JP5456652B2 - Solid-state imaging device, imaging method, and biped robot - Google Patents
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Description
本発明は、画像を撮像する固体撮像装置、撮像方法及び2足歩行ロボットに関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device that captures an image, an imaging method, and a biped robot.
撮像装置に用いられる固体撮像素子として、CCD(Charge Coupled Device)が用いられている。しかしながら、消費電力の問題から近年の急速な多画素化と読出し速度の向上の要求に答えるのが困難になってきている。
一方、低消費電力に対応する固体撮像素子としては、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor、以下CMOSセンサ)があり、多画素化と読出しの速度の向上を達成することができる。小型化にも有利であることから、CMOSセンサは、ディジタルカメラやビデオカメラ用として、CCDに代わる高性能撮像素子としての注目を浴びつつある。
A CCD (Charge Coupled Device) is used as a solid-state imaging device used in an imaging apparatus. However, due to the problem of power consumption, it has become difficult to answer the recent demand for rapid increase in the number of pixels and improvement in readout speed.
On the other hand, as a solid-state imaging device corresponding to low power consumption, there is a CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor, hereinafter referred to as a CMOS sensor), and it is possible to increase the number of pixels and improve the reading speed. Since it is advantageous for miniaturization, the CMOS sensor is attracting attention as a high-performance image sensor that replaces the CCD for a digital camera or a video camera.
CMOSセンサを用いた撮像装置は、ローリングシャッタ方式により画像を撮像している(例えば、特許文献1参照)。
図16は、特許文献1に記載されている1画素分に対応したCMOSセンサ100の構成を示す図である。このCMOSセンサ100は、フォトダイオード(PD;Photodiode)101、MOSトランジスタ102、103、104及びフローティングディヒュージョン(FD;Floating Diffusion)105から構成されている。
PD101は、被写体像を光電変換して、光量に対応する電荷を発生させる。MOSトランジスタ102、103はスイッチング素子として用いられている。MOSトランジスタ104は増幅用のトランジスタとして用いられている。FD105は、MOSトランジスタ104のゲート電極の容量成分であり、PD101から読み出す電荷を蓄積する。MOSトランジスタ102から104は、Nチャネル型MOSトランジスタである。
An image pickup apparatus using a CMOS sensor picks up an image by a rolling shutter method (see, for example, Patent Document 1).
FIG. 16 is a diagram illustrating a configuration of the CMOS sensor 100 corresponding to one pixel described in
The
また、図16のCMOSセンサは3トランジスタ型であり、画素単位のセルサイズの縮小化が進んでいる。
このようにセルサイズを縮小すると、MOSトランジスタ104のゲート電極の面積も縮小されることになり、FD105の容量も対応して小さくなる。
このFD105に蓄積される電荷量は、FD105の容量と、FD105の両端の電位差とで決定される。
したがって、FD105の両端の電圧が変化せず、FD105の容量が減少した場合、FD105に蓄積される電荷量が減少してしまう。
Further, the CMOS sensor of FIG. 16 is a three-transistor type, and the cell size in pixel units is being reduced.
When the cell size is reduced in this way, the area of the gate electrode of the
The amount of charge accumulated in the
Therefore, when the voltage across the
このため、PD101で発生した電荷を反映することができず、例えば、ある明るさ以上については、MOSトランジスタ104から一定の電流値の電流が供給されることになり、ダイナミックレンジが低下してしまう。
これを解決するため、特許文献1においては、FD105の電圧を昇圧して、電圧値を上昇させ、FD105に蓄積される電荷量を増加させることで、ダイナミックレンジを広げている。
For this reason, the charge generated in the PD 101 cannot be reflected. For example, for a certain brightness or more, a current having a constant current value is supplied from the
In order to solve this problem, in
次に、図17を用いて、図16に示されるCMOSセンサにおけるFD105の昇圧の動作について説明する。図17は、図16のCMOSセンサにおけるFD105の昇圧動作のタイミングチャートである。以下の、信号TX、R、VLと、電圧VDD及びVVとの制御は、図示しない制御回路が行う。
時刻t101以前において、制御回路は、信号TX、R、VLを「L」レベルとし、電圧VDDを「H」レベルとし、電圧VVを「L」レベルとしている。
時刻t101において、制御回路は信号TX及びRを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。MOSトランジスタ102及び103のゲートに「H」レベルが印加されることとなり、MOSトランジスタ102及び103がオン状態となる。これにより、PD101に生成された電荷がMOSトランジスタ102及び103を介し、電源VDDへ電荷が移動することにより、PD101のリセット処理が行われる。
Next, the boosting operation of the
At time t 101 previously, the control circuit, signals TX, R, and VL is "L" level, the voltage VDD is set to "H" level, and the voltage VV and "L" level.
At time t 101 , the control circuit changes the signals TX and R from the “L” level to the “H” level. The “H” level is applied to the gates of the
時刻t102において、制御回路は信号TX及び電圧VDDを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ102は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
そして、MOSトランジスタ103は、FD105の電圧を「H」レベルから「L」レベルに低下させる。
PD101は、リセット処理が終了した時点から、光が照射されることにで電荷を発生し、発生した電荷を自身に蓄積する。
At time t 102, the control circuit changes the signal TX and the voltage VDD from the "H" level to the "L" level. As a result, the
Then, the
The
時刻t103において、制御回路は信号Rを「H」レベルから「L」レベルに変化させ、電圧VDDを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ103は、ゲートに「L」レベルが印加され、オフ状態となる。
At time t103 , the control circuit changes the signal R from the “H” level to the “L” level, and changes the voltage VDD from the “L” level to the “H” level. As a result, the “L” level is applied to the gate of the
時刻t104において、制御回路は信号R及びVLを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ103は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となり、FD105の電圧を「H」レベルとする。この結果、FD105の端子間電圧は「H」レベルとなり、電荷が蓄積されていないリセット状態となる。このとき、MOSトランジスタ106は、ゲートに「H」レベルが印加されてオン状態となり、接続点Aを「L」レベルとする。
At time t104 , the control circuit changes the signals R and VL from the “L” level to the “H” level. Thus, since the “H” level is applied to the gate of the
時刻t105において、制御回路は信号R及びVLを「H」レベルから「L」レベルに変化させ、また電圧VVを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ103及び106の各々は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
このとき、電圧VVが「L」レベルから「H」レベルに変化することにより、FD105の端子間電圧がVDD(「H」レベルの電圧)から昇圧され、VDD+αの電圧となる。
At time t 105 , the control circuit changes the signals R and VL from the “H” level to the “L” level, and the voltage VV from the “L” level to the “H” level.
Thereby, each of the
At this time, when the voltage VV changes from the “L” level to the “H” level, the voltage between the terminals of the
時刻t106において、制御回路は電圧VVから接続点Aに流れ出す電流を検出し、昇圧されたFD105の端子間電圧がゲートに印加されるMOSトランジスタ104に流れる電流を検出し、電流を電圧値に変換してリセット時の基準データとして記憶する。
At time t 106, the control circuit detects the current flowing from the voltage VV to the connection point A, the voltage between the terminals of FD105 boosted detects the current flowing through the
時刻t107において、制御回路は信号TXを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ102は、ゲートに「H」レベルが印加され、オン状態となる。そして、PD101が発生させて蓄積している電荷が、MOSトランジスタ102を介して、PD101のカソードよりポテンシャルの高いFD105に移動する。時刻t102からこの電荷の移動を行わせる現時点の時刻t107までがPDが照射した光に対応した電荷を発生し、この発生した電荷を蓄積する時間、すなわち露光時間となる。
この結果、露光時間内においてPD101に発生した電荷は、MOSトランジスタ102を介して転送されて、FD105に蓄積されることになる。
At time t107 , the control circuit changes the signal TX from the “L” level to the “H” level.
As a result, the
As a result, charges generated in the
時刻t108において、制御回路は信号TXを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ102は、ゲートに「L」レベルが印加され、オフ状態となる。このタイミングにおいて、制御回路は、PD101からFD105への電荷の転送が終了する。
そして、制御回路は、FD105に蓄積されている電荷の情報の読み出しを開始する。すなわち、制御回路は、FD105の端子間電圧に対応してMOSトランジスタ104に流れる電流を検出し、電流を電圧値に変換して露光時の露光データとする。また、制御回路は、露光データから基準データを減算して、CMOSセンサが受光した光量に対応する画像データを生成する。
At time t108 , the control circuit changes the signal TX from the “H” level to the “L” level.
As a result, the “L” level is applied to the gate of the
Then, the control circuit starts reading the information on the charges accumulated in the
時刻t109において、制御回路は、電圧VVを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、制御回路は、FD105に蓄積されている電荷の情報の読み出しを終了する。このとき、FD105の端子間電圧に対する昇圧処理が終了し、FD105の端子間電圧は時刻t104における電圧レベルに戻る。
At time t109 , the control circuit changes the voltage VV from the “H” level to the “L” level. As a result, the control circuit finishes reading the information on the charges accumulated in the
時刻t110において、制御回路は、信号R及び信号TXを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ103は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となる。また、MOSトランジスタ102は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となり
これにより、PD101に存在する電荷がMOSトランジスタ102及び103を介し、電源VDDへ電荷が移動することにより、PD101のリセット処理が行われる。
At time t 110, the control circuit changes the signal R and the signal TX from the "L" level to the "H" level.
As a result, the
時刻t111において、制御回路は信号TX及び電圧VDDを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ102は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
そして、MOSトランジスタ103は、FD105の電圧を「H」レベルから「L」レベルに低下させる。
この結果、制御回路は、CMOSセンサが電荷のデータを出力しない出力OFFの状態とする。
制御回路は、上述した読み出し処理を、マトリクス状に配置されたCMOSセンサに対して順番に行う。
At time t111 , the control circuit changes the signal TX and the voltage VDD from the “H” level to the “L” level. As a result, the
Then, the
As a result, the control circuit sets the output OFF state in which the CMOS sensor does not output charge data.
The control circuit sequentially performs the above-described reading process on the CMOS sensors arranged in a matrix.
例えば、図18は、図16のCMOSセンサを1画素として、CMOSセンサが2×2のマトリクス状に配置された固体撮像素子を有する固体撮像装置の構成を示す図である。この個体撮像装置には、CMOSセンサがマトリクスに配置された各列の選択を行うMOSトランジスタ1011、1012が設けられている。この図において、MOSトランジスタ1013及び1014は、Nチャネル型MOSトランジスタである。
タイミング発生回路200は、制御回路により制御され、垂直レジスタ201と水平レジスタ202との各々に対し、各CMOSセンサから露光データの読み出すタイミング信号VV1、VV2、タイミング信号ST1、ST2と、信号VLとを出力させる。
すなわち、垂直レジスタ201は、露光データを読み出す前に、信号VLを「H」レベルとし、MOSトランジスタ1013及び1014をオン状態とし、CMOSセンサP11からP22の各々におけるMOSトランジスタ104に接続された信号線を接地電位とするリセット動作を行う。そして、タイミング発生回路200は、露光データを読み出すタイミングにおいて、信号VLを「L」レベルとし、MOSトランジスタ1013及び1014をオフ状態とする。このリセット処理は、露光データを読み出す後述する周期毎に行われる。
For example, FIG. 18 is a diagram illustrating a configuration of a solid-state imaging device having a solid-state imaging device in which the CMOS sensor of FIG. 16 is one pixel and the CMOS sensors are arranged in a 2 × 2 matrix. This individual imaging device is provided with
The
That is, before reading the exposure data, the
また、垂直レジスタ201は、タイミング信号VV1、VV2を順次周期T1、T2(T1=T2)において、マトリクスにおける行のCMOSセンサのMOSトランジスタ104に供給する。また、水平レジスタ202は、いずれの列を選択するかを制御するタイミング信号ST1、ST2を、周期T1(T2)の1/2の周期である周期T11、T21において各列のMOSトランジスタ1011、1012に対して出力する。
したがって、周期T1において、タイミング信号VV1が出力され、周期T1における周期T12でCMOSセンサP11が選択され、周期T12でCMOSセンサP21が選択され、データが読み出される。
同様に、周期T2において、タイミング信号VV2が出力され、周期T2における周期T12でCMOSセンサP12が選択され、周期T22でCMOSセンサP22が選択され、データが読み出される。
Further, the
Therefore, the timing signal VV1 is output in the cycle T1, the CMOS sensor P11 is selected in the cycle T12 in the cycle T1, the CMOS sensor P21 is selected in the cycle T12, and data is read out.
Similarly, the timing signal VV2 is output in the cycle T2, the CMOS sensor P12 is selected in the cycle T12 in the cycle T2, the CMOS sensor P22 is selected in the cycle T22, and data is read out.
すでに述べたように、MOSトランジスタ104のゲート面積が縮小し、FD105の容量が減少したとしても、電荷を蓄積させる際に、各CMOSセンサのFD105の端子間電圧を昇圧している。
このため、電荷の蓄積量を増加させることができ、露光データのダイナミックレンジを拡大させ、露光データと基準データとの差分である画像データの劣化を抑制している。
As already described, even when the gate area of the
For this reason, the amount of accumulated charge can be increased, the dynamic range of the exposure data is expanded, and the deterioration of the image data, which is the difference between the exposure data and the reference data, is suppressed.
上述したローリングシャッタは、静止画を撮像する場合、グローバルシャッタに比較して、CMOSセンサを用いることで、少ない電力で、高速の読み出しを、低価格で実現することができる。
ところが、ローリングシャッタは、動画を撮像する場合、すでに述べたように、行毎にシャッタが切られることにより、露光のタイミングが行毎にずれてしまう。このため、ローリングシャッタは、素早く被写体を捉えたり、撮像装置をパンニングしたりすると、動く被写体がゆがんだり、画面にひずみがでるなどの欠点を有している。
The above-described rolling shutter can realize high-speed readout with low power and low cost by using a CMOS sensor as compared with a global shutter when capturing a still image.
However, in the rolling shutter, when capturing a moving image, the exposure timing is shifted for each row because the shutter is opened for each row as described above. For this reason, the rolling shutter has drawbacks such as when the subject is quickly captured or the imaging apparatus is panned, the moving subject is distorted or the screen is distorted.
この現象を防止するため、CMOSセンサに対しても、グローバルシャッタを用い、省電力でかつ動画を撮像する際の欠点を低減した撮像装置が用いられるようになってきた。
しかしながら、図18に示す撮像装置の行単位に昇圧を行う構成は、全画素のFD105の端子間電圧を同時に昇圧する必要があるグローバルシャッタに対応させることができない。すなわち、出力を選択するタイミング信号VV1及びVV2を同時に「H」レベルに変化させると、行毎に出力されるべき露光データの信号が合成されてしまうからである。
In order to prevent this phenomenon, an imaging apparatus that uses a global shutter, saves power, and reduces defects in capturing a moving image has come to be used for CMOS sensors.
However, the configuration in which the image pickup apparatus performs voltage boosting in units of rows shown in FIG. 18 cannot cope with a global shutter that needs to boost the voltage between terminals of the
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、CMOSセンサから構成され、このCMOSセンサにおける電荷蓄積を行うフローティングディヒュージョンの端子間電圧を昇圧させて、ダイナミックレンジを拡大させることが可能なグローバルシャッタ方式の固体撮像装置、撮像方法及びこの固体撮像装置を搭載した2足歩行ロボットを提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and its purpose is to increase the dynamic range by boosting the voltage between the terminals of a floating diffusion that is composed of a CMOS sensor and performs charge accumulation in this CMOS sensor. An object of the present invention is to provide a global shutter type solid-state imaging device, an imaging method, and a biped robot equipped with the solid-state imaging device.
この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、本発明の固体撮像装置は、複数のCMOSセンサ(例えば、実施形態におけるCMOSセンサ1、2、3、4、S11、S12、S21、S22)がマトリクス状に配置され、グローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置において、前記CMOSセンサは入射光を光電変換して電荷を発生し、発生した電荷を信号電荷として蓄積するフォトダイオード(例えば、実施形態におけるPD11)と、前記フォトダイオードから転送される前記信号電荷を蓄積するフローティングディヒュージョン部(例えば、実施形態におけるFD15)と、前記フォトダイオードと前記フローティングディヒュージョン部との間に介挿された、前記信号電荷を転送する転送トランジスタ(例えば、実施形態におけるMOSトランジスタ12)と、前記フローティングディヒュージョン部に蓄積された前記信号電荷に対応する信号電流を出力する増幅MOSトランジスタ(例えば、実施形態におけるMOSトランジスタ14)とを有し、固体撮像装置の全ての前記CMOSセンサにおいて、前記増幅MOSトランジスタの電源端子に信号電流用の電源を供給する電源線が共通に接続され、かつ前記転送トランジスタのゲート電極が共通に接続され、前記フォトダイオードから前記信号電荷を読み出す前に、前記フローティングディヒュージョン部の端子電圧を所定の電圧とした後、前記電源線に電源を印加し、前記CMOSセンサ各々の前記フローティングディヒュージョン部の端子電圧を、前記増幅MOSトランジスタのゲート電極と前記電源端子との容量により前記所定の電圧から同時に昇圧することを特徴とする。
この構成により、固体撮像装置の全てのCMOSセンサにおけるフローティングディフュージョン部の端子間電圧を一括して同時に昇圧させ、かつフローティングディフュージョン部を一括して昇圧させた後に、個体撮像装置の全てのCMOSセンサにおいて、フォトダイオードからフローティングディフュージョン部に信号電荷の転送を、一括して同時に行いグローバルシャッタ機能を持たせることができる。
このため、本発明によれば、CMOSセンサからなるグローバルシャッタ方式の固体撮像装置におけるフローティングディフュージョン部の電圧の昇圧動作が可能となり、露光された画像データのダイナミックレンジを、従来のグローバルシャッタ方式の撮像装置に対して広げることが可能となる。
The present invention has been made to solve the above-described problems, and a solid-state imaging device according to the present invention includes a plurality of CMOS sensors (for example,
With this configuration, the voltage between the terminals of the floating diffusion portion in all the CMOS sensors of the solid-state imaging device is boosted at the same time, and after the floating diffusion portion is boosted in a batch, in all the CMOS sensors of the individual imaging device, The signal charges can be transferred simultaneously from the photodiode to the floating diffusion portion at the same time, thereby providing a global shutter function.
For this reason, according to the present invention, it is possible to increase the voltage of the floating diffusion unit in a global shutter type solid-state imaging device composed of a CMOS sensor, and the dynamic range of the exposed image data can be changed to the conventional global shutter type imaging. It becomes possible to extend to the device.
本発明の固体撮像装置は、全てのCMOSセンサ(例えば、実施形態におけるCMOSセンサ1、2、3、4、S11、S12、S21、S22)における前記フローティングディヒュージョン部(例えば、実施形態におけるFD15)の端子間電圧を同時に昇圧し、前記端子間電圧が昇圧により飽和するタイミングにおいて前記信号電流を基準電流として順次検出し、基準電流の読み込みが終了した後、全てのCMOSセンサにおける前記転送トランジスタ(例えば、実施形態におけるMOSトランジスタ12)をオン状態として前記フォトダイオード(例えば、実施形態におけるPD11)から前記フローティングディヒュージョン部(例えば、実施形態におけるFD15)に前記信号電荷を転送させ、前記信号電荷転送後の前記信号電流を露光電流として順次検出する制御部(例えば、実施形態における制御部30)をさらに有することを特徴とする。
The solid-state imaging device of the present invention includes the floating diffusion portion (for example, FD15 in the embodiment) in all CMOS sensors (for example,
本発明の固体撮像装置は、前記増幅MOSトランジスタ(例えば、実施形態におけるMOSトランジスタ14)のゲート電極の対接地容量の容量値をCFDとし、当該増幅MOSトランジスタのゲート電極と前記電源が供給される端子との容量値をCVVとした場合、CVV>CFDとなるよう、前記増幅MOSトランジスタが形成されていることを特徴とする。
この構成により、容量値CFdに比較して容量値CVVが大きく設定されているため、電源が「L」レベルから「H」レベルに変化した際、容量値CVVが容量値CFdと同一あるいは容量値CVVが容量値CFdに対して小さい場合に比較し、より高くフローティングディフュージョン部の端子間電圧を昇圧させることができる。
このため、本発明によれば、容量値CVVが容量値CFdと同一あるいは容量値CVVが容量値CFdに対して小さい場合に比較し、フローティングディフュージョン部の端子間電圧を高くすることで、より画像データのダイナミックレンジを広げることができる。
In the solid-state imaging device of the present invention, the capacitance value of the ground capacitance of the gate electrode of the amplification MOS transistor (for example, the
With this configuration, the capacitance value CVV is set larger than the capacitance value CFd. Therefore, when the power supply changes from the “L” level to the “H” level, the capacitance value CVV is the same as the capacitance value CFd or the capacitance value. Compared with the case where CVV is smaller than the capacitance value CFd, the voltage between the terminals of the floating diffusion portion can be boosted higher.
For this reason, according to the present invention, compared with the case where the capacitance value CVV is the same as the capacitance value CFd or the capacitance value CVV is smaller than the capacitance value CFd, the voltage between the terminals of the floating diffusion portion is increased, so The dynamic range of data can be expanded.
本発明の固体撮像装置は、前記フローティングディヒュージョン部(例えば、実施形態におけるFD15)と電源との間に介挿されたリセットトランジスタ(例えば、MOSトランジスタ13)をさらに有し、前記制御部(例えば、実施形態における制御部30)が昇圧する前に、前記フローティングディヒュージョン部の端子間電圧を電源の電圧とするリセットを処理を行うことを特徴とする。 The solid-state imaging device of the present invention further includes a reset transistor (for example, a MOS transistor 13) interposed between the floating diffusion unit (for example, FD15 in the embodiment) and a power source, and the control unit (for example, for example) Further, before the control unit 30) in the embodiment boosts the voltage, the reset is performed with the voltage between the terminals of the floating diffusion unit as the voltage of the power supply.
本発明の固体撮像装置は、前記フォトダイオード(例えば、実施形態におけるPD11)が露光されることにより発生する前記信号電荷の蓄積を制御する、前記フォトダイオードと前記電源との間に設けられたドレイントランジスタ(例えば、実施形態におけるMOSトランジスタ21)をさらに有し、前記制御部(例えば、実施形態における制御部30)が露光により発生した前記信号電荷を前記フォトダイオードに蓄積しない場合、前記ドレイントランジスタをオン状態とし、前記電源に発生した前記信号電荷を転送することを特徴とする。
The solid-state imaging device according to the present invention includes a drain provided between the photodiode and the power source that controls accumulation of the signal charge generated when the photodiode (for example, the
本発明の固体撮像装置の撮像方法は、複数のCMOSセンサ(例えば、実施形態におけるCMOSセンサ1、2、3、4、S11、S12、S21、S22)がマトリクス状に配置され、グローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置の撮像方法において、前記CMOSセンサにおいて、フォトダイオード(例えば、実施形態におけるPD11)が入射光を光電変換して電荷を発生し、発生した電荷を信号電荷として蓄積し、前記フォトダイオードとフローティングディヒュージョン部(例えば、実施形態におけるFD15)との間に介挿された転送トランジスタ(例えば、MOSトランジスタ12)を介して、前記フォトダイオードから転送される前記信号電荷をフローティングディヒュージョン部に蓄積し、増幅MOSトランジスタが前記フローティングディヒュージョン部に蓄積された前記信号電荷に対応する信号電流を出力し、前記フォトダイオードから前記信号電荷を読み出す前の昇圧時に前記固体撮像装置の全ての前記CMOSセンサに対し、前記フローティングディヒュージョン部の端子電圧を所定の電圧とした後、前記増幅MOSトランジスタの電源が供給される端子に同時に電源電圧が供給され、前記CMOSセンサ各々の前記フローティングディヒュージョン部の端子電圧を、前記増幅MOSトランジスタのゲート電極と前記電源端子との容量により前記所定の電圧から同時に昇圧し、またシャッタ時に前記固体撮像装置の全ての前記転送トランジスタのゲート電極に対し、前記信号電荷を転送させる信号を印加することを特徴とする。
In the imaging method of the solid-state imaging device according to the present invention, a plurality of CMOS sensors (for example,
本発明の2足歩行ロボット(例えば、実施形態における2足歩行ロボット500)は、上記いずれかの固体撮像装置(例えば、実施形態における50L、50R)を搭載することを特徴とする。
この構成により、フローティングディフュージョン部の電圧を昇圧する機能を有するCMOSセンサからなる昇圧グローバルシャッタ方式の固体撮像装置を搭載した2足歩行ロボットが実現できる。
このため、本発明によれば、安価なCMOSセンサにより、ダイナミックレンジの広い画像データを取得することのできる固体撮像装置を用いることで、従来に比較して画像データの情報量を増加することが可能となり、より制御性が良く、かつ安価な2足歩行ロボットを提供することができる。
The biped walking robot of the present invention (for example, the
With this configuration, it is possible to realize a bipedal walking robot equipped with a step-up global shutter type solid-state imaging device including a CMOS sensor having a function of stepping up the voltage of the floating diffusion portion.
For this reason, according to the present invention, by using a solid-state imaging device capable of acquiring image data with a wide dynamic range with an inexpensive CMOS sensor, the amount of information of the image data can be increased as compared with the conventional case. This makes it possible to provide a biped walking robot with better controllability and lower cost.
請求項1及び請求項6に記載の発明によれば、固体撮像装置の全てのCMOSセンサにおけるフローティングディフュージョン部の端子間電圧を一括して同時に昇圧させ、かつフローティングディフュージョン部を一括して昇圧させた後に、個体撮像装置の全てのCMOSセンサにおいて、フォトダイオードからフローティングディフュージョン部に信号電荷の転送を、一括して同時に行いグローバルシャッタ機能を持たせることができる。
このため、請求項1及び請求項5に記載の発明は、CMOSセンサからなるグローバルシャッタ方式の固体撮像装置におけるフローティングディフュージョン部の電圧の昇圧動作が可能となり、露光された画像データのダイナミックレンジを、従来のグローバルシャッタ方式の撮像装置に対して広げることが可能となる。
According to the first and sixth aspects of the present invention, the inter-terminal voltages of the floating diffusion portions in all the CMOS sensors of the solid-state imaging device are boosted simultaneously and the floating diffusion portions are boosted collectively. Later, in all the CMOS sensors of the solid-state imaging device, signal charges can be transferred simultaneously from the photodiode to the floating diffusion portion so as to have a global shutter function.
For this reason, the invention according to
請求項2に記載の発明によれば、同時に一括してフォトダイオードからフローティングディフュージョンに信号電荷を転送させるため、ローリングシャッタ方式に比較して信号電荷の転送時間が短縮され、この短縮された時間をフローティングディフュージョンの端子間電圧の昇圧に必要な時間として使用することができる。
このため、請求項2に記載の発明は、固体撮像装置の全てのCMOSにおけるフローティングディフュージョン部の端子間電圧を昇圧するため、負荷が大きくなり昇圧に時間がかかるが、上述した短縮できる時間を昇圧の時間とするため、昇圧機能を有するローリングシャッタ方式のフレーム周期と同様のフレーム周期を実現することができる。
According to the second aspect of the present invention, since the signal charge is transferred from the photodiode to the floating diffusion at the same time, the transfer time of the signal charge is shortened compared with the rolling shutter method, and this shortened time is reduced. It can be used as the time required for boosting the voltage between the terminals of the floating diffusion.
For this reason, the invention according to
請求項3に記載の発明によれば、容量値CFdに比較して容量値CVVが大きく設定されているため、電源が「L」レベルから「H」レベルに変化した際、容量値CVVが容量値CFdと同一あるいは容量値CVVが容量値CFdに対して小さい場合に比較し、より高くフローティングディフュージョン部の端子間電圧を昇圧させることができる。
このため、請求項3に記載の発明は、容量値CVVが容量値CFdと同一あるいは容量値CVVが容量値CFdに対して小さい場合に比較し、フローティングディフュージョン部の端子間電圧を高くすることで、より画像データのダイナミックレンジを広げることができる。
According to the third aspect of the present invention, since the capacitance value CVV is set to be larger than the capacitance value CFd, the capacitance value CVV is the capacitance when the power supply changes from the “L” level to the “H” level. Compared with the case where the value is the same as the value CFd or the capacitance value CVV is smaller than the capacitance value CFd, the voltage across the terminals of the floating diffusion section can be boosted higher.
For this reason, the invention according to claim 3 is to increase the voltage between the terminals of the floating diffusion portion as compared with the case where the capacitance value CVV is the same as the capacitance value CFd or the capacitance value CVV is smaller than the capacitance value CFd. , The dynamic range of image data can be further expanded.
請求項4に記載の発明によれば、フローティングディフュージョン部の端子間電圧を一端電源電圧とすることにより、フォトダイオードから信号電荷が転送される前の状態を、常に同一の電圧レベルとすることができる。
このため、請求項4に記載の発明は、フローティングディフュージョン部の端子間電圧を一端電源電圧として、昇圧した後にリセット状態の基準データを取得する際、常に同一の電圧を基準データとすることができ、信号電荷によるレベル変化から得られる露光データとの差分から、常に精度の高い画像データを得ることができる。
According to the fourth aspect of the present invention, the voltage before the transfer of the signal charge from the photodiode is always set to the same voltage level by setting the voltage between the terminals of the floating diffusion portion as the power supply voltage. it can.
For this reason, the invention according to claim 4 can always use the same voltage as the reference data when acquiring the reference data in the reset state after boosting the voltage between the terminals of the floating diffusion portion as one power supply voltage. From the difference from the exposure data obtained from the level change caused by the signal charge, it is possible to always obtain highly accurate image data.
請求項5に記載の発明によれば、ドレイントランジスタがオン状態の場合、フォトトランジスタが発生する電荷を電源に転送することができる。
このため、請求項5に記載の発明、露光期間以外の期間、ドレイントランジスタをオフ状態とすることにより、フォトトランジスタが発生した電荷を蓄積させない制御、すなわち露光期間を容易に任意に制御することができる。
According to the fifth aspect of the present invention, when the drain transistor is on, the charge generated by the phototransistor can be transferred to the power supply.
For this reason, in the invention according to
請求項7に記載の発明によれば、フローティングディフュージョン部の電圧を昇圧する機能を有するCMOSセンサからなる昇圧グローバルシャッタ方式の固体撮像装置を搭載した2足歩行ロボットが実現できる。
このため、請求項7に記載の発明は、安価なCMOSセンサにより、ダイナミックレンジの広い画像データを取得することのできる固体撮像装置を用いることで、従来に比較して画像データの情報量を増加することが可能となり、より制御性が良く、かつ安価な2足歩行ロボットを提供することができる。
According to the seventh aspect of the present invention, it is possible to realize a biped walking robot equipped with a step-up global shutter type solid-state imaging device composed of a CMOS sensor having a function of stepping up the voltage of the floating diffusion portion.
For this reason, the invention described in claim 7 uses a solid-state imaging device capable of acquiring image data with a wide dynamic range by an inexpensive CMOS sensor, thereby increasing the amount of information of the image data as compared with the conventional case. Therefore, it is possible to provide a biped walking robot with better controllability and lower cost.
<第1の実施形態>
以下、図面を参照して、本発明の第1の実施形態について説明する。図1は、この発明の第1の実施形態によるグローバルシャッタ方式のCMOSセンサ1の構成例を示す概略ブロック図である。本実施形態においては、CMOSセンサ1が行及び列としてマトリクス状に配列された撮像部分及びこれを駆動する制御回路等を含んで固体撮像素子としている。
CMOSセンサ1は、固体撮像素子の1画素の基本単位であり、PD11、MOSトランジスタ12、13、14、17、FD15から構成されている。MOSトランジスタ12、13、14及び17は、例えばnチャネル型のMOSトランジスタである。
<First Embodiment>
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic block diagram showing a configuration example of a global shutter
The
PD11は、アノードが接地され、カソードがMOSトランジスタ12のソースに接続されており、光が照射されている期間において光電変換を行い、すなわち露光期間に光の照射量に対応して発生した信号電荷をカソードに蓄える。
The
フローティングディヒュージョン(FD)15は、MOSトランジスタ14のゲートの対接地容量で形成されている。
The floating diffusion (FD) 15 is formed by a grounding capacitance of the gate of the
MOSトランジスタ12は、ゲートに信号TXの配線が接続され、ドレインにMOSトランジスタ14のゲートが接続されている。MOSトランジスタ12は、ゲートに印加されている信号TXが「H」レベル(電源電圧)となるとオン状態となり、PD11に蓄積されている信号電荷をFD15に転送する。
The
MOSトランジスタ13は、ゲートに信号Rの配線が接続され、ドレインに電源線LVDDに接続され、ソースがMOSトランジスタ14のゲートに接続されている。MOSトランジスタ13は、信号Rが「H」レベルとなるとオン状態となり、MOSトランジスタ14のゲート電圧、すなわちFD15の端子間電圧を電源線LVDDの電圧と同様とする。
The
MOSトランジスタ14は、ドレインが電源線LVVに接続され、ソースがMOSトランジスタ17のドレインに接続されており、FD15に蓄積された信号電荷に対応する信号電流を出力する増幅MOSトランジスタである。
すなわち、MOSトランジスタ14は、FD15に蓄積された電荷により決定される電圧がゲートに印加され、ゲートに印加された電圧に対応した電流を信号電流として流す。
また、MOSトランジスタ14は、FD15の端子間電圧を昇圧する処理に用いられ、ドレインとゲート(ゲート電極)との間の容量(カップリング容量18)により、ドレインの電圧を上昇させることにより、ゲートの電圧を昇圧する。
The
That is, in the
The
ここで、FD15の容量値(すなわち、MOSトランジスタ14のゲートの対接地容量)をCFDとし、カップリング容量18の容量値をCVVとした場合、電源VVの電圧がΔVVV上昇した際のFD15の端子間電圧の昇圧量ΔVFDは、以下の(1)式により求められる。
ΔVFD=ΔVVV・CVV/(CFD+CVV) …(1)
MOSトランジスタ17は、ゲートが信号SLの配線に接続され、ソースが信号電流の出力端子となっている。
ここで、CVV>CFDとなるようにMOSトランジスタ14を形成する。
Here, when the capacitance value of the FD 15 (that is, the capacitance to the ground of the gate of the MOS transistor 14) is CFD and the capacitance value of the
ΔVFD = ΔVVV · CVV / (CFD + CVV) (1)
The
Here, the
MOSトランジスタ17は、ドレインがMOSトランジスタ14のソースに接続され、ソースがCMOSセンサから露光データなどをOutとして外部に出力する端子に接続され、選択されることによりFD15に蓄積された信号電荷に対応する信号電流を出力する増幅MOSトランジスタである。
すなわち、MOSトランジスタ17は、配線LVVの電圧VVを露光データの読み出す際に、選択され際においてFD15に蓄積された電荷による電流がVoutとして出力される。
The
That is, when the
次に、図2は、図1に示すCMOSセンサ1での信号電荷の転送を行う際の各動作におけるPD11、MOSトランジスタ12のゲート、FD15及びMOSトランジスタ13のゲートのポテンシャルエネルギーのレベルを示す図である。
図2(a)は、信号TX及び信号Rが「L」レベルであり、MOSトランジスタ12及び13がオフ状態(ゲートのポテンシャルエネルギーが低い状態)である場合のそれぞれのポテンシャルエネルギーのレベルを示している。このとき、PD11には光の照射量に対応する電荷が発生して蓄積されている。
Next, FIG. 2 is a diagram showing potential energy levels of the
FIG. 2A shows the respective potential energy levels when the signal TX and the signal R are at the “L” level and the
図2(b)は、PD11のリセットを行う場合を示しており、信号TX及び信号Rが「H」レベルとなり、MOSトランジスタ12及び13がオン状態(ゲートのポテンシャルエネルギーが高い状態)となっている。このため、PD11に蓄積されていた電荷がMOSトランジスタ12及び13のゲートを通過し、電源線LVDDに転送される。
この結果、PD11に蓄積された電荷を無くなり、PD11のリセットの処理が行われる。
FIG. 2B shows a case where the
As a result, the charge accumulated in the
図2(c)は、PD11のリセット後に、入射光の光量に対応して発生する信号電荷の蓄積を行う露光状態を示しており、信号TX及び信号Rが「L」レベルであり、MOSトランジスタ12及び13がオフ状態となっている。このため、PD11に発生した信号電荷は、位置するPD11のカソードのポテンシャルエネルギーがMOSトランジスタ12及び13のゲートより高いため移動することができず、PD11のカソードに蓄積されることになる。
FIG. 2C shows an exposure state in which signal charges generated corresponding to the amount of incident light are accumulated after the
図2(d)は、PD15の端子間電圧の昇圧を行った場合を示しており、このとき電源線LVVの電圧VVは「L」レベル(「H」レベルの電圧より低い所定の電圧値)から「H」レベルに変化している。すでに述べたように、電源線LVVの電圧が接地電圧(「L」レベル)から電源電圧(「H」レベル)に上昇したことにより、(1)で示すようにΔVFDに対応してFD15のポテンシャルエネルギーが高くなる。この結果、PD11からの信号電荷によるFD15の端子間電圧の変動量を広くすることができる。ここで、電圧VVは、後述するように、基準データが読み出される前において、すなわち昇圧される前において、昇圧に寄与させる電圧分、「H」レベルより低い電圧に設定されている。この予め設定される所定の低い電圧と、「H」レベルの電圧との差分が昇圧電圧としてΔVVVに寄与することになる。後述するたの実施形態も同様に、電圧VVは昇圧する前において、昇圧させる電圧分を「H」レベルの電圧より低い値に、制御部により制御される。
FIG. 2D shows a case where the voltage between terminals of the
図2(e)は、グローバルシャッタ処理において、PD11に蓄積された信号電荷をFD15に転送する場合を示している。このとき、信号TXが「H」レベルとなり、MOSトランジスタ12がオン状態であり、信号Rが「L」レベルとなり、MOSトランジスタ13がオフ状態である。このため、PD11に蓄積された信号電荷は、MOSトランジスタ12のゲートを通過し、FD15に移動して蓄積されることになる。そして、MOSトランジスタ14は、この信号電荷により変動したFD15の端子間電圧に対応した信号電流を制御回路(後述)に供給することとなる。
FIG. 2E shows a case where the signal charge accumulated in the
次に、図3は図1に示すCMOSセンサ1からデータを出力する動作例を示すタイミングチャートである。信号TX、R、SL、電源線LVVのレベル制御は、従来例と同様に図示しない制御部が行う。
時刻t1以前において、制御回路は、信号TX、R、SLを「L」レベルとし、電源線LVVの電位を「L」レベルとしている。また、電原線LVDDは常に「H」レベル、すなわち電圧VDDである。また、配線LVVの電圧VVの電圧値は、後述するように、昇圧処理のため、予め「H」レベルの電圧値より低い値(α)に設定されている。
時刻t1において、制御回路は信号TX及びRを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。また、制御回路は、MOSトランジスタ12及び13のゲートの電圧値をリセット時の電圧「L」レベルから「H」レベルに変化させて、MOSトランジスタ12及び13がオン状態となる。これにより、PD11に生成された電荷がMOSトランジスタ12及び13を介し、電源線LVDDへ電荷が移動することにより、PD11のリセット処理が(PD11の端子間電圧を「H」レベルの電圧とする)行われる。
Next, FIG. 3 is a timing chart showing an operation example of outputting data from the
At time t 1 earlier, the control circuit, signals TX, R, and SL is "L" level, and the potential of the power supply line LVV to "L" level. The power source line LVDD is always at the “H” level, that is, the voltage VDD. Further, as described later, the voltage value of the voltage VV of the wiring LVV is set to a value (α) lower than the “H” level voltage value in advance for the boosting process.
At time t 1, the control circuit changes the signal TX and R from the "L" level to the "H" level. Further, the control circuit changes the voltage value of the gates of the
時刻t2において、制御回路はリセット処理を終了させるため、信号TX及びRを「H」レベルから「L」レベル(接地電位)に変化させる。これにより、MOSトランジスタ12は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。また、MOSトランジスタ13は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
PD11は、リセット処理が終了した時点から、光が照射されることにで電荷を発生し、発生した電荷を自身に蓄積する。ここから露光、すなわち照射された光量に対応する信号電荷の蓄積が開始される。
In time t 2, the control circuit to end the reset process, changes the signal TX and R from the "H" level to the "L" level (ground potential). As a result, the “L” level is applied to the gate of the
The
時刻t3において、制御回路は信号Rを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ13は、ゲートに「H」レベルが印加され、オン状態となる。
そして、MOSトランジスタ13を介して、FD15から電源線LVDDに対して電荷が移動し、FD15の電圧が電源線LVDDと同様に「H」レベル(電圧VDD)となる。この結果、FD15は信号電荷が蓄積されていない状態、すなわちリセットされた状態となる。
At time t 3 , the control circuit changes the signal R from the “L” level to the “H” level. As a result, the
Then, charges move from the
時刻t4において、制御回路は信号Rを「H」レベルから「L」レベルに変化させるとともに、電源線LVVの電圧を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ13は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
また、FD15の端子間電圧は、電源線LVVが例えば電圧VDDに上昇することにより、電圧VDDからすでに説明した(1)式から求められる昇圧量ΔVFDが上昇する。
この結果、FD15は蓄積される信号電荷に対する容量が増加し、FD15の端子間電圧における信号電荷による変化量の幅を大きくすることとなり、MOSトランジスタ14から得られる信号電流のダイナミックレンジを広げる(増加させる)ことになる。
At time t 4, the control circuit causes changes the signal R from the "H" level to the "L" level, and changes the voltage of the power line LVV from the "L" level to the "H" level.
As a result, the “L” level is applied to the gate of the
Further, the voltage between terminals of the
As a result, the capacity of the
時刻t5において、制御回路は何ら処理を行わない。
時刻t4から時刻t5までは、電源線LVVの電圧VVが「L」レベルから「H」レベルに変化するまでの遅延時間として設けられている。すなわち、この遅延時間は、FDD15の端子間電圧が昇圧されて飽和されるまでの時間である。
後述するが、本実施形態による固体撮像素子は、グローバルシャッタ型であるため、固体撮像素子における全てCMOSセンサ1のMOSトランジスタ14のドレインに接続された電源線LVVの電圧を、「L」レベル(予め設定された「H」レベルから昇圧に寄与させる電圧分低い電圧)から「H」レベルに上昇させる必要がある。
しかしながら、この電源線LVVの容量は大きいため、短時間においては「H」レベルまで上昇しない。電圧VDDで飽和するまで、信号電荷が転送されていない、リセットレベルの信号電流を読み出すことができないので、電源線LVVの電圧VVが予め設定した「H」レベルの電圧より低い電圧から「H」レベル(電源の電圧VDD)となるまで待機状態となる。
At time t 5, the control circuit does not not perform any processing.
From time t 4 to time t 5, the voltage VV of the power supply line LVV is provided as a delay time until changes from "L" level to the "H" level. That is, this delay time is a time until the voltage between the terminals of the
As will be described later, since the solid-state imaging device according to the present embodiment is a global shutter type, the voltage of the power supply line LVV connected to the drain of the
However, since the capacity of power supply line LVV is large, it does not rise to “H” level in a short time. Since the signal current at the reset level in which no signal charge is transferred cannot be read out until the voltage VDD is saturated, the voltage VV of the power supply line LVV is changed from the voltage lower than the preset “H” level voltage to “H”. It will be in a standby state until it reaches a level (power supply voltage VDD).
時刻t6において、制御回路は、電圧VDDが「H」レベルとなった後、信号SLを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートに「H」レベルが印加され、オン状態となる。MOSトランジスタ14は、ゲートに印加されている、リセットレベルのFD15の端子間電圧に対応する信号電流を流す。
そして、このタイミングにおいて、制御回路は、MOSトランジスタ17を介して、CMOSセンサ1のリセットレベルの信号電流を検出する。
At time t 6, the control circuit, after the voltage VDD becomes "H" level and changes the signal SL from the "L" level to the "H" level. As a result, the
At this timing, the control circuit detects the signal current at the reset level of the
すなわち、制御回路は、昇圧されたFD15の端子間電圧がゲートに印加されるMOSトランジスタ14に流れる信号電流を検出し、この信号電流を電圧値に変換してリセットレベルにおける基準データとして、外部の記憶装置に書き込んで記憶させる。
ここで、時刻t4から時刻t6までの時間が、すでに述べた電源線LVVが電圧VDDとなるまで待機状態の総計の時間となる。この総計の時間は、例えば、実際に電源線LVVの電圧VVが電圧VDDに上昇するまでの時間を測定して設定する。
That is, the control circuit detects a signal current flowing through the
Here, the time from time t 4 to time t 6 is the power line LVV already mentioned the time of total wait state until the voltage VDD. The total time is set, for example, by measuring the time until the voltage VV of the power supply line LVV actually rises to the voltage VDD.
時刻t7において、制御回路は信号SLを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
At time t 7, the control circuit changes the signal SL from the "H" level to the "L" level. As a result, the “L” level is applied to the gate of the
時刻t8において、制御回路は信号TXを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ12は、ゲートに「H」レベルが印加され、オン状態となる。
そして、PD11が発生させて蓄積している電荷が、MOSトランジスタ12を介して、PD11のカソードよりポテンシャルの高いFD15に転送される。このため、時刻t2からこの電荷の移動を行わせる現時点の時刻t8までがPD11が照射した光に対応した電荷を発生し、この発生した電荷を蓄積する時間、すなわち露光時間となる。
この結果、露光時間内においてPD11が発生して蓄積した電荷は、MOSトランジスタ12を介して転送されて、FD15に蓄積されることになる。
すなわち、PD11に蓄積されている信号電荷が、PD11からFD15へ転送され、FD15の端子間電圧が信号電荷の電荷量に応じて変化する。
また、時刻t7から時刻t8までの期間は、制御部が固体撮像素子の他のCMOSセンサ1の基準データを読み取る時間である。
At time t 8, the control circuit changes the signal TX from the "L" level to the "H" level. As a result, the
Then, the charge generated and accumulated by the
As a result, the charge generated and accumulated by the
That is, the signal charge accumulated in the
Further, the period from time t 7 to the time t 8, the control unit is the time to read the other reference data of the
時刻t9において、制御回路は信号TXを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ12は、ゲートに「L」レベルが印加され、オフ状態となる。このタイミングにおいて、制御回路は、PD11からFD15への電荷の転送を終了させる。
At time t 9, the control circuit changes the signal TX from the "H" level to the "L" level.
As a result, the “L” level is applied to the gate of the
時刻t10において、制御回路は信号SLを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となる。このとき、MOSトランジスタ17は、MOSトランジスタ14からドレインに流れ込む信号電流を、ソースから流し出す状態となる。
そして、制御回路は、FD15に蓄積されている電荷の情報の読み出しを開始する。すなわち、制御回路は、FD15の端子間電圧に対応してMOSトランジスタ14に流れる信号電流を、MOSトランジスタ17を介して検出し、この信号電流を電圧値に変換して露光時の露光データとする。また、制御回路は、露光データから、このCMOSセンサ1に対応して記憶されている基準データを減算し、CMOSセンサ1が受光した光量に対応する画像データを生成する。
At time t 10, the control circuit changes the signal SL from the "L" level to the "H" level.
As a result, the
Then, the control circuit starts reading the information on the charges accumulated in the
時刻t11において、制御回路は、信号SLを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
これにより、制御回路は、CMOSセンサ1からの露光データの読み出しを終了する。また、制御回路は、固体撮像素子における他のCMOSセンサからの露光データの読み出しが終了するまで、電源線LVVの電圧レベルを「H」レベルに維持させておく。
そして、制御回路は、固体撮像素子における全てのCMOSセンサ1から、露光データの読み出しが終了したタイミングにおいて、電源線VLLの電圧レベルを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。
時刻t9から時刻t11までの期間において、制御回路は固体撮像素子における全てのCMOSセンサ1から露光データの読み出しの処理を行う。制御装置は、上述した時刻t1から時刻t11までの処理を繰り返して行うことにより、動画の画像データを生成する。
At time t 11, the control circuit changes the signal SL from the "H" level to the "L" level.
As a result, the “L” level is applied to the gate of the
As a result, the control circuit finishes reading the exposure data from the
Then, the control circuit changes the voltage level of the power supply line VLL from the “H” level to the “L” level at the timing when reading of exposure data from all the
During the period from time t 9 to the time t 11, the control circuit performs processing of reading the exposure data from all the
次に、図4は本実施形態における図1のCMOSセンサ1を用いた、グローバルシャッタ型の固体撮像素子の構成例を示す図である。この固体撮像素子は、縦n個×横m個のマトリクス状に、複数のCMOSセンサ(上述したCMOSセンサ1)が配列されて構成される。本実施形態においては、一例として、図4に示すように、マトリクス状に縦2個×横2個に配列された4個のCMOSセンサからなる固体撮像素子を例として以下説明する。
本実施形態の固体撮像素子は、CMOSセンサS11、S12、S21及びS22、MOSトランジスタ181、182、タイミング発生回路20、垂直レジスタ21、水平例ジスタ22、制御回路30(すでに述べた図示しない制御回路と同様)を有している。ここで、CMOSセンサS11、S12、S21及びS22の各々は、図1のCMOSセンサ1と同様の構成である。
Next, FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of a global shutter type solid-state imaging device using the
The solid-state imaging device of this embodiment includes CMOS sensors S11, S12, S21 and S22,
MOSトランジスタ181は、ドレインがCMOSセンサS11及びS12におけるMOSトランジスタ17のソースに接続されている。
MOSトランジスタ182は、ドレインがCMOSセンサS21及びS22におけるMOSトランジスタ17のソースに接続されている。
これらMOSトランジスタ181及び182の各々は、ソースが共通に接続され、CMOSセンサのマトリクスにおけるいずれの列の出力(Out、露光データあるいは基準データ)を選択するために用いられる。
The drain of the
The drain of the
Each of these
タイミング発生回路20は、制御回路30により制御され、固体撮像素子から画像データを出力する際、垂直レジスタ21と水平レジスタ22との各々に、それぞれタイミング信号SL1、SL2、タイミング信号ST1、ST2を出力させる。
垂直レジスタ21は、CMOSセンサS11及びS21におけるMOSトランジスタ17のゲートに対して信号SL1を出力し、またCMOSセンサS12及びS22におけるMOSトランジスタ17のゲートに対して信号SL2を出力する。
水平レジスタ22は、MOSトランジスタ181のゲートに信号ST1を供給し、MOSトランジスタ182のゲートに信号ST2を供給する。
The
The
The
電源線LVDDは、電圧VDD(「H」レベルの電圧)を供給する配線であり、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおけるMOSトランジスタ13のドレインに対して共通に接続されている。
電源線LVVは、電圧VV(「H」レベルまたは予め設定された当該「H」レベルの電圧より低い「L」レベルのいずれか)を供給する配線であり、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおけるMOSトランジスタ14のドレインに対して共通に接続されている。
信号線LRは、信号Rを供給する配線であり、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおけるMOSトランジスタ13のゲートに対して共通に接続されている。
信号線LTXは、信号TXを供給する配線であり、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおけるMOSトランジスタ12のゲートに対して共通に接続されている。
The power supply line LVDD is a wiring that supplies the voltage VDD (“H” level voltage), and is connected in common to the drains of the
The power supply line LVV is a wiring for supplying a voltage VV (either “H” level or “L” level lower than a preset voltage of the “H” level). The drains of the
The signal line LR is a wiring for supplying the signal R, and is connected in common to the gates of the
The signal line LTX is a wiring for supplying the signal TX, and is connected in common to the gates of the
次に、図5は、図4のグローバルシャッタ型の固体撮像素子の動作例を示すタイミングチャートである。
タイミング発生回路20、信号R、信号TX、電圧VVの制御は、図示しない制御回路30が行う。時刻t21以前において、画像データの読み出し前であるため、制御回路30は、信号R、TX、電源VV及びタイミング信号SL1、SL2、ST1、ST2を「L」レベルとしている。
以下、図5のタイミングチャートを用いて、図4の固体撮像素子の動作を説明する。
Next, FIG. 5 is a timing chart showing an operation example of the global shutter type solid-state imaging device of FIG.
The control circuit 30 (not shown) controls the
Hereinafter, the operation of the solid-state imaging device of FIG. 4 will be described with reference to the timing chart of FIG.
時刻t21において、制御回路30は信号TX及びRを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおけるMOSトランジスタ12及びMOSトランジスタ13が同時にオン状態となる。
この結果、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおけるPD11及びFD15がリセット処理され、信号電荷が蓄積されていない初期状態(電圧VDD)となる。すなわち、固体撮像素子における全てのMOSセンサが同時にリセット処理される。
At time t 21, the
As a result, the
時刻t22において、制御回路30は信号TX及びRを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおけるMOSトランジスタ12及び13のゲートに「L」レベルが印加され、オフ状態となる。制御回路30は、固体撮像素子におけるCMOSセンサのリセット処理を終了する。
また、制御回路30は電源線LVVの電圧VVを「L」レベルから「H」レベルに変化させ、FD15の端子間電圧の昇圧を開始する。すでに述べたように、電源線LVVは、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおけるMOSトランジスタ14のドレインに接続されている。このため、制御回路30は大きな容量に対して電流を供給する必要があり、電源線VLLの電圧VVを「H」レベルとするために長い時間が必要となる。
At time t 22, the
Further, the
時刻t23において、制御回路30はタイミング発生回路20に対し、タイミング発生回路20が垂直レジスタ21及び水平レジスタ22に対する制御を開始することを指示するタイミング制御信号を出力する。時刻t22から時刻t23までの時間は、電源線LVVの電圧が「H」レベルに到達(飽和)するまでの昇圧時間として設定されている。制御回路30は、この昇圧時間が経過したことを内部タイマにより計測し、昇圧時間が経過した後、リセットレベルにおける信号電流(昇圧後のFD15の端子間電圧に対応してMOSトランジスタ14に流れる電流)の読み出し処理を開始する。
At time t 23, the
タイミング制御信号が入力されると、タイミング発生回路20は、垂直レジスタ21に対し、信号SL1を「H」レベルとする制御信号を出力する。そして、垂直レジスタ21は、信号SL1を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。CMOSセンサS11及びS21におけるMOSトランジスタ17のゲートに「H」レベルが印加されることになり、CMOSセンサS11及びS21におけるMOSトランジスタ17がオン状態となる。
すなわち、固体撮像素子のCMOSセンサのマトリクスにおいて、信号SL1により、CMOSセンサS11及びS21の行が、基準データの読み出しを行う対象として選択されたことになる。
ここで、タイミング発生回路20は、信号SL1を「H」レベルとする制御信号を出力してから、内部タイマーにより時間のカウントを開始する。
When the timing control signal is input, the
That is, in the CMOS sensor matrix of the solid-state imaging device, the rows of the CMOS sensors S11 and S21 are selected as targets for reading the reference data by the signal SL1.
Here, the
時刻t24において、タイミング発生回路20は、カウントしている時間がT11になると、水平レジスタ22に対し、信号ST1を「H」レベルとする制御信号を出力する。そして、水平レジスタ22は、信号ST1を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ181は、ゲートに「H」レベルが印加されてオン状態となる。
この結果、信号SL1及び信号ST1がともに「H」レベルとなることにより、CMOSセンサS11のMOSトランジスタ17及び181がオン状態となることにより、リセットレベルの信号電流の検出対象の画素としてCMOSセンサS11が選択されたことになる。
そして、制御回路30は、CMOSセンサS11におけるMOSトランジスタ14が流す信号電流を、MOSトランジスタ17及び181を介して検出する。検出後、制御回路30は、信号電流を基準データに変換し、CMOSセンサS11の基準データとして外部の記憶装置において、CMOSセンサS11の基準データを設定するアドレスに書き込んで記憶させる。
At time t 24 , the
As a result, both the signal SL1 and the signal ST1 are set to the “H” level, and the
Then, the
時刻t25において、タイミング発生回路20は、カウントしている時間がT21になると、水平レジスタ22に対し、信号ST1を「L」レベルとし、信号ST2を「H」レベルとする制御信号を出力する。そして、水平レジスタ22は、信号ST1を「H」レベルから「L」レベルに変化させ、信号ST2を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ181は、ゲートに「L」レベルが印加されてオフ状態となる。また、MOSトランジスタ182は、ゲートに「H」レベルが印加されてオン状態となる。
この結果、信号SL1及び信号ST2がともに「H」レベルとなることにより、CMOSセンサS21におけるMOSトランジスタ17及び182がオン状態となることにより、リセットレベルの信号電流の検出対象の画素としてCMOSセンサS21が選択されたことになる。
そして、制御回路30は、CMOSセンサS21におけるMOSトランジスタ14が流す信号電流を、MOSトランジスタ17及び182を介して検出する。検出後、制御回路30は、信号電流(図4のOut)を基準データに変換し、CMOSセンサS21の基準データとして外部の記憶装置において、CMOSセンサS21の基準データを設定するアドレスに書き込んで記憶させる。
At time t 25 , when the counting time reaches
As a result, both the signal SL1 and the signal ST2 are set to the “H” level, and the
The
時刻t26において、タイミング発生回路20は、カウントしている時間がT2になると、垂直レジスタ21に対して信号SL1を「L」レベルとし、水平レジスタ22に対して信号ST2を「L」レベルとする制御信号を出力する。これにより、MOSトランジスタ182とCMOSセンサS11及びS21におけるMOSトランジスタ17とは、ゲートに「L」レベルが印加されることにより、オフ状態となる。
また、タイミング発生回路20は、垂直レジスタ21に対して、信号SL1を「H」レベルとする制御信号を出力する。
At time t 26 , the
The
そして、垂直レジスタ21は、信号SL1を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。CMOSセンサS12及びS22におけるMOSトランジスタ17のゲートに「H」レベルが印加されることになり、CMOSセンサS12及びS22におけるMOSトランジスタ17がオン状態となる。
すなわち、固体撮像素子のCMOSセンサのマトリクスにおいて、信号SL2により、CMOSセンサS12及びS22の行が、基準データの読み出しを行う対象として選択されたことになる。
Then, the
That is, in the CMOS sensor matrix of the solid-state imaging device, the rows of the CMOS sensors S12 and S22 are selected by the signal SL2 as targets for reading the reference data.
時刻t27において、タイミング発生回路20は、カウントしている時間がT12になると、水平レジスタ22に対し、信号ST1を「H」レベルとする制御信号を出力する。そして、水平レジスタ22は、信号ST1を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ181は、ゲートに「H」レベルが印加されてオン状態となる。
この結果、信号SL2及び信号ST1がともに「H」レベルとなることにより、CMOSセンサS12のMOSトランジスタ17及び181がオン状態となることにより、リセットレベルの信号電流の検出対象の画素としてCMOSセンサS12が選択されたことになる。
そして、制御回路30は、CMOSセンサS12におけるMOSトランジスタ14が流す信号電流を、MOSトランジスタ17及び181を介して検出する。検出後、制御回路30は、信号電流を基準データに変換し、CMOSセンサS12の基準データとして外部の記憶装置において、CMOSセンサS12の基準データを設定するアドレスに書き込んで記憶させる。
At time t 27 , the
As a result, when both the signal SL2 and the signal ST1 are set to the “H” level, and the
Then, the
時刻t28において、タイミング発生回路20は、カウントしている時間がT22になると、水平レジスタ22に対し、信号ST1を「L」レベルとし、信号ST2を「H」レベルとする制御信号を出力する。そして、水平レジスタ22は、信号ST1を「H」レベルから「L」レベルに変化させ、信号ST2を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ181は、ゲートに「L」レベルが印加されてオフ状態となる。また、MOSトランジスタ182は、ゲートに「H」レベルが印加されてオン状態となる。
この結果、信号SL2及び信号ST2がともに「H」レベルとなることにより、CMOSセンサS22におけるMOSトランジスタ17及び182がオン状態となることにより、リセットレベルの信号電流の検出対象の画素としてCMOSセンサS22が選択されたことになる。
そして、制御回路30は、CMOSセンサS22におけるMOSトランジスタ14が流す信号電流を、MOSトランジスタ17及び182を介して検出する。検出後、制御回路30は、信号電流を基準データに変換し、CMOSセンサS22の基準データとして外部の記憶装置において、CMOSセンサS22の基準データを設定するアドレスに書き込んで記憶させる。
At time t 28 , when the counting time reaches
As a result, when both the signal SL2 and the signal ST2 are set to the “H” level, and the
Then, the
時刻t29において、タイミング発生回路20は、カウントしている時間がT3になると、垂直レジスタ21に対して信号SL2を「L」レベルとする制御信号を出力するとともに、水平レジスタ22に対して信号ST2を「L」レベルとする制御信号を出力する。そして、垂直レジスタ21は信号SL2を「H」レベルから「L」レベルに変化させ、水平レジスタ22は信号ST2を「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、CMOSセンサS12及びS22におけるMOSトランジスタ17は、ゲートに「L」レベルが印加されてオフ状態となる。また、MOSトランジスタ182は、ゲートに「L」レベルが印加されてオフ状態となる。
また、タイミング発生回路20は、固体撮像素子の全てのCMOSセンサの読み出しが終了したことを示す終了信号を、制御回路30に対して出力する。
そして、制御回路30は、終了信号が供給されると、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおいて、PD11からFD15への信号電荷の転送を行うため、信号TXを「L」レベルから「H」レベルへ変化させる。これにより、CMOSセンサS11、S21、S12及びS22におけるMOSトランジスタ12は、同時にゲートに「H」レベルが印加されてオン状態となる。
そして、CMOSセンサS11、S21、S12及びS22において、PD11が照射された光量に対応して発生し蓄積した信号電荷が、MOSトランジスタ12を介して、FD15に転送され、FD15において信号電荷が蓄積される。
At time t 29 , when the counting time reaches T 3, the
In addition, the
Then, when the end signal is supplied, the
In the CMOS sensors S11, S21, S12, and S22, the signal charges generated and accumulated corresponding to the amount of light irradiated on the
時刻t30において、制御回路30はタイミング発生回路20に対し、タイミング発生回路20が垂直レジスタ21及び水平レジスタ22に対する制御を開始することを指示するタイミング制御信号を出力する。
すなわち、制御回路30は、FD15に蓄積されている、時刻t22から時刻t29までの時間における露光により得られた信号電荷に対応する信号電流(信号電荷転送後のFD15の端子間電圧に対応してMOSトランジスタ14に流れる電流)の読み出し処理を開始する。
At time t 30 , the
That is, the
タイミング制御信号が入力されると、タイミング発生回路20は、垂直レジスタ21に対し、信号SL1を「H」レベルとする制御信号を出力する。そして、垂直レジスタ21は、信号SL1を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。CMOSセンサS11及びS21におけるMOSトランジスタ17のゲートに「H」レベルが印加されることになり、CMOSセンサS11及びS21におけるMOSトランジスタ17がオン状態となる。
すなわち、固体撮像素子のCMOSセンサのマトリクスにおいて、信号SL1により、CMOSセンサS11及びS21の行が、露光データの読み出しを行う対象として選択されたことになる。
ここで、タイミング発生回路20は、信号SL1を「H」レベルとする制御信号を出力してから、内部タイマーにより時間のカウントを開始する。
When the timing control signal is input, the
That is, in the CMOS sensor matrix of the solid-state imaging device, the rows of the CMOS sensors S11 and S21 are selected as targets for reading exposure data by the signal SL1.
Here, the
時刻t31において、タイミング発生回路20は、カウントしている時間がT11になると、水平レジスタ22に対し、信号ST1を「H」レベルとする制御信号を出力する。そして、水平レジスタ22は、信号ST1を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ181は、ゲートに「H」レベルが印加されてオン状態となる。
この結果、信号SL1及び信号ST1がともに「H」レベルとなることにより、CMOSセンサS11のMOSトランジスタ17及び181がオン状態となることにより、露光により発生した信号電荷に対応した信号電流の検出対象の画素としてCMOSセンサS11が選択されたことになる。
そして、制御回路30は、CMOSセンサS11におけるMOSトランジスタ14が流す信号電流を、MOSトランジスタ17及び181を介して検出する。検出後、制御回路30は、信号電流を露光データに変換し、CMOSセンサS11の基準データを外部の記憶装置から読み出し、露光データから基準データを減算し、減算結果を画像データとして外部の記憶装置において、CMOSセンサS11の画像データを設定するアドレスに書き込んで記憶させる。
At time t 31, the
As a result, when both the signal SL1 and the signal ST1 are set to the “H” level, and the
Then, the
時刻t32において、タイミング発生回路20は、カウントしている時間がT21になると、水平レジスタ22に対し、信号ST1を「L」レベルとし、信号ST2を「H」レベルとする制御信号を出力する。そして、水平レジスタ22は、信号ST1を「H」レベルから「L」レベルに変化させ、信号ST2を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ181は、ゲートに「L」レベルが印加されてオフ状態となる。また、MOSトランジスタ182は、ゲートに「H」レベルが印加されてオン状態となる。
この結果、信号SL1及び信号ST2がともに「H」レベルとなることにより、CMOSセンサS21におけるMOSトランジスタ17及び182がオン状態となることにより、露光により発生した信号電荷に対応した信号電流の検出対象の画素としてCMOSセンサS21が選択されたことになる。
そして、制御回路30は、CMOSセンサS21におけるMOSトランジスタ14が流す信号電流を、MOSトランジスタ17及び182を介して検出する。検出後、制御回路30は、信号電流を露光データに変換し、CMOSセンサS21の基準データを外部の記憶装置から読み出し、露光データから基準データを減算し、減算結果を画像データとして外部の記憶装置において、CMOSセンサS21の画像データを設定するアドレスに書き込んで記憶させる。
At time t 32, the
As a result, when both the signal SL1 and the signal ST2 are set to the “H” level, and the
The
時刻t33において、タイミング発生回路20は、カウントしている時間がT2になると、垂直レジスタ21に対して信号SL1を「L」レベルとし、水平レジスタ22に対して信号ST2を「L」レベルとする制御信号を出力する。これにより、MOSトランジスタ182とCMOSセンサS11及びS21におけるMOSトランジスタ17とは、ゲートに「L」レベルが印加されることにより、オフ状態となる。
また、タイミング発生回路20は、垂直レジスタ21に対して、信号SL1を「H」レベルとする制御信号を出力する。
At time t 33 , when the counting time reaches
The
そして、垂直レジスタ21は、信号SL1を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。CMOSセンサS12及びS22におけるMOSトランジスタ17のゲートに「H」レベルが印加されることになり、CMOSセンサS12及びS22におけるMOSトランジスタ17がオン状態となる。
すなわち、固体撮像素子のCMOSセンサのマトリクスにおいて、信号SL2により、CMOSセンサS12及びS22の行が、露光データの読み出しを行う対象として選択されたことになる。
Then, the
That is, in the CMOS sensor matrix of the solid-state imaging device, the rows of the CMOS sensors S12 and S22 are selected by the signal SL2 as the target for reading the exposure data.
時刻t34において、タイミング発生回路20は、カウントしている時間がT12になると、水平レジスタ22に対し、信号ST1を「H」レベルとする制御信号を出力する。そして、水平レジスタ22は、信号ST1を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ181は、ゲートに「H」レベルが印加されてオン状態となる。
この結果、信号SL2及び信号ST1がともに「H」レベルとなることにより、CMOSセンサS12のMOSトランジスタ17及び181がオン状態となることにより、露光により発生した信号電荷に対応した信号電流の検出対象の画素としてCMOSセンサS12が選択されたことになる。
そして、制御回路30は、CMOSセンサS12におけるMOSトランジスタ14が流す信号電流を、MOSトランジスタ17及び181を介して検出する。検出後、制御回路30は、信号電流を露光データに変換し、CMOSセンサS12の基準データを外部の記憶装置から読み出し、露光データから基準データを減算し、減算結果を画像データとして外部の記憶装置において、CMOSセンサS12の画像データを設定するアドレスに書き込んで記憶させる。
At time t 34 , the
As a result, when both the signal SL2 and the signal ST1 are set to the “H” level, and the
Then, the
時刻t35において、タイミング発生回路20は、カウントしている時間がT22になると、水平レジスタ22に対し、信号ST1を「L」レベルとし、信号ST2を「H」レベルとする制御信号を出力する。そして、水平レジスタ22は、信号ST1を「H」レベルから「L」レベルに変化させ、信号ST2を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ181は、ゲートに「L」レベルが印加されてオフ状態となる。また、MOSトランジスタ182は、ゲートに「H」レベルが印加されてオン状態となる。
この結果、信号SL2及び信号ST2がともに「H」レベルとなることにより、CMOSセンサS22におけるMOSトランジスタ17及び182がオン状態となることにより、露光により発生した信号電荷に対応した信号電流の検出対象の画素としてCMOSセンサS22が選択されたことになる。
そして、制御回路30は、CMOSセンサS22におけるMOSトランジスタ14が流す信号電流を、MOSトランジスタ17及び182を介して検出する。検出後、制御回路30は、信号電流を露光データに変換し、CMOSセンサS22の基準データを外部の記憶装置から読み出し、露光データから基準データを減算し、減算結果を画像データとして外部の記憶装置において、CMOSセンサS22の画像データを設定するアドレスに書き込んで記憶させる。
上述した時刻t21から時刻t41までが1フレーム、すなわち固体撮像素子の全てのCMOSセンサの画像データの取得処理となる。
At time t 35 , when the counting time reaches
As a result, when both the signal SL2 and the signal ST2 are set to the “H” level, and the
Then, the
From time t 21 to time t 41 described above is one frame, that is, image data acquisition processing for all CMOS sensors of the solid-state imaging device.
時刻t41において、タイミング発生回路20は、カウントしている時間がT3になると、垂直レジスタ21に対して信号SL2を「L」レベルとする制御信号を出力するとともに、水平レジスタ22に対して信号ST2を「L」レベルとする制御信号を出力する。そして、垂直レジスタ21は信号SL2を「H」レベルから「L」レベルに変化させ、水平レジスタ22は信号ST2を「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、CMOSセンサS12及びS22におけるMOSトランジスタ17は、ゲートに「L」レベルが印加されてオフ状態となる。また、MOSトランジスタ182は、ゲートに「L」レベルが印加されてオフ状態となる。
また、タイミング発生回路20は、固体撮像素子の全てのCMOSセンサから露光データの読み出しが終了したことを示す読出終了信号を、制御回路30に対して出力する。
そして、制御回路30は、読出終了信号が供給されると、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおいて、PD11及びFD15のリセット処理を行うため、制御回路30は信号TX及びRを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおけるMOSトランジスタ12及びMOSトランジスタ13が同時にオン状態となる。
この結果、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおけるPD11及びFD15がリセット処理され、信号電荷が蓄積されていない初期状態となる。
At time t 41 , when the counting time reaches T 3, the
Further, the
When the readout end signal is supplied, the
As a result, the
時刻t42から時刻t61までは、すでに説明した時刻t22から時刻t41の処理と同様である。以降、時刻t41から時刻t55までの処理が繰り返され、動画像の各フレームの画像データが固体撮像素子により取得される。本実施形態においては、CMOSセンサを2×2のマトリクスにより配置した個体撮像装置により説明を行ったが、撮像する画像の分解能に対応して、マトリクス状に配置するCMOSセンサの数は適時設定することは当然である。 From the time t 42 to time t 61 is the same as the processing time t 41 from the time t 22 already described. Thereafter, the processes from time t 41 to time t 55 is repeated, the image data of each frame of the moving image is acquired by the solid-state imaging device. In the present embodiment, the description has been given with the individual imaging device in which the CMOS sensors are arranged in a 2 × 2 matrix. It is natural.
上述した本実施形態によれば、グローバルシャッタ方式の固体撮像素子において、全てのCMOSセンサにおけるFD15を同時に昇圧し、またPD11からFD15に信号電荷を同時に転送させる構成のため、FD15における信号電荷の蓄積量を増加させることが可能となり、従来のグローバルシャッタ方式の固体撮像素子に比較して、よりダイナミックレンジの広い画像データを得ることができる。
According to the present embodiment described above, in the global shutter type solid-state imaging device, the
また、グローバルシャッタ処理においては、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおけるFD15の端子間電圧をVDDからVDD+α(ΔVFD)まで一括し昇圧させる。
このため、グローバルシャッタ処理は、固体撮像素子の全てのCMOSセンサのMOSトランジスタ14のドレインに接続された電源線LVVの電圧の昇圧を行うため、電圧昇圧する対象の負荷が大きいものとなり、CMOSセンサの配列の行単位に昇圧を行うローリングシャッタ方式の固体撮像素子に比較して昇圧に時間がかかる。
In the global shutter process, the voltage across the terminals of the
For this reason, since the global shutter process boosts the voltage of the power supply line LVV connected to the drains of the
しかしながら、本実施形態は、固体撮像素子の全てのCMOSセンサにおいて、昇圧処理を同期させて一括して行うため、各CMOSセンサの信号電荷移動を時系列に行うローリングシャッタ方式の固体撮像素子に比較して昇圧回数を低減することができるため、結果として撮像のフレーム周期をローリングシャッタ方式の固体撮像素子と同様とすることができる。
上述したように、本願発明によれば、CMOSセンサを用いた固体撮像素子において、ローリングシャッタ方式の固体撮像素子と同様のフレーム周期を有し、取得する画像データのダイナミックレンジが従来のグローバルシャッタ方式の固体撮像素子に比較して広い、グローバルシャッタ方式の固体撮像素子を提供することができる。
However, in this embodiment, since all the CMOS sensors of the solid-state imaging device perform the boosting process in a synchronized manner, they are compared with a rolling shutter type solid-state imaging device that performs signal charge movement of each CMOS sensor in time series. As a result, the number of times of boosting can be reduced, and as a result, the imaging frame period can be made the same as that of a rolling shutter type solid-state imaging device.
As described above, according to the present invention, a solid-state image sensor using a CMOS sensor has a frame period similar to that of a rolling shutter type solid-state image sensor, and the dynamic range of acquired image data is the conventional global shutter system. Thus, it is possible to provide a global shutter type solid-state imaging device that is wider than the solid-state imaging device.
図6は、横軸が撮像面の照度(lx)を示し、縦軸が基準データから露光データを減算した画像データ(推定出力電圧差)の電圧値を示している。この画像データ電圧値は、次段に接続された、図示しないA/D(アナログ/デジタル)変換回路にて、デジタルの電圧値に変換された結果を示している。ここで、すでに述べたように、MOSトランジスタ14のソースフォロワのゲインによる補正を行うため、露光データを基準データにより除算し、画像データを得ている。また、露光時間は10μ(マイクロ)秒としている。
この図において、昇圧前の電圧をそれぞれ、昇圧なしの場合で3.3V(◇:一点鎖線)、昇圧ありの場合で、2V(◆:実線波線)、1.8V(◆:波線)、1.6V(◆:点線)の4種類の電圧における、撮像画像の輝度値に対する露光データの電圧値の変化を示している。
In FIG. 6, the horizontal axis represents the illuminance (lx) of the imaging surface, and the vertical axis represents the voltage value of image data (estimated output voltage difference) obtained by subtracting the exposure data from the reference data. This image data voltage value indicates a result of conversion to a digital voltage value by an A / D (analog / digital) conversion circuit (not shown) connected to the next stage. Here, as described above, in order to perform correction by the gain of the source follower of the
In this figure, the voltages before boosting are 3.3V (◇: dashed line) when there is no boosting, and 2V (◆: solid line wavy), 1.8V (◆: wavy line) when boosting, 1 This shows changes in the voltage value of the exposure data with respect to the brightness value of the captured image at four types of voltages of .6 V (♦: dotted line).
この図6から判るように、露光データをPD11からFD15に転送する前の時点において、電線LVVの電圧VVを、「H」レベルの電圧より低く設定しておくことで、電圧VVを予め「H」レベルより低く設定された電圧値から「H」レベルの電圧値に変化させた際に、電圧VVの電圧変化を大きくし、FD15の端子間電圧をより昇圧する構成ため、露光データの露光前の電圧が低いほど、画像データのダイナミックレンジが昇圧なしに対して広くなる。
しかしながら、露光データを読み出す前の電圧をあまり低下させると、例えば、図9における1.6の場合、MOSトランジスタ14における基準データとして読み出される電圧値が、非線形性を有することになるため、低照度時における照度と画像データとの線形制が低下してしまう。
As can be seen from FIG. 6, the voltage VV of the electric wire LVV is set lower than the “H” level voltage before the exposure data is transferred from the
However, if the voltage before reading the exposure data is reduced too much, for example, in the case of 1.6 in FIG. 9, the voltage value read as the reference data in the
<第2の実施形態>
以下、図面を参照して、本発明の第2の実施形態について説明する。図7は、この発明の第2の実施形態によるCMOSセンサ2の構成例を示す概略ブロック図である。
CMOSセンサ2は、グローバルシャッタ方式の固体撮像素子の1画素の基本単位であり、PD11、MOSトランジスタ12、13、14、17、19、FD15、コンデンサ40から構成されている。MOSトランジスタ12、13、14、17及び19は、例えばnチャネル型のMOSトランジスタである。図7においては、図1のCMOSセンサ1と同様の構成については同一の符号を付してある。以下、第1の実施形態と異なる構成及び動作のみを説明する。
<Second Embodiment>
The second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 7 is a schematic block diagram showing a configuration example of the
The
PD11は、アノードが接地され、カソードがMOSトランジスタ19のソースに接続されている。
コンデンサ40は、PD11が発生した信号電荷を一端蓄積するための蓄積用容量として、MOSトランジスタ19のソースに接続されている。
MOSトランジスタ12は、ゲートに信号TRの配線が接続され、ドレインにMOSトランジスタ14のゲートが接続されている。このMOSトランジスタ12は、ゲートに印加されている信号TXが「H」レベルとなるとオン状態となり、コンデンサ40に蓄積されている信号電荷をFD15に転送する。
後の構成は、第1の実施形態と同様のため、説明を省略する。
The
The
Since the subsequent configuration is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted.
すなわち、第2の実施形態は、露光時間が終了すると、MOSトランジスタ19をオン状態とし、PD11が発生して蓄積した信号電荷を、一旦コンデンサ40に蓄積する。
コンデンサ40には外部からのノイズなどの外乱の影響が、FD15に比較して少ないため、信号電荷の蓄積量が変動する確率が低い。PD11からコンデンサ40への信号電荷の転送を、固体撮像素子における全てのCMOSセンサ2で行うことにより、グローバルシャッタの動作を実現している。このCMOSセンサ2は、図4のCMOSセンサS11、S12、S13およびS14として用いることができる。
That is, in the second embodiment, when the exposure time ends, the
Since the
次に、図8は図7に示すCMOSセンサ2からデータを出力する動作例を示すタイミングチャートである。信号TR、TX、R、SL、電源線LVVのレベル制御は、従来例と同様に図示しない制御部(例えば、図4における制御部30、ただし信号TRの制御が加わる)が行う。
時刻t201以前において、制御回路は、信号TR、TX、R、SLを「L」レベルとし、電源線LVVの電位を「L」レベルとしている。また、電原線LVDDは常に「H」レベル、すなわち電圧VDDである。
時刻t201において、制御回路は信号TR、TX及びRを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。MOSトランジスタ19、12及び13のゲートに「H」レベルが印加されることとなり、MOSトランジスタ19、12及び13がオン状態となる。これにより、PD11に生成された電荷がMOSトランジスタ19、12及び13を介し、電源線LVDDへ電荷が移動することにより、PD11のリセット処理が行われる。このとき、コンデンサ40に対してもリセット処理が行われ、コンデンサ40の端子間電圧が電圧VDDとなる。
Next, FIG. 8 is a timing chart showing an operation example of outputting data from the
Prior to time t 201 , the control circuit sets the signals TR, TX, R, and SL to the “L” level and sets the potential of the power supply line LVV to the “L” level. The power source line LVDD is always at the “H” level, that is, the voltage VDD.
At time t201 , the control circuit changes the signals TR, TX, and R from the “L” level to the “H” level. The “H” level is applied to the gates of the
時刻t202において、制御回路はリセット処理を終了させるため、信号TR、TX及びRを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ19は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。また、MOSトランジスタ12は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。また、MOSトランジスタ13は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
PD11は、リセット処理が終了した時点から、光が照射されることにで電荷を発生し、発生した電荷を自身に蓄積する。ここから露光、すなわち照射された光量に対応する信号電荷の蓄積が開始される。
At time t202 , the control circuit changes the signals TR, TX, and R from the “H” level to the “L” level in order to end the reset process. As a result, the “L” level is applied to the gate of the
The
時刻t203において、制御回路は、PD11で発生してカソードに蓄積される信号電荷を、PD11からコンデンサ40に転送させるため、信号TRを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ19は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となる。
この結果、PD11のカソードに蓄積された信号電荷は、MOSトランジスタ19を介してコンデンサ40に移動する。
すなわち、本実施形態においては、時刻t202から時刻t203までの時間が露光時間となる。
At time t 203 , the control circuit changes the signal TR from the “H” level to the “L” level in order to transfer the signal charge generated in the
As a result, the signal charge accumulated at the cathode of the
That is, in this embodiment, the time from time t 202 to time t 203 is the exposure time.
時刻t204において、制御回路は、PD11からコンデンサ40に対する信号電荷の転送を終了させるため、信号TRを「H」レベルから「L」レベルへ変化させる。これにより、MOSトランジスタ19は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
この結果、PD11からコンデンサ40への信号電荷の転送が終了し、PD11の発生した信号電荷がコンデンサ40に蓄積される。
このとき、PD11に蓄積された信号電荷のコンデンサ40への転送は、固体撮像素子の全てのCMOSセンサが同期を取って一斉に行われる(グローバルシャッタ処理)。
At time t 204, the control circuit is to terminate the transfer of the signal charge for the
As a result, the transfer of the signal charge from the
At this time, the transfer of the signal charges accumulated in the
時刻t205において、制御回路は、FD15のリセット処理を行うため、信号Rを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ13は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となる。
MOSトランジスタ13がオン状態となることで、FD15に存在する電荷が電源線LVDDへ移動するため、FD15の端子間電圧が電圧VDDとなり、FD15のリセット処理が行われる。
At time t 205, the control circuit, for performing a reset process of the FD15, changes the signal R from the "L" level to the "H" level. As a result, the
When the
時刻t206において、制御回路は、FD15のリセット処理を終了し、FD15の端子間電圧を昇圧させるため、信号Rを「H」レベルから「L」レベルに変化させるとともに、電源線LVVの電圧を「L」レベル(予め設定された「H」レベルから昇圧に寄与させる電圧分低い電圧)から「H」レベル(電圧VDD)に変化させる。
これにより、MOSトランジスタ13は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。そして、FD15のリセット処理が終了する。
また、FD15の端子間電圧は、電源線LVVの電圧に対応し、電圧VDDから(1)式から求められる昇圧量ΔVFD分の電圧が上昇することになる。この結果、すでに述べたように、FD15の端子間電圧における信号電荷による変化量の幅を大きくとることができ、画像データのダイナミックレンジを広げることができる。
At time t 206 , the control circuit ends the reset process of the
As a result, the “L” level is applied to the gate of the
Further, the voltage between the terminals of the
時刻t207において、制御回路は、FD15の端子間電圧のリセットレベルを読み出すため、信号SLを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートの「H」レベルが印加されることにより、オン状態となる。
これにより、MOSトランジスタ14は、ゲートに印加されている、リセットレベルのFD15の端子間電圧に対応する信号電流を、MOSトランジスタ17を介して制御回路に流す。
そして、制御回路は、このタイミングにおいて、FD15の端子間電圧のリセットレベルに対応する信号電流を検出し、基準データとして一端内部の記憶部に書き込んで記憶させる。
また、時刻t206から時刻t207までは、電源線LVVの電圧VVが電圧VDDとなるまでの時間、すなわちFDD15の端子間電圧が昇圧されて飽和されるまでの時間となっている。
At time t 207 , the control circuit changes the signal SL from the “L” level to the “H” level in order to read the reset level of the voltage across the terminals of the
As a result, the
Then, at this timing, the control circuit detects a signal current corresponding to the reset level of the voltage between the terminals of the
Also, from time t 206 to time t 207 is a time until the voltage VV of the power supply line LVV becomes the voltage VDD, that is, a time until the voltage between the terminals of the
時刻t208において、制御回路は、コンデンサ40からFD15に対して信号電荷の転送を行うため、信号SLを「H」レベルから「L」レベルに変化させるとともに、信号TXを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。この結果、制御回路はMOSトランジスタ17を介した、MOSトランジスタ14がFD15の端子間電圧(リセットレベル)に対応した信号電流の検出を終了する。
また、MOSトランジスタ12は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となる。この結果、コンデンサ40に蓄積されている信号電荷が、コンデンサ40からFD15へ転送され、FD15の端子間電圧が信号電荷の電荷量に応じて変化する。
At time t 208 , the control circuit changes the signal SL from the “H” level to the “L” level and transfers the signal TX from the “L” level to “ Change to “H” level.
As a result, the “L” level is applied to the gate of the
Further, the
時刻t209において、制御回路は、電荷の転送を終了し、露光データとしての信号電流を読み出すため、信号TXを「H」レベルから「L」レベルに変化させるとともに、信号SLを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ12は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。この結果、コンデンサ40からFD15に対する信号電荷の転送が終了する。
そして、制御回路は、FD15に蓄積されている電荷の情報の読み出しを開始する。 すなわち、MOSトランジスタ17は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となる。この結果、MOSトランジスタ14は、ゲートに印加されている、信号電荷に応じて変化したFD15の端子間電圧に対応する信号電流を、MOSトランジスタ17を介して制御回路に供給する。そして、制御回路は、このタイミングにおいて、リセットレベルに対して信号電荷に応じて変化したMOSトランジスタ14に流れる信号電流を検出して露光データとし、この露光データから画像データを算出する処理を行う。
このとき、制御回路は、露光データから、このCMOSセンサ2に対応して内部の記憶部に記憶されている基準データを減算し、CMOSセンサ2が受光した光量に対応する信号電荷に基づく画像データを生成し、外部の記憶装置に書き込んで記憶させる。
At time t209 , the control circuit ends the transfer of charges and changes the signal TX from the “H” level to the “L” level and also changes the signal SL to the “L” level in order to read out the signal current as the exposure data. To “H” level.
As a result, the “L” level is applied to the gate of the
Then, the control circuit starts reading the information on the charges accumulated in the
At this time, the control circuit subtracts the reference data stored in the internal storage unit corresponding to the
時刻t210において、制御回路は、このCMOSセンサ2からの露光データの読出を終了させるため、信号SLを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
また、時刻t210以降において、制御回路は固体撮像素子における他のCMOSセンサ2のMOSトランジスタ17を順次オン状態とし、他のCMOSセンサ2から露光データを時系列に読み出す。すなわち、制御回路は、リセットレベル読み出しから信号レベル読み出しまでの画像データを求める処理を、固体撮像素子の全てのCMOSセンサ2に対して順次行う。
At time t210 , the control circuit changes the signal SL from the “H” level to the “L” level in order to finish reading the exposure data from the
Further, after time t 210 , the control circuit sequentially turns on the
本実施形態は、図1の第1の実施形態と同様に、図4の固体撮像素子の画素として用いることができる。
本実施形態は、上述したように、FD15の端子間電圧を上昇させ、かつ固体撮像素子のすべてのCMOSセンサ2におけるFD15の端子間電圧のリセットレベルを読み出す期間、PD11が露光により発生した電荷を一旦コンデンサ40に蓄積しておく。
このため、本実施形態によれば、第1の実施形態におけるダイナミックレンジを広げたグローバルシャッタ方式の固体撮像素子の効果に加え、複数の配線に接続されたFD15に比較し、蓄積する信号電荷の電荷量の変動を抑制することができ、安定した露光データを検出することができる。
The present embodiment can be used as a pixel of the solid-state imaging device of FIG. 4 as in the first embodiment of FIG.
In the present embodiment, as described above, the charge generated by the exposure of the
For this reason, according to the present embodiment, in addition to the effect of the global shutter type solid-state imaging device with the expanded dynamic range in the first embodiment, the signal charges to be accumulated are compared with those of the
また、本実施形態によれば、2つの電荷蓄積部としてコンデンサ40及びFD15が存在するため、FD15にリセットレベルを保持しておき、コンデンサ40に対して信号電荷をPD11から転送することができる。
このため、本実施形態は、CMOSセンサの信号電流から画像データを求める際、順次リセットレベルを読み出し、基準データを求めた後、コンデンサ40からFD15に信号電荷を転送し、この信号電荷によるMOSトランジスタ14の信号電流から露光データを求め、露光データから基準データを減算し、画像データを得ている。 この結果、本実施形態によれば、画像データを生成する際、内部記憶部に記憶されたリセットレベルを用いて基準データを生成するため、制御回路内の記憶部は1つのデータが記憶できれば良く、CMOSセンサの外部において、全てのCMOSセンサに対する基準データ用の記憶部を設ける必要が無くなる。
Further, according to the present embodiment, since the
For this reason, in this embodiment, when obtaining image data from the signal current of the CMOS sensor, the reset level is sequentially read out, and after obtaining the reference data, the signal charge is transferred from the
<第3の実施形態>
以下、図面を参照して、本発明の第3の実施形態について説明する。図9は、この発明の第3の実施形態によるCMOSセンサ3の構成例を示す概略ブロック図である。
CMOSセンサ3は、グローバルシャッタ方式の固体撮像素子の1画素の基本単位であり、PD11、MOSトランジスタ12、13、14、17及び21、FD15から構成されている。MOSトランジスタ12、13、14、17及び21は、例えばnチャネル型のMOSトランジスタである。図9においては、図1のCMOSセンサ1と同様の構成については同一の符号を付してある。以下、第1の実施形態と異なる構成及び動作のみを説明する。このCMOSセンサ3は、図4のCMOSセンサS11、S12、S13およびS14として用いることができる。
<Third Embodiment>
The third embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 9 is a schematic block diagram showing a configuration example of the CMOS sensor 3 according to the third embodiment of the present invention.
The CMOS sensor 3 is a basic unit of one pixel of a global shutter type solid-state imaging device, and includes a
MOSトランジスタ21は、ドレインに対し信号TYの配線LTYが接続され、ソースがPD11のカソードが接続され、ゲートに信号Dが供給されている。
このMOSトランジスタ21は、光が照射されることによりPD11のカソードに生成され、PD11の電荷に蓄積される電荷を、配線TYLに転送する。
すなわち、MOSトランジスタ21は、露光期間以外に生成された電荷がPD11のカソードに蓄積されないように、露光期間以外においてオン状態とされ、電荷を配線LTYへ転送させることで、カソードがリセットされた状態に保っている。ここで、信号TYは常に「H」レベルの電圧に制御されている。
後の構成は、第1の実施形態と同様のため、説明を省略する。
In the
The
That is, the
Since the subsequent configuration is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted.
次に、図10は図9に示すCMOSセンサ3からデータを出力する動作例を示すタイミングチャートである。信号D、TX、R、SL、電源線LVVのレベル制御は、従来例と同様に図示しない制御部(例えば、図4における制御部30、ただし信号Dの制御が加わる)が行う。
時刻t301以前において、制御回路は、信号TX、R、SLを「L」レベルとし、信号Dを「H」レベルとし、電源線LVVの電位を「L」レベルとしている。また、電原線LVDD及び配線LTYは常に「H」レベル、すなわち電圧VDDである。これにより、MOSトランジスタ21は、ゲートに「H」レベルが印加され、オン状態となっている。このため、光の照射によりPD11に生成された電荷は、MOSトランジスタ21を介して配線LTYへ転送される。
Next, FIG. 10 is a timing chart showing an operation example of outputting data from the CMOS sensor 3 shown in FIG. The level control of the signals D, TX, R, SL and the power supply line LVV is performed by a control unit (not shown) (for example, the
Prior to time t 301 , the control circuit sets the signals TX, R, and SL to the “L” level, the signal D to the “H” level, and the potential of the power supply line LVV to the “L” level. Further, the power source line LVDD and the wiring LTY are always at the “H” level, that is, the voltage VDD. As a result, the
時刻t301において、制御回路は信号TX及びRを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。MOSトランジスタ12及び13のゲートに「H」レベルが印加されることとなり、MOSトランジスタ12及び13がオン状態となる。これにより、PD11のカソードに生成された電荷、及びFD15に蓄積されている電荷がMOSトランジスタ12及び13を介し、電源線LVDDへ電荷が移動することにより、FD15のリセット処理が行われる。
At time t 301 , the control circuit changes the signals TX and R from the “L” level to the “H” level. The “H” level is applied to the gates of the
時刻t302において、制御回路はリセット処理を終了させるため、信号TX及びRを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ12は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。また、MOSトランジスタ13は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
PD11は、リセット処理が終了した時点から、光が照射されることにで電荷を発生する。しかしながら、PD11が発生した電荷は、MOSトランジスタ21を介して、配線LTYへ転送に転送されるため、PD11のカソードはリセット状態を保つことになる。
また、制御回路は、信号線LVVの電圧VVを、「L」レベル(予め設定された「H」レベルから昇圧に寄与させる電圧分低い電圧)から「H」レベルに変化させる。
これにより、FD15の端子間電圧は、電源線LVVの電圧に対応し、電圧VDDから(1)式から求められる昇圧量ΔVFD分の電圧が上昇することになる。この結果、すでに述べたように、FD15の端子間電圧における信号電荷による変化量の幅を大きくとることができ、画像データのダイナミックレンジを広げることができる。
At time t302 , the control circuit changes the signals TX and R from the “H” level to the “L” level in order to end the reset process. As a result, the “L” level is applied to the gate of the
The
In addition, the control circuit changes the voltage VV of the signal line LVV from the “L” level (a voltage that is lower than the preset “H” level by a voltage that contributes to boosting) to the “H” level.
As a result, the voltage between the terminals of the
時刻t303において、制御回路は、FD15の端子間電圧が「H」レベルに飽和するための期間内であるため、CMOSセンサ3の処理を行わない。
At time t 303 , the control circuit does not perform the processing of the CMOS sensor 3 because it is within the period for saturating the voltage between the terminals of the
時刻t304において、制御回路は、FD15の端子間電圧のリセットレベルを読み出すため、信号SLを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートの「H」レベルが印加されることにより、オン状態となる。
これにより、MOSトランジスタ14は、ゲートに印加されている、リセットレベルのFD15の端子間電圧に対応する信号電流を、MOSトランジスタ17を介して制御回路に流す。
そして、制御回路は、このタイミングにおいて、FD15の端子間電圧のリセットレベルに対応する信号電流を検出し、基準データとして外部の記憶装置に書き込んで記憶させる。
また、時刻t302から時刻t304までは、電源線LVVの電圧VVが電圧VDDとなるまでの時間、すなわちFDD15の端子間電圧が昇圧されて飽和されるまでの時間となっている。
At time t 304 , the control circuit changes the signal SL from the “L” level to the “H” level in order to read the reset level of the voltage across the terminals of the
As a result, the
Then, at this timing, the control circuit detects a signal current corresponding to the reset level of the voltage across the terminals of the
From time t 302 to time t 304 is a time until the voltage VV of the power supply line LVV becomes the voltage VDD, that is, a time until the voltage between the terminals of the
時刻t305において、制御回路は、PD11のカソードからFD15に対して信号電荷の転送を行うため、信号SLを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。この結果、制御回路はMOSトランジスタ17を介した、MOSトランジスタ14がFD15の端子間電圧(リセットレベル)に対応した信号電流の検出を終了する。
At time t 305 , the control circuit changes the signal SL from the “H” level to the “L” level in order to transfer the signal charge from the cathode of the
As a result, the “L” level is applied to the gate of the
時刻t306において、制御回路は、PD11で発生してカソードに蓄積される信号電荷を、PD11からFD15に転送させるため、信号TXを「L」レベルから「H」レベルに変化させ、一方、信号Dを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ12は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となる。
また、MOSトランジスタ21は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。この結果、PD11のカソードに生成される電荷は、MOSトランジスタ21がオフ状態であるため、配線LTYへ移動せず、PD11のカソードに蓄積される。
したがって、PD11のカソードに発生する信号電荷は、MOSトランジスタ12を介してFD15に転送され、FD15の端子間電圧が信号電荷の電荷量に応じて変化する。
このとき、固体撮像素子すべてのCMOSセンサ3において、コンデンサ40からF15への信号電荷の転送が、同期して一斉に行われる(グローバルシャッタの処理)。
ここで、時刻t304から時刻t306までの時間は、固体撮像素子における全てのCMOSセンサ3から、FD15の端子間電圧(リセットレベル)に対応した信号電流を読み出し、基準データを求める処理時間である。
At time t 306 , the control circuit changes the signal TX from the “L” level to the “H” level in order to transfer the signal charge generated in the
The
Therefore, the signal charge generated at the cathode of the
At this time, in the CMOS sensors 3 of all the solid-state imaging devices, the transfer of signal charges from the
Here, the time from time t 304 to time t 306 is a processing time for reading out the signal current corresponding to the voltage (reset level) between the terminals of the
時刻t307において、制御回路は、露光処理を終了するため、信号TXを「H」レベルから「L」レベルに変化させるとともに、信号Dを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ12は、ゲートに「L」レベルが印加され、オフ状態となる。また、MOSトランジスタ21は、ゲートに「H」レベルが印加され、オン状態となる。このタイミングにおいて、制御回路は、PD11からFD15への信号電荷の転送を終了させる。
この結果、MOSトランジスタ12を介して、PD11から信号電荷が転送されなくなるため、FD15の端子間電圧の変化が終了する。また、PD11のカソードに生成された電荷は、MOSトランジスタ21を介し、配線LTYへ移動する。したがって、PD11のカソードには信号電荷が蓄積されなくなる。
At time t 307 , the control circuit changes the signal TX from the “H” level to the “L” level and changes the signal D from the “L” level to the “H” level in order to end the exposure process. As a result, the “L” level is applied to the gate of the
As a result, the signal charge is not transferred from the
時刻t308において、制御回路は、制御回路は信号SLを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となる。このとき、MOSトランジスタ17は、MOSトランジスタ14からドレインに流れ込む信号電流を、ソースから流し出す状態となる。
そして、制御回路は、FD15に蓄積されている電荷の情報の読み出しを開始する。すなわち、制御回路は、FD15の端子間電圧に対応してMOSトランジスタ14に流れる信号電流を、MOSトランジスタ17を介して検出し、この信号電流を電圧値に変換して露光時の露光データとする。また、制御回路は、露光データから、このCMOSセンサ3に対応して記憶されている基準データを減算し、CMOSセンサ3が受光した光量に対応する画像データを生成する。
At time t308 , the control circuit changes the signal SL from the “L” level to the “H” level.
As a result, the
Then, the control circuit starts reading the information on the charges accumulated in the
時刻t309において、制御回路は、信号SLを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
この結果、制御回路は、CMOSセンサ3からの露光データの読み出しを終了する。また、制御回路は、固体撮像素子における他のCMOSセンサ3からの露光データの読み出しが終了するまで、電源線LVVの電圧レベルを「H」レベルに維持させておく。
そして、制御回路は、固体撮像素子における全てのCMOSセンサ3から、露光データの読み出しが終了したタイミングにおいて、電源線VLLの電圧レベルを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。
時刻t308から時刻t310までの期間において、制御回路は固体撮像素子における全てのCMOSセンサ3から露光データの読み出しの処理を行う。
制御装置は、上述した時刻t301から時刻t310までの処理を繰り返して行うことにより、動画の画像データを生成する。
At time t309 , the control circuit changes the signal SL from the “H” level to the “L” level.
As a result, the “L” level is applied to the gate of the
As a result, the control circuit ends reading of exposure data from the CMOS sensor 3. Further, the control circuit maintains the voltage level of the power supply line LVV at the “H” level until reading of exposure data from the other CMOS sensor 3 in the solid-state imaging device is completed.
Then, the control circuit changes the voltage level of the power supply line VLL from the “H” level to the “L” level at the timing when the reading of the exposure data from all the CMOS sensors 3 in the solid-state imaging device is completed.
In the period from time t 308 to time t 310 , the control circuit performs processing for reading exposure data from all the CMOS sensors 3 in the solid-state imaging device.
The control device generates image data of a moving image by repeatedly performing the processing from time t 301 to time t 310 described above.
本実施形態は、図1の第1の実施形態と同様に、図4の固体撮像素子の画素として用いることができる。
本実施形態は、上述したように、露光期間以外は、MOSトランジスタ21をオン状態としPD11のカソードに生成される電荷を、配線LTYへ移動へ転送する。
このため、本実施形態は、露光期間以外のノイズとなる電荷が発生したとしても、MOSトランジスタ21を介し、配線LTYへ移動する。
このため、本実施形態によれば、第1の実施形態におけるダイナミックレンジを広げたグローバルシャッタ方式の固体撮像素子の効果に加え、PD11のカソードに露光期間以外に発生し電荷が蓄積されず、信号電荷のノイズ成分を低減し、蓄積する電荷の電荷量の変動を抑制することができ、安定した露光データを検出することができる。
The present embodiment can be used as a pixel of the solid-state imaging device of FIG. 4 as in the first embodiment of FIG.
In this embodiment, as described above, during the period other than the exposure period, the
For this reason, in the present embodiment, even if a charge that becomes noise other than the exposure period is generated, the charge moves to the wiring LTY via the
For this reason, according to the present embodiment, in addition to the effect of the global shutter type solid-state imaging device with the expanded dynamic range in the first embodiment, the charge generated at the cathode of the
<第4の実施形態>
以下、図面を参照して、本発明の第4の実施形態について説明する。図11は、この発明の第4の実施形態によるCMOSセンサ4の構成例を示す概略ブロック図である。
CMOSセンサ4は、グローバルシャッタ方式の固体撮像素子の1画素の基本単位であり、PD11、MOSトランジスタ12、13、14、17、19及び21、FD15、コンデンサ40から構成されている。MOSトランジスタ12、13、14、17及び21は、例えばnチャネル型のMOSトランジスタである。図11においては、図1のCMOSセンサ1と同様の構成については同一の符号を付してある。以下、第1の実施形態と異なる構成及び動作のみを説明する。このCMOSセンサ4は、図4のCMOSセンサS11、S12、S13およびS14として用いることができる。
<Fourth Embodiment>
Hereinafter, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 11 is a schematic block diagram showing a configuration example of the CMOS sensor 4 according to the fourth embodiment of the present invention.
The CMOS sensor 4 is a basic unit of one pixel of a global shutter type solid-state imaging device, and includes a
第4の実施形態は、第2の実施形態におけるPD11で発生した信号電荷を一端コンデンサ40に転送して蓄積する構成と、第3の実施形態におけるPD11で露光期間以外に発生する電荷を配線LTYに転送する構成とを組み合わせたものである。
後の構成は、第1の実施形態と同様のため、説明を省略する。
In the fourth embodiment, the signal charge generated in the
Since the subsequent configuration is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted.
次に、図12は図11に示すCMOSセンサ4からデータを出力する動作例を示すタイミングチャートである。信号D、TX、TR、R、SL、電源線LVVのレベル制御は、従来例と同様に図示しない制御部(例えば、図4における制御部30、ただし信号D、TRの制御が加わる)が行う。
時刻t401以前において、制御回路は、信号TX、TR、R、SLを「L」レベルとし、信号Dを「H」レベルとし、電源線LVVの電位を「L」レベルとしている。また、電原線LVDD及び配線LTY(すなわち信号TY)は常に「H」レベル、すなわち電圧VDDである。これにより、MOSトランジスタ21は、ゲートに「H」レベルが印加され、オン状態となっている。このため、光の照射によりPD11に生成された電荷は、MOSトランジスタ21を介して配線LTYへ転送される。
Next, FIG. 12 is a timing chart showing an operation example of outputting data from the CMOS sensor 4 shown in FIG. The level control of the signals D, TX, TR, R, SL, and the power supply line LVV is performed by a control unit (not shown) (for example, the
Prior to time t 401 , the control circuit sets the signals TX, TR, R, and SL to the “L” level, the signal D to the “H” level, and the potential of the power supply line LVV to the “L” level. The power source line LVDD and the wiring LTY (that is, the signal TY) are always at the “H” level, that is, the voltage VDD. As a result, the
時刻t401において、制御回路は信号TX、TR及びRを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。MOSトランジスタ12、13及び19のゲートに「H」レベルが印加されることとなり、MOSトランジスタ12、13及び19がオン状態となる。これにより、PD11のカソードに生成された電荷、コンデンサ40及びFD15に蓄積されている電荷がMOSトランジスタ12及び13を介し、電源線LVDDへ電荷が移動することにより、コンデンサ40及びFD15のリセット処理が行われる。このとき、コンデンサ40に対してもリセット処理が行われ、コンデンサ40の端子間電圧が電圧VDDとなる。
At time t 401 , the control circuit changes the signals TX, TR, and R from the “L” level to the “H” level. The “H” level is applied to the gates of the
時刻t402において、制御回路はリセット処理を終了させ、露光期間を開始するため、信号TX、TR、R及びDを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ12、13、19及び21の各々は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
すなわち、PD11が発生する電荷は、MOSトランジスタ19及び21を介して移動することが無くなるため、PD11のカソードに蓄積される状態となる。
この結果、PD11は、リセット処理が終了した時点から、光が照射されることで信号電荷を発生し、発生した信号電荷をカソードに蓄積することになる。これにより、信号電荷をPD11のカソードに蓄積する露光期間が開始される。
At time t 402 , the control circuit ends the reset process and changes the signals TX, TR, R, and D from the “H” level to the “L” level to start the exposure period.
Thereby, each of the
That is, since the charge generated by the
As a result, the
時刻t403において、制御回路は、PD11からコンデンサ40に対し、PD11のカソードに蓄積されている信号電荷を転送するため、信号TRを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ19は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となる。
この結果、PD11のカソードに蓄積された信号電荷は、MOSトランジスタ19を介してコンデンサ40に移動する。
すなわち、本実施形態においては、時刻t402から時刻t403までの時間が露光時間となる。このPD11からコンデンサ40への信号電荷の転送は、固体撮像素子の全てのCMOSセンサ4の全てが同期されて一斉に行われる(グローバルシャッタ処理)。
At time t 403 , the control circuit changes the signal TR from the “L” level to the “H” level in order to transfer the signal charge accumulated at the cathode of the
As a result, the signal charge accumulated at the cathode of the
That is, in this embodiment, the time from time t 402 to time t 403 is the exposure time. The transfer of signal charges from the
時刻t404において、制御回路は、PD11からコンデンサ40に対する信号電荷の転送を終了するため、信号TRを「H」レベルから「L」レベルに変化させるとともに、信号Dを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ19は、ゲートに「L」レベルが印加され、オフ状態となる。そして、PD11からコンデンサ40への信号電荷の転送が終了し、PD11の発生した信号電荷がコンデンサ40に蓄積される。
また、MOSトランジスタ21は、ゲートに「H」レベルが印加され、オン状態となる。そして、光が照射されることでPD11に発生する電荷は、MOSトランジスタ21を介し、配線LTYへ移動する。したがって、PD11のカソードには信号電荷が蓄積されなくなる。
At time t 404 , the control circuit changes the signal TR from the “H” level to the “L” level and also changes the signal D from the “L” level to “H” in order to end the transfer of the signal charge from the
As a result, the “L” level is applied to the gate of the
Further, the
時刻t405において、制御回路は、FD15のリセット処理を行うため、信号Rを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ13は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となる。
MOSトランジスタ13がオン状態となることにより、FD15に存在する電荷が電源線LVDDへ移動するため、FD15の端子間電圧が電圧VDDとなり、FD15のリセット処理が行われる。
At time t 405 , the control circuit changes the signal R from the “L” level to the “H” level in order to perform the reset process of the
When the
時刻t406において、制御回路は、FD15に対するリセット処理を終了し、FD15の端子間電圧を昇圧させるため、信号Rを「H」レベルから「L」レベルに変化させるとともに、電源線LVVの電圧を「L」レベル(予め設定された「H」レベルから昇圧に寄与させる電圧分低い電圧)から「H」レベル(電圧VDD)に変化させる。
これにより、MOSトランジスタ13は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。そして、FD15のリセット処理が終了する。
また、FD15の端子間電圧は、電源線LVVの電圧に対応し、電圧VDDから(1)式から求められる昇圧量ΔVFD分の電圧が上昇することになる。この結果、すでに述べたように、FD15の端子間電圧における信号電荷による変化量の幅を大きくとることができ、画像データのダイナミックレンジを広げることができる。
At time t 406 , the control circuit ends the reset process for the
As a result, the “L” level is applied to the gate of the
Further, the voltage between the terminals of the
時刻t407において、制御回路は、FD15の端子間電圧のリセットレベルを読み出すため、信号SLを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートの「H」レベルが印加されることにより、オン状態となる。
これにより、MOSトランジスタ14は、ゲートに印加されている、リセットレベルのFD15の端子間電圧に対応する信号電流を、MOSトランジスタ17を介して制御回路に流す。
そして、制御回路は、このタイミングにおいて、FD15の端子間電圧のリセットレベルに対応する信号電流を検出し、基準データとして一端内部の記憶部に書き込んで記憶させる。
また、時刻t406から時刻t407までは、電源線LVVの電圧VVが電圧VDDとなるまでの時間、すなわちFDD15の端子間電圧が昇圧されて飽和されるまでの時間となっている。
At time t407 , the control circuit changes the signal SL from the “L” level to the “H” level in order to read the reset level of the voltage across the terminals of the FD15. As a result, the
As a result, the
Then, at this timing, the control circuit detects a signal current corresponding to the reset level of the voltage between the terminals of the
From time t 406 to time t 407 is a time until the voltage VV of the power supply line LVV becomes the voltage VDD, that is, a time until the voltage between the terminals of the
時刻t408において、制御回路は、コンデンサ40からFD15に対して信号電荷の転送を行うため、信号SLを「H」レベルから「L」レベルに変化させるとともに、信号TXを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。この結果、制御回路はMOSトランジスタ17を介した、MOSトランジスタ14がFD15の端子間電圧(リセットレベル)に対応した信号電流の検出を終了する。
また、MOSトランジスタ12は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となる。この結果、コンデンサ40に蓄積されている信号電荷が、コンデンサ40からFD15へ転送され、FD15の端子間電圧が信号電荷の電荷量に応じて変化する。
At time t 408 , the control circuit changes the signal SL from the “H” level to the “L” level and transfers the signal TX from the “L” level to “L” to transfer the signal charge from the
As a result, the “L” level is applied to the gate of the
Further, the
時刻t409において、制御回路は、電荷の転送を終了し、露光データとしての信号電流を読み出すため、信号TXを「H」レベルから「L」レベルに変化させるとともに、信号SLを「L」レベルから「H」レベルに変化させる。
これにより、MOSトランジスタ12は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。この結果、コンデンサ40からFD15に対する信号電荷の転送が終了する。
そして、制御回路は、FD15に蓄積されている電荷の情報の読み出しを開始する。 すなわち、MOSトランジスタ17は、ゲートに「H」レベルが印加されるため、オン状態となる。この結果、MOSトランジスタ14は、ゲートに印加されている、信号電荷に応じて変化したFD15の端子間電圧に対応する信号電流を、MOSトランジスタ17を介して制御回路に供給する。そして、制御回路は、このタイミングにおいて、リセットレベルに対して信号電荷に応じて変化したMOSトランジスタ14に流れる信号電流を検出して露光データとし、この露光データから画像データを算出する処理を行う。
このとき、制御回路は、露光データから、このCMOSセンサ4に対応して内部の記憶部に記憶されている基準データを減算し、CMOSセンサ4が受光した光量に対応する信号電荷に基づく画像データを生成し、外部の記憶装置に書き込んで記憶させる。
At time t409 , the control circuit ends the charge transfer and changes the signal TX from the “H” level to the “L” level and reads the signal SL at the “L” level in order to read out the signal current as the exposure data. To “H” level.
As a result, the “L” level is applied to the gate of the
Then, the control circuit starts reading the information on the charges accumulated in the
At this time, the control circuit subtracts the reference data stored in the internal storage unit corresponding to the CMOS sensor 4 from the exposure data, and image data based on the signal charge corresponding to the amount of light received by the CMOS sensor 4. Is written and stored in an external storage device.
時刻t410において、制御回路は、このCMOSセンサ4からの露光データの読出を終了させるため、信号SLを「H」レベルから「L」レベルに変化させる。これにより、MOSトランジスタ17は、ゲートに「L」レベルが印加されるため、オフ状態となる。
また、時刻t410以降において、制御回路は固体撮像素子における他のCMOSセンサ4のMOSトランジスタ17を順次オン状態とし、他のCMOSセンサ4から露光データを時系列に読み出す。すなわち、制御回路は、リセットレベル読み出しから信号レベル読み出しまでの画像データを求める処理を、固体撮像素子の全てのCMOSセンサ4に対して順次行う。
At time t410 , the control circuit changes the signal SL from the “H” level to the “L” level in order to finish reading the exposure data from the CMOS sensor 4. As a result, the “L” level is applied to the gate of the
Further, after time t410 , the control circuit sequentially turns on the
本実施形態は、図1の第1の実施形態と同様に、図4の固体撮像素子の画素として用いることができる。
本実施形態は、上述した構成により、 第1の実施形態におけるダイナミックレンジを広げたグローバルシャッタ方式の固体撮像素子の効果と、第2の実施形態における信号電荷を一端コンデンサ40に転送させておくため、蓄積する信号電荷の電荷量の変動を抑制することができる効果と、第3の実施形態における露光期間以外に発生した電荷がPD11に蓄積されず、信号電荷のノイズ成分を低減する効果とを有している。
The present embodiment can be used as a pixel of the solid-state imaging device of FIG. 4 as in the first embodiment of FIG.
In the present embodiment, the above-described configuration allows the effect of the global shutter type solid-state imaging device having the expanded dynamic range in the first embodiment and the signal charge in the second embodiment to be transferred to the
<第5の実施形態>
次に、図面を参照して、第1の実施形態から第4の実施形態のいずれかを搭載した2足歩行ロボットの説明を行う。
図13は本実施形態における2足歩行ロボット500の外観を示し、図13(a)は2足歩行ロボット500を正面から見た図であり、図13(b)は2足歩行ロボット500を側面から見た図である。
図13(a)に示すように、2足歩行ロボット500は、2本の脚部502を備えると共に、その上方には上体(基体)503が設けられる。上体503の上部には頭部504が設けられるとともに、上体503の両側には2本の腕部505が連結されている。
また、図13(b)に示すように、上体503の背部には格納部506が設けられ、その内部にはECU(電子制御ユニット、詳細は後述)および2足歩行ロボット500の関節を駆動する電動モータのバッテリ電源(図示せず)などが収容される。尚、図13に示す2足歩行ロボット500は、内部構造を保護するためのカバーが取着されたものを示す。
<Fifth Embodiment>
Next, with reference to the drawings, a biped walking robot equipped with any one of the first to fourth embodiments will be described.
FIG. 13 shows the appearance of the
As shown in FIG. 13A, the
As shown in FIG. 13B, a
2足歩行ロボット500は、左右それぞれの脚部502に6個の関節を備え、左右それぞれの腕部503にも6個の関節を備えている。
頭部504は、鉛直軸まわりの首関節と、この鉛直軸に直交する軸で頭部504を回転させる頭部揺動機構から構成されている。
また、頭部504の内部には、左右の目に対応する位置に固体撮像装置が、左右に並列してステレオ視(複眼視)自在に取り付けられている。この左右の固体撮像装置が撮像して得た画像データ(例えば、カラー画像データ)が後述するECUに供給される
ECU(Electronic Control Unit)は、画像データに基づき、2足歩行ロボット500の各関節を制御し、例えば歩行中に、左右の脚部502における12個の関節を適宜必要な角度で駆動することにより、左右の脚部502全体に所望の動きを与えることができ、任意に3次元空間を歩行させる。
また、ECUは、左右の腕部505における12個の関節を適宜必要な角度で駆動することにより、任意に所望の作業を行わせる。
The
The
Further, inside the
In addition, the ECU arbitrarily performs a desired work by driving the 12 joints in the left and
次に、図14は、図13の2足歩行ロボット500の格納部506内部に設けられている、2足歩行ロボット500の駆動を制御するECU70の構成例を示す図である。この図14に示す、50R(右目に対応)及び50L(左目に対応)は頭部504に取り付けられている固体撮像装置である。
Next, FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration example of an
また、図15は、図14に示す固体撮像装置(固体撮像装置50Rまたは50L、以下50Rとして説明)の構成例を示す図である。固体撮像装置50Rは、固体撮像素子550及びレンズ551から構成されている。
固体撮像素子550は、第1の実施形態から第4の実施形態のいずれかによるCMOSセンサから構成される固体撮像素子である。
固体撮像素子550は、センサ部550A及び制御部550Bから構成されている。
センサ部550Aは、第1の実施形態から第4の実施形態のいずれかのCMOSセンサが、半導体基板表面にマトリクス状に配置されている。
制御部550Bは、図4における制御回路30、タイミング発生回路20、垂直レジスタ21及び水平レジスタ22を有している。
レンズ551は、入射光を集光して、センサ部550Aに撮像対象を結像する。
そして、固体撮像素子500は、センサ部550Aに結像された撮像対象の画像データを、第1の実施形態から第4の実施形態のいずれかの固体撮像素子の処理により求め、求めた画像データをECU70に対して出力する。
15 is a diagram showing a configuration example of the solid-state imaging device (solid-
The solid-
The solid-
In the
The
The
Then, the solid-
次に、図14を用いて、ECU70が固体撮像装置から得られる画像データにより2足歩行ロボット500を制御する構成について説明する。
ECU70の動作は、固体撮像装置50R(右側)、50L(左側)から入力された画像データ(マトリクス状に配列したCMOSセンサ全ての画像データであるため、以下、画像)を解析する距離画像生成部70a、差分画像生成部70b及びエッジ画像生成部7cと、解析された画像から移動体を検出して2足歩行ロボット500と移動体の相対距離および相対角度を算出し、算出された相対距離および相対角度に基づき、必要に応じて移動体に対応した動作を2足歩行ロボット500に行わせるように、各関節を駆動する電動モータMの制御を行うモータ制御部70dとを有している。
Next, a configuration in which the
The operation of the
距離画像生成部70aは、同時刻に同期して固体撮像装置50L、50Rの各々で撮像された2つの画像の視差に基づき、2足歩行ロボット500から撮像対象までの距離(奥行き)を示す距離画像DeIを生成する。すなわち、距離画像生成部70aは、左側の固体撮像装置50Lを基準撮像装置とし、この基準とされた左側の固体撮像装置50Lで撮像された画像(以下「基準画像BI」という)と、右側の固体撮像装置50Rで同時刻に同期して撮像された画像(以下「同時刻画像」という)とを、所定の大きさのブロック(例えば16×16画素)でブロックマッチングし、基準画像からの視差を計測すると共に、計測した視差の大きさ(視差量)を基準画像の各画素に対応付けて距離画像DeIを生成する。ここで、視差は、その値が大きいほど固体撮像装置50R(または50L)から撮像対象が近いことを示し、小さいほど撮像対象が遠く離れていることを示す。
The distance
差分画像生成部70bは、固体撮像装置50Lで時系列に撮像された2つの基準画像BIの差分をとり、差分画像DiIを生成する。すなわち、差分画像生成部70bは、固体撮像装置50Lで時系列(時刻tと時刻t+Δt)に撮像された2つの基準画像BIの差分を求め、差のあった画素には動き(移動)のあった画素として画素値1を与えると共に、差のなかった画素には動き(移動)のなかった画素として画素値0を与えることで、差分画像DiIを生成する。
また、ロボット1が移動することによって時刻tと時刻t+Δtの基準画像BI内の背景が変化する場合は、固体撮像装置50Lの移動量に基づいて時刻t+Δtに撮像した基準画像BIを補正することで、移動体の動きのみを差分として検出するようにする。
The difference
If the background in the reference image BI at time t and time t + Δt changes as the
エッジ画像生成部70cは、固体撮像装置50Lで撮像された基準画像BIに基づいてエッジ画像EIを生成する。すなわち、エッジ画像生成部70cは、基準画像BIの輝度が所定レベル以上変化する画素をエッジとして検出し、検出したエッジのみからなるエッジ画像EIを生成する。尚、エッジの検出は、より具体的には、画像全体に所定の重み係数を有するオペレータ(Sovel(ゾーベル)オペレータなど)を当て、対応する画素輝度値の積を算出し、行または列単位で隣の線分と所定値以上の差を有する線分をエッジとして検出することによって行う。
The edge
モータ制御部70dは、距離画像DeIと差分画像DiIに基づいて移動体が存在すると推定される位置までの距離(以下「移動体距離」という)を算出する。このとき、モータ制御部70dは、距離画像DeIで表された視差(距離)ごとに、その視差に対応する位置にある差分画像DiIの画素数を累計すると共に、累計値が最大となる視差(距離)に移動体が存在していると推定し、移動体距離として設定する。
そして、モータ制御部70dは、移動体距離に基づいて、例えばある閾値として設定された設定距離より小さいか否かの判定を行う。
このとき、モータ制御部70aは、移動体距離が設定距離より小さい場合、2足歩行ロボット500の歩行を停止させ、一方、移動体距離が設定距離より大きい場合、2足歩行ロボット500の歩行を継続させるように、電動モータMの制御を行う。
また、2足歩行ロボット500の歩容の生成手法に関しては、本出願人が先に提案した特開2002−326173号公報、特開2004−299001号公報などに詳しく記載されているため、ここでの説明は省略する。
The
Then, the
At this time, when the moving body distance is smaller than the set distance, the
The gait generation method of the
本実施形態は、上述したように、2足歩行ロボット500が移動体を避けて歩行する際、移動体の認識に用いる画像を、第1の実施形態から第4の実施形態のいずれかのCMOSセンサから構成されるグローバルシャッタ方式の固体撮像装置50L、50Rにより取得する。
このため、本実施形態によれば、フローティングディヒュージョンの端子間電圧を昇圧する機能を有し、CMOSセンサから取得する画像データのダイナミックレンジを広げることが可能なグローバルシャッタ方式の固体撮像装置により画像を得る構成のため、従来のグローバルシャッタ方式のCMOSセンサからなる固体撮像装置を用いた場合に比較して、高精度の画像データを取得することができ、2足歩行ロボットの制御性を向上させることができる。
In the present embodiment, as described above, when the
For this reason, according to the present embodiment, a global shutter type solid-state imaging device having a function of boosting the voltage between terminals of the floating diffusion and capable of expanding the dynamic range of image data acquired from the CMOS sensor. Therefore, it is possible to obtain highly accurate image data and improve the controllability of the biped robot compared to the case where a solid-state imaging device composed of a conventional global shutter CMOS sensor is used. be able to.
記憶装置は、ハードディスク装置や光磁気ディスク装置、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリや、CD−ROM等の読み出しのみが可能な記憶媒体、RAM(Random Access Memory)のような揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成されるものとする。
上述した制御回路の機能は、専用のハードウェアにより実現されるものであってもよく、また、メモリおよびマイクロプロセッサにより実現させるものであってもよい。
すなわち、制御回路は専用のハードウェアにより実現されるものであってもよく、また、この処理部30はメモリおよびCPU(中央演算装置)により構成され、制御回路の機能を実現するためのプログラムをメモリにロードして実行することによりその機能を実現させるものであってもよい。
The storage device may be a hard disk device, a magneto-optical disk device, a nonvolatile memory such as a flash memory, a storage medium that can only be read such as a CD-ROM, a volatile memory such as a RAM (Random Access Memory), or It shall be comprised by these combinations.
The functions of the control circuit described above may be realized by dedicated hardware, or may be realized by a memory and a microprocessor.
That is, the control circuit may be realized by dedicated hardware, and the
また、第1の実施形態から第5の実施形態における制御回路の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより固体撮像素子の制御を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。 Further, a program for realizing the functions of the control circuit in the first to fifth embodiments is recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on the recording medium is read into a computer system. The solid-state image sensor may be controlled by executing. Here, the “computer system” includes an OS and hardware such as peripheral devices.
また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
Further, the “computer system” includes a homepage providing environment (or display environment) if a WWW system is used.
The “computer-readable recording medium” refers to a storage device such as a flexible medium, a magneto-optical disk, a portable medium such as a ROM and a CD-ROM, and a hard disk incorporated in a computer system. Furthermore, the “computer-readable recording medium” dynamically holds a program for a short time like a communication line when transmitting a program via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. In this case, a volatile memory in a computer system serving as a server or a client in that case, and a program that holds a program for a certain period of time are also included. The program may be a program for realizing a part of the functions described above, and may be a program capable of realizing the functions described above in combination with a program already recorded in a computer system.
以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
また、本発明の各実施形態においては、電荷として電子(負の電荷)を用いる回路構成として説明しているが、電荷として正孔(正の電荷)を用いる回路構成としてもよい。
The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes design and the like within a scope not departing from the gist of the present invention.
In each embodiment of the present invention, a circuit configuration using electrons (negative charges) as charges is described. However, a circuit configuration using holes (positive charges) as charges may be used.
1、2,3,4,S11,S12,S21,S22…CMOSセンサ
11…PD(フォトダイオード)
12,13,14,17,19,21…MOSトランジスタ
15…FD(フローティングディフュージョン部)
20…タイミング発生回路
21…垂直レジスタ
22…水平レジスタ
30…制御回路
40…コンデンサ
50R,50L…固体撮像素子
70…ECU
70a…距離画像生成部
70b…差分画像生成部
70c…エッジ画像生成部
70d…モータ制御部
500…2足歩行ロボット
LVD,LVV…電源線
M…電動モータ
1, 2, 3, 4, S11, S12, S21, S22 ...
12, 13, 14, 17, 19, 21 ...
DESCRIPTION OF
70a ... Distance
Claims (7)
前記CMOSセンサは
入射光を光電変換して電荷を発生し、発生した電荷を信号電荷として蓄積するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードから転送される前記信号電荷を蓄積するフローティングディヒュージョン部と、
前記フォトダイオードと前記フローティングディヒュージョン部との間に介挿された、前記信号電荷を転送する転送トランジスタと、
前記フローティングディヒュージョン部に蓄積された前記信号電荷に対応する信号電流を出力する増幅MOSトランジスタと
を有し、
固体撮像装置の全ての前記CMOSセンサにおいて、前記増幅MOSトランジスタの電源端子に信号電流用の電源を供給する電源線が共通に接続され、かつ前記転送トランジスタのゲート電極が共通に接続され、前記フォトダイオードから前記信号電荷を読み出す前に、前記フローティングディヒュージョン部の端子電圧を所定の電圧とした後、前記電源線に電源を印加し、前記CMOSセンサ各々の前記フローティングディヒュージョン部の端子電圧を、前記増幅MOSトランジスタのゲート電極と前記電源端子との容量により前記所定の電圧から同時に昇圧することを特徴とする固体撮像装置。 In a solid-state imaging device having a plurality of CMOS sensors arranged in a matrix and having a global shutter function,
The CMOS sensor photoelectrically converts incident light to generate electric charges, and accumulates the generated electric charges as signal charges;
A floating diffusion section for accumulating the signal charge transferred from the photodiode;
A transfer transistor for transferring the signal charge, interposed between the photodiode and the floating diffusion portion;
An amplification MOS transistor that outputs a signal current corresponding to the signal charge accumulated in the floating diffusion portion, and
In all the CMOS sensor of the solid-state imaging device, the power supply line for supplying a power supply terminal for the signal current of the amplifying MOS transistor are connected in common, and the gate electrode of the transfer transistor are connected in common, the photo Before reading the signal charge from the diode, after setting the terminal voltage of the floating diffusion portion to a predetermined voltage, power is applied to the power line, and the terminal voltage of the floating diffusion portion of each of the CMOS sensors, A solid-state imaging device, wherein the voltage is boosted simultaneously from the predetermined voltage by a capacitance between the gate electrode of the amplification MOS transistor and the power supply terminal .
をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 The voltage between the terminals of the floating diffusion part in all CMOS sensors is boosted at the same time, and the signal current is sequentially detected as a reference current at the timing when the voltage between the terminals is saturated by boosting, and after the reading of the reference current is completed, A controller that sequentially turns on the transfer transistor in all CMOS sensors to transfer the signal charge from the photodiode to the floating diffusion unit, and sequentially detects the signal current after the signal charge transfer as an exposure current; The solid-state imaging device according to claim 1 .
CVV>CFD
となるよう、前記増幅MOSトランジスタが形成されていることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。 When the capacitance value of the grounding capacitance of the gate electrode of the amplification MOS transistor is CFD and the capacitance value of the gate electrode of the amplification MOS transistor and the terminal to which the power is supplied is CVV,
CVV> CFD
The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the amplification MOS transistor is formed so that
前記制御部が昇圧する前に、前記フローティングディヒュージョン部の端子間電圧を電源の電圧とするリセットを処理を行うことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の固体撮像装置。 A reset transistor interposed between the floating diffusion part and a power source;
4. The solid-state imaging device according to claim 2, wherein a reset process using a voltage between terminals of the floating diffusion unit as a power supply voltage is performed before the control unit boosts the voltage. 5.
前記制御部が露光により発生した前記信号電荷を前記フォトダイオードに蓄積しない場合、前記ドレイントランジスタをオン状態とし、前記電源に発生した前記信号電荷を転送することを特徴とする請求項2から請求項4のいずれか一項に記載の固体撮像装置。 A drain transistor provided between the photodiode and the power supply for controlling accumulation of the signal charge generated by the photodiode being exposed;
3. The control circuit according to claim 2, wherein when the control unit does not accumulate the signal charge generated by exposure in the photodiode, the drain transistor is turned on to transfer the signal charge generated to the power source. 5. The solid-state imaging device according to claim 4.
前記CMOSセンサにおいて、
フォトダイオードが入射光を光電変換して電荷を発生し、発生した電荷を信号電荷として蓄積し、
前記フォトダイオードとフローティングディヒュージョン部との間に介挿された転送トランジスタを介して、前記フォトダイオードから転送される前記信号電荷を前記フローティングディヒュージョン部に蓄積し、
増幅MOSトランジスタが前記フローティングディヒュージョン部に蓄積された前記信号電荷に対応する信号電流を出力し、
前記フォトダイオードから前記信号電荷を読み出す前の昇圧時に前記固体撮像装置の全ての前記CMOSセンサに対し、前記フローティングディヒュージョン部の端子電圧を所定の電圧とした後、前記増幅MOSトランジスタの電源が供給される端子に同時に電源電圧が供給され、前記CMOSセンサ各々の前記フローティングディヒュージョン部の端子電圧を、前記増幅MOSトランジスタのゲート電極と前記電源端子との容量により前記所定の電圧から同時に昇圧し、またシャッタ時に前記固体撮像装置の全ての前記転送トランジスタのゲート電極に対し、前記信号電荷を転送させる信号を印加することを特徴とする固体撮像装置の撮像方法。 In the imaging method of the solid-state imaging device having a plurality of CMOS sensors arranged in a matrix and having a global shutter function,
In the CMOS sensor,
A photodiode photoelectrically converts incident light to generate charges, accumulates the generated charges as signal charges,
The signal charge transferred from the photodiode is accumulated in the floating diffusion portion via a transfer transistor interposed between the photodiode and the floating diffusion portion,
The amplification MOS transistor outputs a signal current corresponding to the signal charge accumulated in the floating diffusion portion,
At the time of boosting before reading out the signal charge from the photodiode, the power supply of the amplification MOS transistor is supplied to all the CMOS sensors of the solid-state imaging device after setting the terminal voltage of the floating diffusion portion to a predetermined voltage. A power supply voltage is simultaneously supplied to the terminal to be boosted, and the terminal voltage of the floating diffusion portion of each of the CMOS sensors is simultaneously boosted from the predetermined voltage by the capacitance of the gate electrode of the amplification MOS transistor and the power supply terminal, An imaging method for a solid-state imaging device, wherein a signal for transferring the signal charge is applied to the gate electrodes of all the transfer transistors of the solid-state imaging device at the time of shutter.
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