JP5926529B2 - Imaging device and imaging apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、撮像素子及び当該撮像素子を用いた撮像装置に関し、更に詳しくは、各画素が複数の光電変換部を有すると共に、各画素からの信号を複数の読み出し系を介して読み出す撮像素子及び撮像装置に関する。   The present invention relates to an image pickup device and an image pickup apparatus using the image pickup device, and more specifically, an image pickup device in which each pixel has a plurality of photoelectric conversion units and reads signals from each pixel through a plurality of readout systems. The present invention relates to an imaging apparatus.

単位画素につき、複数の光電変換部を設けた画素を、画素領域の一部に含む固体撮像素子が提案されている。このような画素は、位相差検出方式の焦点調節に用いられてきた。また単位画素における左グループ及び右グループなどの光電変換部の配置毎に撮像した画像は、互いに視点の異なる画像信号であることから、立体画像撮像装置などへの応用も期待される。   There has been proposed a solid-state imaging device that includes a pixel provided with a plurality of photoelectric conversion units per unit pixel in a part of a pixel region. Such a pixel has been used for focus adjustment in a phase difference detection system. Moreover, since the image captured for each arrangement of the photoelectric conversion units such as the left group and the right group in the unit pixel is an image signal having different viewpoints, application to a stereoscopic image capturing apparatus or the like is also expected.

一方、CMOS固体撮像素子は、高速読み出しの目的で、複数の出力端子から、並列に、画像信号を出力することが一般的となってきている。とりわけ、列出力回路の配置スペースを大きくし、かつ水平走査回路や水平信号線との配線構造を単純化するため、1列おきに、画素領域の上及び下に配置した出力端子へ接続するよう構成していた。複数の出力端子とは典型的には偶数であり、最も簡単には2であることを想起すると、このような配置の必然性が理解される。   On the other hand, it has become common for CMOS solid-state imaging devices to output image signals in parallel from a plurality of output terminals for the purpose of high-speed reading. Particularly, in order to increase the arrangement space of the column output circuit and simplify the wiring structure with the horizontal scanning circuit and the horizontal signal line, it is connected to output terminals arranged above and below the pixel region every other column. It was composed. The necessity of such an arrangement is understood when recalling that the number of output terminals is typically an even number, most simply 2.

例えば、特許文献1には、光電変換部を有する撮像用画素と、一対の第1光電変換部及び第2光電変換部を有する焦点検出用画素とが二次元的に配列された撮像素子が開示されている。この撮像素子は、複数の焦点検出用画素のうち互いに隣接する第1焦点検出用画素と第2焦点検出用画素のそれぞれの第1光電変換部の出力どうしを加算した信号を第1焦点検出用画素から出力する出力部を備えている。また、該出力部は、第2光電変換部の出力どうしを加算した信号を第2焦点検出用画素から出力する。   For example, Patent Document 1 discloses an imaging device in which an imaging pixel having a photoelectric conversion unit and a focus detection pixel having a pair of first and second photoelectric conversion units are two-dimensionally arranged. Has been. This image sensor is a first focus detection signal obtained by adding the outputs of the first photoelectric conversion units of the first focus detection pixel and the second focus detection pixel adjacent to each other among the plurality of focus detection pixels. An output unit for outputting from the pixel is provided. The output unit outputs a signal obtained by adding the outputs of the second photoelectric conversion units from the second focus detection pixel.

この加算により、焦点検出用画素が配置されているにも関わらず、全てが撮像用画素で構成されている撮像素子と同じ読み出しシーケンスで焦点検出用画素から画像信号を読み出すことが可能となり、撮像素子の動作制御の複雑化を防止することができる。   By this addition, it becomes possible to read out the image signal from the focus detection pixels in the same readout sequence as the image pickup element that is configured by all of the image pickup pixels even though the focus detection pixels are arranged. It is possible to prevent complication of operation control of the element.

一方、特許文献2は、2次元マトリクス状に配列され、被写体光学像を光電変換して電荷信号を生成する複数の画素を有する、複線読み出し構成のCMOS固体撮像素子が開示されている。このCMOS固体撮像素子は、画素から読み出された電荷信号に対して所定の処理を行う複数の列出力回路と、列出力回路により所定の処理が行われた電荷信号を出力する複数の出力端子とを有する。更に、画素から読み出された電荷信号の送出先の列出力回路を選択する複数の列出力回路選択部を有する。列出力回路選択部は、画素のうち、市松状に配置された特定画素で生成された電荷信号を1つの出力端子から出力し、他の画素で生成された電荷信号を他の出力端子から出力するように列出力回路を選択する。   On the other hand, Patent Document 2 discloses a CMOS solid-state imaging device having a double-line readout configuration, which is arranged in a two-dimensional matrix and has a plurality of pixels that photoelectrically convert a subject optical image to generate a charge signal. The CMOS solid-state imaging device includes a plurality of column output circuits that perform predetermined processing on a charge signal read from a pixel, and a plurality of output terminals that output charge signals that have been subjected to predetermined processing by the column output circuit And have. In addition, a plurality of column output circuit selection units for selecting a column output circuit to which the charge signal read from the pixel is sent are provided. The column output circuit selection unit outputs, from one output terminal, a charge signal generated by a specific pixel arranged in a checkered pattern among pixels, and outputs a charge signal generated by another pixel from another output terminal. The column output circuit is selected as follows.

このCMOS固体撮像素子においては、多数の画素を複数の水平信号線より並列に出力するため、列出力回路や水平走査回路が画素領域を挟んで上下に設けられ、1列おきに当該列出力回路が接続されていた。従来、ベイヤーカラーフィルタ配列における、R行に存在するG信号と、B行に存在するG信号とで異なる列出力回路もしくは水平走査回路からのノイズを受けていた。これに対し、特許文献2では、列出力回路選択部により同一の列出力回路及び水平走査回路を使用することができるようになった。   In this CMOS solid-state imaging device, in order to output a large number of pixels in parallel from a plurality of horizontal signal lines, column output circuits and horizontal scanning circuits are provided above and below the pixel region, and the column output circuit is provided every other column. Was connected. Conventionally, in the Bayer color filter array, the G signal existing in the R row and the G signal existing in the B row receive noise from different column output circuits or horizontal scanning circuits. On the other hand, in Patent Document 2, the column output circuit selection unit can use the same column output circuit and horizontal scanning circuit.

特開2008−103885号公報JP 2008-103885 A 特開2007−74630号公報JP 2007-74630 A

しかしながら、特許文献1は、第1光電変換部どうし及び第2光電変換部どうしを加算してあくまで焦点検出用画素として用いることを目的としたもので、第1光電変換部と第2光電変換部とを加算することはできなかった。また、第1光電変換部どうしで同一の電荷電圧変換部(浮遊拡散層もしくはフローティングディフュージョンとも称する。)にその電荷を転送する加算方法しか開示されていなかった。更に、図面視上、同一のフローティングディフュージョンは撮像用画素におけるフローティングディフュージョンよりも面積が大きいので容量も大きくなり、焦点検出用画素の電荷変換係数が低くなり、S/N比が低下する可能性がある。   However, Patent Document 1 is intended to use the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit as a focus detection pixel by adding the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit, and the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit. And could not be added. In addition, only an addition method for transferring the charge to the same charge-voltage converter (also referred to as a floating diffusion layer or a floating diffusion) between the first photoelectric converters has been disclosed. Further, in view of the drawing, the same floating diffusion has a larger area than the floating diffusion in the imaging pixel, so that the capacity is increased, the charge conversion coefficient of the focus detection pixel is lowered, and the S / N ratio may be lowered. is there.

また、特許文献2の列出力回路選択部は、専ら市松状に配置された特定画素を1つの出力端子から出力できるように選択するのであって、その他の場合の効果については示唆されていない。さらに、1つの出力端子から出力した信号を加算する可能性についても示唆されていない。   In addition, the column output circuit selection unit of Patent Document 2 selects a specific pixel arranged exclusively in a checkered pattern so that it can be output from one output terminal, and the effect in other cases is not suggested. Furthermore, there is no suggestion of the possibility of adding signals output from one output terminal.

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、各画素が複数の光電変換部を有し、各画素からの信号を複数の読み出し系を介して読み出す撮像素子において、画素単位の加算読み出し及び光電変換部毎の独立読み出しを適切に行えるようにすることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems. In an image pickup device in which each pixel has a plurality of photoelectric conversion units and reads signals from each pixel through a plurality of readout systems, addition reading in units of pixels is performed. And it aims at enabling it to perform the independent reading for every photoelectric conversion part appropriately.

上記目的を達成するために、本発明の撮像素子は、複数の光電変換部と、該複数の光電変換部により変換された電荷を電圧信号に変換して出力する複数の変換手段とをそれぞれ含む単位画素が、行列状に配列された画素領域と、各列に配列された複数の単位画素それぞれに含まれる前記複数の変換手段のいずれかに共通に接続される信号線を、前記複数の変換手段それぞれに接続するように複数含み、前記複数の変換手段から出力された前記電圧信号を、前記複数の信号線を介してそれぞれ独立に第1の方向に転送する第1の読み出し手段と、前記第1の読み出し手段により転送された前記電圧信号を、第2の方向に転送する複数の第2の読み出し手段と、前記複数の信号線を、各列毎に結合する結合手段と、前記結合手段により前記複数の信号線を結合するか否かを制御する制御手段と、を有し、前記複数の信号線を、各列毎に、前記複数の第2の読み出し手段のいずれか1つに接続したことを特徴とする。 In order to achieve the above object, an image pickup device of the present invention includes a plurality of photoelectric conversion units and a plurality of conversion units that convert electric charges converted by the plurality of photoelectric conversion units into voltage signals and output the voltage signals. A signal line commonly connected to any of the plurality of conversion means included in each of a plurality of unit pixels arranged in a column and a plurality of unit pixels arranged in a column, and the plurality of conversion units. A plurality of the first and second read-out means for independently transferring the voltage signals output from the plurality of conversion means in a first direction via the plurality of signal lines; A plurality of second reading means for transferring the voltage signal transferred by the first reading means in a second direction; a coupling means for coupling the plurality of signal lines for each column; and the coupling means The plurality of And a control means for controlling whether or not to combine Route, and characterized in that said plurality of signal lines, for each column, and connected to one of said plurality of second reading means To do.

本発明によれば、各画素が複数の光電変換部を有し、各画素からの信号を複数の読み出し系を介して読み出す撮像素子において、画素単位の加算読み出し及び光電変換部毎の独立読み出しを適切に行うことができる。   According to the present invention, each pixel has a plurality of photoelectric conversion units, and in an imaging device that reads signals from each pixel through a plurality of readout systems, addition readout in units of pixels and independent readout for each photoelectric conversion unit are performed. Can be done appropriately.

本発明の実施形態に係る撮像装置の全体構成の一例を表すブロック図。1 is a block diagram illustrating an example of the overall configuration of an imaging apparatus according to an embodiment of the present invention. 第1の実施形態に係る固体撮像素子の構成の一例を表す等価回路図。FIG. 3 is an equivalent circuit diagram illustrating an example of a configuration of the solid-state imaging element according to the first embodiment. 第1の実施形態に係る単位画素の構成の一例を表す等価回路図。FIG. 3 is an equivalent circuit diagram illustrating an example of a configuration of a unit pixel according to the first embodiment. 第1の実施形態に係る固体撮像素子の駆動方法を表すタイミングチャート。6 is a timing chart illustrating a method for driving the solid-state imaging element according to the first embodiment. 第2の実施形態に係る固体撮像素子の構成の一例を表す等価回路図。The equivalent circuit diagram showing an example of the composition of the solid-state image sensing device concerning a 2nd embodiment. 第2の実施形態に係る単位画素の構成の一例を表す等価回路図。The equivalent circuit diagram showing an example of the composition of the unit pixel concerning a 2nd embodiment. 第3の実施形態に係る固体撮像素子の構成の一例を表す等価回路図。The equivalent circuit diagram showing an example of the composition of the solid-state image sensing device concerning a 3rd embodiment. 第3の実施形態に係る単位画素の構成の一例を表す等価回路図。The equivalent circuit diagram showing an example of the composition of the unit pixel concerning a 3rd embodiment. 第3の実施形態に係る固体撮像素子の駆動方法を表すタイミングチャート。9 is a timing chart illustrating a method for driving a solid-state imaging device according to a third embodiment. 第4の実施形態に係る固体撮像素子の構成の一例を表す等価回路図。The equivalent circuit diagram showing an example of the composition of the solid-state image sensing device concerning a 4th embodiment. 第4の実施形態に係る単位画素の構成の一例を表す等価回路図。The equivalent circuit diagram showing an example of the composition of the unit pixel concerning a 4th embodiment. 第5の実施形態に係る固体撮像素子の構成の一例を表す等価回路図。FIG. 10 is an equivalent circuit diagram illustrating an example of a configuration of a solid-state imaging element according to a fifth embodiment. 第5の実施形態に係る固体撮像素子の駆動方法を表すタイミングチャート。10 is a timing chart illustrating a method for driving a solid-state imaging device according to a fifth embodiment. 第6の実施形態に係る固体撮像素子の構成の一例を表す等価回路図。The equivalent circuit diagram showing an example of the composition of the solid-state image sensing device concerning a 6th embodiment.

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.

まず、本発明の実施形態に係る撮像装置の全体構成について説明する。図1は、本発明の実施形態に係る撮像装置の全体構成の一例を表すブロック図である。図1において、1は、絞りやメカニカルシャッタを含むレンズ等の撮影光学系である。固体撮像素子2は、撮影光学系1によって結像された被写体像を光電変換し、電気信号として取り出す。本発明の構成における特徴の大部分が、この固体撮像素子2にあるので、詳細に後述する。   First, the overall configuration of an imaging apparatus according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of the overall configuration of an imaging apparatus according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a photographing optical system such as a lens including a diaphragm and a mechanical shutter. The solid-state imaging device 2 photoelectrically converts the subject image formed by the photographing optical system 1 and takes it out as an electrical signal. Since most of the features of the configuration of the present invention are in the solid-state imaging device 2, it will be described in detail later.

相関二重サンプリング(CDS)回路3は固体撮像素子2から出力されたアナログ信号をサンプリングし、A/D変換器4はサンプリングされたアナログ信号をデジタル信号に変換する。デジタル化された画像信号は、画像メモリ8に記憶され、信号処理回路7により、ホワイトバランス補正、ガンマ補正をはじめとした各種信号処理が施される。信号処理の施された画像信号は、記録回路9を介して記録媒体10に記録される。一方、画像信号は、表示回路11を通して、液晶ディスプレイなどの表示装置12に直接表示することもできる。表示装置12はまた、これから撮像しようとする画面を連続的にライブで表示するライブビュー表示や、記録した動画の再生表示も可能である。   A correlated double sampling (CDS) circuit 3 samples an analog signal output from the solid-state imaging device 2, and an A / D converter 4 converts the sampled analog signal into a digital signal. The digitized image signal is stored in the image memory 8 and subjected to various signal processing such as white balance correction and gamma correction by the signal processing circuit 7. The image signal subjected to the signal processing is recorded on the recording medium 10 via the recording circuit 9. On the other hand, the image signal can also be directly displayed on the display device 12 such as a liquid crystal display through the display circuit 11. The display device 12 can also perform live view display for continuously displaying a screen to be imaged from now on, and playback display of recorded moving images.

タイミング発生回路5は、駆動回路6を介して撮影光学系1及び固体撮像素子2などの撮像系を駆動する。さらに、撮像系の駆動ひいては固体撮像素子2の出力信号に同期して、CDS回路3、A/D変換器4を駆動・制御する。本実施形態は、タイミング発生回路5による駆動方法に特徴があるので、詳細に後述する。   The timing generation circuit 5 drives an imaging system such as the imaging optical system 1 and the solid-state imaging device 2 via the drive circuit 6. Further, the CDS circuit 3 and the A / D converter 4 are driven and controlled in synchronization with the drive of the image pickup system and thus with the output signal of the solid-state image pickup device 2. Since this embodiment is characterized by the driving method by the timing generation circuit 5, it will be described in detail later.

システム制御部13は、RAMなどの揮発性メモリ14に一時記憶されたプログラムにより撮像装置全体を制御する。15は、当該処理実行時に転送されるべきプログラム、各種データを格納したROMなどの不揮発性メモリである。   The system control unit 13 controls the entire imaging apparatus with a program temporarily stored in a volatile memory 14 such as a RAM. Reference numeral 15 denotes a non-volatile memory such as a ROM storing a program and various data to be transferred when the processing is executed.

<第1の実施形態>
次に、本発明の特徴である固体撮像素子2の構成について詳述する。図2は、第1の実施形態に係る固体撮像素子2の構成の一例を表す等価回路図である。固体撮像素子2は、撮影光学系1によって、被写体が結像されるべき画素領域20を有している。画素領域20には、複数の光電変換部を含む単位画素が、垂直及び水平に、等間隔で行列状に配列されている。ここで、単位画素の構成について説明する。
<First Embodiment>
Next, the configuration of the solid-state imaging device 2 that is a feature of the present invention will be described in detail. FIG. 2 is an equivalent circuit diagram illustrating an example of the configuration of the solid-state imaging device 2 according to the first embodiment. The solid-state imaging device 2 has a pixel region 20 where a subject is to be imaged by the photographing optical system 1. In the pixel region 20, unit pixels including a plurality of photoelectric conversion units are arranged in a matrix form at equal intervals vertically and horizontally. Here, the configuration of the unit pixel will be described.

図3は、固体撮像素子2の単位画素の構成の一例を説明するための等価回路図である。以下の説明において全て、(n,m)とは画素領域20においてn行目かつm列目に存在する単位画素における構成要素を表すものである。また、L及びRは、それぞれ図面上で左側に存在する構成要素及び右側に存在する構成要素であることを意味する。ただし、構成の行、列の配置位置及び左右に関わり無く構成を説明する場合には、(n,m)及びL、Rの少なくともいずれか一方の記載を省略することがある。   FIG. 3 is an equivalent circuit diagram for explaining an example of the configuration of the unit pixel of the solid-state imaging device 2. In the following description, (n, m) represents a component in a unit pixel existing in the nth row and the mth column in the pixel region 20. Further, L and R mean a component existing on the left side and a component existing on the right side in the drawing, respectively. However, in the case of explaining the configuration regardless of the arrangement position and the left and right positions of the configuration, at least one of (n, m) and L and R may be omitted.

200は、単位画素を径内に含むマイクロレンズである。201L(n,m)及び201R(n,m)は、光電変換部であり、例えば、フォトダイオードにより構成される。光電変換部はN型の半導体領域を含み、電荷蓄積部としての機能も兼ねる。光電変換部201L(n,m)及び201R(n,m)で発生した信号電荷は、それぞれの転送トランジスタ203L(n,m)及び203R(n,m)を介してフローティングディフュージョン部202L(n,m)及び202R(n,m)に転送される。なお、フローティングディフュージョン部202は電荷電圧変換部として動作する。転送トランジスタ203L(n,m)及び203R(n,m)は、制御線Tx(n)によりオン/オフ制御され、ハイ信号によりオン、ロー信号によりオフとなる。制御線Tx(n)は、水平方向(行方向)に複数配置された単位画素に共通に接続されているので、転送トランジスタ203L(n,m)及び203R(n,m)は、各行(n)毎にオン/オフ制御される。   Reference numeral 200 denotes a microlens including a unit pixel within the diameter. 201L (n, m) and 201R (n, m) are photoelectric conversion units, and are configured by, for example, photodiodes. The photoelectric conversion unit includes an N-type semiconductor region, and also functions as a charge storage unit. Signal charges generated in the photoelectric conversion units 201L (n, m) and 201R (n, m) are transferred to the floating diffusion unit 202L (n, m) via the transfer transistors 203L (n, m) and 203R (n, m), respectively. m) and 202R (n, m). The floating diffusion unit 202 operates as a charge voltage conversion unit. The transfer transistors 203L (n, m) and 203R (n, m) are on / off controlled by a control line Tx (n), and are turned on by a high signal and turned off by a low signal. Since the control line Tx (n) is commonly connected to a plurality of unit pixels arranged in the horizontal direction (row direction), the transfer transistors 203L (n, m) and 203R (n, m) are connected to each row (n ) Is turned on / off every time.

電荷電圧変換部202L(n,m)及び202R(n,m)はN型の半導体領域を含み、光電変換部201と同様に電荷蓄積部としての機能も兼ねる。さらに、制御線Rx(n)により制御されるリセットトランジスタ204L(n,m)及び204R(n,m)を介して、図4を参照して後述するタイミングチャートの周期で、電源電圧VDDにリセットすることができる。制御線Rx(n)にハイ信号を与えることにより、リセットトランジスタ204L(n,m)及び204R(n,m)はオン状態となり、リセットが行われる。このリセットの後、リセットトランジスタ204L(n,m)及び204R(n,m)はオフとされ、電気的に浮遊(フローティング)状態となる。そのため、光電変換部201L(n,m)及び201R(n,m)より転送された信号電荷に相当する分だけ電位が電源電圧VDDよりも降下する。これを信号として読み取ることで、アナログ電気信号を出力するのが単位画素の大まかな仕組みである。信号電荷に相当する電位とは、信号電荷量を、電荷電圧変換部202L(n,m)及び202R(n,m)の持つ容量で除算した電位である。   The charge-voltage converters 202L (n, m) and 202R (n, m) include an N-type semiconductor region, and also function as a charge storage unit, similar to the photoelectric converter 201. Further, the reset voltage is reset to the power supply voltage VDD at a cycle of a timing chart described later with reference to FIG. 4 via reset transistors 204L (n, m) and 204R (n, m) controlled by the control line Rx (n). can do. By applying a high signal to the control line Rx (n), the reset transistors 204L (n, m) and 204R (n, m) are turned on and reset is performed. After this reset, the reset transistors 204L (n, m) and 204R (n, m) are turned off and are in an electrically floating (floating) state. Therefore, the potential drops below the power supply voltage VDD by an amount corresponding to the signal charge transferred from the photoelectric conversion units 201L (n, m) and 201R (n, m). The rough mechanism of the unit pixel is to output an analog electric signal by reading this as a signal. The potential corresponding to the signal charge is a potential obtained by dividing the signal charge amount by the capacitance of the charge voltage conversion units 202L (n, m) and 202R (n, m).

電荷電圧変換部202L(n,m)及び202R(n,m)はまた、増幅トランジスタ205L(n,m)及び205R(n,m)のゲートに接続されている。そして、制御線Sx(n)により制御される選択トランジスタ206L(n,m)及び206R(n,m)のオン動作により、後述の垂直信号線VLm及びVRmに接続された定電流源(不図示)とソースフォロワ回路を構成する。これにより、電源電圧からの電位変化を伝達する。垂直信号線VLm及びVRmは、垂直方向(列方向、第1の方向)に複数配置された単位画素の光電変換部201L(n,m)及び201R(n,m)それぞれに共通に接続されている。   The charge-voltage converters 202L (n, m) and 202R (n, m) are also connected to the gates of the amplification transistors 205L (n, m) and 205R (n, m). Then, a constant current source (not shown) connected to vertical signal lines VLm and VRm, which will be described later, by turning on the selection transistors 206L (n, m) and 206R (n, m) controlled by the control line Sx (n). ) And the source follower circuit. Thereby, the potential change from the power supply voltage is transmitted. The vertical signal lines VLm and VRm are commonly connected to the photoelectric conversion units 201L (n, m) and 201R (n, m) of unit pixels arranged in the vertical direction (column direction, first direction). Yes.

図2に示す例では、説明を分かり易くするために、上述したような構成を有する単位画素を、画素領域20内に垂直及び水平に等間隔で4行×8列分配列した場合を示しているが、実際の撮像装置では、数百万から数千万画素程度の単位画素が配列される。   In the example shown in FIG. 2, in order to make the explanation easy to understand, a case where unit pixels having the above-described configuration are arranged in 4 × 8 columns vertically and horizontally in the pixel region 20 at equal intervals is shown. However, in an actual imaging apparatus, unit pixels of about several million to tens of millions of pixels are arranged.

図2において、垂直信号線VLm及びVRmは、8列に配列された単位画素の複数の光電変換部201L(n,m)及び201R(n,m)がそれぞれ互いに異なる垂直信号線に接続されるように、16本配線されている。そして、上述したように、各垂直信号線VLm及びVRmには、各列毎に、複数の光電変換部201L(n,m)及び201R(n,m)がそれぞれ接続されている。   In FIG. 2, vertical signal lines VLm and VRm are connected to vertical signal lines different from each other in a plurality of photoelectric conversion units 201L (n, m) and 201R (n, m) of unit pixels arranged in eight columns. As shown, 16 wires are wired. As described above, a plurality of photoelectric conversion units 201L (n, m) and 201R (n, m) are connected to each vertical signal line VLm and VRm for each column.

垂直信号線VLm及びVRmそれぞれの後段には、列出力回路(第1の読み出し手段)を構成するキャパシタCSLm、CNLm、CSRm及びCNRmが配列されている。これらのキャパシタCSLm、CNLm、CSRm及びCNRmは、それぞれの垂直信号線VLm及びVRmの電位を書き込む1行分のメモリとしての機能を実現する。なお、CSで示すキャパシタは信号電荷転送後の電位(画像信号)を保持するためのメモリを示し、CNで示すキャパシタは信号電荷転送前の電位(ノイズ信号)を保持するためのメモリを示している。また、16個のキャパシタCSLm及びCSRmに電位書き込みを行うトランジスタの並列な制御線をPS、同じく16個のキャパシタCNLm及びCNRmに電位書き込みを行うトランジスタの並列な制御線をPNと称している。   Capacitors CSLm, CNLm, CSRm, and CNRm constituting a column output circuit (first reading means) are arranged at the subsequent stage of each of the vertical signal lines VLm and VRm. These capacitors CSLm, CNLm, CSRm, and CNRm realize a function as a memory for one row in which the potentials of the vertical signal lines VLm and VRm are written. A capacitor indicated by CS indicates a memory for holding a potential (image signal) after signal charge transfer, and a capacitor indicated by CN indicates a memory for holding a potential (noise signal) before signal charge transfer. Yes. Further, a parallel control line of transistors for writing potentials to 16 capacitors CSLm and CSRm is called PS, and a parallel control line of transistors for writing potentials to 16 capacitors CNLm and CNRm is called PN.

本第1の実施形態においては、列出力回路はさらに、制御線ADD1(制御手段)により制御される、ノイズ信号用の加算平均化トランジスタANmを垂直信号線VLm及びVRmの組み合わせ毎に備えている(結合手段)。更に、制御線ADD1(制御手段)により制御される、画像信号用の加算平均化トランジスタASmも垂直信号線VLm及びVRmの組み合わせ毎に備えている(結合手段)。このように構成することにより、ノイズ信号用の加算平均化トランジスタANmと、画像信号用の加算平均化トランジスタASmは、ノイズ信号及び画像信号を単位画素毎に加算平均化することができる。   In the first embodiment, the column output circuit further includes a noise signal addition averaging transistor ANm controlled by the control line ADD1 (control means) for each combination of the vertical signal lines VLm and VRm. (Joining means). Further, an addition averaging transistor ASm for image signals controlled by the control line ADD1 (control means) is provided for each combination of the vertical signal lines VLm and VRm (coupling means). With this configuration, the noise signal addition averaging transistor ANm and the image signal addition averaging transistor ASm can add and average the noise signal and the image signal for each unit pixel.

垂直走査回路21は、図3に示す転送トランジスタ203、リセットトランジスタ204及び選択トランジスタ206を、後述するタイミングチャートに示すタイミングで垂直方向に順次オンするよう行アドレスを送る。   The vertical scanning circuit 21 sends a row address so that the transfer transistor 203, the reset transistor 204, and the selection transistor 206 shown in FIG. 3 are sequentially turned on in the vertical direction at a timing shown in a timing chart described later.

水平走査回路22U及び22Dは、キャパシタCSLm、CSNm、CSRm、CNRmに蓄積された画像信号及びノイズ信号を、それぞれの出力端子23Uもしくは23Dに出力すべく水平方向(行方向、第2の方向)に順次走査するよう機能する。出力端子23U及び23Dは画像信号からノイズ信号を差し引きして出力する差動回路構成となっており、ノイズ除去済みのS−N信号を得ることができる。なお、出力端子23U及び23Dに接続された信号線を水平信号線と称することがある(第2の読み出し手段)。   The horizontal scanning circuits 22U and 22D are arranged in the horizontal direction (row direction, second direction) to output the image signal and noise signal accumulated in the capacitors CSLm, CSNm, CSRm, CNRm to the respective output terminals 23U or 23D. Functions to scan sequentially. The output terminals 23U and 23D have a differential circuit configuration that subtracts the noise signal from the image signal and outputs it, and an S-N signal from which noise has been removed can be obtained. The signal lines connected to the output terminals 23U and 23D may be referred to as horizontal signal lines (second reading means).

INVU及びINVDは、いずれも入力値を反転する反転素子、MSm、MNm及びMmは、いずれも2つの入力値の積を出力値とするAND素子である。   INVU and INVD are all inverting elements that invert the input value, and MSm, MNm, and Mm are all AND elements that output the product of the two input values.

このように信号出力系を複数備えた構成において、単位画素毎に信号出力系を振り分けることで、各光電変換部201からS−N信号を独立かつ並列に読み出すだけではなく、単位画素毎に加算平均されたS−N信号を並列に読み出すことが可能になる。   In such a configuration including a plurality of signal output systems, by distributing the signal output system for each unit pixel, not only the S-N signal is read out independently and in parallel from each photoelectric conversion unit 201 but also added for each unit pixel. It becomes possible to read out the averaged SN signals in parallel.

図4は、本第1の実施形態における固体撮像素子2を駆動するためのタイミングチャートの一例であり、詳しくは、単位画素に含まれる複数の光電変換部201の加算平均化電圧信号を出力するためのタイミングチャートである。図4のようなタイミングチャートは、タイミング発生回路5により実現される。以下、このタイミングチャートに従って、固体撮像素子2の具体的な動作を説明する。   FIG. 4 is an example of a timing chart for driving the solid-state imaging device 2 according to the first embodiment. Specifically, the addition averaged voltage signals of the plurality of photoelectric conversion units 201 included in the unit pixel are output. It is a timing chart for. The timing chart as shown in FIG. 4 is realized by the timing generation circuit 5. Hereinafter, a specific operation of the solid-state imaging device 2 will be described according to this timing chart.

ここではまず、加算平均化制御信号ADD1がハイ固定であるものとする。また、図4は、水平同期信号が表している通り、垂直走査回路21がn行目を一時に選択したうえでの、各制御線の値を時間に対して示したものである。従って、図4に示した動作が完了すれば、垂直走査回路21はn+1行目を選択し、図4の動作を繰り返す。このような繰り返しは、選択可能な垂直アドレスが存在しなくなるまで継続される。   Here, first, it is assumed that the addition averaging control signal ADD1 is fixed to high. FIG. 4 shows the values of the respective control lines with respect to time after the vertical scanning circuit 21 selects the n-th row at a time, as indicated by the horizontal synchronizing signal. Therefore, when the operation shown in FIG. 4 is completed, the vertical scanning circuit 21 selects the (n + 1) th row and repeats the operation of FIG. Such repetition continues until there are no more selectable vertical addresses.

図4の時刻t1において、水平同期信号の立ち上がりとともに、選択された行(n行目)の選択トランジスタ206L(n,m)及び206R(n,m)の制御線Sx(n)が立ち上がる。これにより、選択されたn行目の単位画素は全て垂直信号線VLm及びVLnと接続される。   At time t1 in FIG. 4, the control line Sx (n) of the selection transistors 206L (n, m) and 206R (n, m) of the selected row (nth row) rises with the rise of the horizontal synchronization signal. Thus, all the selected unit pixels in the nth row are connected to the vertical signal lines VLm and VLn.

図4の時刻t2において、n行目のリセットトランジスタ204L(n,m)及び204R(n,m)の制御線Rx(n)が立ち上がり、n行目の電荷電圧変換部202L(n,m)及び202R(n,m)は全て電源VDDにリセットされる。こうして電荷電圧変換部202L(n,m)及び202R(n,m)の電位は略VDDとなる。この電位状態は、時刻t3において、制御線Rx(n)が立ち下がり、リセットトランジスタ204L(n,m)及び204R(n,m)がオフ状態になった時点ではほとんど変化しない。すなわち、時刻t3において、リセットトランジスタ204L(n,m)及び204R(n,m)がオフ状態となったので、電荷電圧変換部202L(n,m)及び202R(n,m)はともに浮遊(フローティング)状態となっている。なお、時刻t2の前に、水平同期信号が立ち下がっているが、これは同期信号が持つ情報として十分なだけハイ期間が維持されていればよいので、立ち下がり時刻は限定されるものではない。   At time t2 in FIG. 4, the control lines Rx (n) of the reset transistors 204L (n, m) and 204R (n, m) in the nth row rise, and the charge / voltage conversion unit 202L (n, m) in the nth row. And 202R (n, m) are all reset to the power supply VDD. In this way, the potentials of the charge-voltage converters 202L (n, m) and 202R (n, m) are approximately VDD. This potential state hardly changes at time t3 when the control line Rx (n) falls and the reset transistors 204L (n, m) and 204R (n, m) are turned off. In other words, at time t3, the reset transistors 204L (n, m) and 204R (n, m) are turned off, so that the charge-voltage converters 202L (n, m) and 202R (n, m) are both floating ( Floating) state. It should be noted that the horizontal synchronization signal has fallen before the time t2, but this is not limited because the high period only needs to be maintained high enough as information held by the synchronization signal. .

時刻t4において、このような浮遊(フローティング)状態の、電荷電圧変換部202L(n,m)及び202R(n,m)の詳細なる電位を、キャパシタCNRmでなる1行分のメモリに読み出すため、制御線PNを立ち上げる。このとき、ADD1がハイ固定であるので、図3の加算平均化トランジスタANmがオン状態であるため、VLmの電位とVRmの電位とを加算平均化した電位が、キャパシタCNRmに読み出される。ここで、加算平均化した電位を読み出すのであるから列出力回路に配列したキャパシタCNLmとCNRmのうちの半分は必要ないため、本第1の実施形態では、キャパシタCNRmにのみ加算平均化された電位が読み出される構成としている。   At time t4, in order to read the detailed potentials of the charge-voltage converters 202L (n, m) and 202R (n, m) in such a floating state to the memory for one row including the capacitors CNRm, The control line PN is activated. At this time, since ADD1 is fixed high, the addition averaging transistor ANm in FIG. 3 is in the on state, and therefore the potential obtained by adding and averaging the potential of VLm and the potential of VRm is read out to the capacitor CNRm. Here, since the averaged potential is read out, half of the capacitors CNLm and CNRm arranged in the column output circuit is not necessary, so in the first embodiment, the potential averaged only in the capacitor CNRm. Is read out.

キャパシタCNLmは、図3のADD1を反転する反転素子INVU及びINVDやAND素子MNm及びMSmの機能により遮断されている。すなわち反転素子INVU及びINVDは、加算平均化制御信号ADD1がハイ固定であるので、ローを出力している。そして制御線PNが制御しているトランジスタのうち、キャパシタCNLmに対応する経路のみに、AND素子MNmがそれぞれ挿入されている。これらAND素子MNmの第1の入力は反転素子INVU及びINVDから出力されたロー信号であるため、仮にPNがハイの時刻t4からt5になっても、AND素子MNmの出力はローである。従って、これらAND素子MNmがその経路に挿入されたキャパシタCNLmには電位は読み出されないこととなる。もちろん、キャパシタCNLmの代わりに、キャパシタCNRmへの経路にAND素子を挿入することで、キャパシタCNLmみに電位を読み出すように構成することも可能である。   The capacitor CNLm is blocked by the functions of the inverting elements INVU and INVD that invert the ADD1 of FIG. 3 and the AND elements MNm and MSm. That is, the inverting elements INVU and INVD output low because the addition averaging control signal ADD1 is fixed high. Of the transistors controlled by the control line PN, the AND elements MNm are inserted only in the paths corresponding to the capacitors CNLm. Since the first input of these AND elements MNm is a low signal output from the inverting elements INVU and INVD, even if the PN is high from time t4 to t5, the output of the AND element MNm is low. Therefore, no potential is read out to the capacitor CNLm in which the AND element MNm is inserted in the path. Of course, instead of the capacitor CNLm, it is possible to read out the potential only to the capacitor CNLm by inserting an AND element in the path to the capacitor CNRm.

その後、時刻t5にてPNは立ち下がり、時刻t6において、転送トランジスタ203L(n,m)及び203R(n,m)の制御線Tx(n)が立ち上がる。これにより、光電変換部201L(n,m)及び201R(n,m)により光電変換され、蓄積されていた信号電荷が、電荷電圧変換部202L(n,m)及び202R(n,m)に転送される。そして、信号電荷の転送に十分な時刻t7を待って、制御線Tx(n)が立ち下がる。   Thereafter, PN falls at time t5, and at time t6, the control lines Tx (n) of the transfer transistors 203L (n, m) and 203R (n, m) rise. As a result, the signal charges photoelectrically converted and accumulated by the photoelectric conversion units 201L (n, m) and 201R (n, m) are stored in the charge-voltage conversion units 202L (n, m) and 202R (n, m). Transferred. Then, the control line Tx (n) falls after waiting for a time t7 sufficient for signal charge transfer.

次いで時刻t8において、浮遊(フローティング)状態の電位に、信号電荷に対応する電位を加えた詳細なる電位を、キャパシタCSRmでなる1行分のメモリに読み出すため、制御線PSを立ち上げる。この時も、時刻t4において前述したように、加算平均化電位をキャパシタCSRmに読み出し、キャパシタCSLmには反転素子INVU及びINVDとAND素子MSmの機能により何も読み出されない状態となっている。   Next, at time t8, the control line PS is activated to read out a detailed potential obtained by adding the potential corresponding to the signal charge to the floating (floating) potential to the memory for one row including the capacitors CSRm. Also at this time, as described above at time t4, the addition average potential is read to the capacitor CSRm, and nothing is read to the capacitor CSLm by the functions of the inverting elements INVU and INVD and the AND element MSm.

時刻t9において、PSは立ち下がり、時刻t10において、Sx(n)も立ち下がり、n行目の電荷電圧変換部202L(n,m)及び202R(n,m)と垂直信号線VLm及びVRmとの接続が終了する。   At time t9, PS falls, and at time t10, Sx (n) also falls, and the charge voltage conversion units 202L (n, m) and 202R (n, m) in the n-th row and the vertical signal lines VLm and VRm The connection of is terminated.

図4では駆動信号を示していないが、時刻t10からt11の時間帯を利用して、1行分のメモリに読み出された電位を水平方向に順次走査する水平走査が行われる。なお、加算平均化電位が、キャパシタCSRm及びCNRmのみに読み出されていることに対応し、キャパシタCSLm及びCNLmの電位読み出しトランジスタは、AND素子Mmの機能により停止されている。停止のメカニズムは、反転素子MSm及びMNmにおける説明と同様であるので省略する。   Although a drive signal is not shown in FIG. 4, horizontal scanning is performed in which the potential read into the memory for one row is sequentially scanned in the horizontal direction using the time period from time t10 to t11. Note that the addition average potential is read out only to the capacitors CSRm and CNRm, and the potential reading transistors of the capacitors CSLm and CNLm are stopped by the function of the AND element Mm. Since the stopping mechanism is the same as that described in the inverting elements MSm and MNm, the description thereof is omitted.

なお、説明に用いた図4のタイミングチャートは、特に時刻t4〜t9までに起こる図2の等価回路に示す構成を有する固体撮像素子2における加算平均化動作を具体的に説明するための一例にすぎず、種々の変形態様が考えられる。   Note that the timing chart of FIG. 4 used for the explanation is an example for specifically explaining the addition averaging operation in the solid-state imaging device 2 having the configuration shown in the equivalent circuit of FIG. 2 that occurs from time t4 to t9. However, various modifications are conceivable.

また、図4のタイミングチャートにおいて、加算平均化制御信号をオフとすれば、単位画素に含まれる光電変換部201L(n,m)及び201R(n,m)から、加算平均化せずに独立に電気信号を出力することができる。これらの駆動方法の使い分けは、例えば、立体画像撮影モードでは独立に電気信号を出力し、ライブビューモードでは加算平均化電圧信号を出力する、などの制御方法が考えられる。   Further, in the timing chart of FIG. 4, if the addition averaging control signal is turned off, it is independent from the photoelectric conversion units 201L (n, m) and 201R (n, m) included in the unit pixel without performing addition averaging. An electrical signal can be output. For example, a control method such as outputting an electric signal independently in the stereoscopic image shooting mode and outputting an addition average voltage signal in the live view mode can be considered.

以上説明したように本第1の実施形態によれば、2つの光電変換部を備えた単位画素を持ち、複数の出力系を有するCMOS固体撮像素子において、2つの光電変換部から独立した信号読み出しと、加算平均した信号読み出しとを容易に両立することができる。   As described above, according to the first embodiment, in a CMOS solid-state imaging device having a unit pixel including two photoelectric conversion units and having a plurality of output systems, signal readout independent from the two photoelectric conversion units. And reading out the averaged signal can be made compatible easily.

なお、第1の実施形態では、単位画素につき2つの光電変換部を配置した場合について説明しているが本発明はこれに限るものではなく、単位画素に3つ以上の光電変換部を配置したものであってもよい。その場合も、各単位画素の各光電変換部からの信号を、単位画素毎に複数の出力系のいずれかから読み出せるように構成すればよい。   In the first embodiment, the case where two photoelectric conversion units are arranged for each unit pixel has been described. However, the present invention is not limited to this, and three or more photoelectric conversion units are arranged for each unit pixel. It may be a thing. In such a case as well, a signal from each photoelectric conversion unit of each unit pixel may be configured to be read from any of a plurality of output systems for each unit pixel.

<第2の実施形態>
本第2の実施形態では、その一例として、各単位画素が4つの光電変換部を含む場合について説明する。
<Second Embodiment>
In the second embodiment, as an example, a case where each unit pixel includes four photoelectric conversion units will be described.

図5は、各単位画素が4つの光電変換部を含む固体撮像素子2の構成の一例を示す等価回路図である。固体撮像素子2は、第1の実施形態と同様に画素領域20を有し、4つの光電変換部を含む単位画素が、垂直及び水平に、等間隔で2行×4列分配列した場合を示しているが、実際の撮像装置では、数百万から数千万画素程度の単位画素が配列される。   FIG. 5 is an equivalent circuit diagram illustrating an example of the configuration of the solid-state imaging device 2 in which each unit pixel includes four photoelectric conversion units. The solid-state imaging device 2 has a pixel region 20 as in the first embodiment, and unit pixels including four photoelectric conversion units are arranged vertically and horizontally in 2 rows × 4 columns at equal intervals. As shown, in an actual imaging device, unit pixels of about several million to tens of millions of pixels are arranged.

図6は、固体撮像素子2の単位画素の構成の一例を説明するための等価回路図である。以下の説明において、4つの記号LL、LC、RC及びRRは、図面上の最も左側より最も右側へ数えて、順番に存在する4つの光電変換部に関わる構成要素であることを意味する。ただし、以下の説明では、説明を簡略にするために、(n,m)及びLL、LC、RC、RRの少なくともいずれか一方の記載を省略することがある。   FIG. 6 is an equivalent circuit diagram for explaining an example of the configuration of the unit pixel of the solid-state imaging device 2. In the following description, the four symbols LL, LC, RC, and RR mean components that are related to four photoelectric conversion units that exist in order, counting from the leftmost side to the rightmost side in the drawing. However, in the following description, in order to simplify the description, description of (n, m) and at least one of LL, LC, RC, and RR may be omitted.

200は、図3の第1の実施形態と同様、単位画素を径内に含むマイクロレンズである。201LL(n,m)、201LC(n,m)、201RC(n,m)及び201RR(n,m)は、光電変換部である。光電変換部201(n,m)で発生した信号電荷は、それぞれの転送トランジスタ203LL(n,m)、203LC(n,m)、203RC(n,m)及び203RR(n,m)を介して、電荷電圧変換部202LL(n,m)、202LC(n,m)、202RC(n,m)及び202RR(n,m)に転送される。転送トランジスタ203(n,m)(切り替え手段)は、第1の実施形態と同様に、制御線Tx(n)(制御手段)により制御される。制御線Tx(n)は、水平方向(行方向)に複数配置された単位画素に共通に接続されているので、4つの転送トランジスタ203(n,m)は、各行(n)毎にオン/オフ制御される。   Reference numeral 200 denotes a microlens including a unit pixel within the diameter, as in the first embodiment of FIG. 201LL (n, m), 201LC (n, m), 201RC (n, m), and 201RR (n, m) are photoelectric conversion units. The signal charges generated in the photoelectric conversion unit 201 (n, m) are transmitted through the respective transfer transistors 203LL (n, m), 203LC (n, m), 203RC (n, m), and 203RR (n, m). The charge-voltage converter 202LL (n, m), 202LC (n, m), 202RC (n, m) and 202RR (n, m) are transferred. The transfer transistor 203 (n, m) (switching means) is controlled by the control line Tx (n) (control means) as in the first embodiment. Since the control line Tx (n) is commonly connected to a plurality of unit pixels arranged in the horizontal direction (row direction), the four transfer transistors 203 (n, m) are turned on / off for each row (n). Controlled off.

さらに、制御線Rx(n)により制御されるリセットトランジスタ204LL(n,m)、204LC(n,m)、204RC(n,m)及び204RR(n,m)を介して、第1の実施形態と同様のタイミングチャートの周期で、4つの電荷電圧変換部202(n,m)を電源電圧VDDにリセットすることができる。また、4つの電荷電圧変換部202(n,m)は、増幅トランジスタ205LL(n,m)、205LC(n,m)、205RC(n,m)及び205RR(n,m)のゲートにそれぞれ接続されている。そして制御線Sx(n)により制御される選択トランジスタのオン動作により、それぞれの垂直信号線VLLm、VLCm、VRCm及びVRRmに接続された定電流源(不図示)とソースフォロワ回路を構成する。垂直信号線VLLm、VLCm、VRCm及びVRRmは、垂直方向(列方向)に複数配置された単位画素の光電変換部201LL(n,m)、201LC(n,m)、201RC(n,m)及び201RR(n,m)それぞれに共通に接続されている。   Furthermore, the first embodiment is provided via reset transistors 204LL (n, m), 204LC (n, m), 204RC (n, m), and 204RR (n, m) controlled by the control line Rx (n). The four charge voltage converters 202 (n, m) can be reset to the power supply voltage VDD in the same timing chart cycle as in FIG. The four charge voltage conversion units 202 (n, m) are connected to the gates of the amplification transistors 205LL (n, m), 205LC (n, m), 205RC (n, m) and 205RR (n, m), respectively. Has been. A constant current source (not shown) and a source follower circuit connected to the vertical signal lines VLLm, VLCm, VRCm, and VRRm are configured by turning on the selection transistor controlled by the control line Sx (n). The vertical signal lines VLLm, VLCm, VRCm, and VRRm are a plurality of unit pixel photoelectric conversion units 201LL (n, m), 201LC (n, m), 201RC (n, m), and the like arranged in the vertical direction (column direction). 201RR (n, m) is commonly connected to each.

図5は、図6に示した構成を有する4つの光電変換部201を水平方向に配置した単位画素を、上述したように、垂直及び水平に等間隔で2行×4列配列した場合について示している。   FIG. 5 shows a case where unit pixels in which the four photoelectric conversion units 201 having the configuration shown in FIG. 6 are arranged in the horizontal direction are arranged in 2 rows × 4 columns at equal intervals vertically and horizontally as described above. ing.

図5において、垂直信号線VLLm、VLCm、VRCm及びVRRmは、4列に配列された単位画素の4つの光電変換部201LL(n,m)、201LC(n,m)、201RC(n,m)及び201RR(n,m)がそれぞれ互いに異なる垂直信号線に接続されるように、16本配線されている。そして、垂直信号線VLLm、VLCm、VRCm及びVRRmの後段には、列出力回路を構成するキャパシタCSLLm、CNLLm、CSLCm、CNLCm、CSRCm、CNRCm、CSRRm及びCNRRmが、配列されている。これにより、それぞれの垂直信号線の電位を書き込む1行分のメモリとしての機能を実現する。   In FIG. 5, vertical signal lines VLLm, VLCm, VRCm, and VRRm are four photoelectric conversion units 201LL (n, m), 201LC (n, m), 201RC (n, m) of unit pixels arranged in four columns. 16 RRs (201, RR (n, m)) are wired so as to be connected to different vertical signal lines. Then, capacitors CSLLm, CNLLm, CSLCm, CNLCm, CSRCm, CNRCm, CSRRm, and CNRRm that constitute the column output circuit are arranged at the subsequent stage of the vertical signal lines VLLm, VLCm, VRCm, and VRRm. Thus, a function as a memory for one row for writing the potential of each vertical signal line is realized.

列出力回路はさらに、制御線ADD1により制御される、ノイズ信号用の3つの加算平均化トランジスタANm1〜3と、画像信号用の3つの加算平均化トランジスタASm1〜3とを4本の垂直信号線の組み合わせ毎に備えている。このように構成することにより、ノイズ信号用の加算平均化トランジスタANm1〜3と、画像信号用の加算平均化トランジスタASm1〜3は、ノイズ信号及び画像信号を単位画素毎に加算平均化することができる。   The column output circuit further includes four vertical signal lines including three addition averaging transistors ANm1 to ANm1 for noise signals and three addition averaging transistors ASm1 to ASm1 for image signals, which are controlled by a control line ADD1. For each combination. With this configuration, the noise signal addition averaging transistors ANm1 to ANm1 and the image signal addition averaging transistors ASm1 to ASm1 can average the noise signal and the image signal for each unit pixel. it can.

図2と同様に、21は垂直走査回路、22U及び22Dは水平走査回路である。出力端子23U及び23Dは信号電荷転送後の電位と信号電荷転送前の電位を差し引きして出力する差動回路構成となっている。   As in FIG. 2, 21 is a vertical scanning circuit, and 22U and 22D are horizontal scanning circuits. The output terminals 23U and 23D have a differential circuit configuration that subtracts and outputs the potential after signal charge transfer and the potential before signal charge transfer.

本第2の実施形態における列出力回路も、出力端子23U及び23Dに対応して、固体撮像素子2の画素領域20を挟んで上及び下に、それぞれの水平信号線に平行に配列される。それら2つの列出力回路グループは、垂直信号線を遡って解される通り、単位画素毎に上もしくは下に振り分けされている。このような構成により、単位画素に含まれる4つの光電変換部201の加算平均化電圧信号を出力することが容易となる。なお、タイミングチャートでの説明はしないが、反転素子INVU及びINVDと、AND素子MSm1〜3、MNm1〜3及びMm1〜3との適当な組み合わせによる加算平均化の具体的な動作も第1の実施形態と同等である。   The column output circuits in the second embodiment are also arranged in parallel with the horizontal signal lines above and below the pixel region 20 of the solid-state imaging device 2 corresponding to the output terminals 23U and 23D. These two column output circuit groups are distributed up or down for each unit pixel as understood by tracing back the vertical signal line. With such a configuration, it becomes easy to output the addition average voltage signal of the four photoelectric conversion units 201 included in the unit pixel. Although not explained in the timing chart, the specific operation of addition averaging by an appropriate combination of the inverting elements INVU and INVD and the AND elements MSm1 to 3, MNm1 to 3 and Mm1 to 3 is also performed in the first embodiment. It is equivalent to the form.

<第3の実施形態>
上述した第2の実施形態では、単位画素に含まれる複数の光電変換部は水平方向に配置され、その数を4つとした。しかしながら、単位画素における光電変換部の配置方向は、水平のみに限定されることはない。本第3の実施形態では、各単位画素に、垂直及び水平に2×2個の4つの光電変換部が配列された場合について説明する。このことにより、本発明は、各単位画素が複数の光電変換部を含む固体撮像素子における態様に一般化される。
<Third Embodiment>
In the second embodiment described above, the plurality of photoelectric conversion units included in the unit pixel are arranged in the horizontal direction, and the number thereof is four. However, the arrangement direction of the photoelectric conversion units in the unit pixel is not limited to horizontal only. In the third embodiment, a case where 2 × 2 four photoelectric conversion units are arranged vertically and horizontally in each unit pixel will be described. Thus, the present invention is generalized to an aspect in a solid-state imaging device in which each unit pixel includes a plurality of photoelectric conversion units.

図7は、このような単位画素を含む固体撮像素子2の構成の一例を示す等価回路図である。固体撮像素子2は、第1及び第2の実施形態と同様に画素領域20を有し、垂直及び水平に2×2個の4つの光電変換部が配列された単位画素が、垂直及び水平に、等間隔で2行×4列分配列された場合を示している。なお、実際の撮像装置では、数百万から数千万画素程度の単位画素が配列される。   FIG. 7 is an equivalent circuit diagram showing an example of the configuration of the solid-state imaging device 2 including such unit pixels. The solid-state imaging device 2 has a pixel region 20 as in the first and second embodiments, and unit pixels in which 2 × 2 four photoelectric conversion units are arranged vertically and horizontally are arranged vertically and horizontally. In this example, 2 rows × 4 columns are arranged at equal intervals. In an actual imaging device, unit pixels of about several million to tens of millions of pixels are arranged.

図8は、固体撮像素子2の単位画素の構成の一例を説明するための等価回路図である。以下の説明において、4つの記号LU、LD、RU及びRDは、図面上の左上、左下、右上、右下と数えて、順番に存在する4つの光電変換部に関わる構成要素であることを意味する。ただし、以下の説明では、説明を簡略にするために、(n,m)及びLU、LD、RU、RDの少なくともいずれか一方の記載を省略することがある。   FIG. 8 is an equivalent circuit diagram for explaining an example of the configuration of the unit pixel of the solid-state imaging device 2. In the following description, the four symbols LU, LD, RU, and RD mean that they are constituent elements related to four photoelectric conversion units existing in order, counting as upper left, lower left, upper right, and lower right on the drawing. To do. However, in the following description, in order to simplify the description, description of (n, m) and at least one of LU, LD, RU, and RD may be omitted.

200は、第1及び第2の実施形態と同様、単位画素を径内に含むマイクロレンズである。201LU(n,m)、201LD(n,m)、201RU(n,m)及び201RC(n,m)は、光電変換部である。光電変換部201(n,m)で発生した信号電荷のうち、光電変換部201LU(n,m)及び201LD(n,m)は、それぞれの転送トランジスタ203LU(n,m)及び203LD(n,m)を介して電荷電圧変換部202L(n,m)に転送される。また、光電変換部201RU(n,m)及び201RD(n,m)については、それぞれの転送トランジスタ203RU(n,m)及び203RD(n,m)を介して電荷電圧変換部202R(n,m)に転送される。また、転送トランジスタ203LU(n,m)及び203RU(n,m)は、制御線Tx1(n)により制御され、転送トランジスタLD(n,m)及び203RD(n,m)は制御線Tx2(n)により制御される。制御線Tx1(n)及びTx2(n)は、水平方向(行方向)に複数配置された単位画素に共通に接続されているので、4つの転送トランジスタ203(n,m)は、各行(n)毎にオン/オフ制御される。   Reference numeral 200 denotes a microlens that includes a unit pixel within the diameter, as in the first and second embodiments. 201LU (n, m), 201LD (n, m), 201RU (n, m), and 201RC (n, m) are photoelectric conversion units. Of the signal charges generated in the photoelectric conversion unit 201 (n, m), the photoelectric conversion units 201LU (n, m) and 201LD (n, m) have their transfer transistors 203LU (n, m) and 203LD (n, m, m) and transferred to the charge-voltage converter 202L (n, m). The photoelectric converters 201RU (n, m) and 201RD (n, m) are connected to the charge / voltage converters 202R (n, m) via the transfer transistors 203RU (n, m) and 203RD (n, m), respectively. ). The transfer transistors 203LU (n, m) and 203RU (n, m) are controlled by the control line Tx1 (n), and the transfer transistors LD (n, m) and 203RD (n, m) are controlled by the control line Tx2 (n ). Since the control lines Tx1 (n) and Tx2 (n) are commonly connected to a plurality of unit pixels arranged in the horizontal direction (row direction), the four transfer transistors 203 (n, m) are connected to each row (n ) Is turned on / off every time.

さらに、制御線Rx(n)により制御されるリセットトランジスタ204L(n,m)及び204R(n,m)を介して、図9を参照して後述するタイミングチャートの周期で電源電圧VDDにリセットすることができる。   Further, it is reset to the power supply voltage VDD at a cycle of a timing chart described later with reference to FIG. 9 via reset transistors 204L (n, m) and 204R (n, m) controlled by the control line Rx (n). be able to.

電荷電圧変換部202L(n,m)及び202R(n,m)はまた、増幅トランジスタ205L(n,m)及び205R(n,m)のゲートに接続されている。そして、制御線Sx(n)により制御される選択トランジスタ206L(n,m)及び206R(n,m)のオン動作により、それぞれの垂直信号線VLm及びVRmに接続された定電流源(不図示)とソースフォロワ回路を構成する。垂直信号線VLm及びVRmは、垂直方向(列方向)に複数配置された単位画素の電荷電圧変換部202L(n,m)及び202R(n,m)それぞれに共通に接続されている。   The charge-voltage converters 202L (n, m) and 202R (n, m) are also connected to the gates of the amplification transistors 205L (n, m) and 205R (n, m). The constant transistors (not shown) connected to the respective vertical signal lines VLm and VRm by the ON operation of the selection transistors 206L (n, m) and 206R (n, m) controlled by the control line Sx (n). ) And the source follower circuit. The vertical signal lines VLm and VRm are connected in common to the charge-voltage converters 202L (n, m) and 202R (n, m) of unit pixels arranged in the vertical direction (column direction).

図7に示す例では、上述したように、図8に示すような4つの光電変換部を垂直及び水平に2×2個配置した単位画素を、垂直及び水平に等間隔で2行×4列配列した場合を示している。   In the example shown in FIG. 7, as described above, unit pixels in which 2 × 2 pieces of four photoelectric conversion units as shown in FIG. 8 are arranged vertically and horizontally are arranged in 2 rows × 4 columns at equal intervals vertically and horizontally. The case of arrangement is shown.

図7において、垂直信号線VLm及びVRmは、4列に配列された単位画素の複数の電荷電圧変換部202L(n,m)及び202R(n,m)がそれぞれ互いに異なる垂直信号線に接続されるように、8本配線されている。そして、上述したように、各垂直信号線VLm及びVRmには、各列毎に、複数の電荷電圧変換部202L(n,m)及び202R(n,m)がそれぞれ接続されている。   In FIG. 7, vertical signal lines VLm and VRm are connected to different vertical signal lines from a plurality of charge voltage conversion units 202L (n, m) and 202R (n, m) of unit pixels arranged in four columns. As shown in FIG. As described above, a plurality of charge voltage conversion units 202L (n, m) and 202R (n, m) are connected to the vertical signal lines VLm and VRm for each column, respectively.

垂直信号線VLm及びVRmそれぞれの後段には、列出力回路を構成するキャパシタCSLm、CNLm、CSRm及びCNRmが配列され、それぞれの垂直信号線VLm及びVRmの電位を書き込む1行分のメモリとしての機能を実現する。   Capacitors CSLm, CNLm, CSRm, and CNRm constituting a column output circuit are arranged at the subsequent stage of each of the vertical signal lines VLm and VRm, and function as a memory for one row in which the potentials of the vertical signal lines VLm and VRm are written. Is realized.

本第3の実施形態においては、列出力回路はさらに、制御線ADD1により制御されるノイズ信号用の加算平均化トランジスタANmと、画像信号用の加算平均化トランジスタASmとを垂直信号線VLm及びVRmの組み合わせ毎に備えている。このように構成することにより、ノイズ信号用の加算平均化トランジスタANmと、画像信号用の加算平均化トランジスタASmは、ノイズ信号及び画像信号を単位画素毎に加算平均化することができる。   In the third embodiment, the column output circuit further includes a noise signal addition averaging transistor ANm and an image signal addition averaging transistor ASm controlled by the control line ADD1, and the vertical signal lines VLm and VRm. For each combination. With this configuration, the noise signal addition averaging transistor ANm and the image signal addition averaging transistor ASm can add and average the noise signal and the image signal for each unit pixel.

上述した第1及び第2の実施形態と同様に、21は垂直走査回路、22U及び22Dは水平走査回路である。出力端子23U及び23Dは画像信号からノイズ信号を差し引きして出力する差動回路構成となっており、ノイズ除去済みのS−N信号を得ることができる。   As in the first and second embodiments described above, 21 is a vertical scanning circuit, and 22U and 22D are horizontal scanning circuits. The output terminals 23U and 23D have a differential circuit configuration that subtracts the noise signal from the image signal and outputs it, and an S-N signal from which noise has been removed can be obtained.

本第3の実施形態における列出力回路も、出力端子23U及び23Dに対応して、固体撮像素子2の画素領域20を挟んで上及び下に、それぞれの水平信号線に平行に配列される。これら2つの列出力回路は、垂直信号線VLm及びVRmを遡って解される通り、単位画素毎に上もしくは下に振り分けされている。このような構成及び図9に後述するタイミングチャートにより、単位画素に含まれる4つの光電変換部201の加算平均化電圧信号を出力することが容易となる。   The column output circuits in the third embodiment are also arranged in parallel with the horizontal signal lines above and below the pixel region 20 of the solid-state imaging device 2 corresponding to the output terminals 23U and 23D. These two column output circuits are distributed up or down for each unit pixel as understood by tracing back the vertical signal lines VLm and VRm. With such a configuration and a timing chart described later with reference to FIG. 9, it becomes easy to output the addition average voltage signal of the four photoelectric conversion units 201 included in the unit pixel.

図9は、本第3の実施形態における固体撮像素子2を駆動するためのタイミングチャートの一例であり、詳しくは、単位画素に含まれる光電変換部201の加算平均化電圧信号を出力するためのタイミングチャートである。以下、このタイミングチャートに従って、固体撮像素子2の具体的な動作を説明する。   FIG. 9 is an example of a timing chart for driving the solid-state imaging device 2 according to the third embodiment, and more specifically, for outputting the addition average voltage signal of the photoelectric conversion unit 201 included in the unit pixel. It is a timing chart. Hereinafter, a specific operation of the solid-state imaging device 2 will be described according to this timing chart.

ここではまず、加算平均化制御信号ADD1がハイ固定であるものとする。また、図4は、水平同期信号が表している通り、垂直走査回路21がn行目を一時に選択したうえでの、各制御線の値を時間に対して示したものである。従って、図9に示した動作が完了すれば、垂直走査回路21はn+1行目を選択し、図9の動作を繰り返す。このような繰り返しは、選択可能な垂直アドレスが存在しなくなるまで継続される。   Here, first, it is assumed that the addition averaging control signal ADD1 is fixed to high. FIG. 4 shows the values of the respective control lines with respect to time after the vertical scanning circuit 21 selects the n-th row at a time, as indicated by the horizontal synchronizing signal. Therefore, when the operation shown in FIG. 9 is completed, the vertical scanning circuit 21 selects the (n + 1) th row and repeats the operation of FIG. Such repetition continues until there are no more selectable vertical addresses.

図4との相違点は、時刻t6において、転送トランジスタ203LU(n,m)及び203RU(n,m)の制御線Tx1(n)と、転送トランジスタ203LD(n,m)及び203RD(n,m)の制御線Tx2(n)との双方が同時に立ち上がる点である。これにより、光電変換部201LU(n,m)及び201LD(n,m)により光電変換され、蓄積されていた信号電荷の全てが合算されて電荷電圧変換部202L(n,m)に転送される。一方、光電変換部201RU(n,m)及び201RD(n,m)により光電変換され、蓄積されていた信号電荷の全てが合算されて電荷電圧変換部202R(n,m)に転送される。これ以外の動作は、図4を参照して説明したものと同様であるため、ここでは説明を省略する。   The difference from FIG. 4 is that at time t6, the control lines Tx1 (n) of the transfer transistors 203LU (n, m) and 203RU (n, m) and the transfer transistors 203LD (n, m) and 203RD (n, m) ) And the control line Tx2 (n). As a result, photoelectric conversion is performed by the photoelectric conversion units 201LU (n, m) and 201LD (n, m), and all the accumulated signal charges are added together and transferred to the charge-voltage conversion unit 202L (n, m). . On the other hand, photoelectric conversion is performed by the photoelectric conversion units 201RU (n, m) and 201RD (n, m), and all the accumulated signal charges are added and transferred to the charge / voltage conversion unit 202R (n, m). Since other operations are the same as those described with reference to FIG. 4, the description thereof is omitted here.

なお、説明に用いた図9のタイミングチャートは、特に時刻t4〜t9までに起こる図7の等価回路に示す構成を有する固体撮像素子2における加算平均化動作を具体的に説明するための一例にすぎず、種々の変形態様が考えられる。   The timing chart of FIG. 9 used for the description is an example for specifically explaining the addition averaging operation in the solid-state imaging device 2 having the configuration shown in the equivalent circuit of FIG. 7 that occurs from time t4 to t9. However, various modifications are conceivable.

また、図9のタイミングチャートにおいて、加算平均化制御信号をオフとした上で、Tx1(n)とTx2(n)とを同時ではなく順次垂直方向に走査するように駆動すれば、加算平均化せずに独立に電気信号を出力することができる。   Further, in the timing chart of FIG. 9, if the addition averaging control signal is turned off and driving is performed so that Tx1 (n) and Tx2 (n) are sequentially scanned in the vertical direction instead of simultaneously, addition averaging is performed. It is possible to output an electric signal independently without the need.

以上説明したように本第3の実施形態によれば、複数の光電変換部を備えた単位画素を持ち、複数の出力系を有するCMOS固体撮像素子において、複数の光電変換部から独立した信号読み出しと、加算平均した信号読み出しとを容易に両立することができる。   As described above, according to the third embodiment, in a CMOS solid-state imaging device having a unit pixel including a plurality of photoelectric conversion units and having a plurality of output systems, signal readout independent from the plurality of photoelectric conversion units. And reading out the averaged signal can be made compatible easily.

<第4の実施形態>
本第4の実施形態においては、加算平均化を実現するための別の構成例を示す。図10は、第4の実施形態における固体撮像素子2の構成の一例を示す等価回路図であり、図11は、固体撮像素子2の単位画素の構成を説明するための等価回路図の一例である。図10及び図11は、それぞれ図2及び図3と共通の要素に共通の符号を用いて示し、以下、図2及び図3との相違点についてのみ、詳細な説明を加える。
<Fourth Embodiment>
In the fourth embodiment, another configuration example for realizing addition averaging is shown. FIG. 10 is an equivalent circuit diagram showing an example of the configuration of the solid-state imaging device 2 in the fourth embodiment, and FIG. 11 is an example of an equivalent circuit diagram for explaining the configuration of unit pixels of the solid-state imaging device 2. is there. 10 and 11 are shown using the same reference numerals for the same elements as those in FIGS. 2 and 3, respectively, and only the differences from FIGS. 2 and 3 will be described in detail below.

相違点は、図10において、加算平均化制御線ADD1が、各画素に対して制御している点にある。また、図11において、加算平均化制御線ADD1(制御手段)は、電荷電圧変換部202(n,m)と202R(n,m)とを接続可能なスイッチとしての加算平均化トランジスタ207(n,m)(結合手段)のゲートに接続されている。   The difference is that, in FIG. 10, the addition averaging control line ADD1 controls each pixel. In FIG. 11, the addition averaging control line ADD1 (control means) includes an addition averaging transistor 207 (n as a switch that can connect the charge-voltage converters 202 (n, m) and 202R (n, m). , M) (connected to the coupling means).

図4に示すタイミングチャートと同様に、加算平均化制御線ADD1の値をハイ固定のまま駆動すれば、電荷電圧変換部の容量は原則的に電荷電圧変換部202L(n,m)と202R(n,m)との並列加算容量となる。仔細に述べれば電荷電圧変換部202L(n,m)及び202R(n,m)に接続された各種トランジスタの接続端子までの配線容量や寄生容量、トランジスタ207(n,m)の配線容量などを加えた容量となる。しかしながら、いずれにしても加算した信号電荷を蓄積するのに十分な容量となっているものとする。他方、加算平均化制御線ADD1の値がハイ固定であることにより、転送トランジスタ203L(n,m)及び203R(n,m)により電荷電圧変換部202L(n,m)及び202R(n,m)に読み出された左右の光電変換部の信号電荷は加算される。従って、垂直信号線VRmに読み出される電位は、略加算平均化電圧信号に等しいものとなっている。   Similar to the timing chart shown in FIG. 4, if the value of the addition averaging control line ADD1 is driven while being fixed to high, the capacitance of the charge voltage conversion unit is basically the charge voltage conversion units 202L (n, m) and 202R ( n, m) and the parallel addition capacity. More specifically, the wiring capacitance and parasitic capacitance to the connection terminals of various transistors connected to the charge voltage conversion units 202L (n, m) and 202R (n, m), the wiring capacitance of the transistor 207 (n, m), etc. The added capacity. However, in any case, it is assumed that the capacity is sufficient to store the added signal charge. On the other hand, since the value of the addition averaging control line ADD1 is fixed to high, the charge / voltage conversion units 202L (n, m) and 202R (n, m) are transferred by the transfer transistors 203L (n, m) and 203R (n, m). The signal charges of the left and right photoelectric conversion units read out in (2) are added. Therefore, the potential read out to the vertical signal line VRm is substantially equal to the addition average voltage signal.

本第4の実施形態における列出力回路も、出力端子23U及び23Dに対応して、固体撮像素子2の画素領域20を挟んで上及び下に、それぞれの水平信号線に平行に配列される。これら2つの列出力回路は、垂直信号線VLm及びVRmを遡って解される通り、単位画素毎に上もしくは下に振り分けされている。このような構成により、単位画素に含まれる光電変換部201L(n,m)及び201R(n,m)の加算平均化電圧信号を出力することが容易となる。なお、タイミングチャートでの説明はしないが、反転素子INVU及びINVDとAND素子MSm及びMNmとの適当な組み合わせによる加算平均化の具体的な動作は、第1の実施形態と同様である。   The column output circuits in the fourth embodiment are also arranged in parallel with the horizontal signal lines above and below the pixel region 20 of the solid-state imaging device 2 corresponding to the output terminals 23U and 23D. These two column output circuits are distributed up or down for each unit pixel as understood by tracing back the vertical signal lines VLm and VRm. With such a configuration, it becomes easy to output the addition average voltage signal of the photoelectric conversion units 201L (n, m) and 201R (n, m) included in the unit pixel. Although not described in the timing chart, the specific operation of addition averaging by an appropriate combination of the inverting elements INVU and INVD and the AND elements MSm and MNm is the same as that in the first embodiment.

なお、電荷電圧変換部を接続可能なトランジスタを含む場合であっても、単位画素に含まれる光電変換部の数は2つに限定されない。このことは、上述した第2及び第3の実施形態を鑑みると理解することができる。   Note that the number of photoelectric conversion units included in a unit pixel is not limited to two even when a transistor to which the charge-voltage conversion unit can be connected is included. This can be understood in view of the second and third embodiments described above.

<第5の実施形態>
第1から第3の実施形態においては、列出力回路の主なる構成が、加算平均化制御線ADD1を含む1行分のメモリであった。また、第4の実施形態においては、加算平均化のため、単位画素に含まれる複数の光電変換部に対応する電荷電圧変換部同士を接続したため、接続して単一とみなされる電荷電圧変換部の容量は増加する。従って、加算平均化信号電荷に対応する電位を得る際の変換係数は小さくなり、暗部ノイズが課題となる暗い被写体においては、S/Nの上昇効果が得られにくい。近年の画素数増大による画素サイズの微細化や高感度化に伴い、更なるノイズ低減技術が必要となっている。CMOS固体撮像素子においては、電位伝達の過程で生じるノイズを低減することが有効な対策の一つである。
<Fifth Embodiment>
In the first to third embodiments, the main configuration of the column output circuit is a memory for one row including the addition averaging control line ADD1. In the fourth embodiment, the charge voltage conversion units corresponding to the plurality of photoelectric conversion units included in the unit pixel are connected for averaging, so that the charge voltage conversion units that are considered as a single unit are connected. Capacity increases. Therefore, the conversion coefficient when obtaining the potential corresponding to the addition averaged signal charge is small, and it is difficult to obtain the S / N increase effect in a dark subject in which dark part noise is a problem. Along with the recent reduction in pixel size and higher sensitivity due to an increase in the number of pixels, further noise reduction technology is required. In a CMOS solid-state imaging device, it is an effective measure to reduce noise generated in the process of potential transmission.

そこで本第5の実施形態においては、加算平均化の前に、電圧増幅を行う列アンプ回路(増幅手段)を設けることで、電位伝達の過程で生じるノイズを低減する。このことにより、本発明における列出力回路は、列アンプ回路を含む態様まで一般化される。   In the fifth embodiment, therefore, noise generated in the process of potential transmission is reduced by providing a column amplifier circuit (amplifying means) that performs voltage amplification before the averaging. Thus, the column output circuit according to the present invention is generalized to an aspect including a column amplifier circuit.

図12は、本第5の実施形態における固体撮像素子2の構成の一例を示す等価回路図である。図12において、図2と共通の要素には共通の符号を用い、図2との相違点についてのみ、以下で詳細な説明を加える。   FIG. 12 is an equivalent circuit diagram illustrating an example of the configuration of the solid-state imaging device 2 according to the fifth embodiment. 12, common reference numerals are used for elements common to FIG. 2, and only differences from FIG. 2 will be described in detail below.

相違点は、計16本の垂直信号線VLm及びVRm毎に、増幅素子AMPLm及びAMPRmと、周辺素子CLm、CRm、CfLm、CfRm、MLm及びMRmからなる列アンプ回路が、画素領域20を挟んで固体撮像素子2の上下に備えられたことである。また、VREFは増幅素子AMPLm及びAMPRmの参照電圧である。ここで、周辺素子のうち、MLmは増幅素子AMPLm及びAMPRmの入出力を短絡しクランプ制御するためのクランプトランジスタであり、そのゲートにはクランプ制御線PCが接続されている。クランプのタイミングに関しては、図13のタイミングチャートを参照して後述する。また、この列アンプ回路における増幅率は、CLm/CfLm及びCRm/CfRmで表される。   The difference is that for each of the 16 vertical signal lines VLm and VRm, a column amplifier circuit composed of the amplifier elements AMPLm and AMPRm and the peripheral elements CLm, CRm, CfLm, CfRm, MLm, and MRm This is provided above and below the solid-state imaging device 2. VREF is a reference voltage for the amplification elements AMPLm and AMPRm. Here, among the peripheral elements, MLm is a clamp transistor for performing clamp control by short-circuiting the input / output of the amplifier elements AMPLm and AMPRm, and a clamp control line PC is connected to the gate thereof. The clamp timing will be described later with reference to the timing chart of FIG. The amplification factor in this column amplifier circuit is expressed by CLm / CfLm and CRm / CfRm.

本第5の実施形態における列出力回路も、出力端子23U及び23Dに対応して、固体撮像素子2の画素領域20を挟んで上及び下に、それぞれの水平信号線に平行に配列される。それら2つの列出力回路は、垂直信号線VLm及びVRmを遡って解される通り、単位画素毎に上もしくは下に振り分けされている。反転素子INVU及びINVDとAND素子Mm、MSm及びMNmとの適当な組み合わせによる加算平均化の具体的な動作は、第1の実施形態と同様である。   The column output circuits in the fifth embodiment are also arranged in parallel with the horizontal signal lines above and below the pixel region 20 of the solid-state imaging device 2 corresponding to the output terminals 23U and 23D. These two column output circuits are distributed up or down for each unit pixel as understood by tracing back the vertical signal lines VLm and VRm. The specific operation of addition averaging by an appropriate combination of the inverting elements INVU and INVD and the AND elements Mm, MSm, and MNm is the same as that in the first embodiment.

また、本第5の実施形態のように列アンプ回路を含む場合であっても、単位画素に含まれる光電変換部の数は2つに限定されない。   Even when the column amplifier circuit is included as in the fifth embodiment, the number of photoelectric conversion units included in the unit pixel is not limited to two.

図13は、本第5の実施形態における固体撮像素子2を駆動するためのタイミングチャートの一例であり、詳しくは、単位画素に含まれる複数の光電変換部201の加算平均化電圧信号を出力するためのタイミングチャートである。   FIG. 13 is an example of a timing chart for driving the solid-state imaging device 2 in the fifth embodiment. Specifically, the addition averaged voltage signals of the plurality of photoelectric conversion units 201 included in the unit pixel are output. It is a timing chart for.

図4との相違点は、増幅素子のクランプ制御線PCを、リセットトランジスタ制御線Rxがハイである間の時刻t2’から立ち上げ、ノイズ信号の電位書き込み制御線PNが立ち上がる前の時刻t3’までに立ち下げる点である。この動作により、ノイズ信号の電位及び画像信号の電位をそれぞれ増幅する前の、列アンプ回路のばらつきを校正することができる。これ以外の動作は、図4を参照して説明したものと同様であるため、ここでは説明を省略する。   The difference from FIG. 4 is that the clamp control line PC of the amplifying element is raised from time t2 ′ while the reset transistor control line Rx is high, and time t3 ′ before the potential write control line PN of the noise signal rises. It is a point to fall by. By this operation, it is possible to calibrate the variation of the column amplifier circuit before amplifying the potential of the noise signal and the potential of the image signal. Since other operations are the same as those described with reference to FIG. 4, the description thereof is omitted here.

上記の通り、本第5の実施形態おける列出力回路も、出力端子23U及び23Dに対応して、固体撮像素子2の画素領域20を挟んで上及び下に、それぞれの水平信号線に平行に配列される。これら2つの列出力回路は、垂直信号線VLm及びVRmを遡って解される通り、単位画素毎に上もしくは下に振り分けされている。これにより、複数の光電変換部を、単位画素毎に加算平均化する場合に有用であるが、複数の光電変換部を、あるまとまり毎に複数の画像として処理記録する用途もある。ここで、あるまとまりとは、例えば、複数の光電変換部を、左に位置するグループと、右に位置するグループとに分けるまとまり等である。これらを、それぞれ左グループの画像及び右グループの画像として個別に処理記録すれば、2視点立体画像が得られるので有用である。   As described above, the column output circuit in the fifth embodiment also corresponds to the output terminals 23U and 23D, and is above and below the pixel region 20 of the solid-state imaging device 2 and parallel to the horizontal signal lines. Arranged. These two column output circuits are distributed up or down for each unit pixel as understood by tracing back the vertical signal lines VLm and VRm. This is useful when averaging a plurality of photoelectric conversion units for each unit pixel, but there is also an application in which a plurality of photoelectric conversion units are processed and recorded as a plurality of images for each unit. Here, for example, a certain group is a group that divides a plurality of photoelectric conversion units into a group located on the left and a group located on the right. If these are individually processed and recorded as a left group image and a right group image, a two-viewpoint stereoscopic image is obtained, which is useful.

<第6の実施形態>
次に、本発明の第6の実施形態について説明する。図14は、本第6の実施形態における固体撮像素子2の構成の一例を示す等価回路図である。なお、図14は、図12と共通の要素に共通の符号を用いて示し、第5の実施形態との相違点についてのみ、以下で詳細な説明を加える。
<Sixth Embodiment>
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. FIG. 14 is an equivalent circuit diagram showing an example of the configuration of the solid-state imaging device 2 according to the sixth embodiment. FIG. 14 shows the same elements as those of FIG. 12 by using common reference numerals, and only the differences from the fifth embodiment will be described in detail below.

相違点は、計16本の垂直信号線VLm及びVRmのうち、mが奇数の垂直信号線VLm及びmが偶数の垂直信号線VRmの計8本が、画素領域20を挟んで上もしくは下に配列された列出力回路を選択できるように、列出力回路選択部が構成されている点である。そのための具体的な構成として、当該8本の垂直信号線にのみ、列出力回路選択トランジスタMUm及びMDmが備えられている。また、そのゲートには、列出力回路選択制御線LRもしくはその反転信号を出力する反転素子INVU及びINVDが接続されている。   The difference is that among the 16 vertical signal lines VLm and VRm, a total of 8 vertical signal lines VLm with an odd number m and an even vertical signal line VRm with an even number m are above or below the pixel region 20. The column output circuit selection unit is configured so that the arranged column output circuits can be selected. As a specific configuration for that purpose, only the eight vertical signal lines are provided with column output circuit selection transistors MUm and MDm. The gate is connected to the column output circuit selection control line LR or inverting elements INVU and INVD for outputting an inverted signal thereof.

図13に示す駆動タイミングチャートにおいて、加算平均化制御線ADD1をロー固定とし、かつ、列出力回路選択制御線LRをハイ固定とすれば、mが奇数の一列おきの垂直信号線VLmの電位は、固体撮像素子2の下側に配列された列出力回路に読み出される。そして、出力端子23Dより出力される。一方、mが偶数の垂直信号線VRmの電位は固体撮像素子2の上側に配列された列出力回路に読み出されるので、出力端子23Uより出力される。列出力回路選択トランジスタMUm及びMDmを備えていない垂直信号線については、垂直信号線VLmが出力端子23Dより、垂直信号線VRmが出力端子23Uより出力される。その結果、出力端子23Dは全ての左グループの光電変換部による画像を、出力端子23Uは全ての右グループの光電変換部による画像を、それぞれ出力することとなる。   In the drive timing chart shown in FIG. 13, if the addition averaging control line ADD1 is fixed to low and the column output circuit selection control line LR is fixed to high, the potential of the vertical signal lines VLm for every other column of m is odd. The data is read out to the column output circuit arranged on the lower side of the solid-state imaging device 2. And it is output from the output terminal 23D. On the other hand, the potential of the vertical signal line VRm where m is an even number is read out to the column output circuit arranged on the upper side of the solid-state imaging device 2, and is output from the output terminal 23U. For vertical signal lines that do not include the column output circuit selection transistors MUm and MDm, the vertical signal line VLm is output from the output terminal 23D, and the vertical signal line VRm is output from the output terminal 23U. As a result, the output terminal 23D outputs images from all the left group photoelectric conversion units, and the output terminal 23U outputs all images from the right group photoelectric conversion units.

このように、出力端子毎に左もしくは右グループの画像を対応させることができれば、画像メモリ8を確保したり、信号処理回路7による信号処理を行ったりする際に、簡便な構成とすることができる。   As described above, if the left or right group of images can be associated with each output terminal, the configuration can be simplified when the image memory 8 is secured or when the signal processing circuit 7 performs signal processing. it can.

一方で、図13に示す駆動タイミングチャートの通りに加算平均化制御線ADD1をハイ固定とした上で列出力回路選択制御線LRをロー固定とすれば、mが奇数の一列おきの垂直信号線VLmの電位は固体撮像素子2の上側に配列された列出力回路に読み出される。これにより、同一単位画素の垂直信号線VRmの電位と加算平均化されて出力端子23Uより出力される。同様に、mが偶数の垂直信号線VRmの電位は固体撮像素子2の下側に配列された列出力回路に読み出され、同一単位画素の垂直信号線VLmの電位と加算平均化されて出力端子23Dより出力される。結果、出力端子23Dは単位画素毎に加算平均化された偶数列の画像を、出力端子23Uは単位画素毎に加算平均化された奇数列の画像を、それぞれ出力することとなる。この点は、第5の実施形態の結果と同一である。   On the other hand, as shown in the drive timing chart of FIG. 13, if the averaging control line ADD1 is fixed high and the column output circuit selection control line LR is fixed low, then m is an odd number of vertical signal lines every other column. The potential of VLm is read out to the column output circuit arranged on the upper side of the solid-state imaging device 2. Thereby, the potential of the vertical signal line VRm of the same unit pixel is averaged and output from the output terminal 23U. Similarly, the potential of the vertical signal line VRm having an even number m is read out to the column output circuit arranged below the solid-state imaging device 2, and is added and averaged with the potential of the vertical signal line VLm of the same unit pixel to be output. Output from terminal 23D. As a result, the output terminal 23D outputs an even-numbered image obtained by averaging for each unit pixel, and the output terminal 23U outputs an odd-numbered image obtained by averaging for each unit pixel. This point is the same as the result of the fifth embodiment.

このように本第6の実施形態によれば、列出力回路選択部をさらに付加したことで、単位画素毎の加算平均化画像と、加算平均化によらない左グループ及び右グループの画像とを、選択的に切り換えて出力することが可能となる。前者は、フレーム合わせなどのライブビュー表示などに用いて好適の画像であり、後者は、立体画像撮像に用いることができる。   As described above, according to the sixth embodiment, by further adding the column output circuit selection unit, the addition averaged image for each unit pixel and the left group and right group images that are not based on the addition averaging are obtained. It is possible to selectively switch and output. The former is an image suitable for live view display such as frame alignment, and the latter can be used for stereoscopic image capturing.

以上、好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず適用可能である。また、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。   The preferred embodiments have been described above, but the present invention is not limited to these embodiments and can be applied. Various modifications and changes can be made within the scope of the gist.

例えば、上述した第1〜第6の実施形態においては、偶数列の単位画素からの信号を画素領域20の下側に配列された列出力回路に読み出され、奇数列の単位画素からの信号を画素領域20の上側に配列された列出力回路に読み出される構成について説明した。しかしながら、画素領域20の左側領域の単位画素の垂直信号線を画素領域20の下側に配列された列出力回路に読み出し、右側領域の単位画素の垂直信号線を画素領域20の下側に配列された列出力回路に読み出しても良い。もちろん、上下左右の組み合わせは適宜変更しても良い。また、画素領域20を上下領域に分けて読み出しても良い。   For example, in the first to sixth embodiments described above, a signal from an even-numbered unit pixel is read out to a column output circuit arranged below the pixel region 20 and a signal from an odd-numbered unit pixel is read out. In the above description, the configuration is read out by the column output circuit arranged above the pixel region 20. However, the vertical signal lines of the unit pixels in the left area of the pixel area 20 are read out to the column output circuit arranged below the pixel area 20, and the vertical signal lines of the unit pixels in the right area are arranged below the pixel area 20. The data may be read out to the column output circuit. Of course, the combination of upper, lower, left and right may be changed as appropriate. Further, the pixel area 20 may be read by dividing it into upper and lower areas.

また、列出力回路の数も3以上であっても構わない。いずれの場合であっても、各単位画素の各光電変換部からの信号を、単位画素毎に複数の出力系のいずれかから読み出せるように構成すればよい。   Further, the number of column output circuits may be three or more. In any case, the signal from each photoelectric conversion unit of each unit pixel may be configured to be read from any of a plurality of output systems for each unit pixel.

Claims (7)

複数の光電変換部と、該複数の光電変換部により変換された電荷を電圧信号に変換して出力する複数の変換手段とをそれぞれ含む単位画素が、行列状に配列された画素領域と、
各列に配列された複数の単位画素それぞれに含まれる前記複数の変換手段のいずれかに共通に接続される信号線を、前記複数の変換手段それぞれに接続するように複数含み、前記複数の変換手段から出力された前記電圧信号を、前記複数の信号線を介してそれぞれ独立に第1の方向に転送する第1の読み出し手段と、
前記第1の読み出し手段により転送された前記電圧信号を、第2の方向に転送する複数の第2の読み出し手段と
前記複数の信号線を、各列毎に結合する結合手段と、
前記結合手段により前記複数の信号線を結合するか否かを制御する制御手段と、を有し、
前記複数の信号線を、各列毎に、前記複数の第2の読み出し手段のいずれか1つに接続したことを特徴とする撮像素子。
A pixel region in which unit pixels each including a plurality of photoelectric conversion units and a plurality of conversion units that convert electric charges converted by the plurality of photoelectric conversion units into voltage signals and output the matrix signals are arranged in a matrix;
A plurality of signal lines commonly connected to any of the plurality of conversion means included in each of the plurality of unit pixels arranged in each column so as to be connected to each of the plurality of conversion means; A first readout means for independently transferring the voltage signal output from the means in a first direction via the plurality of signal lines;
A plurality of second reading means for transferring the voltage signal transferred by the first reading means in a second direction ;
Coupling means for coupling the plurality of signal lines for each column;
Control means for controlling whether or not the plurality of signal lines are coupled by the coupling means ,
An image pickup device, wherein the plurality of signal lines are connected to any one of the plurality of second reading means for each column.
前記制御手段は、前記結合手段により前記複数の信号線を結合する場合に、前記単位画素毎に、前記複数の変換手段を結合するように制御することを特徴とする請求項に記載の撮像素子。 Wherein when coupling the plurality of signal lines by the coupling means, the image pickup according to claim 1, characterized in that for each of the unit pixels is controlled so as to couple the plurality of converting means element. 複数の光電変換部と、該複数の光電変換部により変換された電荷を電圧信号に変換して出力する複数の変換手段とをそれぞれ含む単位画素が、行列状に配列された画素領域と、
各列に配列された複数の単位画素それぞれに含まれる前記複数の変換手段のいずれかに共通に接続される信号線を、前記複数の変換手段それぞれに接続するように複数含み、前記複数の変換手段から出力された前記電圧信号を、前記複数の信号線を介してそれぞれ独立に第1の方向に転送する第1の読み出し手段と、
前記第1の読み出し手段により転送された前記電圧信号を、第2の方向に転送する複数の第2の読み出し手段と、
前記単位画素毎に、前記複数の変換手段を結合する結合手段と、
前記結合手段により前記複数の変換手段を結合するか否かを制御する制御手段と、を有し、
前記複数の信号線を、各列毎に、前記複数の第2の読み出し手段のいずれか1つに接続したことを特徴とする撮像素子。
A pixel region in which unit pixels each including a plurality of photoelectric conversion units and a plurality of conversion units that convert electric charges converted by the plurality of photoelectric conversion units into voltage signals and output the matrix signals are arranged in a matrix;
A plurality of signal lines commonly connected to any of the plurality of conversion means included in each of the plurality of unit pixels arranged in each column so as to be connected to each of the plurality of conversion means; A first readout means for independently transferring the voltage signal output from the means in a first direction via the plurality of signal lines;
A plurality of second reading means for transferring the voltage signal transferred by the first reading means in a second direction;
Coupling means for coupling the plurality of conversion means for each unit pixel;
Control means for controlling whether or not to combine the plurality of converting means by the combining means ,
It said plurality of signal lines, for each column, wherein the to that an imaging device that has been connected to one of said plurality of second reading means.
複数の光電変換部と、該複数の光電変換部により変換された電荷を電圧信号に変換して出力する複数の変換手段とをそれぞれ含む単位画素が、行列状に配列された画素領域と、
各列に配列された複数の単位画素それぞれに含まれる前記複数の変換手段のいずれかに共通に接続される信号線を、前記複数の変換手段それぞれに接続するように複数含み、前記複数の変換手段から出力された前記電圧信号を、前記複数の信号線を介してそれぞれ独立に第1の方向に転送する第1の読み出し手段と、
前記第1の読み出し手段により転送された前記電圧信号を、第2の方向に転送する複数の第2の読み出し手段と、
前記複数の光電変換部により変換された電荷を、各光電変換部ずつ前記複数の変換手段に転送するか、または、複数の光電変換部ずつ前記複数の変換手段に転送するかを切り替える切り替え手段と、
前記切り替え手段による前記切り替えを制御する制御手段と、を有し、
前記複数の信号線を、各列毎に、前記複数の第2の読み出し手段のいずれか1つに接続したことを特徴とする撮像素子。
A pixel region in which unit pixels each including a plurality of photoelectric conversion units and a plurality of conversion units that convert electric charges converted by the plurality of photoelectric conversion units into voltage signals and output the matrix signals are arranged in a matrix;
A plurality of signal lines commonly connected to any of the plurality of conversion means included in each of the plurality of unit pixels arranged in each column so as to be connected to each of the plurality of conversion means; A first readout means for independently transferring the voltage signal output from the means in a first direction via the plurality of signal lines;
A plurality of second reading means for transferring the voltage signal transferred by the first reading means in a second direction;
Switching means for switching whether the charges converted by the plurality of photoelectric conversion units are transferred to the plurality of conversion units by each photoelectric conversion unit or to the plurality of conversion units by a plurality of photoelectric conversion units; ,
Control means for controlling the switching by the switching means ,
It said plurality of signal lines, for each column, wherein the to that an imaging device that has been connected to one of said plurality of second reading means.
前記複数の信号線それぞれに備えられた増幅手段を更に有することを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の撮像素子。 Imaging device according to any one of claims 1 to 4, further comprising an amplifying means provided in each of the plurality of signal lines. 複数の光電変換部と、該複数の光電変換部により変換された電荷を電圧信号に変換して出力する2つの変換手段とをそれぞれ含む単位画素が、行列状に配列された画素領域と、
各列に配列された複数の単位画素それぞれに含まれる前記2つの変換手段のいずれかに共通に接続される信号線を、前記2つの変換手段それぞれに接続するように複数含み、前記2つの変換手段から出力された前記電圧信号を、前記複数の信号線を介してそれぞれ独立に第1の方向に転送する第1の読み出し手段と、
前記第1の読み出し手段により転送された前記電圧信号を、第2の方向に転送する2つの第2の読み出し手段と、
一列おきに配置された単位画素の一方の変換手段に接続された信号線と、それ以外の列に配置された単位画素の他方の変換手段に接続された信号線を、前記2つの第2の読み出し手段のいずれに接続するかを選択するための選択手段と
を有し、
前記選択手段により選択されない信号線を、一列おきに、互いに異なる前記2つの第2の読み出し手段に接続したことを特徴とする撮像素子。
A pixel region in which unit pixels each including a plurality of photoelectric conversion units and two conversion units that convert electric charges converted by the plurality of photoelectric conversion units into voltage signals and output the matrix signals are arranged in a matrix;
A plurality of signal lines commonly connected to one of the two conversion means included in each of the plurality of unit pixels arranged in each column so as to be connected to each of the two conversion means; A first readout means for independently transferring the voltage signal output from the means in a first direction via the plurality of signal lines;
Two second reading means for transferring the voltage signal transferred by the first reading means in a second direction;
A signal line connected to one conversion unit of unit pixels arranged every other column and a signal line connected to the other conversion unit of unit pixels arranged in the other columns are connected to the two second Selecting means for selecting which of the reading means to connect,
An image pickup device, wherein signal lines not selected by the selection unit are connected to the two second readout units different from each other in every other column.
請求項1乃至のいずれか1項に記載の撮像素子と、
前記第2の読み出し手段から読み出された前記電圧信号を画像信号に処理する処理手段と、
前記処理手段により処理した画像信号を記憶する記憶手段と
を有することを特徴とする撮像装置。
The imaging device according to any one of claims 1 to 6 ,
Processing means for processing the voltage signal read from the second reading means into an image signal;
An image pickup apparatus comprising: storage means for storing an image signal processed by the processing means.
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