JP6237045B2 - Imaging device and imaging apparatus - Google Patents
Imaging device and imaging apparatus Download PDFInfo
- Publication number
- JP6237045B2 JP6237045B2 JP2013197318A JP2013197318A JP6237045B2 JP 6237045 B2 JP6237045 B2 JP 6237045B2 JP 2013197318 A JP2013197318 A JP 2013197318A JP 2013197318 A JP2013197318 A JP 2013197318A JP 6237045 B2 JP6237045 B2 JP 6237045B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- unit
- photoelectric conversion
- conversion unit
- imaging device
- inverter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Description
本発明は、撮像素子および撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging element and an imaging apparatus.
複数の画素を有する撮像素子において、ADコンバータを画素毎に配置する構成が知られている(例えば、特許文献1図2参照)。
特許文献1 特許第4928674号公報
In an imaging device having a plurality of pixels, a configuration is known in which an AD converter is arranged for each pixel (see, for example, Patent Document 1 and FIG. 2).
Patent Document 1 Japanese Patent No. 4928674
上述した撮像素子は、異なる露光時間のフレーム毎に画像を取得する。そして、各フレームの画像を組み合わせることで、ADコンバータのダイナミックレンジを広くしている。このため、ADコンバータの分解能を高くするには、フレーム数を多くしなければならない。しかし、フレーム毎に画像データを記憶しなければならないので、高分解能化は困難である。 The above-described imaging device acquires an image for each frame having a different exposure time. Then, by combining the images of each frame, the dynamic range of the AD converter is widened. For this reason, in order to increase the resolution of the AD converter, the number of frames must be increased. However, high resolution is difficult because image data must be stored for each frame.
本発明の第1の態様においては、入射光に応じて電荷を発生させる複数の光電変換部と、光電変換部毎に設けられた個別処理部とを備え、それぞれの個別処理部は、対応する光電変換部が発生した電荷の蓄積量が、予め定められた規定閾値を超えたことを検出する検出部と、蓄積量が規定閾値を超えた場合に、蓄積量をリセットするリセット部と、予め定められた規定期間内に、蓄積量が規定閾値を超えた回数を計数する計数部とを有する撮像素子を提供する。 The first aspect of the present invention includes a plurality of photoelectric conversion units that generate charges according to incident light, and individual processing units provided for each photoelectric conversion unit, and each individual processing unit corresponds to A detection unit that detects that the accumulated amount of charge generated by the photoelectric conversion unit exceeds a predetermined threshold value, a reset unit that resets the accumulated amount when the accumulated amount exceeds a predetermined threshold value, Provided is an imaging device having a counting unit that counts the number of times that an accumulated amount exceeds a prescribed threshold within a prescribed period.
本発明の第2の態様においては、第1の態様の撮像素子を備える撮像装置を提供する。 According to a second aspect of the present invention, there is provided an imaging apparatus including the imaging element according to the first aspect.
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。 It should be noted that the above summary of the invention does not enumerate all the necessary features of the present invention. In addition, a sub-combination of these feature groups can also be an invention.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all the combinations of features described in the embodiments are essential for the solving means of the invention.
図1は、本発明の実施形態に係る撮像素子100の概要を示す図である。撮像素子100は、被写体からの入射光に応じた画像データを生成する。撮像素子100は、受光部200および信号処理部210を備える。
FIG. 1 is a diagram showing an overview of an
受光部200は、複数の光電変換部202を有する。本例の複数の光電変換部202は、行列方向に沿って配列される。それぞれの光電変換部202は、被写体からの入射光に応じて電荷を発生させる。光電変換部202は、フォトダイオード等の光電変換素子を有する。
The
信号処理部210は、それぞれの光電変換部202が発生した電荷量に応じた画素信号を生成する。信号処理部210は、複数の個別処理部212を有する。個別処理部212は、光電変換部202毎に設けられる。
The
それぞれの個別処理部212は、対応する光電変換部202が発生した電荷量に応じたデジタルの画素信号を生成する。複数の個別処理部212は、複数の光電変換部202が発生したアナログの電荷量を並行して読み出してよい。これにより、グローバルシャッタを実現できる。なお、入射光を電荷に変換する変換領域の面積を広げるべく、個別処理部212の少なくとも一部の構成要素は、光電変換部202とは異なる層に配置されることが好ましい。
Each
図2は、個別処理部212の構成例を示すブロック図である。本例の個別処理部212は、検出部214、リセット部216、計数部218およびメモリ220を有する。光電変換部202が入射光を受光すると、入射光に応じて電荷が発生する。光電変換部202が発生した電荷は、光電変換部202等に蓄積される。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration example of the
検出部214は、対応する光電変換部202における電荷の蓄積量が、予め定められた規定閾値を超えたことを検出する。本例の検出部214には、対応する光電変換部202における電荷の蓄積量を示す蓄積電圧Vinと、当該規定閾値に応じた閾値電圧Vthが入力される。本例の検出部214は、蓄積電圧Vinが閾値電圧Vthより小さくなった場合に、電荷の蓄積量が規定閾値を超えたと判定して検出信号を出力する。
The
リセット部216は、対応する光電変換部202における電荷の蓄積量が、当該規定閾値を超えた場合に、対応する光電変換部202における電荷の蓄積量をリセットする。本例のリセット部216は、検出部214から検出信号が入力された場合に、対応する光電変換部202における電荷の蓄積量をリセットする。例えばリセット部216は、対応する光電変換部202が発生した電荷を蓄積している領域を、基準電位に接続することで電荷の蓄積量をリセットする。リセット後においても、光電変換部202が発生する電荷により、電荷の蓄積量は再度増大する。つまり、電荷の蓄積量は、増大およびリセットが繰り返される。
The
計数部218は、予め定められた規定期間内に、対応する光電変換部202における電荷の蓄積量が規定閾値を超えた回数を計数する。本例の計数部218は、検出部214から検出信号が入力された回数を計数する。計数部218は、規定期間が終了した時点における計数値に関する情報を、対応する光電変換部202の画素信号としてメモリ220に記憶させる。メモリ220は、複数の個別処理部212に対して一つ設けられてもよい。
The
図3は、図2に示した個別処理部212の動作例を示す図である。図3において横軸は時間を示し、縦軸は蓄積電圧Vinの強度を示す。本例において蓄積電圧Vinは、蓄積された電荷量が増加するに従い減少する。
FIG. 3 is a diagram illustrating an operation example of the
対応する光電変換部202に光が入射すると、電荷の蓄積が開始する(t=0)。光電変換部202が入射光を受光している間、蓄積電圧Vinは、入射光の強度に応じた傾きで減少する。蓄積電圧Vinが閾値電圧Vth以下になると(t=T1)、検出部214が検出信号を出力する。
When light enters the corresponding
リセット部216は、当該検出信号に応じて、対応する光電変換部202における電荷の蓄積量をリセットする。これにより、蓄積電圧Vinは、所定の初期電圧にもどる。また、計数部218は、当該検出信号に応じて計数値をインクリメントする。
The
リセット部216によるリセット後、所定の時間が経過すると、蓄積電圧Vinは所定のリセット電圧Vrstになる。そして、光電変換部202における入射光の強度に応じて、蓄積電圧Vinが再度減少する。そして、蓄積電圧Vinが閾値電圧Vth以下になると検出部214が検出信号を出力する。このような動作を、電荷の蓄積開始から、予め定められた規定期間が経過するまで(t=0〜Tm)繰り返す。予め定められた規定期間が経過した時点(t=Tm)で、計数部218は計数値をメモリ220に格納する。また、計数部218は計数値をリセットして、次の画素信号の生成に備える。
When a predetermined time elapses after the reset by the
このような動作により、個別処理部212は、対応する光電変換部202が規定期間内に発生した電荷量に応じた画素信号(本例では計数値)を生成することができる。また、個別処理部212を、検出部214、リセット部216および計数部218の簡単な構成で実現できるので、個別処理部212を光電変換部202毎に設けることが容易となる。
With such an operation, the
また、閾値電圧Vthを変化させることで、撮像素子100の感度を制御することができる。例えば、閾値電圧Vthとリセット電圧Vrstとの差を小さくすると、強度の小さい入射光に対して精度よく画素信号を生成できる。また、閾値電圧Vthとリセット電圧Vrstとの差を大きくすると、計数部218におけるオーバーフローを防ぎ、強度の大きい入射光に対して精度よく画素信号を生成できる。
Moreover, the sensitivity of the
また、規定期間を変化させることによっても、撮像素子100の感度を制御することができる。規定期間を長くすれば低強度の入射光に対する精度が向上し、規定期間を短くすれば強強度の入射光に対する精度が向上する。このように、本例の撮像素子100は感度の制御が容易であり、入射光の強度を高分解能に再現する画素信号を容易に生成できる。
The sensitivity of the
また、輝度変化の激しいフリッカー等のある被写体であっても、輝度変化を平均化した画像データを取得することができる。また、光電変換部202等で生じたノイズも平均化することができる。
Further, even for a subject such as flicker having a sharp luminance change, image data in which the luminance change is averaged can be acquired. In addition, noise generated in the
また、計数部218は、規定期間内において計数値が所定の値となった時点で、当該計数値をメモリ220に格納し、且つ、計数値をリセットして初期値から計数を再開してよい。メモリ220は、規定期間内において計数部218から受け取った計数値の総和を記憶してよい。これにより、計数部218の計数値がオーバーフローすることを避けることができる。このため、計数部218の規模を小さくすることができる。
The
また、規定期間内における入射光量は、閾値電圧Vthとリセット電圧Vrstとの差分に、計数値を乗算した値に対応する。メモリ220は、当該乗算値を記憶してよく、計数値および当該電圧の差分を対応付けて記憶してもよい。また、規定期間内における入射光量を規定期間の長さで除算することで、単位時間当たりの入射光量に変換できる。メモリ220は、規定期間の長さを更に記憶してよく、単位時間当たりの入射光量を記憶してもよい。また、リセット電圧Vrstが既知であれば、当該電圧の差分に代えて、閾値電圧Vthを記憶してもよい。
The amount of incident light within the specified period corresponds to a value obtained by multiplying the difference between the threshold voltage Vth and the reset voltage Vrst by a count value. The
図4は、個別処理部212の他の構成例を示すブロック図である。本例の個別処理部212は、図2に示した個別処理部212の構成に加え、閾値制御部222および期間制御部224を更に備える。
FIG. 4 is a block diagram illustrating another configuration example of the
閾値制御部222は、入射光の特性に応じて、対応する検出部214における規定閾値(本例では閾値電圧Vth)を制御する。入射光の特性とは、例えば入射光の強度である。入射光の強度は、対応する光電変換部202に対する入射光の強度であってよく、複数の光電変換部202に対する入射光の強度の平均であってもよい。閾値制御部222は、対応する蓄積電圧Vinの変化の傾きに基づいて、対応する光電変換部202に対する入射光の強度を算出してよい。
The
閾値制御部222は、入射光の強度が小さいほど、閾値電圧Vthとリセット電圧Vrstとの差分を小さくしてよい。つまり、閾値制御部222は、入射光の強度が大きいほど、閾値電圧Vthとリセット電圧Vrstとの差分を大きくしてよい。このような制御により、入射光の特性に応じて、撮像素子100の感度を制御することができる。また、光電変換部202および個別処理部212を含む画素毎に感度を制御することができる。このため、受光面において入射光の強度の差が大きい場合であっても、それぞれの画素の感度を適切に制御することができる。
The
また、閾値制御部222は、複数の光電変換部202を複数のブロックに分割して、ブロック毎に独立して閾値電圧Vthを制御してよい。この場合、閾値制御部222は、ブロック内の光電変換部202に対する入射光の強度の平均値を用いて、当該ブロック内の閾値電圧Vthを制御する。
The
この場合、閾値制御部222は、各ブロックに一つ設けられてよい。また、各ブロックの範囲は可変であってもよい。例えば、閾値制御部222は、被写体画像のエッジに沿って、複数の光電変換部202を複数のブロックに分割する。画像のエッジとは、隣接する画素における画素信号の強度の差(コントラスト)が予め定められた値以上の領域を指す。
In this case, one
期間制御部224は、入射光の特性に応じて、それぞれの計数部218における規定期間を制御する。ただし、規定期間は、全ての個別処理部212において同一であることが好ましい。つまり、期間制御部224は、全ての光電変換部202における入射光の強度の平均値に基づいて、信号処理部210全体における規定期間を制御することが好ましい。
The
期間制御部224は、入射光の強度が小さいほど、規定期間を長くしてよい。つまり、期間制御部224は、入射光の強度が大きいほど、規定期間を短くしてよい。このような制御により、入射光の特性に応じて、撮像素子100の感度を制御することができる。
The
図5は、撮像素子100の断面の一例を示す図である。本例では、裏面照射型の撮像素子100を示すが、撮像素子100は裏面照射型に限定されない。本例の撮像素子100は、入射光に対応した信号を出力する撮像チップ113と、撮像チップ113からの信号を処理する信号処理チップ111と、信号処理チップ111が処理した画像データを記憶するメモリチップ112とを備える。これら撮像チップ113、信号処理チップ111およびメモリチップ112は積層されており、Cu等の導電性を有するバンプ109により互いに電気的に接続される。
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a cross section of the
なお、撮像チップ113には、複数の光電変換部202が設けられる。信号処理チップ111には、信号処理部210の少なくとも一部の構成が設けられる。例えば信号処理チップ111には、それぞれの個別処理部212における計数部218が設けられる。メモリ220は、メモリチップ112に設けられてよく、信号処理チップ111に設けられてもよい。
Note that the
なお、図示するように、入射光は主に白抜き矢印で示す方向へ入射する。本実施形態においては、撮像チップ113において、入射光が入射する側の面を裏面と称する。撮像チップ113の一例は、裏面照射型のMOSイメージセンサである。撮像チップ113は、受光部200に対応する。PD(フォトダイオード)層106は、配線層108の裏面側に配されている。PD層106は、二次元的に配され、入射光に応じた電荷を蓄積する複数のPD部104、および、PD部104に対応して設けられたトランジスタ105を有する。PD部104は、光電変換部202の一例である。
As shown in the figure, incident light is incident mainly in the direction indicated by the white arrow. In the present embodiment, in the
PD層106における入射光の入射側にはパッシベーション膜103を介してカラーフィルタ102が設けられる。カラーフィルタ102は、互いに異なる波長領域を透過する複数の種類を有しており、PD部104のそれぞれに対応して特定の配列を有している。カラーフィルタ102の配列については後述する。カラーフィルタ102、PD部104および複数のトランジスタ105の組が一つの画素に含まれる。複数のトランジスタ105のオンオフを制御することで、各画素の受光開始タイミング(リセットタイミング)等を制御する。
A
カラーフィルタ102における入射光の入射側には、それぞれの画素に対応して、マイクロレンズ101が設けられる。マイクロレンズ101は、対応するPD部104へ向けて入射光を集光する。
On the incident light incident side of the
配線層108は、PD層106からの信号を信号処理チップ111に伝送する配線107を有する。配線107は多層であってもよく、また、受動素子および能動素子が設けられてもよい。
The
配線層108の表面には複数のバンプ109が配される。当該複数のバンプ109が信号処理チップ111の対向する面に設けられた複数のバンプ109と位置合わせされて、撮像チップ113と信号処理チップ111とが加圧等されることにより、位置合わせされたバンプ109同士が接合されて、電気的に接続される。
A plurality of
同様に、信号処理チップ111およびメモリチップ112の互いに対向する面には、複数のバンプ109が配される。これらのバンプ109が互いに位置合わせされて、信号処理チップ111とメモリチップ112とが加圧等されることにより、位置合わせされたバンプ109同士が接合されて、電気的に接続される。
Similarly, a plurality of
なお、バンプ109間の接合には、固相拡散によるCuバンプ接合に限らず、はんだ溶融によるマイクロバンプ結合を採用してもよい。また、バンプ109は、一つの単位ブロックに対して一つ程度設ければよい。したがって、バンプ109の大きさは、PD部104のピッチよりも大きくてもよい。また、画素が配列された撮像領域以外の周辺領域において、撮像領域に対応するバンプ109よりも大きなバンプを併せて設けてもよい。
The bonding between the
信号処理チップ111は、表裏面にそれぞれ設けられた回路を互いに接続するTSV(シリコン貫通電極)110を有する。TSV110は、周辺領域に設けられることが好ましい。また、TSV110は、撮像チップ113の周辺領域、メモリチップ112にも設けられてよい。
The
図6は、個別処理部212の回路構成例を示す図である。なお、光電変換部202をあわせて示している。本例の個別処理部212は、検出部214、リセット部216、計数部218およびメモリ220を有する。
FIG. 6 is a diagram illustrating a circuit configuration example of the
本例の検出部214は、CMOSインバータを有する。CMOSインバータは、PMOSトランジスタ232およびNMOSトランジスタ234を有する。CMOSインバータの入力端子は、光電変換部202の出力端子に接続される。光電変換部202が発生した電荷は、光電変換部202と検出部214との間における寄生容量等に蓄積される。CMOSインバータには、当該蓄積された電荷に応じた蓄積電圧Vinが入力される。
The
CMOSインバータの出力は、蓄積電圧VinがCMOSインバータの閾値電圧より小さくなった場合(すなわち、電荷の蓄積量が規定閾値を超えた場合)に、第1論理値(本例ではL論理)から第2論理値(本例ではH論理)に遷移する。検出部214の出力がL論理からH論理に遷移したエッジが、上述した検出信号として機能する。また、CMOSインバータの閾値電圧が、上述した閾値電圧Vthに相当する。
The output of the CMOS inverter starts from the first logic value (L logic in this example) when the accumulated voltage Vin becomes smaller than the threshold voltage of the CMOS inverter (that is, when the amount of accumulated charge exceeds a specified threshold). Transition to two logic values (H logic in this example). An edge at which the output of the
リセット部216は、リセットトランジスタ230を有する。リセットトランジスタ230は、ソースおよびドレインが、光電変換部202の出力端子と、所定の高圧側基準電位との間に設けられる。また、リセットトランジスタ230のゲートは、CMOSインバータの出力端子に接続される。リセットトランジスタ230は、CMOSインバータの出力がL論理からH論理に遷移した場合に、光電変換部202と検出部214との間の配線を高圧側基準電位に接続する。これにより、蓄積されていた電荷がリセットされ、検出部214の出力はL論理に遷移する。
The
計数部218は、規定期間内に、検出部214の出力がL論理からH論理に遷移した回数をカウントする。計数部218は、規定期間が終了した時点の計数値をメモリ220に格納する。このような構成により、小さい回路規模で、個別処理部212を実現できる。
The
なお、本例のように、光電変換部202の出力が、検出部214のCMOSインバータの入力端子に直接接続される場合、検出部214は撮像チップ113に設けられることが好ましい。直接接続されるとは、例えば、光電変換部202の出力と、CMOSインバータの入力端子との間にトランジスタまたはバッファ等の電荷の移動を遮断する素子がない状態を指す。これにより、光電変換部202と検出部214との間の寄生容量が大きくなりすぎるのを防ぐことができる。このため、撮像素子100の感度が低下することを防ぐことができる。
As in this example, when the output of the
図7は、個別処理部212の他の回路構成例を示す図である。本例の個別処理部212は、図6に示した個別処理部212の構成に加え、閾値制御部222を更に備える。閾値制御部222は、CMOSインバータの各MOSトランジスタに対して設けられる閾値制御トランジスタ236および閾値制御トランジスタ238を有する。
FIG. 7 is a diagram illustrating another circuit configuration example of the
閾値制御トランジスタ236、238は、それぞれ対応するPMOSトランジスタ232、NMOSトランジスタ234のソースに接続され、CMOSインバータの閾値を制御する。閾値制御トランジスタ236は、ソースおよびドレインが、高圧側基準電位とPMOSトランジスタ232のソースとの間に接続されるPMOSトランジスタである。また、閾値制御トランジスタ238は、ソースおよびドレインが、低圧側基準電位とNMOSトランジスタ234のソースとの間に接続されるNMOSトランジスタである。
The
閾値制御トランジスタ236および閾値制御トランジスタ238のゲートには、閾値制御信号Vth contが入力される。このような構成により、検出部214におけるCMOSトランジスタの閾値電圧を、閾値制御信号Vth contにより制御することができる。上述したように、閾値制御部222は、入射光の特性値に応じて閾値制御信号Vth contを生成してよい。
A threshold control signal Vth cont is input to the gates of the
なお、本例の検出部214は、撮像チップ113に設けられることが好ましい。閾値制御トランジスタ236および閾値制御トランジスタ238は、撮像チップ113に設けられてよく、信号処理チップ111に設けられてもよい。
Note that the
図8は、個別処理部212の他の回路構成例を示す図である。本例の個別処理部212は、図6または図7に示したいずれかの個別処理部212の構成に加え、同期回路240を更に有する。図8では、図7に示した個別処理部212の構成に、同期回路240を追加した構成を示す。
FIG. 8 is a diagram illustrating another circuit configuration example of the
同期回路240は、検出部214の出力端子と、リセットトランジスタ230のゲートとの間に設けられる。同期回路240は、検出部214が出力する検出信号と、同期信号とを受け取る。同期信号は、同期回路240に対して予め定められた周期で入力される。
The
同期回路240は、同期信号を受け取っている間に、CMOSインバータがH論理を出力したことを条件として、リセット部216に電荷の蓄積量をリセットさせる。これにより、規定期間内に蓄積量がリセットされる回数の上限は、規定期間内における同期信号の回数に制限される。このため、計数部218における計数値のオーバーフローを防ぐことができる。規定期間内において、同期回路240に同期信号が入力される回数は、計数部218における計数値の上限値と同一であってよい。なお、同期回路240は、信号処理チップ111に設けられてよい。
The
図9は、図8に示した個別処理部212の動作例を示す図である。本例における個別処理部212の動作は、検出部214がH論理を出力し、且つ、H論理の同期信号が同期回路240に入力されている場合に限り、リセット部216が電荷蓄積量をリセットする点を除き、図3に示した動作と同一である。
FIG. 9 is a diagram illustrating an operation example of the
t=T1において、図3と同様に、検出部214の出力がL論理からH論理に遷移する。このとき、図9の例では、H論理の同期信号が同期回路240に入力されているので、蓄積電圧Vinはリセットされる。また、t=T2においても、検出部214の出力がL論理からH論理に遷移するが、図9の例では、H論理の同期信号が同期回路240に入力されていないので、t=T2のタイミングでは蓄積電圧Vinはリセットされない。このため、検出部214の出力はH論理に維持される。
At t = T1, as in FIG. 3, the output of the
t=T3のタイミングで、H論理の同期信号が入力される。このとき、検出部214の出力はH論理なので、リセット部216は、蓄積電圧Vinをリセットする。このような動作により、計数部218における計数タイミングを、同期信号の周期で制御することができる。
At the timing of t = T3, an H logic synchronization signal is input. At this time, since the output of the
撮像素子100は、同期信号の周期を、入射光の強度等の特性値に応じて制御してよい。例えば、入射光の強度がより小さい場合には、同期信号の周期をより小さく(つまり、規定期間内における同期信号の個数を多く)する。入射光の強度がより大きい場合には、同期信号の周期をより大きくする。このような制御によっても、撮像素子100の感度を制御することができる。同期信号の周期は、個別処理部212毎に独立に制御されてよい。また、同期信号の周期は、画素のブロック毎に制御されてもよい。
The
図10は、個別処理部212の他の回路構成例を示す図である。本例の個別処理部212は、図6から図9において説明したいずれかの個別処理部212の構成に加え、ソースフォロワ回路242およびトランジスタ244を更に有する。図10においては、図7に示した個別処理部212の構成に、ソースフォロワ回路242およびトランジスタ244を追加した例を示す。
FIG. 10 is a diagram illustrating another circuit configuration example of the
ソースフォロワ回路242は、光電変換部202の出力端子と、検出部214のCMOSインバータの入力端子との間に配置される。本例のソースフォロワ回路242は、光電変換部202の出力端子がゲートに接続されるNMOSトランジスタを有する。光電変換部202が発生した電荷は、光電変換部202およびソースフォロワ回路242の間の寄生容量に蓄積される。ソースフォロワ回路242は、蓄積された電荷量に応じた蓄積電圧を、CMOSインバータに入力する。
The
また、トランジスタ244は、低圧側基準電位と、検出部214のCMOSインバータの入力端子との間に配置される。トランジスタ244は、制御信号contに応じて、CMOSインバータの入力端子を低圧側基準電位に接続するか否かを切り替える。
The
本例では、検出部214のCMOSインバータは、信号処理チップ111に設けられる。ソースフォロワ回路242は、撮像チップ113に設けられる。トランジスタ244は、信号処理チップ111に設けられてよい。これにより、撮像チップ113に設けるトランジスタの数を低減でき、光電変換部202の面積を大きくすることができる。
In this example, the CMOS inverter of the
図11は、個別処理部212の他の回路構成例を示す図である。本例の個別処理部212は、図6から図10において説明したいずれかの個別処理部212の構成に加え、遅延部250およびクランプ部252を更に有する。図11においては、図10に示した個別処理部212の構成に、遅延部250およびクランプ部252を追加した例を示す。
FIG. 11 is a diagram illustrating another circuit configuration example of the
遅延部250は、検出部214のCMOSインバータからリセット部216に入力される検出信号を分岐して受け取り、当該検出信号を遅延させたクランプ信号を生成する。遅延部250における遅延量は、リセット部216が蓄積電圧Vinをリセットしてから、蓄積電圧Vinが所定のリセット電圧Vrstより小さくなるまでの期間に対応する。当該遅延量は、リセット部216が蓄積電圧Vinをリセットしてから、蓄積電圧Vinがフィードスルー電圧となるまでの期間に対応してよい。
The
クランプ部252は、ソースフォロワ回路242が出力する信号の電圧(蓄積電圧Vin)を、クランプ信号のタイミングでクランプする。つまり、クランプ部252は、リセット部216が蓄積電圧Vinをリセットした後に、所定のリセット電圧Vrstより小さくなった蓄積電圧Vinをクランプしたクランプ電圧を保持する。
The
クランプ部252は、クランプ信号のタイミングより後における蓄積電圧Vinとクランプ電圧との差分を、検出部214におけるCMOSインバータに入力する。このような動作により、CMOSインバータには、クランプ電圧を基準とした蓄積電圧Vinが入力されるので、ソースフォロワ回路242におけるオフセットおよびノイズ等の影響を低減することができる。
The
本例のクランプ部252は、クランプコンデンサ246およびクランプトランジスタ248を有する。クランプコンデンサ246は、ソースフォロワ回路242の出力端子およびCMOSインバータの入力端子の間に設けられる。クランプトランジスタ248は、クランプ信号がゲートに入力された場合に、CMOSインバータの入力端子側のクランプコンデンサ246の電極を、所定電位PORTBOTH−Rに接続する。これにより、クランプコンデンサ246は、クランプ信号のタイミングにおける蓄積電圧Vinの電圧をクランプする。
The
このような構成により、規定期間内で繰り返される蓄積電圧Vinの波形のそれぞれにおいて、ノイズ等の影響を低減することができる。なお、本例における遅延部250およびクランプ部252は、信号処理チップ111に設けられてよい。ただし、クランプコンデンサ246は、撮像チップ113に設けられてもよい。
With such a configuration, it is possible to reduce the influence of noise or the like in each of the waveforms of the accumulated voltage Vin repeated within a specified period. Note that the
図12は、個別処理部212の他の回路構成例を示す図である。本例の個別処理部212は、図6から図11において説明したいずれかの個別処理部212の構成に加え、容量切替部254を更に有する。図12においては、図6に示した個別処理部212の構成に、容量切替部254を追加した例を示す。
FIG. 12 is a diagram illustrating another circuit configuration example of the
容量切替部254は、個別処理部212に対応する光電変換部202−1の出力端子に接続される電荷検出容量の大きさを切り替える。本例において電荷検出容量は、光電変換部202−1の出力端子に接続される寄生容量である。
The
本例の容量切替部254は、ゲイン制御信号Gain Contに応じて、光電変換部202−1の出力端子と、他の光電変換部202−2の出力端子とを接続するか否かを切り替えるスイッチである。なお、光電変換部202−1および光電変換部202−2のそれぞれに対して個別処理部212が設けられるが、図12においては、光電変換部202−2に対応する個別処理部212を省略している。ただし、容量切替部254は、光電変換部202−1および光電変換部202−2に対して共通に設けられる。
The
容量切替部254がオン状態になると、光電変換部202−1の出力端子には、光電変換部202−2に対する寄生容量も接続される。このため、容量切替部254がオン状態になると、容量切替部254がオフ状態のときに比べて、光電変換部202−1の出力端子に接続される寄生容量の大きさは2倍となる。
When the
このように、容量切替部254により、光電変換部202−1に対する寄生容量の大きさを切り替えることができ、当該画素における入射光量に対する画素信号のゲイン(すなわち感度)を切り替えることができる。なお、容量切替部254は、光電変換部202−1に接続する他の光電変換部202の個数を可変に制御してもよい。これにより、より多様なゲインを実現することができる。
As described above, the
図13は、本発明の実施形態に係る撮像装置500の構成例を示すブロック図である。撮像装置500は、撮影光学系としての撮影レンズ520を備え、撮影レンズ520は、光軸OAに沿って入射する被写体光束を撮像素子100へ導く。撮影レンズ520は、撮像装置500に対して着脱できる交換式レンズであっても構わない。撮像装置500は、撮像素子100、システム制御部501、駆動部502、測光部503、ワークメモリ504、記録部505、表示部506および駆動部514を主に備える。
FIG. 13 is a block diagram illustrating a configuration example of the imaging apparatus 500 according to the embodiment of the present invention. The imaging apparatus 500 includes a
撮影レンズ520は、複数の光学レンズ群から構成され、シーンからの被写体光束をその焦点面近傍に結像させる。なお、図13では瞳近傍に配置された仮想的な1枚のレンズで当該撮影レンズ520を代表して表している。
The photographing
駆動部514は撮影レンズ520を駆動する。より具体的には駆動部514は撮影レンズ520の光学レンズ群を移動させて合焦位置を変更する。また、撮影レンズ520内の虹彩絞りを駆動して撮像素子100へ入射する被写体光束の光量を制御する。
The driving
駆動部502は、システム制御部501からの指示に従って撮像素子100のタイミング制御、領域制御等の電荷蓄積制御を実行する制御回路である。駆動部502は、撮像素子100の受光部200および信号処理部210を、図1から図12に関連して説明したように動作させる。また、操作部508はレリーズボタン等により撮像者からの指示を受け付ける。
The
撮像素子100は、図1から図12に関連して説明した撮像素子100と同一である。撮像素子100は、画素信号をシステム制御部501の画像処理部511へ引き渡す。画像処理部511は、ワークメモリ504をワークスペースとして種々の画像処理を施した画像データを生成する。例えば、JPEGファイル形式の画像データを生成する場合は、ベイヤー配列で得られた信号からカラー映像信号を生成した後に圧縮処理を実行する。生成された画像データは、記録部505に記録されるとともに、表示信号に変換されて予め設定された時間の間、表示部506に表示される。
The
測光部503は、画像データを生成する一連の撮影シーケンスに先立ち、シーンの輝度分布を検出する。測光部503は、例えば100万画素程度のAEセンサを含む。システム制御部501の演算部512は、測光部503の出力を受けてシーンの領域ごとの輝度を算出する。
The
演算部512は、算出した輝度分布に従ってシャッタ速度、絞り値、ISO感度を決定する。測光部503は撮像素子100で兼用してもよい。なお、演算部512は、撮像装置500を動作させるための各種演算も実行する。駆動部502は、一部または全部が撮像素子100に搭載されてよい。システム制御部501の一部が撮像素子100に搭載されてもよい。
The
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above-described embodiment. It is apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。 The order of execution of each process such as operations, procedures, steps, and stages in the apparatus, system, program, and method shown in the claims, the description, and the drawings is particularly “before” or “prior to”. It should be noted that the output can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Regarding the operation flow in the claims, the description, and the drawings, even if it is described using “first”, “next”, etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It is not a thing.
100 撮像素子、101 マイクロレンズ、102 カラーフィルタ、103 パッシベーション膜、104 PD部、105 トランジスタ、106 PD層、107 配線、108 配線層、109 バンプ、110 TSV、111 信号処理チップ、112 メモリチップ、113 撮像チップ、200 受光部、202 光電変換部、210 信号処理部、212 個別処理部、214 検出部、216 リセット部、218 計数部、220 メモリ、222 閾値制御部、224 期間制御部、230 リセットトランジスタ、232 PMOSトランジスタ、234 NMOSトランジスタ、236 閾値制御トランジスタ、238 閾値制御トランジスタ、240 同期回路、242 ソースフォロワ回路、244 トランジスタ、246 クランプコンデンサ、248 クランプトランジスタ、250 遅延部、252 クランプ部、254 容量切替部、500 撮像装置、501 システム制御部、502 駆動部、503 測光部、504 ワークメモリ、505 記録部、506 表示部、508 操作部、511 画像処理部、512 演算部、514 駆動部、520 撮影レンズ
100 Image sensor, 101 Micro lens, 102 Color filter, 103 Passivation film, 104 PD part, 105 Transistor, 106 PD layer, 107 Wiring, 108 Wiring layer, 109 Bump, 110 TSV, 111 Signal processing chip, 112 Memory chip, 113 Imaging chip, 200 light receiving unit, 202 photoelectric conversion unit, 210 signal processing unit, 212 individual processing unit, 214 detection unit, 216 reset unit, 218 counting unit, 220 memory, 222 threshold control unit, 224 period control unit, 230
Claims (13)
前記光電変換部で生成された電荷に基づく電圧が入力されるインバータを有し、前記光電変換部で生成された電荷に基づく電圧が閾値以上となると検出信号を出力する検出部と、
前記検出信号に基づいて、前記光電変換部で生成された電荷をリセットするリセット部と、
前記検出信号に基づいて、前記リセット部により電荷がリセットされた回数を計数する計数部と、
前記光電変換部で生成された電荷に基づく電圧が出力される出力部と、前記インバータとの間に配置されたソースフォロワ回路と、
前記検出信号を遅延させたクランプ信号を出力する遅延部と、
前記ソースフォロワ回路が出力する電圧を、前記遅延部からクランプ信号が出力されたタイミングでクランプしたクランプ電圧と、前記ソースフォロワ回路が出力する電圧との差分を、前記インバータに入力するクランプ部と、
を備える撮像素子。 A photoelectric conversion unit that photoelectrically converts incident light to generate charges;
A detection unit that outputs a detection signal when the voltage based on the electric charge generated by the photoelectric conversion unit is equal to or higher than a threshold value, having an inverter that receives a voltage based on the electric charge generated by the photoelectric conversion unit;
Based on the detection signal, a reset unit that resets the charge generated by the photoelectric conversion unit,
A counting unit that counts the number of times the charge is reset by the reset unit based on the detection signal;
An output unit that outputs a voltage based on the charge generated by the photoelectric conversion unit, and a source follower circuit disposed between the inverter,
A delay unit that outputs a clamp signal obtained by delaying the detection signal;
A clamp unit that inputs a difference between a clamp voltage obtained by clamping the voltage output from the source follower circuit at a timing when a clamp signal is output from the delay unit and a voltage output by the source follower circuit;
An imaging device comprising:
前記撮像チップに積層され、前記計数部が設けられる信号処理チップと、を備える請求項1に記載の撮像素子。 An imaging chip before Symbol photoelectric conversion unit is plurality,
The laminated on the imaging chip, the imaging device according to claim 1, and a signal processing chip provided the counting section.
前記リセット部は、前記インバータの出力が前記第1論理値から前記第2論理値に遷移すると、前記光電変換部で生成された電荷をリセットし、
前記計数部は、前記インバータの出力が前記第1論理値から前記第2論理値に遷移した回数を計数する請求項1から5のいずれか一項に記載の撮像素子。 Said inverter when the voltage based on the electric charges generated by the photoelectric conversion section is equal to or greater than the threshold value, the logic value of the output changes from the first logic value to a second logic value,
When the output of the inverter transitions from the first logic value to the second logic value, the reset unit resets the charge generated by the photoelectric conversion unit ,
The counting unit, the imaging device according to claim 1, any one of 5 to count the number of times the output of the inverter transitions to the second logic value from the first logic value.
前記CMOSインバータの各MOSトランジスタに対して設けられ、対応するMOSトランジスタのソースに接続され、CMOSインバータの閾値を制御する閾値制御トランジスタが設けられる請求項1から8のいずれか一項に記載の撮像素子。 The inverter is a CMOS inverter;
The imaging according to any one of claims 1 to 8, further comprising a threshold control transistor that is provided for each MOS transistor of the CMOS inverter, is connected to a source of the corresponding MOS transistor, and controls a threshold of the CMOS inverter. element.
前記インバータが前記撮像チップに設けられる請求項2に記載の撮像素子。 The output of the photoelectric conversion unit is connected to the input of the inverter,
The imaging device according to claim 2 , wherein the inverter is provided in the imaging chip.
前記インバータが前記信号処理チップに設けられる請求項2に記載の撮像素子。 The source follower circuit is provided in the imaging chip;
The imaging device according to claim 2 , wherein the inverter is provided in the signal processing chip.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013197318A JP6237045B2 (en) | 2013-09-24 | 2013-09-24 | Imaging device and imaging apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013197318A JP6237045B2 (en) | 2013-09-24 | 2013-09-24 | Imaging device and imaging apparatus |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017213249A Division JP6705436B2 (en) | 2017-11-02 | 2017-11-02 | Imaging device and imaging device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2015065524A JP2015065524A (en) | 2015-04-09 |
JP6237045B2 true JP6237045B2 (en) | 2017-11-29 |
Family
ID=52833065
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013197318A Active JP6237045B2 (en) | 2013-09-24 | 2013-09-24 | Imaging device and imaging apparatus |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6237045B2 (en) |
Families Citing this family (18)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6764880B2 (en) * | 2015-12-11 | 2020-10-07 | 株式会社ニコン | Polarization characteristic image measuring device, polarization characteristic image measurement method |
JP6774224B2 (en) * | 2016-05-26 | 2020-10-21 | キヤノン株式会社 | Solid-state image sensor and image sensor |
JP6735515B2 (en) * | 2017-03-29 | 2020-08-05 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Solid-state imaging device |
JP2019004225A (en) * | 2017-06-12 | 2019-01-10 | 日本放送協会 | Signal reading circuit and solid-state imaging element |
US10917589B2 (en) * | 2017-06-26 | 2021-02-09 | Facebook Technologies, Llc | Digital pixel with extended dynamic range |
US10686996B2 (en) | 2017-06-26 | 2020-06-16 | Facebook Technologies, Llc | Digital pixel with extended dynamic range |
US10598546B2 (en) | 2017-08-17 | 2020-03-24 | Facebook Technologies, Llc | Detecting high intensity light in photo sensor |
JP7018294B2 (en) * | 2017-11-10 | 2022-02-10 | ブリルニクス シンガポール プライベート リミテッド | Solid-state image sensor, solid-state image sensor driving method, and electronic equipment |
JP7227926B2 (en) * | 2018-01-05 | 2023-02-22 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Solid-state imaging device, imaging device, and control method for solid-state imaging device |
US11906353B2 (en) | 2018-06-11 | 2024-02-20 | Meta Platforms Technologies, Llc | Digital pixel with extended dynamic range |
US10897586B2 (en) | 2018-06-28 | 2021-01-19 | Facebook Technologies, Llc | Global shutter image sensor |
US11943561B2 (en) | 2019-06-13 | 2024-03-26 | Meta Platforms Technologies, Llc | Non-linear quantization at pixel sensor |
US11936998B1 (en) | 2019-10-17 | 2024-03-19 | Meta Platforms Technologies, Llc | Digital pixel sensor having extended dynamic range |
JP7352495B2 (en) * | 2020-03-06 | 2023-09-28 | 日立Geニュークリア・エナジー株式会社 | Imaging systems and imaging system application equipment |
US11902685B1 (en) | 2020-04-28 | 2024-02-13 | Meta Platforms Technologies, Llc | Pixel sensor having hierarchical memory |
US11956560B2 (en) | 2020-10-09 | 2024-04-09 | Meta Platforms Technologies, Llc | Digital pixel sensor having reduced quantization operation |
US12022218B2 (en) | 2020-12-29 | 2024-06-25 | Meta Platforms Technologies, Llc | Digital image sensor using a single-input comparator based quantizer |
WO2023243497A1 (en) * | 2022-06-15 | 2023-12-21 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Solid-state imaging element and imaging device |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3903361B2 (en) * | 1999-08-13 | 2007-04-11 | 日本放送協会 | Solid-state imaging device |
JP4053007B2 (en) * | 2004-01-09 | 2008-02-27 | シャープ株式会社 | Solid-state imaging device and signal readout method thereof |
JP2006148828A (en) * | 2004-11-25 | 2006-06-08 | Hitachi Ltd | Imaging element |
JP2008011242A (en) * | 2006-06-29 | 2008-01-17 | Sanyo Electric Co Ltd | Drive circuit |
JP5269456B2 (en) * | 2008-03-26 | 2013-08-21 | 株式会社東芝 | Image sensor and driving method thereof |
JP5521721B2 (en) * | 2009-08-28 | 2014-06-18 | ソニー株式会社 | Image sensor and camera system |
-
2013
- 2013-09-24 JP JP2013197318A patent/JP6237045B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2015065524A (en) | 2015-04-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6237045B2 (en) | Imaging device and imaging apparatus | |
JP6780745B2 (en) | Electronics | |
JP2023089131A (en) | Imaging element, and imaging device | |
CN104247400B (en) | Imaging element and imaging device | |
JP2014178603A (en) | Imaging device | |
JP7473041B2 (en) | Image pickup element and image pickup device | |
JP6702362B2 (en) | Imaging device and imaging device | |
JP2014179911A (en) | Image pickup device | |
JP6413233B2 (en) | Imaging device and imaging device | |
JP2015186171A (en) | Imaging apparatus, method for controlling the same, and control program | |
JP6705436B2 (en) | Imaging device and imaging device | |
JP2015033036A (en) | Imaging device, control method for imaging device, and control program | |
JP2014179778A (en) | Signal processing apparatus, imaging device, imaging apparatus, and electronic apparatus | |
JP2015138994A (en) | Electronic apparatus | |
JP2020127243A (en) | Imaging element and imaging apparatus | |
JP2014230242A (en) | Imaging device and imaging apparatus | |
JP6610648B2 (en) | Imaging device | |
JP6597769B2 (en) | Imaging device and imaging apparatus | |
US20230156367A1 (en) | Imaging element and imaging device | |
JP6954391B2 (en) | Electronics | |
WO2020241321A1 (en) | Imaging element and imaging device | |
JP6268782B2 (en) | Imaging device and imaging apparatus | |
JP2019083550A (en) | Electronic apparatus | |
JP2023010785A (en) | Imaging element and imaging device | |
JP2020120247A (en) | Imaging apparatus and control method of imaging apparatus |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20160823 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20170410 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20170509 |
|
A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20170710 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20170908 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20171003 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20171016 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6237045 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |