能な最大値を、暗期間において設定される上記第2蓄積期間の終了時点から増加し、その後、明期間において設定されている上記第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、実際の値として可能な最小値を、上記明期間において設定されている上記第2蓄積期間の開始時点から増加し、その後、当該第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、被写体が明から暗に変化した場合、上記出力値を推定する処理において、実際の値としての可能な最大値を、明期間において中間電位を超える成分の速度で、暗期間において設定されている上記第2蓄積期間の開始時点まで当該成分の速度で増加し、その後、上記暗期間において設定されている上記第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、実際の値として可能な最小値を、上記明期間において設定されている上記第2蓄積期間の終了時点まで上記成分の速度で増加し、その後、上記暗期間において設定されている上記第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、最大値としての出力値と最小値としての出力値から上記第2蓄積期間の出力値を推定する
A camera system according to a second aspect of the present invention includes a solid-state imaging device and an optical system that forms a subject image on the solid-state imaging device, and the solid-state imaging device converts an optical signal into a signal charge. A pixel array unit in which pixels including a photoelectric conversion element and a transfer gate that transfers a signal charge photoelectrically converted by the photoelectric conversion element to an output node are arranged in a matrix; a shutter operation of the pixel array unit; and A pixel driving unit that controls the operation of the pixel so as to perform reading from the pixels of the pixel array unit, and a signal processing system that processes a signal read by the pixel driving unit, and the pixel driving unit includes: During the first accumulation period of the first exposure time for acquiring an image between the electronic shutter operation and the normal readout operation, readout scanning is executed by intermediate voltage transfer, and the readout operation by the intermediate voltage transfer is performed. Including a second exposure time for image acquisition, a function of executing one or more selected scans for transfer using an intermediate voltage of the same or different voltage value, and a first scan time shorter than the first exposure time. A plurality of second accumulation periods of two exposure times are set during the first accumulation period of the first exposure time, and the signal processing system uses the values read in the plurality of second accumulation periods to There line processing for estimating the output value of the accumulation period, when the subject has changed from dark to bright, the process of estimating the output value, a maximum possible value as the actual value, the set in the dark period As the output value when increasing from the end of the second accumulation period and then increasing at the accumulation speed of the second accumulation period set in the light period, the minimum possible value as the actual value is Set in the above light period A process for estimating the output value when the subject changes from light to dark when it is increased from the start of the second accumulation period and then increased at the accumulation speed of the second accumulation period. The maximum possible value as an actual value is increased at the speed of the component at the speed of the component exceeding the intermediate potential in the light period until the start of the second accumulation period set in the dark period, and thereafter The output value when increasing at the accumulation speed of the second accumulation period set in the dark period, and the minimum value possible as the actual value is the second value set in the bright period. The output value increases when the accumulation period ends until the end of the accumulation period, and then increases at the accumulation speed of the second accumulation period set in the dark period, and the output value as the maximum value And most The output value of the second accumulation period is estimated from the output value as a small value .

本発明の第3の観点の固体撮像素子の駆動方法は、光信号を信号電荷に変換する光電変換素子と、当該光電変換素子で光電変換された信号電荷を出力ノードに転送する転送ゲートとを含む画素が行列状に配列された画素アレイ部を駆動するに際し、第1露光時間と、当該第1露光時間より短い第2露光時間の第2蓄積期間を、第1露光時間の第1蓄積期間中に複数設定し、電子シャッタ動作から通常の読み出し動作間での画像を取得する第1露光時間の第1蓄積期間中に、中間電圧転送により読み出し走査を実行し、その中間電圧転送による読み出し動作に応じた画像取得のための第2露光時間を含み、同じあるいは異なる電圧値の中間電圧による転送のための選択走査を、1回または複数回実行し、複数の第2蓄積期間で読み出された値を用いて、当該第2蓄積期間の出力値を推定する処理を行い、被写体が暗から明に変化した場合、上記出力値を推定する処理において、実際の値としての可能な最大値を、暗期間において設定される上記第2蓄積期間の終了時点から増加し、その後、明期間において設定されている上記第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、実際の値として可能な最小値を、上記明期間において設定されている上記第2蓄積期間の開始時点から増加し、その後、当該第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、被写体が明から暗に変化した場合、上記出力値を推定する処理において、実際の値としての可能な最大値を、明期間において中間電位を超える成分の速度で、暗期間において設定されている上記第2蓄積期間の開始時点まで当該成分の速度で増加し、その後、上記暗期間において設定されている上記第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、実際の値として可能な最小値を、上記明期間において設定されている上記第2蓄積期間の終了時点まで上記成分の速度で増加し、その後、上記暗期間において設定されている上記第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、最大値としての出力値と最小値としての出力値から上記第2蓄積期間の出力値を推定する
A solid-state imaging device driving method according to a third aspect of the present invention includes a photoelectric conversion element that converts an optical signal into a signal charge, and a transfer gate that transfers the signal charge photoelectrically converted by the photoelectric conversion element to an output node. When driving the pixel array unit in which the pixels including the pixel array are arranged, the first exposure time and the second accumulation period of the second exposure time shorter than the first exposure time are defined as the first accumulation period of the first exposure time. During the first accumulation period of the first exposure time in which multiple images are set and an image is acquired between the electronic shutter operation and the normal readout operation, readout scanning is executed by intermediate voltage transfer, and readout operation by the intermediate voltage transfer And a second scanning time for image acquisition according to the above, and a selective scan for transfer with an intermediate voltage of the same or different voltage value is executed once or a plurality of times and read out in a plurality of second accumulation periods. Value There are, have rows process of estimating the output value of the second accumulation period, when the subject has changed from dark to bright, the process of estimating the output value, a maximum possible value as the actual value, the dark period The output value is increased when the second accumulation period set at the end of the second accumulation period is reached and then increased at the accumulation speed of the second accumulation period set during the light period, and can be an actual value. The minimum value is set as an output value when increasing from the start time of the second accumulation period set in the bright period and then increasing at the accumulation speed of the second accumulation period. When the output value is changed from dark to dark, in the process of estimating the output value, the maximum possible value as an actual value is set to the second accumulation set in the dark period at the speed of the component exceeding the intermediate potential in the bright period. Period The output value when increasing at the speed of the component up to the start time and then increasing at the accumulation speed of the second accumulation period set in the dark period, and the minimum possible value as the actual value , Increased at the rate of the component until the end of the second accumulation period set in the light period, and then increased at the accumulation rate of the second accumulation period set in the dark period The output value of the second accumulation period is estimated from the output value as the maximum value and the output value as the minimum value .

本発明の第4の観点は、光信号を信号電荷に変換する光電変換素子と、当該光電変換素子で光電変換された信号電荷を出力ノードに転送する転送ゲートとを含む画素が行列状に配列された画素アレイ部を駆動するに際し、第1露光時間と、当該第1露光時間より短い第2露光時間の第2蓄積期間を、第1露光時間の第1蓄積期間中に複数設定する処理と、電子シャッタ動作から通常の読み出し動作間での画像を取得する第1露光時間の第1蓄積期間中に、中間電圧転送により読み出し走査を実行し、その中間電圧転送による読み出し動作に応じた画像取得のための第2露光時間を含み、同じあるいは異なる電圧値の中間電圧による転送のための選択走査を、1回または複数回実行する処理と、複数の第2蓄積期間で読み出された値を用いて、当該第2蓄積期間の出力値を推定する処理を行う処理と、を含み、被写体が暗から明に変化した場合、上記出力値を推定する処理において、実際の値としての可能な最大値を、暗期間において設定される上記第2蓄積期間の終了時点から増加し、その後、明期間において設定されている上記第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、実際の値として可能な最小値を、上記明期間において設定されている上記第2蓄積期間の開始時点から増加し、その後、当該第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、被写体が明から暗に変化した場合、上記出力値を推定する処理において、実際の値としての可能な最大値を、明期間において中間電位を超える成分の速度で、暗期間において設定されている上記第2蓄積期間の開始時点まで当該成分の速度で増加し、その後、上記暗期間において設定されている上記第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、実際の値として可能な最小値を、上記明期間において設定されている上記第2蓄積期間の終了時点まで上記成分の速度で増加し、その後、上記暗期間において設定されている上記第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、最大値としての出力値と最小値としての出力値から上記第2蓄積期間の出力値を推定する固体撮像素子の駆動処理をコンピュータに実行させるプログラムである。
According to a fourth aspect of the present invention, pixels including a photoelectric conversion element that converts an optical signal into a signal charge and a transfer gate that transfers the signal charge photoelectrically converted by the photoelectric conversion element to an output node are arranged in a matrix. A process of setting a plurality of first exposure times and a second accumulation period of a second exposure time shorter than the first exposure time during the first accumulation period of the first exposure time when driving the pixel array unit In the first accumulation period of the first exposure time for acquiring an image between the electronic shutter operation and the normal reading operation, the reading scan is executed by the intermediate voltage transfer, and the image acquisition corresponding to the reading operation by the intermediate voltage transfer is performed. A process of executing a selective scan for transfer with an intermediate voltage of the same or different voltage value, including a second exposure time for the first and second values, and a value read in a plurality of second accumulation periods make use of, A process of performing processing for estimating an output value of the second accumulation period, wherein the case where the subject is changed from dark to bright, the process of estimating the output value, a maximum possible value as the actual value, The output value is an actual value that increases from the end of the second accumulation period set in the dark period and then increases at the accumulation speed of the second accumulation period set in the light period. As the output value when increasing from the start of the second accumulation period set in the light period and then increasing at the accumulation speed of the second accumulation period, Is changed from light to dark, in the process of estimating the output value, the maximum possible value as the actual value is set in the dark period at the speed of the component exceeding the intermediate potential in the light period. 2 accumulation It increases at the speed of the component until the start point in between, and then the output value when increasing at the accumulation speed of the second accumulation period set in the dark period, the minimum possible value as the actual value The value increases at the speed of the component until the end of the second accumulation period set in the light period, and then increases at the accumulation speed of the second accumulation period set in the dark period. This is a program for causing a computer to execute the driving process of the solid-state imaging device that estimates the output value of the second accumulation period from the output value as the maximum value and the output value as the minimum value .

本発明によれば、被写体が動いて明暗の変化や色の変化がある場合でも、複数の短時間蓄積の値から推定値の精度の向上が期待でき、偽色の発生などを抑えることができる。
これにより、より自然な画像を得ることができる。
According to the present invention, even when there is a change in brightness or color due to movement of a subject, an improvement in the accuracy of an estimated value can be expected from a plurality of short-time accumulation values, and generation of false colors can be suppressed. .
Thereby, a more natural image can be obtained.

4つのトランジスタで構成されるCMOSイメージセンサの画素例を示す図である。It is a figure which shows the pixel example of the CMOS image sensor comprised by four transistors. 中間電位読み出しを行う固体撮像素子での画素での電荷の時間的な変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the electric charge in the pixel in the solid-state image sensor which reads intermediate potential. 被写体が明るい場合において、中間電位読み出しを行う固体撮像素子での画素での電荷の時間的な変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the electric charge in the pixel in the solid-state image sensor which reads intermediate potential when a to-be-photographed object is bright. 色ごとに電荷の増加速度に大きな差がある場合において、中間電位読み出しを行う固体撮像素子での画素での電荷の時間的な変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the electric charge in the pixel in the solid-state image sensor which performs intermediate potential read when there exists a big difference in the increase rate of an electric charge for every color. 問題となる第1の例を示す図である。It is a figure which shows the 1st example used as a problem. 問題となる第2の例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd example used as a problem. 本発明の実施形態に係るCMOSイメージセンサ(固体撮像素子)の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the CMOS image sensor (solid-state image sensor) which concerns on embodiment of this invention. 本実施形態に係る4つのトランジスタで構成されるCMOSイメージセンサの画素の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the pixel of the CMOS image sensor comprised by four transistors which concern on this embodiment. 被写体が暗から明へ変化した場合での本第1の実施形態に係る駆動方法について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the drive method which concerns on this 1st Embodiment when a to-be-photographed object changes from dark to bright. 図9の状況での短蓄の値から、正しい値の推定方法について示す図である。It is a figure shown about the estimation method of a correct value from the value of the short accumulation in the condition of FIG. 明から暗へ変化した場合での本第1の実施形態に係る駆動方法について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the drive method which concerns on this 1st Embodiment in the case of changing from light to dark. 図11の状況での短蓄の値から、正しい値の推定方法について示す図である。It is a figure shown about the estimation method of a correct value from the value of the short accumulation in the condition of FIG. 図11とは異なる明暗の変化をした例を示す図である。It is a figure which shows the example which changed the brightness different from FIG. 図13での駆動方法での推定の方法を示す図である。It is a figure which shows the method of estimation with the drive method in FIG. 本第2の実施形態に係る駆動方法について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the drive method which concerns on the 2nd embodiment. 本実施形態に係る短蓄フレームの正しい値を推定する推定回路を含む固体撮像素子の構成例を含むブロック図である。It is a block diagram including the structural example of the solid-state image sensor containing the estimation circuit which estimates the correct value of the short accumulation frame which concerns on this embodiment. 本発明の実施形態に係る固体撮像素子が適用されるカメラシステムの構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the camera system with which the solid-state image sensor which concerns on embodiment of this invention is applied.

以下、本発明の実施の形態を図面に関連付けて説明する。
なお、説明は次の順序で行う。
1.固体撮像素子の全体構成例
2.第1の実施形態
3.第2の実施形態
4.第3の実施形態
5.第4の実施形態
6・その他の補足説明
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
The description will be given in the following order.
1. 1. Overall configuration example of solid-state imaging device First Embodiment 3 Second Embodiment 4. Third Embodiment 5 Fourth embodiment 6 and other supplementary explanations

<1.固体撮像素子の全体構成例>
図7は、本発明の実施形態に係るCMOSイメージセンサ(固体撮像素子)の構成例を示す図である。
<1. Example of overall configuration of solid-state image sensor>
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration example of a CMOS image sensor (solid-state imaging device) according to the embodiment of the present invention.

本CMOSイメージセンサ100は、画素アレイ部110、画素駆動部としての行選択回路(Vdec)120、および読み出し回路(AFE)130を有する。   The CMOS image sensor 100 includes a pixel array unit 110, a row selection circuit (Vdec) 120 as a pixel driving unit, and a readout circuit (AFE) 130.

画素アレイ部110は、複数の画素回路110AがM行×N列の2次元状(マトリクス状)に配列されている。   In the pixel array section 110, a plurality of pixel circuits 110A are arranged in a two-dimensional shape (matrix shape) of M rows × N columns.

図8は、本実施形態に係る4つのトランジスタで構成されるCMOSイメージセンサの画素の一例を示す図である。   FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a pixel of a CMOS image sensor including four transistors according to the present embodiment.

この画素回路110Aは、たとえばフォトダイオード(PD)からなる光電変換素子111を有する。
そして、画素回路110Aは、この1個の光電変換素子111に対して、転送トランジスタ112、リセットトランジスタ113、増幅トランジスタ114、および選択トランジスタ115の4つのトランジスタを能動素子として有する。
The pixel circuit 110A includes a photoelectric conversion element 111 made of, for example, a photodiode (PD).
The pixel circuit 110 </ b> A has four transistors, which are a transfer transistor 112, a reset transistor 113, an amplification transistor 114, and a selection transistor 115, as active elements for the one photoelectric conversion element 111.

光電変換素子111は、入射光をその光量に応じた量の電荷(ここでは電子)に光電変換する。
転送トランジスタ112は、光電変換素子111と出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFDとの間に接続され、転送制御線LTRGを通じてそのゲート(転送ゲート)に制御信号である転送信号TRGが与えられる。
これにより、転送トランジスタ112は、光電変換素子111で光電変換された電子をフローティングディフュージョンFDに転送する。
The photoelectric conversion element 111 photoelectrically converts incident light into an amount of electric charges (here, electrons) corresponding to the amount of light.
The transfer transistor 112 is connected between the photoelectric conversion element 111 and the floating diffusion FD as an output node, and a transfer signal TRG as a control signal is given to a gate (transfer gate) through the transfer control line LTRG.
Thereby, the transfer transistor 112 transfers the electrons photoelectrically converted by the photoelectric conversion element 111 to the floating diffusion FD.

リセットトランジスタ113は、電源ラインLVREFとフローティングディフュージョンFDとの間に接続され、リセット制御線LRSTを通してそのゲートに制御信号であるリセット信号RSTが与えられる。
これにより、リセットトランジスタ113は、フローティングディフュージョンFDの電位を電源ラインLVREFの電位にリセットする。
The reset transistor 113 is connected between the power supply line LVREF and the floating diffusion FD, and a reset signal RST, which is a control signal, is given to the gate of the reset transistor 113 through the reset control line LRST.
As a result, the reset transistor 113 resets the potential of the floating diffusion FD to the potential of the power supply line LVREF.

フローティングディフュージョンFDには、増幅トランジスタ114のゲートが接続されている。増幅トランジスタ114は、選択トランジスタ115を介して垂直信号線LSGNに接続され、画素部外の定電流源とソースフォロアを構成している。
そして、選択制御線LSELを通してアドレス信号に応じた制御信号である選択信号SELが選択トランジスタ115のゲートに与えられ、選択トランジスタ115がオンする。
選択トランジスタ115がオンすると、増幅トランジスタ114はフローティングディフュージョンFDの電位を増幅してその電位に応じた電圧を垂直信号線LSGNに出力する。
信号線LSGNを通じて、各画素から出力された電圧は、読み出し回路130に出力される。
これらの動作は、たとえば転送トランジスタ112、リセットトランジスタ113、および選択トランジスタ115の各ゲートが行単位で接続されていることから、1行分の各画素について同時に行われる。
そして、たとえば転送トランジスタ112をオン、オフする転送信号TRGは、後述するように、行選択回路120の駆動処理による中間的な電圧(中間電圧または中間電位という)値に設定されて供給される。
The gate of the amplification transistor 114 is connected to the floating diffusion FD. The amplification transistor 114 is connected to the vertical signal line LSGN via the selection transistor 115, and constitutes a constant current source and a source follower outside the pixel portion.
A selection signal SEL, which is a control signal corresponding to the address signal, is supplied to the gate of the selection transistor 115 through the selection control line LSEL, and the selection transistor 115 is turned on.
When the selection transistor 115 is turned on, the amplification transistor 114 amplifies the potential of the floating diffusion FD and outputs a voltage corresponding to the potential to the vertical signal line LSGN.
The voltage output from each pixel through the signal line LSGN is output to the readout circuit 130.
These operations are performed simultaneously for each pixel for one row because, for example, the gates of the transfer transistor 112, the reset transistor 113, and the selection transistor 115 are connected in units of rows.
For example, the transfer signal TRG for turning on and off the transfer transistor 112 is set and supplied to an intermediate voltage value (referred to as an intermediate voltage or an intermediate potential) by a driving process of the row selection circuit 120, as will be described later.

画素アレイ部110に配線されているリセット制御線LRST、転送制御線LTRG、および選択制御線LSELが一組として画素配列の各行単位で配線されている。
これらのリセット制御線LRST、転送制御線LTRG、および選択制御線LSELは、行選択回路120により駆動される。
A reset control line LRST, a transfer control line LTRG, and a selection control line LSEL wired to the pixel array unit 110 are wired as a set for each row of the pixel array.
These reset control line LRST, transfer control line LTRG, and selection control line LSEL are driven by the row selection circuit 120.

行選択回路120は、画素アレイ部110の中の任意の行に配置された画素の動作を制御する。行選択回路120は、制御線LSEL、LRST、LTRGを通して画素を制御する。
行選択回路120は、図示しない制御系によるシャッタモード切替信号に応じて露光方式を行毎に露光を行うローリングシャッタ方式または画素同時に露光を行うグローバルシャッタ方式に切り替えて、画像駆動制御を行う。
The row selection circuit 120 controls the operation of pixels arranged in an arbitrary row in the pixel array unit 110. The row selection circuit 120 controls pixels through the control lines LSEL, LRST, and LTRG.
The row selection circuit 120, switch to a global shutter system that performs exposure in a rolling shutter mode or all pixels simultaneously perform exposure the exposure system for every row in response to a shutter mode switching signals generated by the control system (not shown), performs image drive control .

行選択回路120は、たとえばシフトレジスタあるいはアドレスデコーダ等を含んで構成される。
行選択回路120は、図示しない制御系の制御の下、転送信号TRG、リセット信号RST、および選択信号SEL等の画素駆動信号を適宜発生する。
これにより、行選択回路120は、画素アレイ部110の各画素回路100Aを電子シャッタ行と読み出し行それぞれについて行単位で垂直方向に走査しつつ選択する。
そして、行選択回路120は、電子シャッタ行に対してはその行の画素回路110Aの信号はき捨て(リセット)を行い、読み出しに対してその行の画素回路110Aの信号読み出しを行うための読み出し駆動を行う。
Row selection circuit 120 includes, for example, a shift register or an address decoder.
The row selection circuit 120 appropriately generates pixel drive signals such as a transfer signal TRG, a reset signal RST, and a selection signal SEL under the control of a control system (not shown).
Thereby, the row selection circuit 120 selects each pixel circuit 100A of the pixel array unit 110 while scanning the electronic shutter row and the readout row in the vertical direction in units of rows.
Then, the row selection circuit 120 discards (resets) the signal of the pixel circuit 110A in the row for the electronic shutter row, and performs readout for reading out the signal of the pixel circuit 110A in the row for readout. Drive.

行選択回路120は、図示しないが、画素回路110Aの行単位で順に選択走査しつつ、読み出し行の各画素回路110Aの信号VSLを読み出す動作を行うための読み出し走査系を有する。
行選択回路120は、図示しないが、読み出し走査系による読み出し走査よりもシャッタ速度に対応した時間分だけ先行して同じ行(電子シャッタ行)に対して電子シャッタ動作を行う電子シャッタ走査系を有する。
Although not shown, the row selection circuit 120 has a readout scanning system for performing an operation of reading out the signal VSL of each pixel circuit 110A in the readout row while performing selective scanning sequentially in units of rows of the pixel circuit 110A.
Although not shown, the row selection circuit 120 has an electronic shutter scanning system that performs an electronic shutter operation on the same row (electronic shutter row) ahead of the readout scanning by the readout scanning system by a time corresponding to the shutter speed. .

そして、電子シャッタ走査系による電子シャッタ動作によって光電変換素子111の不要な電荷がリセットされたタイミングから、読み出し走査系による読み出し動作によって画素回路110Aの信号が読み出されるタイミングまでの期間が第1露光時間となる。
この第1露光時間は、画素回路110Aにおける信号電荷の第1蓄積期間に相当する。
すなわち、電子シャッタ動作とは、光電変換素子111に蓄積された信号電荷リセットを行い、そのリセット後から新たな信号電荷の蓄積を開始する動作である。
なお、本実施形態において、第1露光時間の期間中に、第1露光時間に読み出される映像信号を出力する画素回路110Aの転送トランジスタ112を駆動する時間間隔によって決まる第2露光時間の第2蓄積期間が設定される。
The period from the timing when the unnecessary charge of the photoelectric conversion element 111 is reset by the electronic shutter operation by the electronic shutter scanning system to the timing when the signal of the pixel circuit 110A is read by the reading operation by the readout scanning system is the first exposure time. It becomes.
This first exposure time corresponds to a first accumulation period of signal charges in the pixel circuit 110A.
That is, the electronic shutter operation is an operation of resetting the signal charge accumulated in the photoelectric conversion element 111 and starting accumulation of a new signal charge after the reset.
In the present embodiment, the second accumulation of the second exposure time determined by the time interval for driving the transfer transistor 112 of the pixel circuit 110A that outputs the video signal read during the first exposure time during the first exposure time. A period is set.

行選択回路120は、選択走査する読み出し行に先行して等間隔に複数行、たとえば2行を選択走査する先行選択機能を有する。
この先行選択機能は、たとえばシフトレジスタあるいはアドレスデコーダ等を含んで構成可能である。
先行選択機能は、図示しない制御系の制御の下、選択走査に走査して、転送信号TRGを適宜発生することにより、選択走査される読み出し行に先行して等間隔に2つの行を選択走査する。
この選択走査では、転送信号TRGに基づいて光電変換素子111に蓄積された信号電荷をFDに転送する動作が行われる。
The row selection circuit 120 has a preceding selection function of selectively scanning a plurality of rows, for example, two rows, at equal intervals prior to the readout row to be selectively scanned.
This advance selection function can be configured including, for example, a shift register or an address decoder.
The preceding selection function selectively scans two rows at equal intervals in advance of the readout row to be selectively scanned by scanning the selected scan under the control of a control system (not shown) and appropriately generating the transfer signal TRG. To do.
In this selective scanning, an operation of transferring the signal charge accumulated in the photoelectric conversion element 111 to the FD based on the transfer signal TRG is performed.

行選択回路120は、選択走査に同期して画素回路110Aの転送トランジスタ112、リセットトランジスタ113、および選択トランジスタ115をオン、オフするための転送信号TRG、リセット信号RST、選択信号SELを画素回路110Aに供給する。 行選択回路120は、先行選択機能による選択走査に同期して画素回路110Aの各トランジスタをオン、オフするための電圧と基準電圧との中間的な電圧(中間電圧または中間電位)の転送信号TRGを画素回路110Aの転送トランジスタ112に供給する。   The row selection circuit 120 outputs a transfer signal TRG, a reset signal RST, and a selection signal SEL for turning on and off the transfer transistor 112, the reset transistor 113, and the selection transistor 115 of the pixel circuit 110A in synchronization with the selection scan. To supply. The row selection circuit 120 is a transfer signal TRG of an intermediate voltage (intermediate voltage or intermediate potential) between the voltage for turning on and off each transistor of the pixel circuit 110A and the reference voltage in synchronization with the selection scanning by the preceding selection function. Is supplied to the transfer transistor 112 of the pixel circuit 110A.

行選択回路120は、電子シャッタ動作から通常の読み出し動作間での低照度領域の画像を取得する第1露光時間の期間中に、中間電圧転送により読み出し走査を実行する。
行選択回路120は、その中間電圧転送により読み出し動作よりも高照度領域の画像取得のための第2露光時間だけ先行して、同じあるいは異なる電圧値の中間電圧によるダミー転送のための行選択走査を1回または複数回実行する。
本実施形態においては、第1露光時間より短い第2露光時間の期間が、第1露光時間の期間中に複数設定される。
本実施形態においては、短い第2露光時間の第2蓄積期間が、第1露光時間の期間中に複数設定されるが、たとえば同一の蓄積時間Tsに設定された短い第2蓄積期間のフレームを複数持つ。
または、本実施形態においては蓄積時間の異なる短い第2蓄積期間を持つフレームを複数組有し、ひとつの組のフレームにおいては同一の蓄積時間に設定された短い第2蓄積期間のフレームを複数持つ。
The row selection circuit 120 executes readout scanning by intermediate voltage transfer during the first exposure time period in which an image in a low illuminance area is acquired between the electronic shutter operation and the normal readout operation.
The row selection circuit 120 is preceded by a second exposure time for acquiring an image in a high illuminance region before the read operation by the intermediate voltage transfer, and performs row selection scanning for dummy transfer by the intermediate voltage of the same or different voltage value. Is executed once or a plurality of times.
In the present embodiment, a plurality of second exposure time periods shorter than the first exposure time are set during the first exposure time period.
In the present embodiment, a plurality of second accumulation periods having a short second exposure time are set during the first exposure time period. For example, a frame having a short second accumulation period set to the same accumulation time Ts is used. Have multiple.
Alternatively, in the present embodiment, there are a plurality of sets of frames having short second accumulation periods with different accumulation times, and one set of frames has a plurality of frames of short second accumulation periods set to the same accumulation time. .

読み出し回路130は、行選択回路120の駆動により選択されまたは先行選択された読み出し行の各画素回路110Aからの垂直信号線LSGNを通して出力される信号VSLに対して所定の処理を行い、たとえば信号処理後の画素信号を一時的に保持する。
読み出し回路130は、垂直信号線LSGNを通して出力される信号をサンプルホールドするサンプルホールド回路を含む回路構成を適用可能である。
あるいは読み出し回路130は、サンプルホールド回路を含み、CDS(相関二重サンプリング)処理により、リセットノイズや増幅トランジスタ114の閾値ばらつき等、画素固有の固定パターンノイズを除去する機能を含む回路構成が適用可能である。
また、読み出し回路130は、アナログデジタル(AD)変換機能を持たせ、信号レベルをデジタル信号とする構成を適用可能である。
The readout circuit 130 performs a predetermined process on the signal VSL output through the vertical signal line LSGN from each pixel circuit 110A of the readout row selected or preselected by the driving of the row selection circuit 120, for example, signal processing The subsequent pixel signal is temporarily held.
A circuit configuration including a sample hold circuit that samples and holds a signal output through the vertical signal line LSGN can be applied to the readout circuit 130.
Alternatively, the readout circuit 130 includes a sample-and-hold circuit, and a circuit configuration including a function for removing pixel-specific fixed pattern noise such as reset noise and threshold variation of the amplification transistor 114 by CDS (correlated double sampling) processing is applicable. It is.
In addition, the reading circuit 130 can have a configuration in which an analog-digital (AD) conversion function is provided and a signal level is a digital signal.

本実施形態の読み出し回路130に含まれる信号処理系または後段の信号処理系は、上述した第1露光時間および第2露光時間における読み出し信号から以下の推定処理を行う推定処理機能を有する。   The signal processing system or the subsequent signal processing system included in the readout circuit 130 of the present embodiment has an estimation processing function for performing the following estimation processing from the readout signals at the first exposure time and the second exposure time described above.

本実施形態の信号処理系は、中間電位での読み出しを行う固体撮像素子において、動被写体などを撮影したような場合など、蓄積期間において明暗の変化のある場合でも、複数の第2露光時間に相当する短時間蓄積(短蓄)フレームの正しい値を推定する。短蓄フレームは第2蓄積期間のフレームに相当する。
これにより、信号処理系は正しい色を再現することができる。
The signal processing system according to the present embodiment has a plurality of second exposure times even when there is a change in brightness in the accumulation period, such as when a moving subject is photographed in a solid-state imaging device that performs readout at an intermediate potential. Estimate the correct value of the corresponding short-time accumulation (short accumulation) frame. The short accumulation frame corresponds to the frame of the second accumulation period.
Thereby, the signal processing system can reproduce a correct color.

本実施形態では、第1露光時間に相当する長時間蓄積(長蓄)フレームの期間内において、同一の蓄積期間に設定された複数の短蓄フレームを設けることを特徴とし、これら複数の短蓄フレームからの出力値を用いて、正しい値を推定する。長蓄フレームは第1蓄積期間のフレームに相当する。
2つの異なる蓄積期間のフレームを用いてダイナミックレンジの拡大を行う場合には、通常最終映像のフレームレイトの2倍のフレームレイトが必要となる。
本実施形態では、さらに2つの短蓄のフレームを追加した場合について説明を行うが、この場合には最終映像の4倍のフレームレイトでの動作が必要となる。
In the present embodiment, a plurality of short accumulation frames set in the same accumulation period are provided in a long accumulation (long accumulation) frame period corresponding to the first exposure time. The correct value is estimated using the output value from the frame. The long accumulation frame corresponds to the frame of the first accumulation period.
When the dynamic range is expanded using frames of two different accumulation periods, a frame rate twice as high as that of the final video is usually required.
In this embodiment, a case where two short accumulation frames are added will be described. In this case, an operation at a frame rate four times that of the final video is required.

本実施形態の固体撮像素子100は、前述したように、中間電位での読み出しが可能であり、長い蓄積時間の期間TIのなかで、同一の蓄積時間Tsに設定された短い第2蓄積期間のフレームを複数持つことを特徴としている。
そして、信号処理系は、これら複数の短い第2蓄積期間のフレームからの値(第2蓄積期間で読み出された値)を用いて、短い第2蓄積期間のフレームからの出力値を推定する機能を有する。
As described above, the solid-state imaging device 100 of the present embodiment is capable of reading at an intermediate potential, and has a short second accumulation period set to the same accumulation time Ts in the long accumulation time period TI. It is characterized by having multiple frames.
Then, the signal processing system estimates the output value from the frame of the short second accumulation period using the values from the frames of the plurality of short second accumulation periods (values read in the second accumulation period). It has a function.

または、本実施形態の固体撮像素子100は、前述したように、中間電位での読み出しが可能であり、長い蓄積時間の期間TIのなかで、蓄積時間Tsの異なる短い第2蓄積期間を持つフレームを複数組有する。そして、ひとつの組のフレームにおいては同一の蓄積期間に設定された短い蓄積時間Tsのフレームを複数持つことを特徴としている。
そして、信号処理系は、これら複数の短い蓄積時間Tsのフレームからの値を用いて、各組の短い蓄積期間のフレームの出力値を推定する機能を有する。すなわち、信号処理系は、同一の蓄積期間を持つフレームの出力値からの推定する機能を有する。
Alternatively, as described above, the solid-state imaging device 100 of the present embodiment is capable of reading at an intermediate potential, and has a short second accumulation period with a different accumulation time Ts in a long accumulation time period TI. Have multiple sets. One set of frames has a plurality of frames having a short accumulation time Ts set in the same accumulation period.
The signal processing system has a function of estimating the output value of each set of frames having a short accumulation period using the values from the plurality of frames having a short accumulation time Ts. That is, the signal processing system has a function of estimating from output values of frames having the same accumulation period.

本実施形態の固体撮像素子100の信号処理系は、複数の異なる蓄積時間を持つ複数の短い第2蓄積期間のフレームを使用する場合、蓄積時間の異なる他の短蓄の出力値からと併せて、その短蓄の正しい出力値を推定するあるいは偽色の発生の検出を行う機能を有する。
すなわち、信号処理系は、異なる蓄積時間を持つ他のフレームの出力値と併せて、出力値を推定するように構成することも可能である。
When the signal processing system of the solid-state imaging device 100 of the present embodiment uses a plurality of short second accumulation period frames having a plurality of different accumulation times, it is combined with output values of other short accumulations having different accumulation times. The function of estimating the correct output value of the short accumulation or detecting the occurrence of false color is provided.
That is, the signal processing system can be configured to estimate the output value together with the output values of other frames having different accumulation times.

信号処理系は、所望の短蓄フレームの蓄積時間をTsとした場合、N個の各短畜フレームの蓄積時間をTs/Nとして、短畜フレームの出力の予想値として、これN個の短畜フレームからの出力の合計値とする。
すなわち、信号処理系は、合計値として推定する機能を有するように構成することが可能である。
The signal processing system assumes that the accumulation time of a desired short accumulation frame is Ts, the accumulation time of each of the N short frames is Ts / N, and the N short frames are predicted as the output value of the short frames. The total value of output from livestock frames.
That is, the signal processing system can be configured to have a function of estimating as a total value.

信号処理系は、N個の蓄積時間をTS1/Nとする短い蓄積時間に設定された短蓄フレームの第1の組と、M個の蓄積時間をTs2/Mとする短い蓄積時間に設定された短蓄フレームの第2の組を持つ。
そして、信号処理系は、第1の組の短い蓄積時間の出力の予想値として、これN個の短畜フレームからの出力の合計とし、第2の組の短い蓄積期間の出力の予想値として、これM個の短畜フレームからの出力の合計とするように構成することも可能である。
The signal processing system is set to a first set of short accumulation frames set to a short accumulation time where N accumulation times are TS1 / N and a short accumulation time where M accumulation times are Ts2 / M. With a second set of short storage frames.
The signal processing system then calculates the total output from the N short frames as the expected value of the first set of short accumulation time outputs, and the predicted output value of the second set of short accumulation periods. It is also possible to configure so that the total output from the M short frames is used.

以下に、信号処理系における複数の処理ついて、図9〜図15に関連付けて具体的に説明する。   Hereinafter, a plurality of processes in the signal processing system will be described in detail with reference to FIGS.

<2.第1の実施形態>
図9は、図5と同様に被写体が暗から明へ変化した場合での本第1の実施形態に係る駆動方法について説明するための図である。
<2. First Embodiment>
FIG. 9 is a diagram for explaining the driving method according to the first embodiment when the subject changes from dark to bright as in FIG. 5.

ここでは、理解を容易にするために、図2〜図6と同一構成部分を同一符号S101〜S111をもって表す。
図2は、中間電位読み出しを行う固体撮像素子での画素での電荷の時間的な変化を示す図である。
横軸S101は時間軸で、期間S102が長時間蓄積(以下、長蓄)フレームの蓄積時間となる。縦軸S103は、画素に蓄えられた電荷量を示し、S104は画素の電荷蓄積の飽和レベル、S105は読み出しのための中間電位を示す。
Here, in order to facilitate understanding, the same components as those in FIGS. 2 to 6 are denoted by the same reference numerals S101 to S111.
FIG. 2 is a diagram illustrating a temporal change in charge in a pixel in a solid-state imaging device that performs intermediate potential readout.
The horizontal axis S101 is a time axis, and the period S102 is the accumulation time of a long accumulation (hereinafter, long accumulation) frame. The vertical axis S103 represents the amount of charge stored in the pixel, S104 represents the saturation level of charge accumulation in the pixel, and S105 represents the intermediate potential for reading.

2つのフレームの合成によってより大きなダイナミックレンジを実現する方法では、長蓄フレームに加え、複数枚の短時間蓄積(以下、短畜)のフレームが用いられる。
図9においても、ある隣接する画素での三つの色の成分について、時間とともに増加する電荷の様子を示している。
たとえば、成分S109はグリーン(G)で、成分S110はレッド(R)、成分S111はブルー(B)などとなる。
それぞれの色の成分の電荷の増加の速度は、被写体の色の違いや、イメージセンサの色感度の違いなどにより差異がある。
In a method of realizing a larger dynamic range by combining two frames, a plurality of short-time accumulation (hereinafter, short-lived) frames are used in addition to a long accumulation frame.
FIG. 9 also shows the state of charge that increases with time for three color components in a certain adjacent pixel.
For example, component S109 is green (G), component S110 is red (R), component S111 is blue (B), and the like.
The rate of increase in the charge of each color component varies depending on the color of the subject and the color sensitivity of the image sensor.

図9において、S601は暗い(低照度)の期間を、S602は明るい(高照度)の期間を示している。   In FIG. 9, S601 indicates a dark (low illuminance) period, and S602 indicates a bright (high illuminance) period.

本第1の実施形態では、同じ蓄積時間に設定された3つの短蓄Ts1(S603)、Ts2(S604)、Ts3(S605)が設定される。
これら3つの短畜の値が読み出され、正しい値の推定に用いられる。真中の短蓄Ts2の開始時刻までは暗く(S601)、その後明るく(S602)なる場合について示す。
In the first embodiment, three short accumulations Ts1 (S603), Ts2 (S604), and Ts3 (S605) set to the same accumulation time are set.
These three short values are read out and used to estimate the correct value. The case where it becomes dark until the start time of the middle short accumulation Ts2 (S601) and then becomes brighter (S602) will be described.

成分S110はTs2開始後、電荷量の増加速度が増加するが、中間電位までは達することなく、S608として長蓄から読み出される。成分S111も同様にS609として長蓄から読み出される。
一方、成分S109は、初めの短蓄Ts1までには蓄積電荷量が中間電位に達せず、短蓄Ts1の出力はゼロとなるが2番目の短蓄Ts2の始まりでは中間電位を超えており、明るい被写体での電荷の蓄積が行われ短蓄Ts2の読み出しで値606が読み出される。
第3の短蓄Ts3でも同様にS607が読み出される。
以下の説明の便宜上、明るい被写体の輝度に変化はなく、S606とS607は同じ値になるものとする。
これら3つの短蓄からの出力値から、実際の蓄積電荷量をより正確に推定することが可能となる。
The component S110 is read from the long accumulation as S608 without increasing to the intermediate potential although the rate of increase of the charge amount increases after the start of Ts2. Similarly, the component S111 is read from the long accumulation as S609.
On the other hand, the component S109 does not reach the intermediate potential until the first short accumulation Ts1, the output of the short accumulation Ts1 becomes zero, but exceeds the intermediate potential at the beginning of the second short accumulation Ts2, The charge is accumulated in a bright subject, and the value 606 is read out by reading out the short accumulation Ts2.
S607 is similarly read out in the third short accumulation Ts3.
For convenience of the following description, it is assumed that the brightness of a bright subject does not change, and S606 and S607 have the same value.
From the output values from these three short accumulations, the actual accumulated charge amount can be estimated more accurately.

図10は、図9の状況での短蓄の値から、正しい値の推定方法について示す図である。   FIG. 10 is a diagram illustrating a method for estimating a correct value from the short accumulation value in the situation of FIG.

図9の短蓄の出力値から、実際の値としての可能な最大値は短蓄Ts1の終了時点で中間電位でありS701、その後短蓄Ts2の蓄積速度で増加していった場合の出力値S702である。
また、実際の値としての可能な最小値は、短蓄Ts2の開始時点で中間電位S703であり、その後短蓄Ts2の増加速度で増加していった場合の出力値S704となる。
したがって、正しい値として推定される範囲は、図10のS705の区間となる。最も確からしい推定値として、S702とS704の中間値を採用するなどの方法がとられる。
From the short accumulation output value of FIG. 9, the maximum possible value as an actual value is an intermediate potential at the end of the short accumulation Ts1, and is an output value when increasing at the accumulation rate of S701 and then the short accumulation Ts2. S702.
Further, the minimum possible value as the actual value is the intermediate potential S703 at the start of the short accumulation Ts2, and then the output value S704 when increasing at the increasing speed of the short accumulation Ts2.
Therefore, the range estimated as the correct value is the section of S705 in FIG. As the most probable estimated value, an intermediate value between S702 and S704 is adopted.

図11は、図6と同様に明から暗へ変化した場合での本第1の実施形態に係る駆動方法について説明するための図である。   FIG. 11 is a diagram for explaining the driving method according to the first embodiment when the light changes to dark as in FIG. 6.

図9と同様に、同じ蓄積時間に設定された3つの短蓄Ts1(S803)、Ts2(S804)、Ts3(S805)が設定される。
これら3つの短畜の値が読み出され、正しい値の推定に用いられる。
真中の短蓄Ts2の開始時刻までは明るく(S801)、その後、暗く(S802)なる場合について示す。
Similarly to FIG. 9, three short accumulations Ts1 (S803), Ts2 (S804), and Ts3 (S805) set to the same accumulation time are set.
These three short values are read out and used to estimate the correct value.
A case will be described in which the light is bright until the start time of the middle short accumulation Ts2 (S801) and then dark (S802).

成分S110はTs2後電荷の増加速度が減少し、S809として長蓄から読み出される。成分S111も同様にS810として長蓄から読み出される。
一方、成分S109は、初めの短蓄Ts1までに蓄積電荷量が中間電位に達し、短蓄Ts1の出力はS806として読み出される。
2番目の短蓄Ts2の始まりでは中間電位を超えており、暗い被写体での電荷の蓄積が行われ、短蓄Ts2の読み出しで値S807が読み出される。
第3の短蓄Ts3でも同様に値S808が読み出される。
以下の説明の便宜上暗い被写体の輝度の変化はなく、S807とS808は同じ値になるものとする。これら3つの短蓄Ts1,Ts2,Ts3からの出力値から、実際の蓄積電荷量を推定することが可能となる。
The component S110 is read from the long accumulation as S809 after the rate of increase of the charge after Ts2 decreases. The component S111 is also read from the long accumulation as S810.
On the other hand, in the component S109, the accumulated charge amount reaches the intermediate potential by the first short accumulation Ts1, and the output of the short accumulation Ts1 is read as S806.
At the beginning of the second short accumulation Ts2, the intermediate potential is exceeded, charge accumulation is performed on a dark subject, and the value S807 is read by reading the short accumulation Ts2.
Similarly, the value S808 is read out in the third short accumulation Ts3.
For convenience of the following description, it is assumed that there is no change in the brightness of a dark subject, and S807 and S808 have the same value. The actual accumulated charge amount can be estimated from the output values from these three short accumulations Ts1, Ts2, and Ts3.

図12は、図11の状況での短蓄の値から、正しい値の推定方法について示す図である。   FIG. 12 is a diagram illustrating a method for estimating a correct value from the short accumulation value in the situation of FIG.

実際の値としての可能な最大値は、短蓄Ts2の開始時点まで成分S109の速度で増加し、その後短蓄Ts2の蓄積速度で増加していった場合の出力値S902である。
また、実際の値としての可能な最小値は、短蓄Ts1の終了時点まで成分S109の速度で増加し、その後短蓄Ts2の増加速度で増加していった場合の出力値S904となる。
したがって、正しい値の推定範囲は、図12のS905となる。
最も確からしい推定値としてS902とS904の中間値を採用するなどの方法がとられる。
本例の推定方法を用いれば、ひとつの短蓄の出力値からでは検知することのできなかった被写体の明暗の変化や色の変化を検知することができ、短蓄の推定値としても、より正しい値を求めることが可能となる。
その他の明暗の変化の場合にも同様に正しい値の範囲を推定することができる。
The maximum possible value as the actual value is the output value S902 when increasing at the speed of the component S109 until the start of the short accumulation Ts2, and then increasing at the accumulation speed of the short accumulation Ts2.
Further, the minimum possible value as an actual value is the output value S904 when increasing at the speed of the component S109 until the end of the short accumulation Ts1, and then increasing at the increase speed of the short accumulation Ts2.
Therefore, the estimated range of the correct value is S905 in FIG.
A method such as adopting an intermediate value between S902 and S904 as the most probable estimated value is employed.
By using the estimation method of this example, it is possible to detect a change in the brightness or color of a subject that could not be detected from a single short accumulation output value. It is possible to obtain a correct value.
In the case of other changes in brightness, the correct value range can be estimated in the same manner.

図13は、図11とは異なる明暗の変化をした例を示す図である。
図14は、図13での駆動方法での推定の方法を示す図である。
FIG. 13 is a diagram showing an example in which the brightness changes different from FIG.
FIG. 14 is a diagram showing an estimation method in the driving method in FIG.

短蓄Ts1の読み出し時点まで明るく、その後、暗くなった場合で、短蓄フレームの出力は、S1106、S1107、S1108となる。
これら3つの短蓄フレームからの出力により、図14に示すように図11と同様な推定方法を用い、推定の最大値S1202と最小値S1204の中間値が最も確からしい値として妥当である。
図14に示す明暗の変化のには、実際の値は、S1204となる。
このように明暗の変化のさまざまな場合について同様な方法で正しい値を推定することが可能となる。
The output of the short accumulation frame is S1106, S1107, and S1108 when the short accumulation Ts1 is brightened until the time of reading and then darkened.
Based on outputs from these three short accumulation frames, an estimation method similar to that shown in FIG. 11 is used as shown in FIG. 14, and an intermediate value between the estimated maximum value S1202 and the minimum value S1204 is appropriate as the most probable value.
In the case of the change in brightness shown in FIG. 14, the actual value is S1204.
In this way, it is possible to estimate a correct value in a similar manner for various cases of changes in brightness.

<3.第2の実施形態>
図15は、本第2の実施形態に係る駆動方法について説明するための図である。
<3. Second Embodiment>
FIG. 15 is a diagram for explaining the driving method according to the second embodiment.

本第2の実施形態では3種類の異なる蓄積時間を持つフレームを合成して高ダイナミックレンジの拡張を行う場合について、本発明を適用した例を示す。この場合、必要なフレームレイトは8倍となる。   In the second embodiment, an example in which the present invention is applied to a case where a frame having three different accumulation times is combined to extend a high dynamic range will be described. In this case, the necessary frame rate is 8 times.

本例では、短い蓄積時間を持つ4つの短蓄S1001(Tss1)、S1002(Tss2)、S1003(Tss3)、S1004(Tss4)を使用する。
そして、本例では、短蓄Tss1〜Tss4より長い蓄積時間に設定された3つの短蓄S1005(Ts1)、S1006(Ts2)、S1007(Ts3)を使用し、図に示すように交互に読み出しを行う。
4つの短い短蓄を使用して明暗の変化を捉え、蓄積時間Tssでの正しい値を推定する。
また同様に、3つの長い蓄積時間を持つ短蓄を使用して明暗の変化を捉え、蓄積時間Tsでの正しい値を推定する。それぞれのフレームでの正しい値の推定方法は、第1の実施形態と同様に行うことが可能となる。
In this example, four short accumulations S1001 (Tss1), S1002 (Tss2), S1003 (Tss3), and S1004 (Tss4) having a short accumulation time are used.
In this example, three short accumulations S1005 (Ts1), S1006 (Ts2), and S1007 (Ts3) set to accumulation times longer than the short accumulations Tss1 to Tss4 are used, and alternately read as shown in the figure. Do.
Use four short short accumulations to capture light and dark changes and estimate the correct value for the accumulation time Tss.
Similarly, a short accumulation having three long accumulation times is used to catch a change in light and dark, and a correct value at the accumulation time Ts is estimated. The correct value estimation method for each frame can be performed in the same manner as in the first embodiment.

<4.第3の実施形態>
第3の実施形態は、4つのフレームの合成を行って広ダイナミックレンジを実現する従来の場合において、異なる蓄積時間を持つ他の短蓄のフレームの出力データを併用して、各短蓄の正しい値を推定する方法を提供する。
また、本手法は、偽色の発生を検出したり、その検出を用いて偽色を補正したりする場合にも有効に使用できる。
<4. Third Embodiment>
In the third embodiment, in the conventional case where a wide dynamic range is realized by synthesizing four frames, the output data of other short accumulation frames having different accumulation times are used together, and each short accumulation is correct. A method for estimating a value is provided.
This method can also be used effectively when detecting the occurrence of a false color or correcting the false color using the detection.

図9において、3つの短蓄フレームS603、S604、S606の蓄積時間に異なるものを用いた場合も同様の方法で正しい値を推定することができる。
このように短蓄フレームの蓄積時間を変えることで、4フレームでの合成により、広ダイナミックレンジを実現することが可能となり、この場合でも正しい値の推定が同様に可能となる。
In FIG. 9, even when different accumulation times are used for the three short accumulation frames S603, S604, and S606, a correct value can be estimated by the same method.
By changing the accumulation time of the short accumulation frame in this way, it is possible to realize a wide dynamic range by combining four frames, and even in this case, it is possible to estimate a correct value as well.

<5.第4の実施形態>
本例では、図9において、所望の短畜の蓄積時間Tsの3分の一の同一の蓄積時間に設定された3つの短蓄Ts1(S603)、Ts2(S604)、Ts3(S605)の場合において短蓄の正しい値の推定として、3つの短蓄からの出力値の合計として求める。
3つ短蓄の合計に限ることなく、Ts/Nの蓄積時間を持つN個の短畜の場合も同様に実現することが可能である。
また、異なる短蓄の蓄積時間を持つ、複数のフレームの組から構成される場合にも同様に、それぞれの組の中で、短蓄フレームからの値を合計して正しい値を推定する場合にも同様に適用できる。


<5. Fourth Embodiment>
In this example, in FIG. 9, in the case of three short accumulations Ts1 (S603), Ts2 (S604), and Ts3 (S605) set to the same accumulation time that is one third of the desired short livestock accumulation time Ts As the estimation of the correct value of the short accumulation, the total of the output values from the three short accumulations is obtained.
Not limited to a total of three short蓄, it can be realized similarly in the case of the N short slaughter with storage time Ts / N.
Similarly, in the case of being composed of a plurality of sets of frames having different accumulation times of short accumulation, similarly, when estimating the correct value by summing the values from the accumulation frames in each group Can be applied similarly.


<6.その他の補足説明>
本発明の実施形態の説明においては、主に、2つの異なる蓄積時間の2種類のフレームを用いてダイナミックレンジの拡大を図る場合について説明し、この中で3つの同一の蓄積時間を持つ短蓄のフレームを用いた場合についての説明を中心に行う。
しかし、本発明の適用はこのような場合に限るものではない。
3つ以上の異なる蓄積時間を持つフレームの合成によりダイナミックレンジを拡大する場合や、4つ以上の同一の蓄積時間を持つ短蓄からの値を用いて正しい値を推定する場合へも容易に拡張することができる。
<6. Other supplementary explanation>
In the description of the embodiment of the present invention, a case where the dynamic range is expanded using two types of frames having two different accumulation times will be mainly described. Among these, the short accumulation having three identical accumulation times is described. The description will be focused on the case of using the frame.
However, the application of the present invention is not limited to such a case.
Easily expand to extend the dynamic range by combining frames with 3 or more different accumulation times, or to estimate the correct value using values from 4 or more short accumulations with the same accumulation time can do.

実際の明暗の変化は、例で示したような場合に限られるわけではなく様々な場合がある。これらの場合でも同じ手法に、従来方法に比べ、より正しい値を推定することは可能である。
推定の精度の問題などで偽色が残存する場合には、彩度の圧縮を併用するなどして目立たなくするなどの手法が用いられる。
The actual change in light and darkness is not limited to the case shown in the example, and there are various cases. Even in these cases, it is possible to estimate a more correct value in the same method than in the conventional method.
When a false color remains due to a problem of estimation accuracy or the like, a technique of making it inconspicuous, for example, using saturation compression together is used.

図16は、本実施形態に係る短蓄フレームの正しい値を推定する推定回路を含む固体撮像素子の構成例を含むブロック図である。   FIG. 16 is a block diagram including a configuration example of a solid-state imaging device including an estimation circuit that estimates a correct value of a short accumulation frame according to the present embodiment.

この固体撮像素子200は、図7の固体撮像素子100の読み出し回路130の後段に推定回路を含む信号処理系210およびメモリ220が配置されている。
信号処理系210は、メモリコントローラ211、推定回路212、合成回路213、およびカメラ信号処理回路214を有する。
ここでは、図9に示した動作に沿って説明する。
In the solid-state imaging device 200, a signal processing system 210 including an estimation circuit and a memory 220 are arranged after the readout circuit 130 of the solid-state imaging device 100 in FIG.
The signal processing system 210 includes a memory controller 211, an estimation circuit 212, a synthesis circuit 213, and a camera signal processing circuit 214.
Here, a description will be given along the operation shown in FIG.

中間電位の読み出し機能を有するCMOSイメージセンサ(固体撮像素子)100から読み出された3つの短蓄Ts1,Ts2,Ts3の信号と長蓄TI(S102)の信号は、メモリコントローラ211により信号S2111としてメモリ220に書き込まれる。
3つの短蓄期間と長蓄の読み出しタイミングは図9に示すとおりである。
メモリ220から信号S220を経てメモリコントローラ211によって読み出された短蓄の信号は、信号S2112として推定回路212に入力される。
推定回路212においては、図9等に関連付けて説明した推定方法により推定値V212が算出され、合成回路213に出力される。
長蓄からの信号も同様にメモリ220から読み出され、メモリコントローラ211を経て、信号S2113として合成回路213に入力される。
合成回路213では、通常の合成方法により短蓄、長蓄の蓄積時間を勘案して、その値にゲインをかけるなどの方法によってつなぎ部分の不具合が生じないように合成され、一枚の合成フレームとして後段のカメラ信号処理回路214に供給される。
カメラ信号処理回路214でそのほかのカメラ信号処理が行われて、最終的な信号S214が出力される。
Three short accumulation Ts1, Ts2, Ts3 signals and long accumulation TI (S102) signals read out from the CMOS image sensor (solid-state imaging device) 100 having an intermediate potential readout function are signaled as signal S2111 by the memory controller 211. It is written in the memory 220.
The readout timings of the three short accumulation periods and the long accumulation are as shown in FIG.
The short accumulation signal read from the memory 220 via the signal S220 by the memory controller 211 is input to the estimation circuit 212 as a signal S2112.
In the estimation circuit 212, an estimated value V212 is calculated by the estimation method described in association with FIG. 9 and the like, and is output to the synthesis circuit 213.
Similarly, the signal from the long accumulation is read out from the memory 220 and is input to the synthesis circuit 213 as the signal S2113 through the memory controller 211.
In the synthesis circuit 213, a normal synthesis method takes into account the accumulation time of short accumulation and long accumulation, and synthesis is performed by a method such as applying a gain to the value so as not to cause a defect in the joint portion. Is supplied to the camera signal processing circuit 214 in the subsequent stage.
The camera signal processing circuit 214 performs other camera signal processing and outputs a final signal S214.

以上説明したように、本実施形態によれば、被写体が動いて明暗の変化や色の変化がある場合でも、複数の短蓄の値から推定値の精度の向上が期待でき、偽色の発生などを抑える効果がある。
これにより、より自然な画像を得ることが可能となる。
本実施形態では、動きそのものの検出を行っているわけではないので、被写体の動きの誤検出による新たな偽色などの問題は発生しない。
また、動き以外の理由で被写体の明るさそのものが変化した場合にも、正しい値がより適切に推定ができるため、動き検出を基に正しい値を推定する方法に比べて優れていると言える。
As described above, according to the present embodiment, even when the subject moves and there is a change in brightness or color, an improvement in the accuracy of the estimated value can be expected from a plurality of short accumulation values, and false colors are generated. There is an effect to suppress.
As a result, a more natural image can be obtained.
In this embodiment, since the movement itself is not detected, problems such as a new false color due to erroneous detection of the movement of the subject do not occur.
In addition, even when the brightness of the subject itself changes for reasons other than motion, the correct value can be estimated more appropriately, so it can be said that it is superior to the method of estimating the correct value based on motion detection.

なお、各実施形態に係るCMOSイメージセンサは、特に限定されないが、たとえば列並列型のアナログ−デジタル変換装置(以下、ADC(Analog digital converter)と略す)を搭載したCMOSイメージセンサとして構成することも可能である。   Although the CMOS image sensor according to each embodiment is not particularly limited, for example, it may be configured as a CMOS image sensor equipped with a column parallel type analog-digital converter (hereinafter abbreviated as ADC (Analog digital converter)). Is possible.

このような効果を有する固体撮像素子は、デジタルカメラやビデオカメラの撮像デバイスとして適用することができる。   A solid-state imaging device having such an effect can be applied as an imaging device for a digital camera or a video camera.

図17は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子が適用されるカメラシステムの構成の一例を示す図である。   FIG. 17 is a diagram illustrating an example of a configuration of a camera system to which the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention is applied.

本カメラシステム300は、図17に示すように、本実施形態に係るCMOSイメージセンサ(固体撮像素子)100,200が適用可能な撮像デバイス310を有する。
さらに、カメラシステム300は、この撮像デバイス310の画素領域に入射光を導く(被写体像を結像する)光学系、たとえば入射光(像光)を撮像面上に結像させるレンズ320を有する。
カメラシステム300は、撮像デバイス310を駆動する駆動回路(DRV)330と、撮像デバイス310の出力信号を処理する信号処理回路(PRC)340と、を有する。
As shown in FIG. 17, the camera system 300 includes an imaging device 310 to which the CMOS image sensors (solid-state imaging devices) 100 and 200 according to the present embodiment can be applied.
Further, the camera system 300 includes an optical system that guides incident light (images a subject image) to the pixel region of the imaging device 310, for example, a lens 320 that forms incident light (image light) on an imaging surface.
The camera system 300 includes a drive circuit (DRV) 330 that drives the imaging device 310 and a signal processing circuit (PRC) 340 that processes an output signal of the imaging device 310.

駆動回路330は、撮像デバイス310内の回路を駆動するスタートパルスやクロックパルスを含む各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータ(図示せず)を有し、所定のタイミング信号で撮像デバイス310を駆動する。   The drive circuit 330 includes a timing generator (not shown) that generates various timing signals including a start pulse and a clock pulse that drive a circuit in the imaging device 310, and drives the imaging device 310 with a predetermined timing signal. .

また、信号処理回路340は、撮像デバイス310の出力信号に対して所定の信号処理を施す。
信号処理回路340で処理された画像信号は、たとえばメモリなどの記録媒体に記録される。記録媒体に記録された画像情報は、プリンタなどによってハードコピーされる。また、信号処理回路340で処理された画像信号を液晶ディスプレイ等からなるモニターに動画として映し出される。
Further, the signal processing circuit 340 performs predetermined signal processing on the output signal of the imaging device 310.
The image signal processed by the signal processing circuit 340 is recorded on a recording medium such as a memory. The image information recorded on the recording medium is hard copied by a printer or the like. The image signal processed by the signal processing circuit 340 is displayed as a moving image on a monitor including a liquid crystal display.

上述したように、デジタルスチルカメラ等の撮像装置において、撮像デバイス310として、先述した撮像素子100,200を搭載することで、上述したと同様の効果を得ることができる。
すなわち、被写体が動いて明暗の変化や色の変化がある場合でも、複数の短蓄の値から推定値の精度の向上が期待でき、偽色の発生などを抑えることが可能で、より自然な画像を得ることが低消費電力で、高精度なカメラが実現できる。
As described above, in the imaging apparatus such as a digital still camera, the same effect as described above can be obtained by mounting the above-described imaging elements 100 and 200 as the imaging device 310.
In other words, even when the subject moves and changes in brightness or color, it can be expected to improve the accuracy of the estimated value from a plurality of short accumulation values, it is possible to suppress the occurrence of false colors, etc., more natural Obtaining images with low power consumption and a highly accurate camera can be realized.

なお、以上詳細に説明した方法は、上記手順に応じたプログラムとして形成し、CPU等のコンピュータで実行するように構成することも可能である。
また、このようなプログラムは、半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク、フロッピー(登録商標)ディスク等の記録媒体、この記録媒体をセットしたコンピュータによりアクセスし上記プログラムを実行するように構成可能である。
Note that the method described above in detail can be formed as a program according to the above-described procedure and executed by a computer such as a CPU.
Further, such a program can be configured to be accessed by a recording medium such as a semiconductor memory, a magnetic disk, an optical disk, a floppy (registered trademark) disk, or the like, and to execute the program by a computer in which the recording medium is set.

100,200・・・固体撮像素子、110・・・画素アレイ部、110A・・・画素回路、120・・・行選択回路(画素駆動部)、130・・・読み出し回路、140・・・シャッタモード切替部、111・・・光電変換素子、112・・・転送トランジスタ、113・・・リセットトランジスタ、114・・・増幅トランジスタ、115・・・選択トランジスタ、210・・・信号処理系、211・・・メモリコントローラ、212・・・推定回路、213・・・合成回路、214・・・カメラ信号処理回路、300・・・カメラシステム、310・・・撮像デバイス、320・・・駆動回路、330・・・レンズ、340・・・信号処理回路。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100,200 ... Solid-state image sensor, 110 ... Pixel array part, 110A ... Pixel circuit, 120 ... Row selection circuit (pixel drive part), 130 ... Read-out circuit, 140 ... Shutter Mode switching unit 111 ... photoelectric conversion element 112 112 transfer transistor 113 reset transistor 114 amplification transistor 115 selection transistor 210 signal processing system 211 ..Memory controller, 212... Estimation circuit, 213... Synthesis circuit, 214... Camera signal processing circuit, 300... Camera system, 310. ... Lens, 340 ... Signal processing circuit.

Claims (9)

光信号を信号電荷に変換する光電変換素子と、当該光電変換素子で光電変換された信号電荷を出力ノードに転送する転送ゲートとを含む画素が行列状に配列された画素アレイ部と、
上記画素アレイ部のシャッタ動作、および上記画素アレイ部の画素から読み出しを行うように上記画素の動作を制御する画素駆動部と、
上記画素駆動部により読み出された信号を処理する信号処理系と、を有し、
上記画素駆動部は、
電子シャッタ動作から通常の読み出し動作間での画像を取得する第1露光時間の第1蓄積期間中に、中間電圧転送により読み出し走査を実行し、その中間電圧転送による読み出し動作に応じた画像取得のための第2露光時間を含み、同じあるいは異なる電圧値の中間電圧による転送のための選択走査を、1回または複数回実行する機能を有し、
上記第1露光時間より短い第2露光時間の第2蓄積期間が、第1露光時間の第1蓄積期間中に複数設定され、
上記信号処理系は、
複数の第2蓄積期間で読み出された値を用いて、当該第2蓄積期間の出力値を推定する処理を行い、
被写体が暗から明に変化した場合、上記出力値を推定する処理において、
実際の値としての可能な最大値を、暗期間において設定される上記第2蓄積期間の終了時点から増加し、その後、明期間において設定されている上記第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、
実際の値として可能な最小値を、上記明期間において設定されている上記第2蓄積期間の開始時点から増加し、その後、当該第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、
被写体が明から暗に変化した場合、上記出力値を推定する処理において、
実際の値としての可能な最大値を、明期間において中間電位を超える成分の速度で、暗期間において設定されている上記第2蓄積期間の開始時点まで当該成分の速度で増加し、その後、上記暗期間において設定されている上記第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、
実際の値として可能な最小値を、上記明期間において設定されている上記第2蓄積期間の終了時点まで上記成分の速度で増加し、その後、上記暗期間において設定されている上記第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、
最大値としての出力値と最小値としての出力値から上記第2蓄積期間の出力値を推定する
固体撮像素子。
A pixel array unit in which pixels including a photoelectric conversion element that converts an optical signal into a signal charge and a transfer gate that transfers a signal charge photoelectrically converted by the photoelectric conversion element to an output node are arranged in a matrix;
A pixel driver for controlling the operation of the pixel so as to perform a shutter operation of the pixel array unit and reading from the pixels of the pixel array unit;
A signal processing system for processing a signal read by the pixel driving unit,
The pixel driver is
During the first accumulation period of the first exposure time for acquiring an image between the electronic shutter operation and the normal reading operation, the reading scan is executed by the intermediate voltage transfer, and the image acquisition corresponding to the reading operation by the intermediate voltage transfer is performed. Having a second exposure time, and having a function of executing one or more selected scans for transfer with an intermediate voltage of the same or different voltage value,
A plurality of second accumulation periods of a second exposure time shorter than the first exposure time are set during the first accumulation period of the first exposure time;
The signal processing system is
Using the value read in the plurality of second accumulation period, we have rows process of estimating the output value of the second accumulation period,
When the subject changes from dark to light, in the process of estimating the output value,
The maximum possible value as an actual value increases from the end of the second accumulation period set in the dark period, and then increases at the accumulation rate of the second accumulation period set in the bright period. Output value when
Output value when the minimum possible value is increased from the start time of the second accumulation period set in the light period and then increased at the accumulation speed of the second accumulation period age,
In the process of estimating the output value when the subject changes from light to dark,
The maximum possible value as the actual value is increased at the speed of the component that exceeds the intermediate potential in the light period, until the start of the second accumulation period set in the dark period, and then As an output value when increasing at the accumulation speed of the second accumulation period set in the dark period,
The minimum possible value as an actual value increases at the speed of the component until the end of the second accumulation period set in the bright period, and then the second accumulation period set in the dark period As an output value when increasing at the accumulation speed of
A solid-state imaging device that estimates an output value of the second accumulation period from an output value as a maximum value and an output value as a minimum value .
上記第2露光時間の第2蓄積期間が、第1露光時間の第1蓄積期間中に複数設定され、かつ同一の蓄積期間に設定された第2蓄積期間を複数有する
請求項1記載の固体撮像素子。
2. The solid-state imaging according to claim 1, wherein a plurality of second accumulation periods of the second exposure time are set during the first accumulation period of the first exposure time and a plurality of second accumulation periods are set in the same accumulation period. element.
上記第1露光時間の第1の蓄積期間のなかで、蓄積時間の異なる第2蓄積期間を複数組有し、ひとつの組おいては同一の蓄積期間に設定された第2蓄積期間を複数有し、
上記信号処理系は、
複数の第2蓄積期間で読み出された値を用いて、各組の第2蓄積期間の出力値を推定する処理を行う
請求項1記載の固体撮像素子。
Among the first accumulation period of the first exposure time, a different second accumulation period of accumulation time comprises a plurality of sets, a plurality of second accumulation period Oite to one set of which is set to the same accumulation period Have
The signal processing system is
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein processing for estimating an output value of each set of second accumulation periods is performed using values read out in a plurality of second accumulation periods.
上記信号処理系は、
複数の異なる蓄積時間を持つ複数の第2蓄積期間を使用する場合、蓄積時間の異なる他の第2蓄積期間の出力値からと併せて、当該第2蓄積期間の正しい出力値を推定する
請求項3記載の固体撮像素子。
The signal processing system is
When a plurality of second accumulation periods having a plurality of different accumulation times are used, a correct output value of the second accumulation period is estimated together with output values of other second accumulation periods having different accumulation times. 3. The solid-state imaging device according to 3.
上記信号処理系は、
所望の第2蓄積期間のフレームの蓄積時間をTsとした場合、N個の各第2蓄積期間の蓄積時間をTs/Nとして、第2蓄積期間の出力の予想値として、当該N個の第2蓄積期間の出力の合計値とする
請求項1から4のいずれか一に記載の固体撮像素子。
The signal processing system is
When the frame accumulation time of the desired second accumulation period is Ts, the accumulation time of each of the N second accumulation periods is Ts / N, and the N number of the second accumulation periods are used as the predicted output values of the second accumulation period. The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 4, wherein a total value of outputs during two accumulation periods is used.
N個の蓄積時間をTs1/Nとする第2蓄積期間に設定された蓄積期間のフレームの第1の組と、M個の蓄積時間をTs2/Mとする蓄積期間に設定された蓄積期間の第2の組を有し
上記信号処理系は、
第1の組の蓄積期間の出力の予想値として、これらN個の畜積期間の出力の合計とし、第2の組の蓄積期間の出力の予想値として、M個の蓄積期間の出力の合計とする
請求項1から4のいずれか一に記載の固体撮像素子。
The first set of frames of the storage period set in the second storage period in which N storage times are Ts1 / N and the storage period of the storage period set in the storage period in which M storage times are Ts2 / M Having a second set, the signal processing system is:
As an expected value of the output of the first set of accumulation periods, the sum of outputs of these N livestock periods, and as an expected value of the output of the second set of accumulation periods, the sum of outputs of the M accumulation periods. The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 4.
固体撮像素子と、
上記固体撮像素子に被写体像を結像する光学系と、を有し、
上記固体撮像素子は、
光信号を信号電荷に変換する光電変換素子と、当該光電変換素子で光電変換された信号電荷を出力ノードに転送する転送ゲートとを含む画素が行列状に配列された画素アレイ部と、
上記画素アレイ部のシャッタ動作、および上記画素アレイ部の画素から読み出しを行うように上記画素の動作を制御する画素駆動部と、
上記画素駆動部により読み出された信号を処理する信号処理系と、を有し、
上記画素駆動部は、
電子シャッタ動作から通常の読み出し動作間での画像を取得する第1露光時間の第1蓄積期間中に、中間電圧転送により読み出し走査を実行し、その中間電圧転送による読み出し動作に応じた画像取得のための第2露光時間を含み、同じあるいは異なる電圧値の中間電圧による転送のための選択走査を、1回または複数回実行する機能を有し、
上記第1露光時間より短い第2露光時間の第2蓄積期間が、第1露光時間の第1蓄積期間中に複数設定され、
上記信号処理系は、
複数の第2蓄積期間で読み出された値を用いて、当該第2蓄積期間の出力値を推定する処理を行い、
被写体が暗から明に変化した場合、上記出力値を推定する処理において、
実際の値としての可能な最大値を、暗期間において設定される上記第2蓄積期間の終了時点から増加し、その後、明期間において設定されている上記第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、
実際の値として可能な最小値を、上記明期間において設定されている上記第2蓄積期間の開始時点から増加し、その後、当該第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、
被写体が明から暗に変化した場合、上記出力値を推定する処理において、
実際の値としての可能な最大値を、明期間において中間電位を超える成分の速度で、暗期間において設定されている上記第2蓄積期間の開始時点まで当該成分の速度で増加し、その後、上記暗期間において設定されている上記第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、
実際の値として可能な最小値を、上記明期間において設定されている上記第2蓄積期間の終了時点まで上記成分の速度で増加し、その後、上記暗期間において設定されている上記第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、
最大値としての出力値と最小値としての出力値から上記第2蓄積期間の出力値を推定する
カメラシステム。
A solid-state image sensor;
An optical system for forming a subject image on the solid-state imaging device,
The solid-state imaging device is
A pixel array unit in which pixels including a photoelectric conversion element that converts an optical signal into a signal charge and a transfer gate that transfers a signal charge photoelectrically converted by the photoelectric conversion element to an output node are arranged in a matrix;
A pixel driver for controlling the operation of the pixel so as to perform a shutter operation of the pixel array unit and reading from the pixels of the pixel array unit;
A signal processing system for processing a signal read by the pixel driving unit,
The pixel driver is
During the first accumulation period of the first exposure time for acquiring an image between the electronic shutter operation and the normal reading operation, the reading scan is executed by the intermediate voltage transfer, and the image acquisition corresponding to the reading operation by the intermediate voltage transfer is performed. Having a second exposure time, and having a function of executing one or more selected scans for transfer with an intermediate voltage of the same or different voltage value,
A plurality of second accumulation periods of a second exposure time shorter than the first exposure time are set during the first accumulation period of the first exposure time;
The signal processing system is
Using the value read in the plurality of second accumulation period, we have rows process of estimating the output value of the second accumulation period,
When the subject changes from dark to light, in the process of estimating the output value,
The maximum possible value as an actual value increases from the end of the second accumulation period set in the dark period, and then increases at the accumulation rate of the second accumulation period set in the bright period. Output value when
Output value when the minimum possible value is increased from the start time of the second accumulation period set in the light period and then increased at the accumulation speed of the second accumulation period age,
In the process of estimating the output value when the subject changes from light to dark,
The maximum possible value as the actual value is increased at the speed of the component that exceeds the intermediate potential in the light period, until the start of the second accumulation period set in the dark period, and then As an output value when increasing at the accumulation speed of the second accumulation period set in the dark period,
The minimum possible value as an actual value increases at the speed of the component until the end of the second accumulation period set in the bright period, and then the second accumulation period set in the dark period As an output value when increasing at the accumulation speed of
A camera system for estimating an output value of the second accumulation period from an output value as a maximum value and an output value as a minimum value .
光信号を信号電荷に変換する光電変換素子と、当該光電変換素子で光電変換された信号電荷を出力ノードに転送する転送ゲートとを含む画素が行列状に配列された画素アレイ部を駆動するに際し、
第1露光時間と、当該第1露光時間より短い第2露光時間の第2蓄積期間を、第1露光時間の第1蓄積期間中に複数設定し、
電子シャッタ動作から通常の読み出し動作間での画像を取得する第1露光時間の第1蓄積期間中に、中間電圧転送により読み出し走査を実行し、その中間電圧転送による読み出し動作に応じた画像取得のための第2露光時間を含み、同じあるいは異なる電圧値の中間電圧による転送のための選択走査を、1回または複数回実行し、
複数の第2蓄積期間で読み出された値を用いて、当該第2蓄積期間の出力値を推定する処理を行い、
被写体が暗から明に変化した場合、上記出力値を推定する処理において、
実際の値としての可能な最大値を、暗期間において設定される上記第2蓄積期間の終了時点から増加し、その後、明期間において設定されている上記第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、
実際の値として可能な最小値を、上記明期間において設定されている上記第2蓄積期間の開始時点から増加し、その後、当該第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、
被写体が明から暗に変化した場合、上記出力値を推定する処理において、
実際の値としての可能な最大値を、明期間において中間電位を超える成分の速度で、暗期間において設定されている上記第2蓄積期間の開始時点まで当該成分の速度で増加し、その後、上記暗期間において設定されている上記第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、
実際の値として可能な最小値を、上記明期間において設定されている上記第2蓄積期間の終了時点まで上記成分の速度で増加し、その後、上記暗期間において設定されている上記第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、
最大値としての出力値と最小値としての出力値から上記第2蓄積期間の出力値を推定する
固体撮像素子の駆動方法。
When driving a pixel array unit in which pixels including a photoelectric conversion element that converts an optical signal into a signal charge and a transfer gate that transfers a signal charge photoelectrically converted by the photoelectric conversion element to an output node are arranged in a matrix. ,
A plurality of second accumulation periods of a first exposure time and a second exposure time shorter than the first exposure time are set during the first accumulation period of the first exposure time,
During the first accumulation period of the first exposure time for acquiring an image between the electronic shutter operation and the normal reading operation, the reading scan is executed by the intermediate voltage transfer, and the image acquisition corresponding to the reading operation by the intermediate voltage transfer is performed. Performing a selective scan for transfer with an intermediate voltage of the same or different voltage value one or more times, including a second exposure time for
Using the value read in the plurality of second accumulation period, we have rows process of estimating the output value of the second accumulation period,
When the subject changes from dark to light, in the process of estimating the output value,
The maximum possible value as an actual value increases from the end of the second accumulation period set in the dark period, and then increases at the accumulation rate of the second accumulation period set in the bright period. Output value when
Output value when the minimum possible value is increased from the start time of the second accumulation period set in the light period and then increased at the accumulation speed of the second accumulation period age,
In the process of estimating the output value when the subject changes from light to dark,
The maximum possible value as the actual value is increased at the speed of the component that exceeds the intermediate potential in the light period, until the start of the second accumulation period set in the dark period, and then As an output value when increasing at the accumulation speed of the second accumulation period set in the dark period,
The minimum possible value as an actual value increases at the speed of the component until the end of the second accumulation period set in the bright period, and then the second accumulation period set in the dark period As an output value when increasing at the accumulation speed of
A solid-state imaging device driving method for estimating an output value in the second accumulation period from an output value as a maximum value and an output value as a minimum value .
光信号を信号電荷に変換する光電変換素子と、当該光電変換素子で光電変換された信号電荷を出力ノードに転送する転送ゲートとを含む画素が行列状に配列された画素アレイ部を駆動するに際し、
第1露光時間と、当該第1露光時間より短い第2露光時間の第2蓄積期間を、第1露光時間の第1蓄積期間中に複数設定する処理と、
電子シャッタ動作から通常の読み出し動作間での画像を取得する第1露光時間の第1蓄積期間中に、中間電圧転送により読み出し走査を実行し、その中間電圧転送による読み出し動作に応じた画像取得のための第2露光時間を含み、同じあるいは異なる電圧値の中間電圧による転送のための選択走査を、1回または複数回実行する処理と、
複数の第2蓄積期間で読み出された値を用いて、当該第2蓄積期間の出力値を推定する処理を行う処理と、を含み、
被写体が暗から明に変化した場合、上記出力値を推定する処理において、
実際の値としての可能な最大値を、暗期間において設定される上記第2蓄積期間の終了時点から増加し、その後、明期間において設定されている上記第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、
実際の値として可能な最小値を、上記明期間において設定されている上記第2蓄積期間の開始時点から増加し、その後、当該第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、
被写体が明から暗に変化した場合、上記出力値を推定する処理において、
実際の値としての可能な最大値を、明期間において中間電位を超える成分の速度で、暗期間において設定されている上記第2蓄積期間の開始時点まで当該成分の速度で増加し、その後、上記暗期間において設定されている上記第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、
実際の値として可能な最小値を、上記明期間において設定されている上記第2蓄積期間の終了時点まで上記成分の速度で増加し、その後、上記暗期間において設定されている上記第2蓄積期間の蓄積速度で増加していった場合の出力値とし、
最大値としての出力値と最小値としての出力値から上記第2蓄積期間の出力値を推定する
固体撮像素子の駆動処理をコンピュータに実行させるプログラム。
When driving a pixel array unit in which pixels including a photoelectric conversion element that converts an optical signal into a signal charge and a transfer gate that transfers a signal charge photoelectrically converted by the photoelectric conversion element to an output node are arranged in a matrix. ,
A process of setting a plurality of first exposure times and a second accumulation period of a second exposure time shorter than the first exposure time during the first accumulation period of the first exposure time;
During the first accumulation period of the first exposure time for acquiring an image between the electronic shutter operation and the normal reading operation, the reading scan is executed by the intermediate voltage transfer, and the image acquisition corresponding to the reading operation by the intermediate voltage transfer is performed. A process of performing one or more selective scans for transfer with an intermediate voltage of the same or different voltage value, including a second exposure time for
Processing for estimating an output value of the second accumulation period using values read in a plurality of second accumulation periods,
When the subject changes from dark to light, in the process of estimating the output value,
The maximum possible value as an actual value increases from the end of the second accumulation period set in the dark period, and then increases at the accumulation rate of the second accumulation period set in the bright period. Output value when
Output value when the minimum possible value is increased from the start time of the second accumulation period set in the light period and then increased at the accumulation speed of the second accumulation period age,
In the process of estimating the output value when the subject changes from light to dark,
The maximum possible value as the actual value is increased at the speed of the component that exceeds the intermediate potential in the light period, until the start of the second accumulation period set in the dark period, and then As an output value when increasing at the accumulation speed of the second accumulation period set in the dark period,
The minimum possible value as an actual value increases at the speed of the component until the end of the second accumulation period set in the bright period, and then the second accumulation period set in the dark period As an output value when increasing at the accumulation speed of
A program that causes a computer to execute a driving process of a solid-state imaging device that estimates an output value of the second accumulation period from an output value as a maximum value and an output value as a minimum value .
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