JP5623607B2 - Imaging apparatus and imaging system - Google Patents

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Description

本発明は、撮像装置及び撮像システムに関する。 The present invention relates to an imaging apparatus and an imaging system.

固体撮像装置のダイナミックレンジ拡大のための駆動方法は、下記の特許文献1により以下の3点が開示されている。第1に、受光部から溢れた電荷をフローティングディフュージョン及び付加容量に蓄積し、ダイナミックレンジ拡大信号とする。第2に、受光部の蓄積期間内の、一部の期間のみ、溢れた電荷を蓄積し、ダイナミックレンジ拡大信号とする。第3に、受光部に蓄積された信号とダイナミックレンジ拡大信号とを画素内で加算して出力する。   The following three points are disclosed by the following Patent Document 1 as a driving method for expanding the dynamic range of the solid-state imaging device. First, the electric charge overflowing from the light receiving unit is accumulated in the floating diffusion and the additional capacitor to obtain a dynamic range expansion signal. Secondly, overflowing charges are accumulated only during a part of the accumulation period of the light receiving unit, and a dynamic range expansion signal is obtained. Thirdly, the signal accumulated in the light receiving unit and the dynamic range expansion signal are added and output within the pixel.

特開2005−328493号公報JP 2005-328493 A

特許文献1には、フローティングディフュージョンは濃い不純物領域とp型ウェルからなるPN接合を含むこと、フォトダイオードは埋め込みフォトダイオードであることが開示されている。しかし、フローティングディフュージョンはフォトダイオードに対し、空乏層中の発生電流による暗出力が大きいという問題がある。   Patent Document 1 discloses that the floating diffusion includes a PN junction including a deep impurity region and a p-type well, and that the photodiode is a buried photodiode. However, the floating diffusion has a problem that the dark output due to the current generated in the depletion layer is large for the photodiode.

この問題は、蓄積期間が短い場合には問題がないが、蓄積期間が長い場合はダイナミックレンジ拡大信号を蓄積するフローティングディフュージョン部や付加容量の暗電流による信号が多くなる課題が発生する。これはFDやCS部が埋め込み型のPN接合容量でないためであり、これにより暗電流が増えてしまうため、長時間電荷を保持する保持部として適していない。FD(もしくは垂直信号線線)での信号振幅が暗電流成分により制限を受けダイナミックレンジ拡大信号のための信号振幅が確保できない。   This problem does not pose a problem when the accumulation period is short, but when the accumulation period is long, there arises a problem that a signal due to the dark current of the floating diffusion section or the additional capacitor that accumulates the dynamic range expansion signal increases. This is because the FD and CS portions are not buried PN junction capacitors, which increases dark current, and is not suitable as a holding portion that holds charges for a long time. The signal amplitude at the FD (or vertical signal line) is limited by the dark current component, and the signal amplitude for the dynamic range expansion signal cannot be secured.

この課題に対しては、前述の第2の開示点に示す方法で、ダイナミックレンジ拡大信号の蓄積期間を短くすることである程度の改善はなされる。しかし、今度はフォトダイオードの蓄積期間とダイナミックレンジ拡大信号の蓄積期間がずれてしまい、2つの信号の同時性が損なわれるという大きな課題が発生する。いずれも、動画では蓄積期間が短いことから問題にはならないが、デジタル一眼レフカメラ等の静止画撮影においては、大きな課題である。   With respect to this problem, a certain degree of improvement can be achieved by shortening the accumulation period of the dynamic range expansion signal by the method shown in the second disclosed point. However, this time, the accumulation period of the photodiode and the accumulation period of the dynamic range expansion signal are shifted, and a big problem occurs that the simultaneity of the two signals is impaired. Both are not problematic because the accumulation period is short for moving images, but it is a major problem in still image shooting such as a digital single-lens reflex camera.

本発明の目的は、光電変換部及び電荷蓄積部の電荷蓄積期間の同時性を確保しつつダイナミックレンジを拡大することができる撮像装置及び撮像システムを提供することである。 An object of the present invention is to provide an image pickup apparatus and an imaging system that can expand the dynamic range while maintaining the simultaneity of the photoelectric conversion part and the charge accumulation period of the charge storage portion.

本発明の撮像装置は、複数の画素、及び、制御部を有する撮像装置であって、前記複数の画素のそれぞれは、光電変換により生じた電荷を蓄積する光電変換部と、前記光電変換部からの電荷を蓄積する電荷蓄積部と、フローティングディフュージョン部と、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送するトランジスタを含む転送部と、前記フローティングディフュージョン部の電荷に基づく信号を増幅する増幅部と、前記フローティングディフュージョン部をリセットするリセット部と、を含み、前記制御部は、ダイナミックレンジ拡大信号を複数回読み出すために、前記リセット部によるリセット動作の後、前記トランジスタをオンからオフにする動作、及び、前記トランジスタをオンすることによる前記電荷蓄積部から前記フローティングディフュージョン部への電荷の転送、前記光電変換部での1回の電荷蓄積期間に対して複数回行ように、前記転送部を制御することを特徴とする。 The imaging device of the present invention is an imaging device having a plurality of pixels and a control unit, and each of the plurality of pixels includes a photoelectric conversion unit that accumulates charges generated by photoelectric conversion, and the photoelectric conversion unit. amplification and charge accumulation unit for accumulating electric charges of the floating diffusion portion, a transfer unit and the charge storage unit charges accumulated in including a transistor to be transferred to the floating diffusion section, a signal based on the charge of the floating diffusion portion And a reset unit that resets the floating diffusion unit , and the control unit reads the dynamic range expansion signal a plurality of times, and then resets the transistor from on to off after a reset operation by the reset unit. And turning on the transistor The transfer of charge from the charge storage unit to the floating diffusion portion, as intends multiple rows for a single charge accumulation period in the photoelectric conversion unit, and controls the transfer unit.

光電変換部及び電荷蓄積部の電荷蓄積期間の同時性を確保しつつダイナミックレンジを拡大することができる。   The dynamic range can be expanded while ensuring the simultaneity of the charge accumulation period of the photoelectric conversion unit and the charge accumulation unit.

本発明の第1の実施形態による受光領域内の画素部の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of the pixel part in the light reception area | region by the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態による固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。1 is a block diagram illustrating a configuration example of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention. 受光領域のn行目から(n+2)行目の画素部における駆動タイミングを示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the drive timing in the pixel part of the nth to (n + 2) line of a light reception area | region. 第1の実施形態の光電変換特性を示す図である。It is a figure which shows the photoelectric conversion characteristic of 1st Embodiment. 本発明の第2の実施形態による固体撮像装置の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the drive timing of the solid imaging device by a 2nd embodiment of the present invention. 第2の実施形態による受光領域内の画素部の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of the pixel part in the light reception area | region by 2nd Embodiment. 第2の実施形態の光電変換特性を示す図である。It is a figure which shows the photoelectric conversion characteristic of 2nd Embodiment. 本発明の第4の実施形態による固体撮像装置をカメラに用いた際のカメラシステムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the camera system at the time of using the solid-state imaging device by the 4th Embodiment of this invention for a camera. 本発明の第5の実施形態による固体撮像装置の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the drive timing of the solid-state imaging device by the 5th Embodiment of this invention. 固体撮像装置の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the drive timing of a solid-state imaging device.

(第1の実施形態)
図1〜図4を用いて、本発明の第1の実施形態を説明する。
図2は本発明の第1の実施形態によるMOS型固体撮像装置の構成例を示すブロック図であり、図1は図2の受光領域101内の画素部の構成例を示す回路図である。この画素部は、受光領域101内において2次元に複数配列されている。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of the MOS type solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration example of the pixel portion in the light receiving region 101 of FIG. A plurality of pixel portions are two-dimensionally arranged in the light receiving region 101.

図1において、PDは、フォトダイオードである。フォトダイオードPDは、受光した光を電荷に変換して蓄積する。TXは、転送スイッチである。RESは、フローティングディフュージョン部FDをリセットするためのリセットスイッチである。SFは、フローティングディフュージョン部FDを入力端子とするソースフォロワの入力MOS電界効果トランジスタである。SELは、行選択用のスイッチである。FDは、ソースフォロワ入力端子であり、転送された電荷を保持し、電圧変換するフローティングディフュージョン部である。SWは、保持容量Ccsとフローティングディフュージョン部FDの接続を制御するためのスイッチである。Ccsは、フォトダイオードPDから溢れた電荷を蓄積する保持容量である。フォトダイオードPDの他に保持容量Ccsを設けることにより、電荷蓄積容量を増やすことができ、ダイナミックレンジを拡大することができる。この画素部の駆動方法は、後に図3を参照しながら説明する。   In FIG. 1, PD is a photodiode. The photodiode PD converts received light into electric charge and accumulates it. TX is a transfer switch. RES is a reset switch for resetting the floating diffusion portion FD. SF is a source follower input MOS field effect transistor having the floating diffusion portion FD as an input terminal. SEL is a switch for row selection. FD is a source follower input terminal, which is a floating diffusion section that holds transferred charges and converts the voltage. SW is a switch for controlling connection between the storage capacitor Ccs and the floating diffusion portion FD. Ccs is a storage capacitor for accumulating charges overflowing from the photodiode PD. By providing the storage capacitor Ccs in addition to the photodiode PD, the charge storage capacitor can be increased and the dynamic range can be expanded. A method for driving the pixel portion will be described later with reference to FIG.

図2において、100は、センサチップである。101は、受光領域である。102a及び102bは、列信号処理回路である。103a及び103bは、水平走査回路である。104は、垂直走査回路である。105a及び105bは、読み出しアンプ部である。106a及び106bは、共通信号線部である。107a及び107bは、出力線部である。   In FIG. 2, 100 is a sensor chip. Reference numeral 101 denotes a light receiving area. Reference numerals 102a and 102b denote column signal processing circuits. 103a and 103b are horizontal scanning circuits. Reference numeral 104 denotes a vertical scanning circuit. Reference numerals 105a and 105b denote read amplifier units. Reference numerals 106a and 106b denote common signal line portions. Reference numerals 107a and 107b denote output line portions.

受光領域101は、図1の画素部を複数有し、2次元の画像信号を生成する。垂直走査回路104は、受光領域101の画素部の行を順次選択し、選択した行の画素部の信号を列信号処理回路102a,102bに読み出す。水平走査回路103a,103bは、列信号処理回路102a,102bの信号の列を順次選択し、選択した信号を共通信号線部106a,106bを介して読み出しアンプ部105a,105bに出力させる。読み出しアンプ部105a,105bは、信号を増幅し、出力線部107a,107bを介して外部に出力する。   The light receiving region 101 has a plurality of pixel portions in FIG. 1 and generates a two-dimensional image signal. The vertical scanning circuit 104 sequentially selects the rows of the pixel portions of the light receiving region 101, and reads out the signals of the pixel portions of the selected rows to the column signal processing circuits 102a and 102b. The horizontal scanning circuits 103a and 103b sequentially select signal columns of the column signal processing circuits 102a and 102b, and output the selected signals to the read amplifier units 105a and 105b via the common signal line units 106a and 106b. The read amplifier units 105a and 105b amplify the signal and output it to the outside via the output line units 107a and 107b.

図3は、受光領域101のn行目から(n+2)行目の画素部における駆動タイミングを示すタイミングチャートである。以下、固体撮像装置の処理方法を説明する。各パルスは、垂直走査回路104により生成される信号であり、以下の通りである。ΦRESは、図1のリセットトランジスタRESのゲート駆動パルスである。ΦTXは、図1の転送トランジスタTXのゲート駆動パルスである。ΦSWは、図1のスイッチトランジスタSWのゲート駆動パルスである。ΦSELは図1のSELのゲート駆動パルスである。各パルスの末尾のn〜n+2は行を示すものである。また、垂直走査回路104は、スイッチSELのゲートにハイレベルを出力することによりスイッチSELをオンさせ、スイッチSELのゲートにローレベルを出力することによりスイッチSELをオフさせることができる。   FIG. 3 is a timing chart showing drive timings in the pixel portion from the n-th row to the (n + 2) -th row of the light receiving region 101. Hereinafter, a processing method of the solid-state imaging device will be described. Each pulse is a signal generated by the vertical scanning circuit 104 and is as follows. ΦRES is a gate drive pulse of the reset transistor RES in FIG. ΦTX is a gate drive pulse of the transfer transistor TX in FIG. ΦSW is a gate drive pulse of the switch transistor SW in FIG. ΦSEL is a gate drive pulse of SEL in FIG. N to n + 2 at the end of each pulse indicates a row. Further, the vertical scanning circuit 104 can turn on the switch SEL by outputting a high level to the gate of the switch SEL, and can turn off the switch SEL by outputting a low level to the gate of the switch SEL.

転送スイッチTXは、信号ΦTXがハイレベルになると、フォトダイオードPDに蓄積された信号をソースフォロワトランジスタSFの入力端子であるフローティングディフュージョン部FDに転送する。リセットスイッチRESは、信号ΦRESがハイレベルになると、フローティングディフュージョン部FDをリセットする。保持容量Ccsは、フォトダイオードPDから溢れた電荷を保持するための容量である。スイッチSWは、フローティングディフュージョン部FDと保持容量Ccsの接続を制御するためのスイッチである。スイッチSELは、受光領域101の画素部の行選択のためのスイッチであり、ゲートがハイレベルになるとソースフォロアトランジスタSFの出力信号を列信号処理回路103a又は103bに読み出す。   When the signal ΦTX becomes high level, the transfer switch TX transfers the signal accumulated in the photodiode PD to the floating diffusion portion FD that is the input terminal of the source follower transistor SF. The reset switch RES resets the floating diffusion portion FD when the signal ΦRES becomes a high level. The holding capacitor Ccs is a capacitor for holding charges overflowing from the photodiode PD. The switch SW is a switch for controlling the connection between the floating diffusion portion FD and the storage capacitor Ccs. The switch SEL is a switch for selecting a row of the pixel portion of the light receiving region 101, and reads the output signal of the source follower transistor SF to the column signal processing circuit 103a or 103b when the gate becomes a high level.

図3に示すように、フォトダイオードPDのダイナミックレンジ拡大信号を4回に分けて読み出す。期間T1〜T15の動作を以下に説明する。   As shown in FIG. 3, the dynamic range expansion signal of the photodiode PD is read out in four steps. The operation in the periods T1 to T15 will be described below.

期間T1は、n行目のフォトダイオードPDのリセット動作を行う期間である。期間T1はパルスのハイレベル状態が維持される期間であり、具体的には信号ΦTX_n、ΦRES_n、ΦSW_nがハイレベル、図中の他の信号がローレベルを維持する期間である。n行目のトランジスタTX,RES,SWはオンになり、n行目のフォトダイオードPD及び保持容量Ccsはリセットされる。   The period T1 is a period during which the n-th row photodiode PD is reset. The period T1 is a period in which the high level state of the pulse is maintained. Specifically, the signals ΦTX_n, ΦRES_n, and ΦSW_n are high levels, and the other signals in the drawing maintain the low level. The transistors TX, RES, and SW in the nth row are turned on, and the photodiode PD and the holding capacitor Ccs in the nth row are reset.

期間T2は、n+1行目のフォトダイオードPDのリセット期間である。具体的には、信号ΦTX_n+1、ΦRES_n+1、ΦSW_n+1がハイレベル、図中の他の信号がローレベルを維持する期間である。n+1行目のトランジスタTX,RES,SWはオンになり、n+1行目のフォトダイオードPD及び保持容量Ccsはリセットされる。   A period T2 is a reset period of the photodiode PD in the (n + 1) th row. Specifically, this is a period in which the signals ΦTX_n + 1, ΦRES_n + 1, and ΦSW_n + 1 are at a high level and the other signals in the drawing are maintained at a low level. The transistors TX, RES, and SW in the (n + 1) th row are turned on, and the photodiode PD and the storage capacitor Ccs in the (n + 1) th row are reset.

期間T3は、n+2行目のフォトダイオードPDのリセット期間である。具体的には、信号ΦTX_n+2、ΦRES_n+2、ΦSW_n+2がハイレベル、図中の他の信号がローレベルを維持する期間である。n+2行目のトランジスタTX,RES,SWはオンになり、n+2行目のフォトダイオードPD及び保持容量Ccsはリセットされる。   A period T3 is a reset period of the photodiode PD in the (n + 2) th row. Specifically, this is a period in which the signals ΦTX_n + 2, ΦRES_n + 2, and ΦSW_n + 2 are at a high level, and other signals in the drawing are maintained at a low level. The transistors TX, RES, and SW in the (n + 2) th row are turned on, and the photodiode PD and the storage capacitor Ccs in the (n + 2) th row are reset.

期間T4は、n行目のダイナミックレンジ拡大信号の第1回目読み出し期間である。信号ΦSW_nがハイレベルからローレベルになる。n行目のトランジスタSWは、オンからオフになる。保持容量Ccsは、フォトダイオードPDから溢れた電荷を蓄積し、トランジスタSWがオンの間、その電荷をトランジスタSWを介してフローティングディフュージョン部FDに出力する。信号ΦSEL_nをローレベルからハイレベルにすることにより、ソースフォロアトランジスタSFは、フローティングディフュージョン部FDの電位に基づく信号をダイナミックレンジ拡大信号として読み出す。列信号処理回路102a又は102bは、ダイナミックレンジ拡大信号を読み出して保持する。   The period T4 is a first reading period of the dynamic range expansion signal of the nth row. The signal ΦSW_n changes from the high level to the low level. The transistor SW in the nth row is turned off from on. The storage capacitor Ccs accumulates charges overflowing from the photodiode PD, and outputs the charges to the floating diffusion portion FD via the transistor SW while the transistor SW is on. By changing the signal ΦSEL_n from the low level to the high level, the source follower transistor SF reads a signal based on the potential of the floating diffusion portion FD as a dynamic range expansion signal. The column signal processing circuit 102a or 102b reads and holds the dynamic range expansion signal.

次に、信号ΦRES_nがハイレベルになり、n行目のトランジスタRESがオンする。これにより、n行目のフローティングディフュージョン部FDはリセットされる。   Next, the signal ΦRES_n becomes a high level, and the transistor RES in the n-th row is turned on. Thereby, the floating diffusion part FD of the nth row is reset.

期間T5は、n行目のリセット信号の第1回目読み出し期間である。信号ΦRES_nはローレベルになり、n行目のトランジスタRESはオフする。信号ΦSEL_nをローレベルからハイレベルにすることにより、ソースフォロアトランジスタSFは、フローティングディフュージョン部FDの電位に基づく信号をリセット信号(ノイズ信号)として読み出す。列信号処理回路102a又は102bは、リセット信号を読み出して保持する。読み出しアンプ部105a又は105bは、上記ダイナミックレンジ拡大信号からリセット信号を減算することにより、ノイズを低減した画素信号を出力する。   A period T5 is a first reading period of the reset signal in the n-th row. The signal ΦRES_n becomes a low level, and the transistor RES in the n-th row is turned off. By changing the signal ΦSEL_n from the low level to the high level, the source follower transistor SF reads a signal based on the potential of the floating diffusion portion FD as a reset signal (noise signal). The column signal processing circuit 102a or 102b reads and holds the reset signal. The read amplifier unit 105a or 105b outputs a pixel signal with reduced noise by subtracting the reset signal from the dynamic range expansion signal.

期間T6は、n行目のダイナミックレンジ拡大信号の第1回目リセット期間である。信号ΦRES_n及びΦSW_nがハイレベルになり、n行目のトランジスタRES及びSWがオンする。これにより、n行目の保持容量Ccsは、リセットされる。   The period T6 is a first reset period of the dynamic range expansion signal of the nth row. The signals ΦRES_n and ΦSW_n become high level, and the transistors RES and SW in the nth row are turned on. As a result, the storage capacitor Ccs in the nth row is reset.

期間T7は、n+1行目のダイナミックレンジ拡大信号の第1回目読み出し期間である。信号ΦSW_n+1がハイレベルからローレベルになる。n+1行目のトランジスタSWは、オンからオフになる。保持容量Ccsは、フォトダイオードPDから溢れた電荷を蓄積し、トランジスタSWがオンの間、その電荷をトランジスタSWを介してフローティングディフュージョン部FDに出力する。信号ΦSEL_nをローレベルからハイレベルにすることにより、ソースフォロアトランジスタSFは、フローティングディフュージョン部FDの電位に基づく信号をダイナミックレンジ拡大信号として読み出す。列信号処理回路102a又は102bは、ダイナミックレンジ拡大信号を読み出して保持する。   The period T7 is a first reading period of the dynamic range expansion signal of the (n + 1) th row. The signal ΦSW_n + 1 changes from the high level to the low level. The transistor SW in the (n + 1) th row is turned off from on. The storage capacitor Ccs accumulates charges overflowing from the photodiode PD, and outputs the charges to the floating diffusion portion FD via the transistor SW while the transistor SW is on. By changing the signal ΦSEL_n from the low level to the high level, the source follower transistor SF reads a signal based on the potential of the floating diffusion portion FD as a dynamic range expansion signal. The column signal processing circuit 102a or 102b reads and holds the dynamic range expansion signal.

次に、信号ΦRES_n+1がハイレベルになり、n+1行目のトランジスタRESがオンする。これにより、n+1行目のフローティングディフュージョン部FDはリセットされる。   Next, the signal ΦRES_n + 1 becomes high level, and the transistors RES in the (n + 1) th row are turned on. As a result, the floating diffusion portion FD in the (n + 1) th row is reset.

期間T8は、n+1行目のリセット信号の第1回目読み出し期間である。信号ΦRES_n+1はローレベルになり、n+1行目のトランジスタRESはオフする。信号ΦSEL_nをローレベルからハイレベルにすることにより、ソースフォロアトランジスタSFは、フローティングディフュージョン部FDの電位に基づく信号をリセット信号(ノイズ信号)として読み出す。列信号処理回路102a又は102bは、リセット信号を読み出して保持する。読み出しアンプ部105a又は105bは、上記ダイナミックレンジ拡大信号からリセット信号を減算することにより、ノイズを低減した画素信号を出力する。   The period T8 is a first reading period of the reset signal of the (n + 1) th row. The signal ΦRES_n + 1 becomes a low level, and the transistors RES in the (n + 1) th row are turned off. By changing the signal ΦSEL_n from the low level to the high level, the source follower transistor SF reads a signal based on the potential of the floating diffusion portion FD as a reset signal (noise signal). The column signal processing circuit 102a or 102b reads and holds the reset signal. The read amplifier unit 105a or 105b outputs a pixel signal with reduced noise by subtracting the reset signal from the dynamic range expansion signal.

期間T9は、n+1行目のダイナミックレンジ拡大信号の第1回目リセット期間である。信号ΦRES_n+1及びΦSW_n+1がハイレベルになり、n+1行目のトランジスタRES及びSWがオンする。これにより、n+1行目の保持容量Ccsは、リセットされる。   The period T9 is a first reset period of the dynamic range expansion signal on the (n + 1) th row. The signals ΦRES_n + 1 and ΦSW_n + 1 become high level, and the transistors RES and SW in the (n + 1) th row are turned on. As a result, the storage capacitor Ccs in the (n + 1) th row is reset.

n+2行目においても、n+2行目のダイナミックレンジ拡大信号の第1回目読み出し期間、n+2行目のリセット信号の第1回目読み出し期間、n+2行目のダイナミックレンジ拡大信号の第1回目リセット期間の処理が行われる。これらの処理は、上記のn行目の期間T4、T5、T6の処理と同様である。   Also in the (n + 2) th row, the first reading period of the dynamic range expansion signal of the (n + 2) th row, the first reading period of the reset signal of the (n + 2) th row, and the first reset period of the dynamic range expansion signal of the (n + 2) th row. Is done. These processes are the same as the processes in the above-mentioned n-th periods T4, T5, and T6.

次に、期間T4、T5及びT6と同様に、n行目のダイナミックレンジ拡大信号の第2回目読み出し期間、n行目のリセット信号の第2回目読み出し期間、n行目のダイナミックレンジ拡大信号の第2回目リセット期間の処理が行われる。さらに、その後、同様に、n行目のダイナミックレンジ拡大信号の第3回目読み出し期間、n行目のリセット信号の第3回目読み出し期間、n行目のダイナミックレンジ拡大信号の第3回目リセット期間の処理が行われる。   Next, similarly to the periods T4, T5, and T6, the second readout period of the dynamic range expansion signal of the nth row, the second readout period of the reset signal of the nth row, and the dynamic range extension signal of the nth row. Processing for the second reset period is performed. Further, thereafter, similarly, the third readout period of the nth row dynamic range expansion signal, the third readout period of the nth row reset signal, and the third reset period of the nth row dynamic range extension signal. Processing is performed.

また、期間T7、T8及びT9と同様に、n+1行目のダイナミックレンジ拡大信号の第2回目読み出し期間、n+1行目のリセット信号の第2回目読み出し期間、n+1行目のダイナミックレンジ拡大信号の第2回目リセット期間の処理が行われる。さらに、その後、同様に、n+1行目のダイナミックレンジ拡大信号の第3回目読み出し期間、n+1行目のリセット信号の第3回目読み出し期間、n+1行目のダイナミックレンジ拡大信号の第3回目リセット期間の処理が行われる。   Similarly to the periods T7, T8, and T9, the second readout period of the dynamic range expansion signal of the (n + 1) th row, the second readout period of the reset signal of the (n + 1) th row, and the second readout period of the dynamic range extension signal of the (n + 1) th row. Processing for the second reset period is performed. Further, thereafter, similarly, the third readout period of the dynamic range expansion signal of the (n + 1) th row, the third readout period of the reset signal of the (n + 1) th row, and the third reset period of the dynamic range extension signal of the (n + 1) th row. Processing is performed.

また、期間T4、T5及びT6と同様に、n+2行目のダイナミックレンジ拡大信号の第2回目読み出し期間、n+2行目のリセット信号の第2回目読み出し期間、n+2行目のダイナミックレンジ拡大信号の第2回目リセット期間の処理が行われる。さらに、その後、同様に、n+2行目のダイナミックレンジ拡大信号の第3回目読み出し期間、n+2行目のリセット信号の第3回目読み出し期間、n+2行目のダイナミックレンジ拡大信号の第3回目リセット期間の処理が行われる。   Similarly to the periods T4, T5, and T6, the second readout period of the dynamic range expansion signal in the (n + 2) th row, the second readout period of the reset signal in the (n + 2) th row, and the second readout period of the dynamic range expansion signal in the (n + 2) th row. Processing for the second reset period is performed. Further, thereafter, similarly, the third readout period of the dynamic range expansion signal of the (n + 2) th row, the third readout period of the reset signal of the (n + 2) th row, and the third reset period of the dynamic range extension signal of the (n + 2) th row. Processing is performed.

期間T10は、期間T4と同様に、n行目のダイナミックレンジ拡大信号の第4回目読み出し期間である。   Similarly to the period T4, the period T10 is a fourth reading period of the dynamic range expansion signal of the nth row.

期間T11は、期間T5と同様に、n行目のリセット信号の第4回目読み出し及びフローティングディフュージョン部FDのリセット期間である。信号ΦRES_nがハイレベルになり、n行目のトランジスタRESがオンする。これにより、フローティングディフュージョン部FDがリセットされる。次に、信号ΦRES_nがローレベルになり、n行目のトランジスタRESがオフする。信号ΦSEL_nをローレベルからハイレベルにすることにより、ソースフォロアトランジスタSFは、フローティングディフュージョン部FDの電位に基づく信号をリセット信号(ノイズ信号)として読み出す。列信号処理回路102a又は102bは、リセット信号を読み出して保持する。読み出しアンプ部105a又は105bは、上記ダイナミックレンジ拡大信号からリセット信号を減算することにより、ノイズを低減した画素信号を出力する。   Similarly to the period T5, the period T11 is the fourth reading of the reset signal in the n-th row and the reset period of the floating diffusion portion FD. The signal ΦRES_n becomes a high level, and the n-th row transistor RES is turned on. Thereby, the floating diffusion part FD is reset. Next, the signal ΦRES_n becomes a low level, and the transistor RES in the n-th row is turned off. By changing the signal ΦSEL_n from the low level to the high level, the source follower transistor SF reads a signal based on the potential of the floating diffusion portion FD as a reset signal (noise signal). The column signal processing circuit 102a or 102b reads and holds the reset signal. The read amplifier unit 105a or 105b outputs a pixel signal with reduced noise by subtracting the reset signal from the dynamic range expansion signal.

期間T12は、n行目のフォトダイオード信号の第1回目読み出し期間である。信号ΦTX_nがハイレベルになり、n行目の転送トランジスタTXがオンする。フォトダイオードPDに蓄積されている電荷は、フローティングディフュージョン部FDに出力される。信号ΦSEL_nをローレベルからハイレベルにすることにより、ソースフォロアトランジスタSFは、フローティングディフュージョン部FDの電位に基づく信号をフォトダイオード信号として読み出す。列信号処理回路102a又は102bは、フォトダイオード信号を読み出して保持する。   A period T12 is a first reading period of the photodiode signal in the n-th row. The signal ΦTX_n becomes a high level, and the transfer transistor TX in the n-th row is turned on. The charge accumulated in the photodiode PD is output to the floating diffusion portion FD. By changing the signal ΦSEL_n from the low level to the high level, the source follower transistor SF reads a signal based on the potential of the floating diffusion portion FD as a photodiode signal. The column signal processing circuit 102a or 102b reads out and holds the photodiode signal.

期間T13は、期間T7と同様に、n+1行目のダイナミックレンジ拡大信号の第4回目読み出し期間である。   Similarly to the period T7, the period T13 is a fourth reading period of the dynamic range expansion signal of the (n + 1) th row.

期間T14は、n+1行目のリセット信号の第4回目読み出し及びフローティングディフュージョンFDのリセット期間である。信号ΦRES_n+1がハイレベルになり、n+1行目のトランジスタRESがオンする。これにより、フローティングディフュージョン部FDがリセットされる。次に、信号ΦRES_n+1がローレベルになり、n+1行目のトランジスタRESがオフする。信号ΦSEL_nをローレベルからハイレベルにすることにより、ソースフォロアトランジスタSFは、フローティングディフュージョン部FDの電位に基づく信号をリセット信号(ノイズ信号)として読み出す。列信号処理回路102a又は102bは、リセット信号を読み出して保持する。読み出しアンプ部105a又は105bは、上記ダイナミックレンジ拡大信号からリセット信号を減算することにより、ノイズを低減した画素信号を出力する。   The period T14 is a fourth period for reading the reset signal in the (n + 1) th row and resetting the floating diffusion FD. The signal ΦRES_n + 1 becomes high level, and the transistors RES in the (n + 1) th row are turned on. Thereby, the floating diffusion part FD is reset. Next, the signal ΦRES_n + 1 becomes low level, and the transistors RES in the (n + 1) th row are turned off. By changing the signal ΦSEL_n from the low level to the high level, the source follower transistor SF reads a signal based on the potential of the floating diffusion portion FD as a reset signal (noise signal). The column signal processing circuit 102a or 102b reads and holds the reset signal. The read amplifier unit 105a or 105b outputs a pixel signal with reduced noise by subtracting the reset signal from the dynamic range expansion signal.

期間T15は、n+1行目のフォトダイオード信号の第1回目読み出し期間である。信号ΦTX_n+1がハイレベルになり、n+1行目の転送トランジスタTXがオンする。フォトダイオードPDに蓄積されている電荷は、フローティングディフュージョン部FDに出力される。信号ΦSEL_nをローレベルからハイレベルにすることにより、ソースフォロアトランジスタSFは、フローティングディフュージョン部FDの電位に基づく信号をフォトダイオード信号として読み出す。列信号処理回路102a又は102bは、フォトダイオード信号を読み出して保持する。   A period T15 is a first reading period of the photodiode signal in the (n + 1) th row. The signal ΦTX_n + 1 becomes high level, and the transfer transistor TX in the (n + 1) th row is turned on. The charge accumulated in the photodiode PD is output to the floating diffusion portion FD. By changing the signal ΦSEL_n from the low level to the high level, the source follower transistor SF reads a signal based on the potential of the floating diffusion portion FD as a photodiode signal. The column signal processing circuit 102a or 102b reads out and holds the photodiode signal.

次に、n+2行目のダイナミックレンジ拡大信号の第4回目読み出し期間、n+2行目のリセット信号の第4回目読み出し及びフローティングディフュージョンFDのリセット期間、n+2行目のフォトダイオード信号の第1回目読み出し期間の処理が行われる。これらの処理は、期間T10、T11及びT12の処理と同様である。   Next, the fourth readout period of the dynamic range expansion signal in the n + 2 row, the fourth readout period of the reset signal in the n + 2 row, the reset period of the floating diffusion FD, and the first readout period of the photodiode signal in the n + 2 row. Is performed. These processes are the same as the processes in the periods T10, T11, and T12.

本実施形態の固体撮像装置の駆動条件は、全画素を読み出すのに約30m秒の時間がかかるものを用いた。フォトダイオードPDの蓄積期間1秒に対し、ダイナミックレンジ拡大信号は各250m秒毎に4回に分けて読み出す。つまり、1フレーム読み出し時間よりも長い蓄積期間において、同一蓄積期間中の溢れた信号を複数回に分けて読み出し動作行い、各読出し動作後に溢れた信号のリセット動作を行なっている。   As a driving condition of the solid-state imaging device of the present embodiment, a driving condition that takes about 30 milliseconds to read out all pixels was used. For the storage period of the photodiode PD of 1 second, the dynamic range expansion signal is read out four times every 250 milliseconds. That is, in an accumulation period longer than one frame readout time, an overflow signal in the same accumulation period is read out in a plurality of times, and the overflow signal is reset after each readout operation.

本実施形態における読み出し動作はSELスイッチを導通させることによりフォトダイオードに生じる電荷に基づく信号を、列信号処理回路に読み出す動作である。またリセット信号の減算処理は、列信号処理回路102a,102bにクランプ回路などを有し、この回路で減算処理を行うこともできる。   The read operation in the present embodiment is an operation of reading a signal based on the electric charge generated in the photodiode by turning on the SEL switch to the column signal processing circuit. Further, the reset signal subtraction process includes a clamp circuit or the like in the column signal processing circuits 102a and 102b, and this circuit can also perform the subtraction process.

こうすることで、フローティングディフュージョン部FD上及び保持容量Ccs上で発生する暗電流によりダイナミックレンジ拡大信号が圧迫されることを抑制することができた。具体的には、フローティングディフュージョン部FD及び保持容量Ccsでの電圧振幅が最大0.5Vであったのに対し、暗電流による信号が約100mV発生していたが、4回に分けて読み出すことで、1回の読み出し当たり25mVにまで抑制できた。この4回に分けて読み出された信号は、固体撮像装置とは別の処理回路803(図8)で画素毎に加算することで、その分ダイナミックレンジも拡大される。もちろん、固体撮像装置内に処理回路を持ち固体撮像装置内で加算してもよい。   By doing so, it was possible to suppress the dynamic range expansion signal from being pressed by the dark current generated on the floating diffusion portion FD and the storage capacitor Ccs. Specifically, the maximum voltage amplitude at the floating diffusion portion FD and the storage capacitor Ccs was 0.5 V, whereas a signal due to dark current was generated at about 100 mV. It could be suppressed to 25 mV per reading. The signals read out in four times are added for each pixel by a processing circuit 803 (FIG. 8) separate from the solid-state imaging device, so that the dynamic range is expanded accordingly. Of course, the processing circuit may be included in the solid-state imaging device and the addition may be performed in the solid-state imaging device.

即ち、上記の特許文献1の方法では、ダイナミックレンジの拡大量はフォトダイオードPDの飽和電圧に対しフローティングディフュージョン部FD上での電圧にして+400mVであった。これに対し、本実施形態では、(500−25)×4=1900mVと5倍近い拡大量を得ることができた。   That is, in the method disclosed in Patent Document 1, the amount of expansion of the dynamic range is +400 mV as the voltage on the floating diffusion portion FD with respect to the saturation voltage of the photodiode PD. On the other hand, in the present embodiment, (500-25) × 4 = 1900 mV, which is an enlargement amount close to five times, can be obtained.

上記に述べた暗電流の値は平均的な画素の値である。フォトダイオードPDにホワイトスポット(白傷)があるのと同様に、フローティングディフュージョン部FDや保持容量Ccsに欠陥があり、画素によっては平均的な画素の10〜100倍の暗電流をもつ画素もある。そのような画素では、+400mVのダイナミックレンジ拡大信号は得られず、場合によっては殆ど保持できない場合もある。本実施形態は、平均的な画素のダイナミックレンジを拡大するのみならず、前述のようなダイナミックレンジ拡大信号が保持できない画素を少なくするもしくはなくす効果がある。   The dark current value described above is an average pixel value. Like the white spots (white scratches) in the photodiode PD, the floating diffusion portion FD and the storage capacitor Ccs are defective, and some pixels have a dark current 10 to 100 times that of an average pixel. . In such a pixel, a dynamic range expansion signal of +400 mV cannot be obtained, and in some cases, it may be hardly retained. This embodiment has an effect of not only expanding the dynamic range of an average pixel, but also reducing or eliminating the number of pixels that cannot hold the dynamic range expansion signal as described above.

重要な点は、ダイナミックレンジ拡大信号を読み出した後にリセット動作を行なうため、暗電流もリセットすることである。また、フォトダイオードPDの蓄積期間と略同一の期間のダイナミックレンジ拡大信号を読み出し処理することで両者の同時性を確保することができる。   The important point is that the dark current is also reset because the reset operation is performed after reading out the dynamic range expansion signal. Further, by reading out and processing a dynamic range expansion signal during a period substantially the same as the accumulation period of the photodiode PD, the simultaneity of both can be ensured.

ここで「略同一の期間」と述べたのは、厳密には読み出し期間中の情報が得られないからである。すなわち、全体の蓄積期間が数百m秒〜数十秒であるのに対し、読み出し時間が10μ秒前後であり情報が欠如するのは10μ秒×読み出し回数であり1/10000程度であるからである。各ダイナミックレンジ拡大信号を単純に加算してもよいし、ゲインを掛けて加算してもよい、また重みをつけて加算してもよい、一部補正処理を加えた後に加算してもよい。いずれの方法でも、同一蓄積期間内の信号情報が含まれていることが重要である。同時性は、特に花火等の長秒静止画の画像を取り扱う場合に極めて重要な項目である。   The reason why it is described as “substantially the same period” is because information during the reading period cannot be obtained strictly. That is, while the entire accumulation period is several hundred milliseconds to several tens of seconds, the reading time is around 10 μsec and the lack of information is 10 μsec × number of readings, which is about 1/10000. is there. Each dynamic range expansion signal may be simply added, may be added with a gain, may be added with a weight, or may be added after a partial correction process is added. In any method, it is important that signal information within the same accumulation period is included. Synchronization is an extremely important item especially when handling long-second still images such as fireworks.

なお、図3の代わりに、図10の駆動を行ってもよい。図10は、図3に対して、信号ΦSEL_n、ΦSEL_n+1、ΦSEL_n+2のパルスを選択時に変化させない点が異なる。   Note that the driving shown in FIG. 10 may be performed instead of FIG. FIG. 10 differs from FIG. 3 in that the pulses of the signals ΦSEL_n, ΦSEL_n + 1, and ΦSEL_n + 2 are not changed when selected.

図4は、本実施形態の光電変換特性を示す図であり、センサチップ100からの出力信号を示す。特性Aaは、フォトダイオードPDの信号である。特性Ab,Ac,Ad,Aeは、それぞれダイナミックレンジ拡大信号の1回目から4回目までの読み出し信号である。この時、特性Aaの傾きと特性Abの傾きが異なるのは、ダイナミックレンジ拡大信号がフローティングディフュージョン部FDの容量と保持容量Ccsの和の容量で電圧変換されるためである。また、特性Afは、上記の特許文献1におけるフローティングディフュージョン部FD上及び保持容量Ccs上の暗電流によるフローティングディフュージョン部FD及び保持容量Ccs上の出力電圧である。特性Agは、本実施形態におけるフローティングディフュージョン部FD上及び保持容量Ccs上の暗電流によるフローティングディフュージョン部FD及び保持容量Ccs上の出力電圧である。   FIG. 4 is a diagram showing the photoelectric conversion characteristics of this embodiment, and shows an output signal from the sensor chip 100. A characteristic Aa is a signal of the photodiode PD. Characteristics Ab, Ac, Ad, and Ae are read signals from the first to fourth times of the dynamic range expansion signal, respectively. At this time, the slope of the characteristic Aa and the slope of the characteristic Ab are different because the dynamic range expansion signal is voltage-converted by the sum of the capacity of the floating diffusion portion FD and the storage capacity Ccs. The characteristic Af is an output voltage on the floating diffusion portion FD and the holding capacitor Ccs due to the dark current on the floating diffusion portion FD and the holding capacitor Ccs in Patent Document 1. The characteristic Ag is an output voltage on the floating diffusion portion FD and the storage capacitor Ccs due to the dark current on the floating diffusion portion FD and the storage capacitor Ccs in the present embodiment.

上記の特許文献1は、ダイナミックレンジ拡大量がVDである。本実施形態では、VDRを用いれば、ダイナミックレンジ拡大量は、次式になる。
「読み出し回数」×VDR×{「FDの容量」+「Ccsの容量」}/「FDの容量」
In the above-mentioned Patent Document 1, the dynamic range expansion amount is VD. In the present embodiment, if VDR is used, the dynamic range expansion amount is expressed by the following equation.
“Number of reads” × VDR × {“FD capacity” + “Ccs capacity”} / “FD capacity”

したがって、読み出し回数に応じて、ダイナミックレンジ拡大量を増やすことができる。   Therefore, the dynamic range expansion amount can be increased according to the number of readings.

(第2の実施形態)
図5は、本発明の第2の実施形態による固体撮像装置の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。本実施形態は、第1の実施形態と同じ回路において、図5に示すタイミングにより駆動するものである。図5は、本実施形態のn行目から(n+2)行目の画素部における駆動タイミングチャートである。本実施形態(図5)が第1の実施形態(図3)と異なる点は、フォトダイオードPDの電荷蓄積期間中は信号ΦSWがハイレベル固定である点である。このような動作にすることで、第1の実施形態であった期間T6等の動作が不要となる。すなわち、期間T6等で信号ΦRESをハイレベルにする必要がない。なお、第1の実施形態と同様に、図10の信号ΦSEL_n、ΦSEL_n+1、ΦSEL_n+2を適用してもよい。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a timing chart showing the drive timing of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. The present embodiment is driven by the timing shown in FIG. 5 in the same circuit as the first embodiment. FIG. 5 is a drive timing chart in the pixel portion from the n-th row to the (n + 2) -th row of the present embodiment. This embodiment (FIG. 5) differs from the first embodiment (FIG. 3) in that the signal ΦSW is fixed at a high level during the charge accumulation period of the photodiode PD. By setting it as such operation | movement, operation | movement of the period T6 etc. which were 1st Embodiment becomes unnecessary. That is, it is not necessary to set the signal ΦRES to the high level in the period T6 or the like. Note that the signals ΦSEL_n, ΦSEL_n + 1, and ΦSEL_n + 2 in FIG. 10 may be applied as in the first embodiment.

(第3の実施形態)
図6及び図7を用いて本発明の第3の実施形態を説明する。
図6は、図2の受光領域101内の画素部の構成例を示す回路図である。本実施形態(図6)が第1の実施形態(図1)と異なる点は、保持容量Ccs及びトランジスタSWがないことである。本実施形態の駆動タイミングは、図5の駆動タイミングチャートの内、信号ΦSWを除いたものと同じである。保持容量Ccsがない場合でも、本実施形態の効果は第1の実施形態と同様である。フォトダイオードPDの電荷蓄積期間では、転送スイッチTXがオフであり、フォトダイオードPDの蓄積部から電荷が溢れると、その溢れた電荷は転送スイッチTXを介してフローティングディフュージョン部FDに流入する。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 6 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the pixel portion in the light receiving region 101 of FIG. This embodiment (FIG. 6) is different from the first embodiment (FIG. 1) in that there is no storage capacitor Ccs and transistor SW. The drive timing of the present embodiment is the same as that except for the signal ΦSW in the drive timing chart of FIG. Even when there is no storage capacitor Ccs, the effect of this embodiment is the same as that of the first embodiment. In the charge accumulation period of the photodiode PD, the transfer switch TX is off, and when the charge overflows from the accumulation part of the photodiode PD, the overflowed charge flows into the floating diffusion part FD via the transfer switch TX.

図7は、固体撮像装置の光電変換特性を示す図である。光電変換特性において、特性Aa〜Agは、第1の実施形態(図4)と同様のものを指し示す。特性Aa及びAbの傾きが等しいのは、フォトダイオードPDの信号もダイナミックレンジ拡大信号も両方ともフローティングディフュージョン部FDの容量で電圧変換されるためである。このような形式にすれば、このあと処理回路により適宜加算を行う際処理が簡単となり、システム負荷が軽減し、処理時間も高速となる。   FIG. 7 is a diagram illustrating the photoelectric conversion characteristics of the solid-state imaging device. In the photoelectric conversion characteristics, the characteristics Aa to Ag indicate the same as those in the first embodiment (FIG. 4). The slopes of the characteristics Aa and Ab are equal because both the signal of the photodiode PD and the dynamic range expansion signal are voltage-converted by the capacitance of the floating diffusion portion FD. If such a format is used, the processing when the addition is appropriately performed by the processing circuit thereafter is simplified, the system load is reduced, and the processing time is increased.

本実施形態の特徴は、1画素部内の素子数が少ない点であり、より小さい画素部にも対応が可能となる。ダイナミックレンジの拡大量は、少ないものの、読み出しの回数を増やすことで補うことができる。   The feature of this embodiment is that the number of elements in one pixel portion is small, and it is possible to cope with a smaller pixel portion. Although the amount of expansion of the dynamic range is small, it can be compensated by increasing the number of readings.

また、本実施形態は、フォトダイオードPDに転送スイッチTXとは別の経路で溢れた電荷を排出するオーバーフロードレインを設けることで、更にダイナミックレンジの拡大量を増やすことができる。そして、そのような場合でも同様な効果を得ることができる。この場合の光電変換特性は、図4のようになり、特性Aa及びAbの傾きの違いは、以下のような関係がある。   In the present embodiment, the amount of expansion of the dynamic range can be further increased by providing the photodiode PD with an overflow drain that discharges the overflowed charge through a path different from the transfer switch TX. In such a case, the same effect can be obtained. The photoelectric conversion characteristics in this case are as shown in FIG. 4, and the difference in the slopes of the characteristics Aa and Ab has the following relationship.

フォトダイオードPDから溢れた電荷量=A、オーバーフロードレインで排出した電荷量=B、フローティングディフュージョン部FDに保持された電荷量=C、特性Aaの傾き=α、特性Abの傾き=βとすると、下式の関係が成り立つ。
A=B+C
α/β=A/C
The amount of charge overflowing from the photodiode PD = A, the amount of charge discharged from the overflow drain = B, the amount of charge held in the floating diffusion portion FD = C, the slope of the characteristic Aa = α, and the slope of the characteristic Ab = β. The following equation holds.
A = B + C
α / β = A / C

オーバーフロードレインを設けることにより、更にダイナミックレンジを拡大することができる。   By providing an overflow drain, the dynamic range can be further expanded.

また本実施形態の変形例として、Ccs部を設け、このCcs部はPN接合容量のみからなりゲート酸化膜による容量をもたないような構成も考えられる。Ccs部は、半導体基板と高濃度不純物領域からなるPN接合容量を有する。   Further, as a modification of the present embodiment, a configuration in which a Ccs portion is provided and the Ccs portion is composed only of a PN junction capacitance and does not have a capacitance due to a gate oxide film is conceivable. The Ccs portion has a PN junction capacitance composed of a semiconductor substrate and a high concentration impurity region.

(第4の実施形態)
図8を用いて、本発明の第4の実施形態を説明する。図8は、本発明の第4の実施形態による固体撮像装置をカメラに用いた際のカメラシステムの構成例を示す図である。図中のセンサ802は、図2のセンサチップ100に対応し、第3の実施形態による固体撮像装置を用いた。もちろん他の実施形態の固体撮像装置を用いてもかまわない。センサ802から出力された信号即ち、ダイナミックレンジ拡大信号及びフォトダイオード信号は、処理回路803を経由してメモリ804に保持される。処理回路803は、メモリ804を用い、ダイナミックレンジ拡大信号とフォトダイオード信号を加算処理する。電荷蓄積終了後、最後のフォトダイオード信号がセンサ802から処理回路803に読み出される。処理回路803は、加算処理した信号を画像処理回路805に出力する。画像処理回路805は、現像処理を行う。タイミングジェネレータ801は、センサ802、処理回路803及びメモリ804の制御信号を生成する。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of a camera system when a solid-state imaging device according to the fourth embodiment of the present invention is used in a camera. The sensor 802 in the figure corresponds to the sensor chip 100 in FIG. 2 and uses the solid-state imaging device according to the third embodiment. Of course, the solid-state imaging device according to another embodiment may be used. A signal output from the sensor 802, that is, a dynamic range expansion signal and a photodiode signal are held in the memory 804 via the processing circuit 803. The processing circuit 803 uses the memory 804 to add the dynamic range expansion signal and the photodiode signal. After the charge accumulation, the last photodiode signal is read from the sensor 802 to the processing circuit 803. The processing circuit 803 outputs the added signal to the image processing circuit 805. The image processing circuit 805 performs development processing. The timing generator 801 generates control signals for the sensor 802, the processing circuit 803, and the memory 804.

第3の実施形態で、図7のように、飽和前光電変換特性Aaの傾きと飽和後の光電変換特性Ab〜Aeの傾きが等しいような光電変換特性にすることで、処理回路803は、単純な加算処理をすればよいだけになり、処理回路803を簡単にすることができる。   In the third embodiment, as shown in FIG. 7, the processing circuit 803 has a photoelectric conversion characteristic in which the inclination of the photoelectric conversion characteristic Aa before saturation and the inclination of the photoelectric conversion characteristics Ab to Ae after saturation are equal, Only a simple addition process needs to be performed, and the processing circuit 803 can be simplified.

(第5の実施形態)
図9は、本発明の第5の実施形態による固体撮像装置の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。本実施形態は、メカシャッタと併用した場合の実施形態であり、第1の実施形態と同様な回路を用いる。時刻t1でメカシャッタを開き、時刻t3でメカシャッタを閉じる。期間T1〜T15の動作は、図5の動作と同様である。ただし、期間T1〜T3の動作を同時に行っている。
(Fifth embodiment)
FIG. 9 is a timing chart showing the drive timing of the solid-state imaging device according to the fifth embodiment of the present invention. This embodiment is an embodiment when used in combination with a mechanical shutter, and uses a circuit similar to the first embodiment. The mechanical shutter is opened at time t1, and the mechanical shutter is closed at time t3. The operation in the periods T1 to T15 is the same as the operation in FIG. However, the operations in the periods T1 to T3 are performed simultaneously.

露光開始を時刻t1のメカシャッタ開で規定し、露光終了を時刻t3のメカシャッタ閉で規定している。メカシャッタで露光開始を規定しているため、第1の実施形態と同様に、順次期間T1〜T3のリセット動作を行っても、全行のリセット終了後にメカシャッタが開けば同様の画像を得ることができる。また、時刻t2にメカシャッタ閉とすれば、最後のダイナミックレンジ拡大信号には、フローティングディフュージョン部FDの暗電流情報のみが含まれている。そのため、前半3回の信号は加算し、最後の信号を減算することで、固定パターンノイズを低減することもできる。   The exposure start is defined by opening the mechanical shutter at time t1, and the exposure end is defined by closing the mechanical shutter at time t3. Since the exposure start is defined by the mechanical shutter, similar to the first embodiment, even if the reset operation of the periods T1 to T3 is sequentially performed, a similar image can be obtained if the mechanical shutter is opened after the reset of all rows is completed. it can. If the mechanical shutter is closed at time t2, only the dark current information of the floating diffusion portion FD is included in the last dynamic range expansion signal. Therefore, the fixed pattern noise can be reduced by adding the first three signals and subtracting the last signal.

メカシャッタを併用した場合の駆動タイミングは、図9に限定されるものではなく、図3、図5の駆動タイミングでも前述の考えを基にメカシャッタを連動させれば良好な画像を得ることができる。また、第1の実施形態と同様に、図10の信号ΦSEL_n、ΦSEL_n+1、ΦSEL_n+2を適用してもよい。   The drive timing when the mechanical shutter is used in combination is not limited to that shown in FIG. 9, and a good image can be obtained by interlocking the mechanical shutter based on the above-described idea even at the drive timing shown in FIGS. Similarly to the first embodiment, the signals ΦSEL_n, ΦSEL_n + 1, and ΦSEL_n + 2 in FIG. 10 may be applied.

以上のように、第1〜第5の実施形態は、少なくともフォトダイオードPD及びフォトダイオードPDの信号を転送する転送スイッチTX、フォトダイオードPDから溢れた信号を保持する保持容量Ccsからなる画素部が2次元に配列された固体撮像装置である。同一蓄積期間中の溢れた信号を複数回に分けて読み出し、各読み出し後に溢れた信号のリセット動作を行う。   As described above, in the first to fifth embodiments, the pixel portion including at least the photodiode PD, the transfer switch TX that transfers the signal of the photodiode PD, and the storage capacitor Ccs that holds the signal overflowing from the photodiode PD is provided. It is a solid-state imaging device arranged in two dimensions. Overflowing signals during the same accumulation period are read out multiple times, and the overflowing signal is reset after each reading.

上記の特許文献1においては、フォトダイオードの電荷蓄積期間に対してダイナミックレンジ拡大信号を1回だけ読み出すことが開示されている。即ち、特許文献1は、フォトダイオードの読み出し1回に対し、ダイナミックレンジ拡大信号の読み出しも1回である。本実施形態は、フォトダイオードPDの電荷蓄積期間に対し、ダイナミックレンジ拡大信号を複数回読み出すものであり、フォトダイオードPD及び保持容量Ccsの電荷蓄積期間の同時性を確保しつつダイナミックレンジを拡大することができる。   In the above-mentioned Patent Document 1, it is disclosed that the dynamic range expansion signal is read only once for the charge accumulation period of the photodiode. That is, in Patent Document 1, the readout of the dynamic range expansion signal is performed once for each readout of the photodiode. In the present embodiment, the dynamic range expansion signal is read a plurality of times during the charge accumulation period of the photodiode PD, and the dynamic range is expanded while ensuring the synchronism of the charge accumulation period of the photodiode PD and the storage capacitor Ccs. be able to.

第1〜第5の実施形態の固体撮像装置において、フォトダイオードPDは、光電変換により電荷を生成し、その生成した電荷を蓄積する光電変換部である。保持容量Ccs又はフローティングディフュージョン部FDは、前記光電変換部PDから溢れた電荷を蓄積する電荷蓄積部である。行選択用スイッチSELは光電変換部に生じた電荷に基づく信号を外部に読み出すための読み出し部である。この読み出し部には、行選択スイッチSELを駆動する垂直走査回路104が含まれていてもよい。列信号処理回路102a,102bは、前記光電変換部PDにより生成される電荷について1回の電荷蓄積期間内に前記電荷蓄積部Ccs又はFDに蓄積された電荷に基づく信号が読み出され、この信号を処理する。リセットスイッチRESは、前記読み出し部102a,102bの各読み出しの後に前記電荷蓄積部Ccs又はFDに蓄積された電荷をリセットする。   In the solid-state imaging devices of the first to fifth embodiments, the photodiode PD is a photoelectric conversion unit that generates charges by photoelectric conversion and accumulates the generated charges. The storage capacitor Ccs or the floating diffusion portion FD is a charge accumulation portion that accumulates charges overflowing from the photoelectric conversion portion PD. The row selection switch SEL is a reading unit for reading a signal based on the electric charge generated in the photoelectric conversion unit to the outside. The reading unit may include a vertical scanning circuit 104 that drives the row selection switch SEL. The column signal processing circuits 102a and 102b read out signals based on the charges accumulated in the charge accumulation unit Ccs or FD within one charge accumulation period for the charges generated by the photoelectric conversion unit PD. Process. The reset switch RES resets the charge accumulated in the charge accumulation unit Ccs or FD after each readout of the readout units 102a and 102b.

第1の実施形態(図1)では、前記電荷蓄積部は、保持容量Ccsである。転送スイッチTXは、前記光電変換部PDに蓄積された電荷をフローティングディフュージョン部FDに転送するためのスイッチである。スイッチSWは、前記電荷蓄積部Ccs及び前記フローティングディフュージョン部FD間を接続するための接続スイッチである。行選択用スイッチSELの制御により、ソースフォロアトランジスタSFを介して、前記フローティングディフュージョン部FDの電荷に基づく信号を読み出す。   In the first embodiment (FIG. 1), the charge storage unit is a storage capacitor Ccs. The transfer switch TX is a switch for transferring the charge accumulated in the photoelectric conversion unit PD to the floating diffusion unit FD. The switch SW is a connection switch for connecting the charge storage unit Ccs and the floating diffusion unit FD. Under the control of the row selection switch SEL, a signal based on the charge of the floating diffusion portion FD is read through the source follower transistor SF.

第3の実施形態(図6)では、前記電荷蓄積部は、フローティングディフュージョン部FDである。スイッチTXは、前記光電変換部PDに蓄積された電荷を前記フローティングディフュージョン部FDに転送するための転送スイッチである。行選択用スイッチSELの制御により、前記フローティングディフュージョン部FDの電荷に基づく信号を読み出す。   In the third embodiment (FIG. 6), the charge storage unit is a floating diffusion unit FD. The switch TX is a transfer switch for transferring charges accumulated in the photoelectric conversion unit PD to the floating diffusion unit FD. By controlling the row selection switch SEL, a signal based on the electric charge of the floating diffusion portion FD is read out.

前記読み出し部102a,102bには、前記1回の電荷蓄積期間内において、前記電荷蓄積部Ccs又はFDに蓄積された電荷を複数回読み出した後に、前記光電変換部PDに蓄積された電荷を読み出す。   The readout units 102a and 102b read the charge accumulated in the photoelectric conversion unit PD after reading the charge accumulated in the charge accumulation unit Ccs or FD a plurality of times within the one charge accumulation period. .

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。   The above-described embodiments are merely examples of implementation in carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed in a limited manner. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or the main features thereof.

PD フォトダイオード
TX 転送スイッチ
RES リセットスイッチ
SF ソースフォロワの入力MOSトランジスタ
SEL 行選択用スイッチ
FD フローティングディフュージョン部
SW スイッチ
Ccs 保持容量
100 センサチップ
101 受光領域
102a,102b 列信号処理回路
103a,103b 水平走査回路
104 垂直走査回路
105a,105b 読み出しアンプ部
106a,106b 共通信号線部
107a,107b 出力線部
PD Photodiode TX Transfer switch RES Reset switch SF Source follower input MOS transistor SEL Row selection switch FD Floating diffusion part SW Switch Ccs Holding capacitor 100 Sensor chip 101 Light receiving area 102a, 102b Column signal processing circuits 103a, 103b Horizontal scanning circuit 104 Vertical scanning circuits 105a and 105b Read amplifier units 106a and 106b Common signal line units 107a and 107b Output line units

Claims (4)

複数の画素、及び、制御部を有する撮像装置であって、
前記複数の画素のそれぞれは、
光電変換により生じた電荷を蓄積する光電変換部と、
前記光電変換部からの電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
フローティングディフュージョン部と、
前記電荷蓄積部に蓄積された電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送するトランジスタを含む転送部と、
前記フローティングディフュージョン部の電荷に基づく信号を増幅する増幅部と、
前記フローティングディフュージョン部をリセットするリセット部と、を含み、
前記制御部は、ダイナミックレンジ拡大信号を複数回読み出すために、前記リセット部によるリセット動作の後、前記トランジスタをオンからオフにする動作、及び、前記トランジスタをオンすることによる前記電荷蓄積部から前記フローティングディフュージョン部への電荷の転送、前記光電変換部での1回の電荷蓄積期間に対して複数回行ように、前記転送部を制御する
ことを特徴とする撮像装置。
An imaging apparatus having a plurality of pixels and a control unit,
Each of the plurality of pixels is
A photoelectric conversion unit for accumulating charges generated by photoelectric conversion;
A charge storage unit that stores charges from the photoelectric conversion unit;
Floating diffusion,
A transfer unit including a transistor for transferring the charge stored in the charge storage unit to the floating diffusion unit ;
An amplifying unit for amplifying a signal based on the charge of the floating diffusion unit ;
A reset unit for resetting the floating diffusion unit ,
The controller is configured to read the dynamic range expansion signal a plurality of times , and after the reset operation by the reset unit, to turn off the transistor from on, and from the charge storage unit by turning on the transistor the transfer of charge to the floating diffusion portion, as intends multiple rows for a single charge accumulation period in the photoelectric conversion unit, an imaging device and controls the transfer unit.
前記複数の画素のそれぞれは、
前記増幅部によって増幅された信号を読み出す読み出し部を含み、
前記制御部は、前記リセット部によるリセット動作の後、前記電荷蓄積部から前記フローティングディフュージョン部への電荷の転送、及び、前記転送の後の前記読み出し部による前記ダイナミックレンジ拡大信号の読み出し、及び、前記読み出しの後の前記リセット部によるリセットを、前記光電変換部での1回の電荷蓄積期間に対して複数回行ように、前記転送部と前記読み出し部と前記リセット部とを制御することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
Each of the plurality of pixels is
A readout unit for reading out the signal amplified by the amplification unit;
The control unit, after a reset operation by the reset unit, transfer of charges from the charge storage unit to the floating diffusion unit , and reading of the dynamic range expansion signal by the read unit after the transfer, and a reset by the reset unit after the reading, as intends multiple rows for a single charge accumulation period in the photoelectric conversion unit, controlling said reset unit and the transfer unit and the reading unit The imaging apparatus according to claim 1.
前記電荷蓄積部は、PN接合容量を含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の撮像装置。 The charge storage section, the image pickup apparatus according to claim 1 or claim 2, characterized in that it comprises a PN junction capacitance. 複数の画素を有する撮像装置と、
前記撮像装置を制御する制御部と、
前記撮像装置からの信号を処理する信号処理装置と、を備えた撮像システムであって、
前記複数の画素のそれぞれは、
光電変換により生じた電荷を蓄積する光電変換部と、
前記光電変換部からの電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
フローティングディフュージョン部と、
前記電荷蓄積部に蓄積された電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送するトランジスタを含む転送部と、
前記フローティングディフュージョン部の電荷に基づく信号を増幅する増幅部と、
前記フローティングディフュージョン部をリセットするリセット部と、を含み、
前記制御部は、ダイナミックレンジ拡大信号を複数回読み出すために、前記リセット部によるリセット動作の後、前記トランジスタをオンからオフにする動作、及び、前記トランジスタをオンすることによる前記電荷蓄積部から前記フローティングディフュージョン部への電荷の転送、前記光電変換部での1回の電荷蓄積期間に対して複数回行ように、前記撮像装置を制御する
ことを特徴とする撮像システム。
An imaging device having a plurality of pixels;
A control unit for controlling the imaging device;
A signal processing device for processing a signal from the imaging device,
Each of the plurality of pixels is
A photoelectric conversion unit for accumulating charges generated by photoelectric conversion;
A charge storage unit that stores charges from the photoelectric conversion unit;
Floating diffusion,
A transfer unit including a transistor for transferring the charge stored in the charge storage unit to the floating diffusion unit ;
An amplifying unit for amplifying a signal based on the charge of the floating diffusion unit ;
A reset unit for resetting the floating diffusion unit ,
The controller is configured to read the dynamic range expansion signal a plurality of times , and after the reset operation by the reset unit, to turn off the transistor from on, and from the charge storage unit by turning on the transistor the transfer of charge to the floating diffusion portion, as intends multiple rows for a single charge accumulation period in the photoelectric conversion unit, an imaging system, characterized by controlling the imaging device.
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