JP6778595B2 - Image sensor - Google Patents

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Description

本発明は撮像素子に関し、例えば、画素から得られた画素信号をデジタル値に変換して画素情報を出力する撮像素子に関する。 The present invention relates to an image sensor, for example, an image sensor that converts a pixel signal obtained from a pixel into a digital value and outputs pixel information.

近年、監視用途、計測用途において画像を撮影する撮像素子の利用が拡大している。この撮像素子の一例が特許文献1に開示されている。特許文献1に記載されている撮像素子は、撮像素子が、画素と、ランプ波形を有するランプ波電圧を生成するランプ波発生部と、ランプ波電圧を用いて、画素に入射する光の光量に対応する入力アナログ信号を出力デジタル信号に変換し、出力デジタル信号を出力するAD変換部とを具備する。 In recent years, the use of image sensors for capturing images has been expanding in surveillance applications and measurement applications. An example of this image sensor is disclosed in Patent Document 1. In the image pickup device described in Patent Document 1, the image pickup device uses a pixel, a lamp wave generator that generates a lamp wave voltage having a lamp waveform, and a lamp wave voltage to determine the amount of light incident on the pixel. It includes an AD conversion unit that converts the corresponding input analog signal into an output digital signal and outputs the output digital signal.

特開2013−175936号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-175936

撮像素子では、1画素毎にAD変換部によるアナログデジタル変換処理を行うことで、アナログ値として出力される画素信号を画素信号の電圧レベルに応じた値のデジタル値を生成する。しかしながら、近年、撮像素子においては、画素数の増加、或いは、フレームレートの向上が著しい。このような撮像素子の要求性能向上は、1画素分のデジタル値を出力するために許容できる時間に対する制限を大きくする。そのため、近年の撮像素子では、より短い時間で1画素分のデジタル値を出力することが求められている。 In the image sensor, analog-to-digital conversion processing is performed by the AD conversion unit for each pixel to generate a digital value of a pixel signal output as an analog value according to the voltage level of the pixel signal. However, in recent years, in the image pickup device, the number of pixels has increased or the frame rate has been remarkably improved. Such an improvement in the required performance of the image sensor increases the limit on the time allowed to output the digital value for one pixel. Therefore, recent image sensors are required to output a digital value for one pixel in a shorter time.

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 Other challenges and novel features will become apparent from the description and accompanying drawings herein.

一実施の形態によれば、撮像素子は、第1の垂直読み出し線に接続される第1の画素ユニットと、第2の垂直読み出し線に接続され、第1の画素ユニットと同一列に配置される第2の画素ユニットと、第1の読み出し線の一端に設けられる第1の転送スイッチと、第2の読み出し線の一端に設けられる第2の転送スイッチと、を有し、前記第1の転送スイッチが遮断状態に制御され、かつ、前記第2の転送スイッチが導通状態に制御された状態で、第1の画素ユニットと第2の画素ユニットの一方から出力されるダークレベル信号による垂直読み出し線のリセット処理と、第1の画素ユニットと第2の画素ユニットの他方から読み出されたダークレベル信号及び画素信号のデジタル値への変換処理と、を行う。 According to one embodiment, the image pickup element is connected to a first pixel unit connected to a first vertical read line and a second vertical read line, and is arranged in the same row as the first pixel unit. It has a second pixel unit, a first transfer switch provided at one end of the first read line, and a second transfer switch provided at one end of the second read line. Vertical readout by a dark level signal output from one of the first pixel unit and the second pixel unit while the transfer switch is controlled to the cutoff state and the second transfer switch is controlled to the conduction state. The line reset processing and the conversion processing of the dark level signal and the pixel signal read from the other of the first pixel unit and the second pixel unit into digital values are performed.

前記一実施の形態によれば、画素情報の読み出し処理を高速化することができる。 According to the above-described embodiment, the pixel information reading process can be speeded up.

実施の形態1にかかる撮像素子が適用されるカメラシステムのブロック図である。FIG. 5 is a block diagram of a camera system to which the image sensor according to the first embodiment is applied. 実施の形態1にかかる撮像素子のブロック図である。It is a block diagram of the image pickup device which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施の形態1にかかる撮像素子の垂直読み出し線、転送スイッチの構成を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the structure of the vertical read line of the image pickup device, and the transfer switch which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施の形態1にかかる撮像素子内の画素ユニットの回路図である。It is a circuit diagram of the pixel unit in the image pickup device which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施の形態1にかかる撮像素子のアナログデジタル変換回路の回路図である。It is a circuit diagram of the analog-to-digital conversion circuit of the image pickup device which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施の形態1にかかる撮像素子の第1の動作例を説明するタイミングチャートである。It is a timing chart explaining the 1st operation example of the image pickup device which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施の形態1にかかる撮像素子の第2の動作例を説明するタイミングチャートである。It is a timing chart explaining the 2nd operation example of the image pickup device which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施の形態1にかかる撮像素子の第3の動作例を説明するタイミングチャートである。It is a timing chart explaining the 3rd operation example of the image pickup device which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施の形態1にかかる撮像素子の第4の動作例を説明するタイミングチャートである。It is a timing chart explaining the 4th operation example of the image pickup device which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施の形態2にかかる撮像素子のブロック図である。It is a block diagram of the image pickup device which concerns on Embodiment 2. FIG. 実施の形態2にかかる撮像素子内の画素ユニットの回路図である。It is a circuit diagram of the pixel unit in the image pickup device which concerns on Embodiment 2. FIG. 実施の形態3にかかる撮像素子のブロック図である。It is a block diagram of the image pickup device which concerns on Embodiment 3. FIG. 実施の形態3にかかる撮像素子内の画素ユニットの回路図である。It is a circuit diagram of the pixel unit in the image pickup device which concerns on Embodiment 3. FIG. 実施の形態3にかかる撮像素子の動作例を説明するタイミングチャートである。It is a timing chart explaining the operation example of the image pickup device which concerns on Embodiment 3. FIG. 実施の形態4にかかる撮像素子のブロック図である。It is a block diagram of the image pickup device which concerns on Embodiment 4. FIG. 実施の形態4にかかる撮像素子の垂直読み出し線、転送スイッチの構成を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the structure of the vertical read line of the image pickup device, and the transfer switch which concerns on Embodiment 4. FIG. 実施の形態4にかかる撮像素子内の画素ユニットの回路図である。It is a circuit diagram of the pixel unit in the image pickup device which concerns on Embodiment 4. FIG. 実施の形態4にかかる撮像素子のフォトダイオードの構造を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the structure of the photodiode of the image pickup device which concerns on Embodiment 4. FIG. 実施の形態4にかかる撮像素子の動作例を説明するタイミングチャートである。It is a timing chart explaining the operation example of the image pickup device which concerns on Embodiment 4. FIG. 実施の形態4にかかる撮像素子における画像情報の出力処理を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the output processing of the image information in the image pickup device which concerns on Embodiment 4. 実施の形態4にかかる撮像素子における画像特徴情報の出力処理を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the output processing of the image feature information in the image pickup device which concerns on Embodiment 4. FIG. 実施の形態4にかかる撮像素子における位相差オートフォーカスの原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of the phase difference autofocus in the image pickup device which concerns on Embodiment 4. FIG. 実施の形態4にかかる撮像素子にかかる撮像素子においてフォーカスずれが生じている場合のフォトダイオードの出力を説明するグラフである。It is a graph explaining the output of the photodiode when the focus shift occurs in the image pickup device which concerns on the image pickup device which concerns on Embodiment 4. FIG. 実施の形態5にかかる撮像素子のブロック図である。It is a block diagram of the image pickup device which concerns on Embodiment 5. 実施の形態5にかかる撮像素子の画素アレイの回路構成を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the circuit structure of the pixel array of the image pickup device which concerns on Embodiment 5. FIG. 実施の形態5にかかる撮像素子内の画素ユニット及びフローティングディフュージョン共通切替回路の回路図である。FIG. 5 is a circuit diagram of a pixel unit and a floating diffusion common switching circuit in an image sensor according to a fifth embodiment. 実施の形態5にかかる撮像素子の第1の動作モード時の画素ユニットの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the pixel unit in the 1st operation mode of the image pickup element which concerns on Embodiment 5. FIG. 実施の形態5にかかる撮像素子の第2の動作モード時の画素ユニットの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the pixel unit in the 2nd operation mode of the image pickup element which concerns on Embodiment 5. FIG. 実施の形態5にかかる撮像素子の第2の動作モード時の動作例を説明するタイミングチャートである。It is a timing chart explaining the operation example in the 2nd operation mode of the image pickup device which concerns on Embodiment 5. FIG. 実施の形態5にかかる撮像素子の第1の動作モード時の読み出し動作の変形例を説明する図である。It is a figure explaining the modification of the reading operation in the 1st operation mode of the image pickup device which concerns on Embodiment 5. FIG.

実施の形態1
説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。また、様々な処理を行う機能ブロックとして図面に記載される各要素は、ハードウェア的には、CPU、メモリ、その他の回路で構成することができ、ソフトウェア的には、メモリにロードされたプログラムなどによって実現される。したがって、これらの機能ブロックがハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、又は、それらの組合せによっていろいろな形で実現できることは当業者には理解されるところであり、いずれかに限定されるものではない。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
Embodiment 1
In order to clarify the explanation, the following description and drawings have been omitted or simplified as appropriate. In addition, each element described in the drawing as a functional block that performs various processes can be composed of a CPU, a memory, and other circuits in terms of hardware, and a program loaded in the memory in terms of software. It is realized by such as. Therefore, it is understood by those skilled in the art that these functional blocks can be realized in various forms by hardware only, software only, or a combination thereof, and is not limited to any of them. In each drawing, the same elements are designated by the same reference numerals, and duplicate explanations are omitted as necessary.

また、上述したプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体(non-transitory computer readable medium)を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体(tangible storage medium)を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体(例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ)、光磁気記録媒体(例えば光磁気ディスク)、CD−ROM(Read Only Memory)CD−R、CD−R/W、半導体メモリ(例えば、マスクROM、PROM(Programmable ROM)、EPROM(Erasable PROM)、フラッシュROM、RAM(Random Access Memory))を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体(transitory computer readable medium)によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。 In addition, the programs described above can be stored and supplied to a computer using various types of non-transitory computer readable media. Non-transitory computer-readable media include various types of tangible storage media. Examples of non-temporary computer-readable media include magnetic recording media (eg, flexible disks, magnetic tapes, hard disk drives), magneto-optical recording media (eg, magneto-optical disks), CD-ROMs (Read Only Memory) CD-Rs, CDs. -R / W, including semiconductor memory (for example, mask ROM, PROM (Programmable ROM), EPROM (Erasable PROM), flash ROM, RAM (Random Access Memory)). The program may also be supplied to the computer by various types of transient computer readable media. Examples of temporary computer-readable media include electrical, optical, and electromagnetic waves. The temporary computer-readable medium can supply the program to the computer via a wired communication path such as an electric wire and an optical fiber, or a wireless communication path.

図1に実施の形態1にかかるカメラシステム1のブロック図を示す。図1に示すように、カメラシステム1は、ズームレンズ11、絞り機構12、固定レンズ13、フォーカスレンズ14、センサ15、ズームレンズアクチュエータ16、フォーカスレンズアクチュエータ17、信号処理回路18、システム制御MCU19、モニタ、記憶装置を有する。ここで、モニタ及び記憶装置は、カメラシステム1で撮影した画像を確認及び記憶するものであり、これらをカメラシステム1とは切り離した別のシステム上に設けても良い。 FIG. 1 shows a block diagram of the camera system 1 according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the camera system 1 includes a zoom lens 11, an aperture mechanism 12, a fixed lens 13, a focus lens 14, a sensor 15, a zoom lens actuator 16, a focus lens actuator 17, a signal processing circuit 18, and a system control MCU 19. It has a monitor and a storage device. Here, the monitor and the storage device confirm and store the images taken by the camera system 1, and these may be provided on another system separated from the camera system 1.

ズームレンズ11、絞り機構12、固定レンズ13及びフォーカスレンズ14は、カメラシステム1のレンズ群を構成する。ズームレンズ11は、ズームアクチュエータ16により位置の変更が行われる。フォーカスレンズ14は、フォーカスアクチュエータ17により位置の変更が行われる。そして、カメラシステム1では、各種アクチュエータによりレンズを移動させることでズーム倍率、フォーカスを変更し、かつ、絞り機構12を動作させることで入射光量を変更する。 The zoom lens 11, the aperture mechanism 12, the fixed lens 13, and the focus lens 14 form a lens group of the camera system 1. The position of the zoom lens 11 is changed by the zoom actuator 16. The position of the focus lens 14 is changed by the focus actuator 17. Then, in the camera system 1, the zoom magnification and the focus are changed by moving the lens by various actuators, and the incident light amount is changed by operating the aperture mechanism 12.

ズームアクチュエータ16は、システム制御MCU19が出力するズーム制御信号SZCに基づきズームレンズ11を移動させる。フォーカスアクチュエータ17は、システム制御MCU19が出力するフォーカス制御信号SFCに基づきフォーカスレンズ14を移動させる。絞り機構12は、システム制御MCU19が出力する絞り制御信号SDCにより絞り量を調節する。 The zoom actuator 16 moves the zoom lens 11 based on the zoom control signal SZC output by the system control MCU 19. The focus actuator 17 moves the focus lens 14 based on the focus control signal SFC output by the system control MCU 19. The aperture mechanism 12 adjusts the aperture amount by the aperture control signal SDC output by the system control MCU 19.

センサ15は、実施の形態1にかかる撮像素子に該当するものであり、例えば、フォトダイオード等の光電変換素子を有し、当該受光素子から得られた受光画素情報をデジタル値に変換して画素情報Doを出力する。また、センサ15は、センサ15が出力する画素情報Doを解析して画像情報Doの特徴を表す画像特徴情報DCIを出力する機能を追加することも出来る。この画像特徴情報DCIには、実施の形態4で説明するオートフォーカス処理において取得される2つの画像が含まれる。さらに、センサ15は、モジュール制御MCU18から与えられるセンサ制御信号SSCに基づき画素情報Doの画素毎のゲイン制御、画素情報Doの露光制御、及び、画素情報DoのHDR(High Dynamic Range)制御を行う。センサ15の詳細については後述する。 The sensor 15 corresponds to the image pickup device according to the first embodiment, and has, for example, a photoelectric conversion element such as a photodiode, and converts the light receiving pixel information obtained from the light receiving element into a digital value to obtain a pixel. Output information Do. Further, the sensor 15 can add a function of analyzing the pixel information Do output by the sensor 15 and outputting the image feature information DCI representing the feature of the image information Do. The image feature information DCI includes two images acquired in the autofocus process described in the fourth embodiment. Further, the sensor 15 performs gain control for each pixel of pixel information Do, exposure control of pixel information Do, and HDR (High Dynamic Range) control of pixel information Do based on the sensor control signal SSC given from the module control MCU 18. .. Details of the sensor 15 will be described later.

信号処理回路18は、センサ15から受信した画像情報Doに画像補正等の画像処理を施して画像データDimgを出力する。信号処理回路18は、受信した画素情報Doを解析して色空間情報DCDを出力する。色空間情報DCDには、例えば、画素情報Doの輝度情報、及び、色情報が含まれる。なお、画像特徴情報DCIをセンサ15が出力しない場合、信号処理回路18が画像特徴情報DCIを出力する。 The signal processing circuit 18 performs image processing such as image correction on the image information Do received from the sensor 15 and outputs the image data Dimg. The signal processing circuit 18 analyzes the received pixel information Do and outputs the color space information DCD. The color space information DCD includes, for example, the luminance information of the pixel information Do and the color information. When the sensor 15 does not output the image feature information DCI, the signal processing circuit 18 outputs the image feature information DCI.

システム制御MCU19は、信号処理回路18又はセンサ15から出力される画像特徴情報DCIに基づきレンズ群のフォーカスを制御する。より具体的には、システム制御MCU19は、フォーカス制御信号SFCをフォーカスアクチュエータ17に出力することでレンズ群のフォーカスを制御する。システム制御MCU19は、絞り制御信号SDCを絞り機構12に出力して絞り機構12の絞り量を調節する。さらに、システム制御MCU19は、外部から与えられるズーム指示に従ってズーム制御信号SZCを生成し、ズーム制御信号SZCをズームアクチュエータ16に出力することでレンズ群のズーム倍率を制御する。 The system control MCU 19 controls the focus of the lens group based on the image feature information DCI output from the signal processing circuit 18 or the sensor 15. More specifically, the system control MCU 19 controls the focus of the lens group by outputting the focus control signal SFC to the focus actuator 17. The system control MCU 19 outputs the aperture control signal SDC to the aperture mechanism 12 to adjust the aperture amount of the aperture mechanism 12. Further, the system control MCU 19 controls the zoom magnification of the lens group by generating a zoom control signal SZC according to a zoom instruction given from the outside and outputting the zoom control signal SZC to the zoom actuator 16.

より具体的には、ズームアクチュエータ16によりズームレンズ11を移動することでフォーカスがずれる。そこで、システム制御MCU19は、信号処理回路18又はセンサ15から得た画像特徴情報DCIに含まれる2つの画像に基づき2つの物体像間の位置的位相差を算出し、この位置的位相差に基づきレンズ群のデフォーカス量を算出する。システム制御MCU19は、このデフォーカス量に応じて自動的にフォーカスを合わせる。この処理がオートフォーカス制御である。 More specifically, the focus is shifted by moving the zoom lens 11 by the zoom actuator 16. Therefore, the system control MCU 19 calculates the positional phase difference between the two object images based on the two images included in the image feature information DCI obtained from the signal processing circuit 18 or the sensor 15, and based on this positional phase difference. Calculate the amount of defocus of the lens group. The system control MCU 19 automatically focuses according to this defocus amount. This process is autofocus control.

また、システム制御MCU19は、信号処理回路18が出力する色空間情報DCDに含まれる輝度情報に基づきセンサ15の露出設定を指示する露出制御値を算出して、信号処理回路18から出力される色空間情報DCDに含まれる輝度情報が露出制御値に近づくようにセンサ15の露光設定及びゲイン設定を制御する。このとき、システム制御MCU19は、露出を変更する際に絞り機構12の制御値を算出しても良い。 Further, the system control MCU 19 calculates an exposure control value for instructing the exposure setting of the sensor 15 based on the brightness information included in the color space information DCD output by the signal processing circuit 18, and the color output from the signal processing circuit 18. The exposure setting and gain setting of the sensor 15 are controlled so that the brightness information included in the spatial information DCD approaches the exposure control value. At this time, the system control MCU 19 may calculate the control value of the aperture mechanism 12 when changing the exposure.

また、システム制御MCU19は、ユーザーからの指示に基づき画像データDimgの輝度或いは色を調整する色空間制御信号SICを出力する。なお、システム制御MCU19は、信号処理回路18から取得した色空間情報DCDとユーザーから与えられた情報との差分に基づき色空間制御信号SICを生成する。 Further, the system control MCU 19 outputs a color space control signal SIC that adjusts the brightness or color of the image data Dimg based on an instruction from the user. The system control MCU 19 generates a color space control signal SIC based on the difference between the color space information DCD acquired from the signal processing circuit 18 and the information given by the user.

実施の形態1にかかるカメラシステム1では、センサ15の画素ユニットから画素信号を読み出す際に利用する回路と読み出し制御方法に特徴の1つを有する。また、上述した画素情報Doは、画素ユニットから読み出した画素信号に対してアナログデジタル変換処理を行ったデジタルデータである。そこで、以下では、センサ15についてより詳細に説明する。 The camera system 1 according to the first embodiment has one of features in a circuit used when reading a pixel signal from the pixel unit of the sensor 15 and a reading control method. Further, the pixel information Do described above is digital data obtained by performing analog-digital conversion processing on a pixel signal read from a pixel unit. Therefore, the sensor 15 will be described in more detail below.

図2に実施の形態1にかかるセンサ15のフロアレイアウトの一部の概略図を示す。図2では、センサ15のフロアレイアウトのうちロウコントローラ20、カラムコントローラ21、画素アレイ22のフロアレイアウトのみを示した。 FIG. 2 shows a schematic view of a part of the floor layout of the sensor 15 according to the first embodiment. FIG. 2 shows only the floor layout of the row controller 20, the column controller 21, and the pixel array 22 among the floor layouts of the sensor 15.

ロウコントローラ20は、格子状に配置された画素ユニット23の活性状態を行毎に制御する。カラムコントローラ21は、格子状に配置された画素ユニット23から読み出される画素信号を列毎に読み出す。カラムコントローラ21には、画素信号を読み出すためのスイッチ回路及び出力バッファが含まれる。また、カラムコントローラ21に含まれる回路はロウコントローラ20が出力する制御信号に基づき動作タイミングが制御される。つまり、実施の形態1にかかるセンサ15では、ロウコントローラ20をカラムコントローラ21のタイミング制御回路として用いる。 The row controller 20 controls the active state of the pixel units 23 arranged in a grid pattern for each row. The column controller 21 reads the pixel signals read from the pixel units 23 arranged in a grid pattern for each column. The column controller 21 includes a switch circuit for reading a pixel signal and an output buffer. Further, the operation timing of the circuit included in the column controller 21 is controlled based on the control signal output by the row controller 20. That is, in the sensor 15 according to the first embodiment, the row controller 20 is used as the timing control circuit of the column controller 21.

画素アレイ22には、画素ユニット23が格子状に配置される。図2に示す例では、各画素ユニット23は、列方向に1個以上の光電変換素子(例えば、フォトダイオードPD)からなるフォトダイオード群を含む。より具体的には、各画素ユニット23は、4つのフォトダイオード(例えば、フォトダイオードPD0〜PD3)により構成される。また、フォトダイオードには、それぞれカラーフィルタが設けられている。図2に示す例では、ベイヤー方式のカラーフィルタの配列を採用する。ベイヤー方式では、輝度信号に寄与する割合の大きい緑色(G)のカラーフィルタが市松状に配置され、残りの部分に赤色(R)及び青色(B)のカラーフィルタが市松状に配置される。別の観点では、カラーフィルタは、複数の画素のうち上下左右方向に隣り合う画素において互いに異なる色を透過するように配置されるとも言える。そして、画素アレイ22は、上記の画素ユニットを単位として動作するため、以下で各画素ユニットの構成及び動作について説明する。 Pixel units 23 are arranged in a grid pattern on the pixel array 22. In the example shown in FIG. 2, each pixel unit 23 includes a photodiode group including one or more photoelectric conversion elements (for example, photodiode PD) in the column direction. More specifically, each pixel unit 23 is composed of four photodiodes (for example, photodiodes PD0 to PD3). Further, each photodiode is provided with a color filter. In the example shown in FIG. 2, an array of Bayer color filters is adopted. In the Bayer method, green (G) color filters having a large proportion of contributing to the luminance signal are arranged in a checkered pattern, and red (R) and blue (B) color filters are arranged in a checkered pattern in the remaining portion. From another point of view, it can be said that the color filter is arranged so as to transmit different colors in the pixels adjacent to each other in the vertical and horizontal directions among the plurality of pixels. Since the pixel array 22 operates in units of the above pixel units, the configuration and operation of each pixel unit will be described below.

図3に実施の形態1にかかるセンサ15の垂直読み出し線、転送スイッチの構成を説明するブロック図を示す。また、図3では、垂直読み出し線及び転送スイッチの構成をより明確に説明するために画素ユニット23及びカラムコントローラ21に含まれるアナログデジタル変換回路24を示した。また、図3では、2行2列分の画素ユニット及びカラムコントローラ21内の回路のみを示した。また、図3以降の図面では、画素ユニットが配置される行の番号を<>内に示し、列の番号を[]内に示す。 FIG. 3 shows a block diagram illustrating a configuration of a vertical read line and a transfer switch of the sensor 15 according to the first embodiment. Further, in FIG. 3, an analog-to-digital conversion circuit 24 included in the pixel unit 23 and the column controller 21 is shown in order to more clearly explain the configuration of the vertical read line and the transfer switch. Further, in FIG. 3, only the pixels unit for 2 rows and 2 columns and the circuit in the column controller 21 are shown. Further, in the drawings after FIG. 3, the row number in which the pixel unit is arranged is shown in <>, and the column number is shown in [].

図3に示すように、実施の形態1にかかるセンサ15は、1列に配置された画素ユニットに対して第1の垂直読み出し線(例えば、垂直読み出し線PIXOUT_L)と、第2の垂直読み出し線(例えば、垂直読み出し線PIXOUT_R)と、が設けられる。垂直読み出し線PIXOUT_Lには、第1の画素ユニット(例えば、偶数行目(0行目、2行目、・・・)の画素ユニット)が接続される。垂直読み出し線PIXOUT_Rには、第2の画素ユニット(例えば、奇数行目(1列目、3行目、・・・)の画素ユニット)が接続される。 As shown in FIG. 3, the sensor 15 according to the first embodiment has a first vertical read line (for example, vertical read line PIXOUT_L) and a second vertical read line with respect to the pixel units arranged in one row. (For example, the vertical readout line PIXOUT_R) is provided. A first pixel unit (for example, a pixel unit of even-numbered rows (0th row, 2nd row, ...)) Is connected to the vertical readout line PIXOUT_L. A second pixel unit (for example, a pixel unit in the odd-numbered rows (first column, third row, ...)) Is connected to the vertical readout line PIXOUT_R.

カラムコントローラ21には、列毎に、第1の画素電流源(例えば、画素電流源Ipx_L)、第2の画素電流源(画素電流源Ipx_R)、第1の転送スイッチ(例えば、転送スイッチ25)、第2の転送スイッチ(例えば、転送スイッチ26)、アナログデジタル変換回路24を有する。 The column controller 21 has a first pixel current source (for example, pixel current source Ipx_L), a second pixel current source (pixel current source Ipx_R), and a first transfer switch (for example, transfer switch 25) for each column. , A second transfer switch (eg, transfer switch 26), analog-digital conversion circuit 24.

画素電流源Ipx_Lは、垂直読み出し線PIXOUT_Lに対応して設けられ、垂直読み出し線PIXOUT_Lから電流を引き抜く。画素電流源Ipx_Rは、垂直読み出し線PIXOUT_Rに対応して設けられ、垂直読み出し線PIXOUT_Rから電流を引き抜く。転送スイッチ25は、垂直読み出し線PIXOUT_Lの一端に設けられる。転送スイッチ25は、ロウコントローラ20から出力される読み出し線選択信号LINE_SEL_Lに基づき開閉状態が制御される。転送スイッチ26は、垂直読み出し線PIXOUT_Rの一端に設けられる。転送スイッチ26は、読み出し線選択信号LINE_SEL_Lに基づき開閉状態が制御される。 The pixel current source Ipx_L is provided corresponding to the vertical readout line PIXOUT_L, and draws a current from the vertical readout line PIXOUT_L. The pixel current source Ipx_R is provided corresponding to the vertical readout line PIXOUT_R, and draws a current from the vertical readout line PIXOUT_R. The transfer switch 25 is provided at one end of the vertical read line PIXOUT_L. The open / closed state of the transfer switch 25 is controlled based on the read line selection signal LINE_SEL_L output from the row controller 20. The transfer switch 26 is provided at one end of the vertical read line PIXOUT_R. The open / closed state of the transfer switch 26 is controlled based on the read line selection signal LINE_SEL_L.

なお、図3では、画素電流源を画素ユニットと画素スイッチの間の垂直読み出し線に設けたが、画素電流源を転送スイッチからアナログデジタル変換回路に至る経路に設けることも考えられる。しかしながら、画素電流源を転送スイッチからアナログデジタル変換回路に至る経路に設けた場合、画素ユニット内の選択トランジスタが遮断状態、かつ、転送スイッチが開状態となっている期間に垂直読み出し線の電位が不安定になり後述する垂直読み出し線へのダークレベルの設定に時間がかかる場合がある。そのため、画素電流源は、画素ユニットと画素スイッチの間の垂直読み出し線に設けることが好ましい。 In FIG. 3, the pixel current source is provided on the vertical readout line between the pixel unit and the pixel switch, but it is also conceivable to provide the pixel current source on the path from the transfer switch to the analog-to-digital conversion circuit. However, when the pixel current source is provided in the path from the transfer switch to the analog-to-digital conversion circuit, the potential of the vertical readout line becomes high during the period when the selection transistor in the pixel unit is in the cutoff state and the transfer switch is in the open state. It may become unstable and it may take time to set the dark level for the vertical readout line described later. Therefore, the pixel current source is preferably provided on the vertical readout line between the pixel unit and the pixel switch.

アナログデジタル変換回路24は、転送スイッチ25及び転送スイッチ26を介して入力される信号の信号レベルに応じたデジタル値を出力する。つまり、アナログデジタル変換回路24は、一組の垂直読み出し線PIXOUT_L、PIXOUT_Rに対して1つ設けられる。 The analog-to-digital conversion circuit 24 outputs a digital value according to the signal level of the signal input via the transfer switch 25 and the transfer switch 26. That is, one analog-to-digital conversion circuit 24 is provided for a set of vertical read lines PIXOUT_L and PIXOUT_R.

また、図3では、画素電流源に対して並列接続される負荷抵抗Ri(図3中のRi_R、Ri_R)、垂直読み出し線の寄生抵抗Rwire(図3中のRwire_L、Rwire_L)、垂直読み出し線の寄生容量Cline(Cline_L、Cline_R)を示した。 Further, in FIG. 3, the load resistance Ri (Ri_R, Ri_R in FIG. 3) connected in parallel with the pixel current source, the parasitic resistance Rware of the vertical readout line (Rwire_L, Rwire_L in FIG. The parasitic capacitance Cline (Cline_L, Cline_R) is shown.

続いて、実施の形態1にかかるセンサ15の画素ユニット23について説明する。図4に実施の形態1にかかる撮像素子内の画素ユニットの回路図を示す。画素アレイ22内に配置される画素ユニット23は、対応する行が異なるのみで、回路としては同じ回路が用いられる。そこで、0行目に配置される画素ユニットを例に画素ユニット23の回路について説明する。 Subsequently, the pixel unit 23 of the sensor 15 according to the first embodiment will be described. FIG. 4 shows a circuit diagram of a pixel unit in the image sensor according to the first embodiment. The pixel units 23 arranged in the pixel array 22 differ only in the corresponding rows, and the same circuit is used as the circuit. Therefore, the circuit of the pixel unit 23 will be described by taking the pixel unit arranged on the 0th line as an example.

図4に示すように、画素ユニット23は、光電変換素子(例えば、フォトダイオードPD0〜PD3)、転送トランジスタ310〜313、リセットトランジスタ32、増幅トランジスタ33、選択トランジスタ34を有する。なお、転送トランジスタ310〜313、リセットトランジスタ32、増幅トランジスタ33、選択トランジスタ34は、NMOSトランジスタである。 As shown in FIG. 4, the pixel unit 23 includes a photoelectric conversion element (for example, photodiodes PD0 to PD3), transfer transistors 310 to 313, a reset transistor 32, an amplification transistor 33, and a selection transistor 34. The transfer transistor 310 to 313, the reset transistor 32, the amplification transistor 33, and the selection transistor 34 are NMOS transistors.

転送トランジスタ310〜313は、フォトダイオードPD0〜PD3に対応した設けられるトランジスタである。転送トランジスタ310〜313は転送制御信号TX0〜TX3により開閉状態が制御されるスイッチとして機能する。転送トランジスタ310〜313は、導通した状態(スイッチの閉状態)となることで、フローティングディフュージョンFDに対応するフォトダイオードに蓄積された電荷を転送する。詳しくは後述するが、実施の形態1にかかるセンサ15では、フォトダイオード毎にフローティングディフュージョンFDに電荷の転送を行うことで画素信号を読み出す制御を行う。 The transfer transistors 310 to 313 are transistors provided corresponding to the photodiodes PD0 to PD3. The transfer transistors 310 to 313 function as switches whose open / closed state is controlled by the transfer control signals TX0 to TX3. The transfer transistors 310 to 313 are in a conductive state (switch closed state) to transfer the electric charge accumulated in the photodiode corresponding to the floating diffusion FD. Although details will be described later, the sensor 15 according to the first embodiment controls to read out a pixel signal by transferring an electric charge to the floating diffusion FD for each photodiode.

リセットトランジスタ32は、電源配線VDD_PXとフローティングディフュージョンFDとの間に設けられる。リセットトランジスタ32はリセット制御信号RSTにより開閉状態が制御されるスイッチである。実施の形態1にかかるセンサ15では、リセットトランジスタ32を導通した状態とすることで、フローティングディフュージョンFDの電位をリセットレベルとする。 The reset transistor 32 is provided between the power supply wiring VDD_PX and the floating diffusion FD. The reset transistor 32 is a switch whose open / closed state is controlled by the reset control signal RST. In the sensor 15 according to the first embodiment, the potential of the floating diffusion FD is set to the reset level by making the reset transistor 32 conductive.

増幅トランジスタ33は、ゲートにフローティングディフュージョンFDが接続され、ドレインが電源配線VDD_PXに接続される。増幅トランジスタ33のソースは、選択トランジスタ34のドレインに接続される。選択トランジスタ34は、ゲートに選択信号SELが入力され、ソースが垂直読み出し線PIXOUT_Lに接続される。増幅トランジスタ33は、フローティングディフュージョンFDの電圧レベルに応じた画素信号を生成する。選択トランジスタ34は選択信号SELにより開閉状態が制御されるスイッチである。実施の形態1にかかるセンサ15では選択トランジスタ34を導通した状態とすることで、増幅トランジスタ33が生成した画素信号を垂直読み出し線PIXOUT_Lに出力する。 In the amplification transistor 33, a floating diffusion FD is connected to the gate, and the drain is connected to the power supply wiring VDD_PX. The source of the amplification transistor 33 is connected to the drain of the selection transistor 34. A selection signal SEL is input to the gate of the selection transistor 34, and the source is connected to the vertical read line PIXOUT_L. The amplification transistor 33 generates a pixel signal according to the voltage level of the floating diffusion FD. The selection transistor 34 is a switch whose open / closed state is controlled by the selection signal SEL. In the sensor 15 according to the first embodiment, the selection transistor 34 is made conductive, so that the pixel signal generated by the amplification transistor 33 is output to the vertical readout line PIXOUT_L.

続いて、実施の形態1にかかるセンサ15のアナログデジタル変換回路24について説明する。実施の形態1にかかるアナログデジタル変換回路24は、転送スイッチ25と転送スイッチ26とに対して共通に設けられる入力端子を有し、転送スイッチ25を介して入力されるダークレベル信号のデジタル値への変換及び画素信号のデジタル値への変換と、転送スイッチ26を介して入力されるダークレベル信号のデジタル値への変換及び画素信号のデジタル値への変換と、を交互に実施する。つまり、アナログデジタル変換回路24は、入力される信号を入力された順に1つずつデジタル値に変換する。 Subsequently, the analog-to-digital conversion circuit 24 of the sensor 15 according to the first embodiment will be described. The analog-to-digital conversion circuit 24 according to the first embodiment has an input terminal commonly provided for the transfer switch 25 and the transfer switch 26, and converts the dark level signal to the digital value input via the transfer switch 25. The conversion of the pixel signal to the digital value, the conversion of the dark level signal input via the transfer switch 26 to the digital value, and the conversion of the pixel signal to the digital value are alternately performed. That is, the analog-to-digital conversion circuit 24 converts the input signals into digital values one by one in the order of input.

ここで、図5に実施の形態1にかかるセンサ15のアナログデジタル変換回路24の回路図を示す。図5では、アナログデジタル変換回路24の構成要素を説明するために、ロウコントローラ20を示した。アナログデジタル変換回路24は、ロウコントローラ20に含まれる参照電圧生成回路41、制御信号生成回路42、ランプ信号生成回路43から各種制御信号及び動作に用いる電圧を受け取って動作する。また、アナログデジタル変換回路24は、プログラマブルゲインアンプ(以下、PGAと称す)として機能する増幅器OPと、アナログデジタル変換器として動作するコンパレータCMPを有する。 Here, FIG. 5 shows a circuit diagram of the analog-to-digital conversion circuit 24 of the sensor 15 according to the first embodiment. In FIG. 5, a row controller 20 is shown for explaining the components of the analog-to-digital conversion circuit 24. The analog-to-digital conversion circuit 24 operates by receiving various control signals and voltages used for operation from the reference voltage generation circuit 41, the control signal generation circuit 42, and the lamp signal generation circuit 43 included in the row controller 20. Further, the analog-to-digital conversion circuit 24 has an amplifier OP that functions as a programmable gain amplifier (hereinafter referred to as PGA) and a comparator CMP that operates as an analog-digital converter.

図5に示すように、アナログデジタル変換回路24は、増幅器OP、比較器CMP、コンデンサC1〜C4、スイッチSW1、SW2を有する。増幅器OPは、反転入力端子にコンデンサC1を介して画素信号が入力される。増幅器OPの出力端子と反転入力端子との間にはコンデンサC2が設けられる。そして、増幅器OPの正転入力端子には、参照電圧生成回路41からPGA参照電圧が与えられる。コンデンサC1は、制御信号生成回路42が出力するPGAゲイン設定信号により容量値が決定される可変容量である。ここで、増幅器OP、コンデンサC1、C2は、プログラマブルゲインアンプとして機能する。このプログラマブルゲインアンプは、PGAゲイン設定信号によりコンデンサC1とコンデンサC2との容量比を変化させることで、画素信号の増幅率を可変する。 As shown in FIG. 5, the analog-to-digital conversion circuit 24 includes an amplifier OP, a comparator CMP, capacitors C1 to C4, switches SW1 and SW2. In the amplifier OP, a pixel signal is input to the inverting input terminal via the capacitor C1. A capacitor C2 is provided between the output terminal of the amplifier OP and the inverting input terminal. Then, a PGA reference voltage is applied to the forward rotation input terminal of the amplifier OP from the reference voltage generation circuit 41. The capacitor C1 is a variable capacitance whose capacitance value is determined by the PGA gain setting signal output by the control signal generation circuit 42. Here, the amplifier OP and the capacitors C1 and C2 function as programmable gain amplifiers. This programmable gain amplifier changes the amplification factor of the pixel signal by changing the capacitance ratio between the capacitor C1 and the capacitor C2 according to the PGA gain setting signal.

比較器CMPは、反転入力端子と接地配線との間にコンデンサC4が接続され、正転入力端子がスイッチSW1を介して増幅器OPの出力端子と接続される。比較器CMPの正転入力端子にはコンデンサC3の一端が接続される。コンデンサC3の他端にはランプ信号生成回路43からランプ信号が入力される。また、比較器CMPの反転入力端子と出力端子との間にはスイッチSW2が接続される。スイッチSW1は、制御信号生成回路42が出力するADCサンプリングパルス信号により開閉状態が制御される。スイッチSW2は、制御信号生成回路42が出力するADCオートゼロパルス信号により開閉状態が制御される。また、アナログデジタル変換器11は、比較器CMPの出力値に応じて基準クロックをカウントするカウンタを有する。この基準クロックは図示を省略した発振回路等が出力するものである。アナログデジタル変換回路24は、ランプ信号の信号レベルと画素信号の信号レベルとの大小関係が反転したことに応じてカウンタのカウント動作を停止して、停止時点でカウンタが出力するカウント値をデジタル値として出力する。 In the comparator CMP, a capacitor C4 is connected between the inverting input terminal and the ground wiring, and the forward rotation input terminal is connected to the output terminal of the amplifier OP via the switch SW1. One end of the capacitor C3 is connected to the forward rotation input terminal of the comparator CMP. A lamp signal is input from the lamp signal generation circuit 43 to the other end of the capacitor C3. Further, a switch SW2 is connected between the inverting input terminal and the output terminal of the comparator CMP. The open / closed state of the switch SW1 is controlled by the ADC sampling pulse signal output from the control signal generation circuit 42. The open / closed state of the switch SW2 is controlled by the ADC auto zero pulse signal output by the control signal generation circuit 42. Further, the analog-to-digital converter 11 has a counter that counts the reference clock according to the output value of the comparator CMP. This reference clock is output by an oscillator circuit or the like (not shown). The analog-to-digital conversion circuit 24 stops the counting operation of the counter according to the inversion of the magnitude relationship between the signal level of the lamp signal and the signal level of the pixel signal, and digitally sets the count value output by the counter at the time of stopping. Is output as.

ここで、比較器CMP、コンデンサC3、C4は、シングルスロープ積分型AD変換回路として機能する。シングルスロープ積分型AD変換回路は、比較器CMPの出力値をカウントするカウンタのカウント値と相関を有するランプ信号を参照基準電圧とする。そしてシングルスロープ積分型AD変換回路は、ランプ信号を比較器CMPに入力し、変換対象のアナログ信号とこのランプ信号とを比較し、両者が一致した時点でのカウント値を保持し、これをAD変換結果として出力する。なお、図5に示す例では、コンデンサC3、C4にプログラマブルゲインアンプ側から入力される画素信号のアナログレベルを保持する。そして、実施の形態1にかかるシングルスロープ積分型AD変換回路では、コンデンサC3の他端に与えたランプ信号の電圧レベルを変化させながら2つのコンデンサに蓄積された電荷により生じた電圧の比較を行う。 Here, the comparator CMP and the capacitors C3 and C4 function as a single slope integral type AD conversion circuit. The single slope integral type AD conversion circuit uses a lamp signal having a correlation with the count value of the counter that counts the output value of the comparator CMP as a reference reference voltage. Then, the single slope integral type AD conversion circuit inputs the lamp signal to the comparator CMP, compares the analog signal to be converted with this lamp signal, holds the count value at the time when both match, and AD. Output as a conversion result. In the example shown in FIG. 5, the analog level of the pixel signal input from the programmable gain amplifier side is held in the capacitors C3 and C4. Then, in the single-slope integral type AD conversion circuit according to the first embodiment, the voltage generated by the charges accumulated in the two capacitors is compared while changing the voltage level of the lamp signal given to the other end of the capacitor C3. ..

続いて、実施の形態1にかかるセンサ15の動作について説明する。実施の形態1にかかるセンサ15では、奇数行目の画素ユニット23と偶数行目の画素ユニット23とを対となる2本の垂直読み出し線のうち異なる垂直読み出し線に接続し、2本の垂直読み出し線の一端に設けた転送スイッチをオン(閉状態)する。これにより、実施の形態1にかかるセンサ15は、画素ユニット23から読み出した画素信号の変換処理と、垂直読み出し線をダークレベルとするリセット処理と、を並列して行う。 Subsequently, the operation of the sensor 15 according to the first embodiment will be described. In the sensor 15 according to the first embodiment, the pixel unit 23 in the odd-numbered rows and the pixel unit 23 in the even-numbered rows are connected to different vertical readout lines among the two vertical readout lines in a pair, and the two vertical readout lines are connected. Turn on (closed) the transfer switch provided at one end of the readout line. As a result, the sensor 15 according to the first embodiment performs the conversion process of the pixel signal read from the pixel unit 23 and the reset process of setting the vertical read line to the dark level in parallel.

そこで、図6に実施の形態1にかかるセンサ15の第1の動作例を説明するタイミングチャートを示す。なお、図6に示す各動作の切り替えタイミング及び各処理毎の回路状態はタイミング制御回路として機能するロウコントローラ20により制御されるものとする。 Therefore, FIG. 6 shows a timing chart for explaining the first operation example of the sensor 15 according to the first embodiment. It is assumed that the switching timing of each operation and the circuit state for each process shown in FIG. 6 are controlled by the row controller 20 that functions as a timing control circuit.

図6に示すように、実施の形態1にかかるセンサ15では、0行目の画素ユニット23から画素信号の読み出し処理と、1行目の画素ユニット23からの画素信号の読み出しを交互に行う。 As shown in FIG. 6, in the sensor 15 according to the first embodiment, the pixel signal reading process from the pixel unit 23 in the 0th row and the pixel signal reading from the pixel unit 23 in the 1st row are alternately performed.

図6に示す例では、タイミングTB0〜TB10間での期間は読み出し線選択信号LINE_SEL_L、LINE_SEL_Rをいずれもロウレベルとする。そして、タイミングTB0〜TB1の期間においてリセット制御信号RST<0>及び選択信号SEL<0>を立ち上げる。これにより、0行目の画素ユニット23内のフローティングディフュージョンFDをダークレベルにリセットする(図中のRST)。続いて、タイミングTB1において、リセット制御信号RST<0>をハイレベルからロウレベルに切り替えてフローティングディフュージョンFDのリセットを終了する。その後のタイミングTB1からTB10の期間は、選択信号SEL<0>をハイレベルに維持して、フローティングディフュージョンFDのダークレベルに基づき、垂直読み出し線PIXOUT_Lにダークレベルを読み出す(図6中のLINE DARK)。垂直読み出し線PIXOUT_Lのリセット処理は、タイミングTB0から開始されるが、垂直読み出し線PIXOUT_Lは、フローティングディフュージョンFDに比べて容量が大きいため、フローティングディフュージョンFDよりもリセットに時間がかかるためである。 In the example shown in FIG. 6, the read line selection signals LINE_SEL_L and LINE_SEL_R are both set to low levels during the period between timings TB0 to TB10. Then, the reset control signal RST <0> and the selection signal SEL <0> are activated during the period of timings TB0 to TB1. As a result, the floating diffusion FD in the pixel unit 23 on the 0th row is reset to the dark level (RST in the figure). Subsequently, at the timing TB1, the reset control signal RST <0> is switched from the high level to the low level to end the reset of the floating diffusion FD. During the subsequent period from timing TB1 to TB10, the selection signal SEL <0> is maintained at a high level, and the dark level is read out to the vertical read line PIXOUT_L based on the dark level of the floating diffusion FD (LINE DARK in FIG. 6). .. The reset process of the vertical read line PIXOUT_L is started from the timing TB0, but the vertical read line PIXOUT_L has a larger capacitance than the floating diffusion FD, and therefore takes longer to reset than the floating diffusion FD.

続いて、タイミングTB10からタイミングTB11にかけて読み出し線選択信号LINE_SEL_Lをロウレベルからハイレベルに切り替える。このとき、読み出し線選択信号LINE_SEL_Rはロウレベルを維持する。これにより転送スイッチ25がオン状態となり、転送スイッチ26はオフ状態を維持する。ここで、転送スイッチ25がオフ状態からオン状態に切り替える際に転送スイッチ25を構成するトランジスタのゲートの電圧変化に伴う読み出し線選択信号LINE_SEL_L及び転送スイッチ25とアナログデジタル変換回路24とを接続する配線にノイズが発生するインジェクションが生じる。そのため、このインジェクションによるノイズが収束した後からセンサ15は、アナログデジタル変換処理を開始する。このインジェクションは、転送スイッチ25、26をオン状態からオフ状態に切り替える際、及びオフ状態からオン状態に切り替える際に発生する。そのため、センサ15では、タイミングTB11以降の動作においてもこのインジェクション期間にアナログデジタル変換処理を行わないように動作タイミングが制御される。 Subsequently, the read line selection signal LINE_SEL_L is switched from the low level to the high level from the timing TB10 to the timing TB11. At this time, the read line selection signal LINE_SEL_R maintains a low level. As a result, the transfer switch 25 is turned on, and the transfer switch 26 is maintained in the off state. Here, when the transfer switch 25 is switched from the off state to the on state, the read line selection signal LINE_SEL_L accompanying the voltage change of the gate of the transistor constituting the transfer switch 25 and the wiring connecting the transfer switch 25 and the analog-digital conversion circuit 24. There is an injection that causes noise in the switch. Therefore, the sensor 15 starts the analog-to-digital conversion process after the noise due to the injection has converged. This injection occurs when the transfer switches 25 and 26 are switched from the on state to the off state and when the transfer switches 25 and 26 are switched from the off state to the on state. Therefore, in the sensor 15, the operation timing is controlled so that the analog-to-digital conversion process is not performed during the injection period even in the operation after the timing TB11.

そして、タイミングTB11からタイミングTB12の期間に垂直読み出し線PIXOUT_Lからアナログデジタル変換回路24にダークレベルを転送する(図6中のADC DARK)。その後、タイミングTB12からタイミングTB13の期間に転送制御信号TX0<0>をハイレベルとしてフォトダイオードPD0で発生した電荷を0行目の画素ユニット23のフローティングディフュージョンFDに転送する(図6中のTX)。続いて、タイミングTB13からタイミングTB20の期間に、0行目の画素ユニット23のフローティングディフュージョンFDの読み出した電荷に基づき生成される画素信号を垂直読み出し線PIXOUT及びアナログデジタル変換回路24に転送する(図6中のSIG)。 Then, the dark level is transferred from the vertical readout line PIXOUT_L to the analog-digital conversion circuit 24 during the period from the timing TB11 to the timing TB12 (ADC DARK in FIG. 6). After that, the charge generated by the photodiode PD0 is transferred to the floating diffusion FD of the pixel unit 23 on the 0th line with the transfer control signal TX0 <0> as the high level during the period from the timing TB12 to the timing TB13 (TX in FIG. 6). .. Subsequently, during the period from the timing TB13 to the timing TB20, the pixel signal generated based on the charge read by the floating diffusion FD of the pixel unit 23 on the 0th line is transferred to the vertical read line PIXOUT and the analog-to-digital conversion circuit 24 (FIG. SIG in 6).

センサ15では、1つの画素信号の出力に要する時間を1H時間と称す。図6に示す例では1H時間は、タイミングTB10からタイミングTB20の間の時間である。また、タイミングTB20からタイミングTB30、タイミングTB30からタイミングTB40、タイミングTB40からタイミングTB50の時間は、タイミングTB10からタイミングTB20と同じ時間となる。 In the sensor 15, the time required to output one pixel signal is referred to as 1H time. In the example shown in FIG. 6, 1H time is the time between the timing TB10 and the timing TB20. The time from timing TB20 to timing TB30, from timing TB30 to timing TB40, and from timing TB40 to timing TB50 is the same as the time from timing TB10 to timing TB20.

また、実施の形態1にかかるセンサ15では、ダークレベルと画素信号との差分を画素信号の値として最終的な画素情報Doを生成する。これにより、実施の形態1にかかるセンサ15では、ダークレベルの信号に重畳されるノイズを除去したノイズレベルの小さい画素情報Doを出力する。 Further, in the sensor 15 according to the first embodiment, the final pixel information Do is generated by using the difference between the dark level and the pixel signal as the value of the pixel signal. As a result, the sensor 15 according to the first embodiment outputs pixel information Do having a small noise level by removing noise superimposed on the dark level signal.

また、実施の形態1にかかるセンサ15では、タイミングTB10からタイミングTB20の期間において、オフ状態とされる転送スイッチ26に対応する垂直読み出し線PIXOUT_Rのリセット動作を行う。具体的には、タイミングTB10からタイミングTB11のインジェクション期間にリセット制御信号RST<1>及び選択信号SEL<1>をロウレベルからハイレベルに切り替えることで、1行目の画素ユニット23のフローティングディフュージョンFDをダークレベルとする。また、タイミングTB12からタイミングTB20の期間に、1行目の画素ユニット23内のダークレベルを垂直読み出し線PIXOUT_Rに読み出す。 Further, the sensor 15 according to the first embodiment resets the vertical read line PIXOUT_R corresponding to the transfer switch 26 which is turned off during the period from the timing TB10 to the timing TB20. Specifically, by switching the reset control signal RST <1> and the selection signal SEL <1> from the low level to the high level during the injection period from the timing TB10 to the timing TB11, the floating diffusion FD of the pixel unit 23 on the first line is set. Set to dark level. Further, during the period from the timing TB12 to the timing TB20, the dark level in the pixel unit 23 on the first line is read out to the vertical read line PIXOUT_R.

続いて、タイミングTB20からタイミングTB30の期間は、画素信号の読み出しを行う垂直読み出し線と、リセット処理を行う垂直読み出し線とをタイミングTB10からタイミングTB20とは入れ替えて、タイミングTB10からタイミングTB20の処理を行う。具体的には、転送スイッチ25をオフ状態、かつ、転送スイッチ26をオン状態として、垂直読み出し線PIXOUT_Rに読み出されたダークレベルのアナログデジタル変換回路24への転送と、1行目の画素ユニット23内でのフォトダイオードPD0からフローティングディフュージョンFDへの電荷の転送と、垂直読み出し線PIXOUT_R及びアナログデジタル変換回路24への画素信号の読み出しを行う。また、0行目の画素ユニット23においては、0行目の画素ユニット23内のフローティングディフュージョンFDをダークレベルとするリセット処理及び垂直読み出し線PIXOUT_Lへのダークレベルの読み出しを行う。 Subsequently, during the period from the timing TB20 to the timing TB30, the vertical read line for reading the pixel signal and the vertical read line for resetting are replaced with the timing TB20 from the timing TB10, and the processing from the timing TB10 to the timing TB20 is performed. Do. Specifically, with the transfer switch 25 in the off state and the transfer switch 26 in the on state, the transfer to the dark level analog-to-digital conversion circuit 24 read by the vertical read line PIXOUT_R and the pixel unit in the first line. The electric charge is transferred from the photodiode PD0 to the floating diffusion FD in 23, and the pixel signal is read out to the vertical read line PIXOUT_R and the analog-to-digital conversion circuit 24. Further, in the pixel unit 23 on the 0th row, a reset process in which the floating diffusion FD in the pixel unit 23 on the 0th row is set to a dark level and a dark level read to the vertical read line PIXOUT_L are performed.

続いて、タイミングTB30からタイミングTB40の期間は、画素信号の読み出しを行う垂直読み出し線と、リセット処理を行う垂直読み出し線とをタイミングTB20からタイミングTB30とは入れ替えて、タイミングTB20からタイミングTB30の処理を行う。具体的には、転送スイッチ25をオン状態、かつ、転送スイッチ26をオフ状態として、垂直読み出し線PIXOUT_Lに読み出されたダークレベルのアナログデジタル変換回路24への転送と、0行目の画素ユニット23内でのフォトダイオードPD1からフローティングディフュージョンFDへの電荷の転送と、垂直読み出し線PIXOUT_R及びアナログデジタル変換回路24への画素信号の読み出しを行う。また、1行目の画素ユニット23においては、1行目の画素ユニット23内のフローティングディフュージョンFDをダークレベルとするリセット処理及び垂直読み出し線PIXOUT_Rへのダークレベルの読み出しを行う。 Subsequently, during the period from the timing TB30 to the timing TB40, the vertical read line for reading the pixel signal and the vertical read line for performing the reset process are replaced with the timing TB20 to the timing TB30, and the processing from the timing TB20 to the timing TB30 is performed. Do. Specifically, with the transfer switch 25 in the on state and the transfer switch 26 in the off state, transfer to the dark level analog-to-digital conversion circuit 24 read by the vertical read line PIXOUT_L, and the pixel unit on the 0th line. The electric charge is transferred from the photodiode PD1 to the floating diffusion FD in 23, and the pixel signal is read out to the vertical read line PIXOUT_R and the analog-to-digital conversion circuit 24. Further, in the pixel unit 23 of the first row, a reset process in which the floating diffusion FD in the pixel unit 23 of the first row is set as a dark level and a dark level read out to the vertical read line PIXOUT_R are performed.

続いて、タイミングTB20からタイミングTB30の期間は、画素信号の読み出しを行う垂直読み出し線と、リセット処理を行う垂直読み出し線とをタイミングTB10からタイミングTB20とは入れ替えて、タイミングTB10からタイミングTB20の処理を行う。具体的には、転送スイッチ25をオフ状態、かつ、転送スイッチ26をオン状態として、垂直読み出し線PIXOUT_Rに読み出されたダークレベルのアナログデジタル変換回路24への転送と、1行目の画素ユニット23内でのフォトダイオードPD0からフローティングディフュージョンFDへの電荷の転送と、垂直読み出し線PIXOUT_R及びアナログデジタル変換回路24への画素信号の読み出しを行う。また、0行目の画素ユニット23においては、0行目の画素ユニット23内のフローティングディフュージョンFDをダークレベルとするリセット処理及び垂直読み出し線PIXOUT_Lへのダークレベルの読み出しを行う。 Subsequently, during the period from the timing TB20 to the timing TB30, the vertical read line for reading the pixel signal and the vertical read line for resetting are replaced with the timing TB20 from the timing TB10, and the processing from the timing TB10 to the timing TB20 is performed. Do. Specifically, with the transfer switch 25 in the off state and the transfer switch 26 in the on state, the transfer to the dark level analog-to-digital conversion circuit 24 read by the vertical read line PIXOUT_R and the pixel unit in the first line. The electric charge is transferred from the photodiode PD0 to the floating diffusion FD in 23, and the pixel signal is read out to the vertical read line PIXOUT_R and the analog-to-digital conversion circuit 24. Further, in the pixel unit 23 on the 0th row, a reset process in which the floating diffusion FD in the pixel unit 23 on the 0th row is set to a dark level and a dark level read to the vertical read line PIXOUT_L are performed.

続いて、タイミングTB40からタイミングTB50の期間は、画素信号の読み出しを行う垂直読み出し線と、リセット処理を行う垂直読み出し線とをタイミングTB30からタイミングTB40とは入れ替えて、タイミングTB30からタイミングTB40の処理を行う。具体的には、転送スイッチ25をオフ状態、かつ、転送スイッチ26をオン状態として、垂直読み出し線PIXOUT_Lに読み出されたダークレベルのアナログデジタル変換回路24への転送と、1行目の画素ユニット23内でのフォトダイオードPD1からフローティングディフュージョンFDへの電荷の転送と、垂直読み出し線PIXOUT_R及びアナログデジタル変換回路24への画素信号の読み出しを行う。また、1行目の画素ユニット23においては、1行目の画素ユニット23内のフローティングディフュージョンFDをダークレベルとするリセット処理及び垂直読み出し線PIXOUT_Rへのダークレベルの読み出しを行う。 Subsequently, during the period from the timing TB40 to the timing TB50, the vertical read line for reading the pixel signal and the vertical read line for performing the reset process are replaced with the timing TB30 to the timing TB40, and the processing from the timing TB30 to the timing TB40 is performed. Do. Specifically, with the transfer switch 25 in the off state and the transfer switch 26 in the on state, the transfer to the dark level analog-to-digital conversion circuit 24 read by the vertical read line PIXOUT_L and the pixel unit in the first line The electric charge is transferred from the photodiode PD1 to the floating diffusion FD in 23, and the pixel signal is read out to the vertical read line PIXOUT_R and the analog-to-digital conversion circuit 24. Further, in the pixel unit 23 of the first row, a reset process in which the floating diffusion FD in the pixel unit 23 of the first row is set as a dark level and a dark level read out to the vertical read line PIXOUT_R are performed.

なお、実施の形態1にかかるセンサ15では、ダークレベル及び画素信号の転送を受けたアナログデジタル変換回路24は、転送された信号レベルをデジタル値に変換して画素出力値DOUTを出力する。つまり、実施の形態1にかかるセンサ15では、タイミング制御回路(例えば、ロウコントローラ20)が、リセット処理と、変換出力処理とが1つの期間内で並列して行われるように画素ユニット、転送スイッチ25、26、及びアナログデジタル変換回路24を制御する。ここで、リセット処理では、転送スイッチ25と転送スイッチ26とのうち遮断状態に制御された転送スイッチに接続されるリセット対象垂直読み出し線と、リセット対象垂直読み出し線に接続される画素ユニット内のフローティングディフュージョンと、の信号レベルをダークレベルにリセットする。また、出力変換処理では、転送スイッチ25と転送スイッチ26とのうち導通状態に制御された転送スイッチに接続される読み出し対象垂直読み出し線から出力されるダークレベルを有するダークレベル信号のデジタル値への変換、読み出し対象垂直読み出し線に接続される画素ユニットからアナログデジタル変換回路への画素信号の出力、及び、画素信号のデジタル値への変換を行う。 In the sensor 15 according to the first embodiment, the analog-to-digital conversion circuit 24 that has received the transfer of the dark level and the pixel signal converts the transferred signal level into a digital value and outputs the pixel output value DOUT. That is, in the sensor 15 according to the first embodiment, the timing control circuit (for example, the row controller 20) has a pixel unit and a transfer switch so that the reset process and the conversion output process are performed in parallel within one period. It controls 25, 26, and the analog-to-digital conversion circuit 24. Here, in the reset process, the reset target vertical read line connected to the transfer switch controlled in the cutoff state among the transfer switch 25 and the transfer switch 26, and the floating in the pixel unit connected to the reset target vertical read line. Reset the signal level of the diffusion to the dark level. Further, in the output conversion process, the dark level signal having a dark level output from the read target vertical read line connected to the transfer switch controlled to be conductive among the transfer switch 25 and the transfer switch 26 is converted to a digital value. Conversion, output of the pixel signal from the pixel unit connected to the read target vertical read line to the analog-to-digital conversion circuit, and conversion of the pixel signal to a digital value are performed.

図6で説明したタイミングチャートは一例であり、センサ15の動作として別の動作タイミングを考えることもできる。そこで、図7に実施の形態1にかかるセンサ15の第2の動作例を説明するタイミングチャートを示す。図7に示す例では、オフ状態に制御される垂直読み出し線に接続される画素ユニット23内のフローティングディフュージョンFDのリセットタイミングが図6に示した例と異なる。具体的には、図7に示す例では、オン状態とされる転送スイッチに対応する垂直読み出し線に接続される画素ユニット23内のフローティングディフュージョンFDにフォトダイオードの電荷を転送するタイミングで、オフ状態とされる転送スイッチに対応する垂直読み出し線に接続される画素ユニット23内のフローティングディフュージョンFDのリセット処理を行う。また、図7に示す例では、オン状態とされる転送スイッチに対応する垂直読み出し線に接続される画素ユニット23内からアナログデジタル変換回路24に画素信号を転送するタイミングで、オフ状態とされる転送スイッチに対応する垂直読み出しのリセット処理を行う。 The timing chart described with reference to FIG. 6 is an example, and another operation timing can be considered as the operation of the sensor 15. Therefore, FIG. 7 shows a timing chart for explaining a second operation example of the sensor 15 according to the first embodiment. In the example shown in FIG. 7, the reset timing of the floating diffusion FD in the pixel unit 23 connected to the vertical read line controlled in the off state is different from the example shown in FIG. Specifically, in the example shown in FIG. 7, the state is turned off at the timing of transferring the charge of the photodiode to the floating diffusion FD in the pixel unit 23 connected to the vertical readout line corresponding to the transfer switch turned on. The floating diffusion FD in the pixel unit 23 connected to the vertical read line corresponding to the transfer switch is reset. Further, in the example shown in FIG. 7, the off state is set at the timing of transferring the pixel signal from the inside of the pixel unit 23 connected to the vertical read line corresponding to the transfer switch to be turned on to the analog-to-digital conversion circuit 24. Performs vertical read reset processing corresponding to the transfer switch.

上述したように、垂直読み出し線に対するリセット処理は、様々なタイミングで行う事が考えられるが、好ましくないリセット処理のタイミングもある。そこで、好ましくない動作タイミングとして、図8に実施の形態1にかかる撮像素子の第3の動作例を説明するタイミングチャートを示す。図8に示す例では、オン状態とされる転送スイッチに対応する垂直読み出し線に読み出されたダークレベルをアナログデジタル変換回路24に転送する期間内にリセット制御信号の立ち上がりタイミングがある。また、図8に示す例では、オン状態とされる転送スイッチに対応する垂直読み出し線に接続される画素ユニット23内からアナログデジタル変換回路24に画素信号を転送するタ期間内にリセット制御信号の立ち下がりタイミングがある。このように、アナログデジタル変換回路24に変換対象の信号を転送している期間内にリセット制御信号RST等の論理レベルの切り替えが発生すると、センサ15内の電流消費量がアナログデジタル変換回路24の変換処理中に増加することに伴い電源ノイズが大きくなる。このような電源ノイズの増大は、アナログデジタル変換回路24の変換処理結果に誤差を生じさせることになる問題を有する。このようなことから、実施の形態1にかかるセンサ15では、ロウコントローラ20は、アナログデジタル変換回路がアナログ値を有する信号をデジタル値に変換するアナログデジタル変換処理を行っている期間以外の期間において画素ユニットにリセット動作を指示するリセット制御信号の論理レベルを切り替える。 As described above, it is conceivable that the reset process for the vertical read line is performed at various timings, but there is also an unfavorable timing of the reset process. Therefore, as an unfavorable operation timing, FIG. 8 shows a timing chart for explaining a third operation example of the image sensor according to the first embodiment. In the example shown in FIG. 8, there is a rise timing of the reset control signal within the period for transferring the dark level read to the vertical read line corresponding to the transfer switch to be turned on to the analog-to-digital conversion circuit 24. Further, in the example shown in FIG. 8, the reset control signal is transferred within the period for transferring the pixel signal from the pixel unit 23 connected to the vertical read line corresponding to the transfer switch to be turned on to the analog-to-digital conversion circuit 24. There is a fall timing. In this way, if the logic level of the reset control signal RST or the like is switched within the period during which the signal to be converted is being transferred to the analog-to-digital conversion circuit 24, the current consumption in the sensor 15 is reduced to that of the analog-to-digital conversion circuit 24. The power supply noise increases as it increases during the conversion process. Such an increase in power supply noise has a problem of causing an error in the conversion processing result of the analog-digital conversion circuit 24. Therefore, in the sensor 15 according to the first embodiment, the row controller 20 is in a period other than the period during which the analog-to-digital conversion circuit is performing the analog-digital conversion process for converting the signal having the analog value into the digital value. Switches the logic level of the reset control signal that instructs the pixel unit to perform the reset operation.

また、実施の形態1にかかるセンサ15では、垂直読み出し線のリセット処理と、アナログデジタル変換回路24への信号転送処理とを、並列させることなく、画素ユニット毎に垂直読み出し線のリセット処理と、アナログデジタル変換回路24への信号転送処理とを、連続して行うこともできる。そこで、図9に実施の形態1にかかるセンサ15の第4の動作例を説明するタイミングチャートを示す。図9に示す例では、画素信号を読み出す対象の画素ユニットに対する垂直読み出し線のリセット処理と、アナログデジタル変換回路24への信号転送処理とが終了するまで他の画素ユニットに対する操作は行われない。また、図9に示す例では、垂直読み出し線へのダークレベルの読み出しとダークレベルのアナログデジタル変換回路24への転送が1つの処理として行われる。そのため、図9では、ダークレベルのアナログデジタル変換回路24の読み出しをDARKで示した。また、図9に示す例では、画素信号は、0行目の画素ユニット23のフォトダイオードPD0、1行目の画素ユニット23のフォトダイオードPD0、0行目の画素ユニット23のフォトダイオードPD1、1行目の画素ユニット23のフォトダイオードPD1の順で読み出される。このとき、画素信号の読み出し対象となっていない画素ユニット23が接続される垂直読み出し線はブランク状態となる。 Further, in the sensor 15 according to the first embodiment, the vertical read line reset process and the signal transfer process to the analog-to-digital conversion circuit 24 are not performed in parallel, and the vertical read line reset process and the vertical read line reset process are performed for each pixel unit. The signal transfer process to the analog-to-digital conversion circuit 24 can also be continuously performed. Therefore, FIG. 9 shows a timing chart for explaining a fourth operation example of the sensor 15 according to the first embodiment. In the example shown in FIG. 9, no operation is performed on the other pixel units until the reset processing of the vertical read line for the pixel unit to be read the pixel signal and the signal transfer processing to the analog-digital conversion circuit 24 are completed. Further, in the example shown in FIG. 9, a dark level readout to the vertical readout line and a transfer to the dark level analog-to-digital conversion circuit 24 are performed as one process. Therefore, in FIG. 9, the reading of the dark level analog-to-digital conversion circuit 24 is shown by DARK. Further, in the example shown in FIG. 9, the pixel signals are the photodiode PD0 of the pixel unit 23 in the 0th row, the photodiode PD0 of the pixel unit 23 in the 1st row, and the photodiode PD1 and 1 of the pixel unit 23 in the 0th row. The photodiode PD1 of the pixel unit 23 in the row is read out in this order. At this time, the vertical read line to which the pixel unit 23, which is not the target for reading the pixel signal, is connected is left blank.

ここで、実施の形態1にかかるセンサ15において、垂直読み出し線のリセット処理と、アナログデジタル変換回路24への信号転送処理とを、並列して行った場合の読み出し時間の短縮効果について説明する。 Here, in the sensor 15 according to the first embodiment, the effect of shortening the read time when the reset process of the vertical read line and the signal transfer process to the analog-to-digital conversion circuit 24 are performed in parallel will be described.

まず、図9に示した例のように、垂直読み出し線へのダークレベルの読み出しとアナログデジタル変換回路24へのダークレベルの転送を1つの処理として行った場合において、アナログデジタル変換回路24の入力容量をダークレベルとするときの静定時間x(t)を(1)式に示す。ここで、静定時間とは、信号レベルが最低電圧レベル(例えば、接地電圧)からダークレベルとして想定される信号レベルの90%の電圧となるまでの時間である。また、以下の説明では、gmを増幅トランジスタ33のトランスコンダクタンス、Rwireを垂直読み出し線の寄生抵抗の抵抗値、Clineを垂直読み出し線の寄生容量の容量値、抵抗Riを垂直読み出し線に接続される負荷抵抗の抵抗値、C_ADCをアナログデジタル変換回路24の入力容量の容量値、tを時間とする。

Figure 0006778595
First, as in the example shown in FIG. 9, when the dark level read to the vertical read line and the dark level transfer to the analog-digital conversion circuit 24 are performed as one process, the input of the analog-digital conversion circuit 24 is performed. The static time x (t) when the capacity is set to the dark level is shown in Eq. (1). Here, the statically indeterminate time is the time from the lowest voltage level (for example, the ground voltage) to 90% of the signal level assumed as the dark level. Further, in the following description, gm is connected to the transconductance of the amplification transistor 33, Rwire is the resistance value of the parasitic resistance of the vertical readout line, Cline is the capacitance value of the parasitic capacitance of the vertical readout line, and the resistor Ri is connected to the vertical readout line. Let the resistance value of the load resistance, C_ADC be the capacitance value of the input capacitance of the analog-digital conversion circuit 24, and t be the time.
Figure 0006778595

一方、図6で示した例のように、垂直読み出し線へのダークレベルの読み出しとアナログデジタル変換回路24へのダークレベルの転送を別個の処理として行った場合において、垂直読み出し線をダークレベルとするときの静定時間x_line(t)を(2)式に示す。 On the other hand, as in the example shown in FIG. 6, when the dark level readout to the vertical readout line and the dark level transfer to the analog-digital conversion circuit 24 are performed as separate processes, the vertical readout line is defined as the dark level. The statically indeterminate time x_line (t) at the time of operation is shown in Eq. (2).

Figure 0006778595
Figure 0006778595

また、図6で示した例のように、垂直読み出し線へのダークレベルの読み出しとアナログデジタル変換回路24へのダークレベルの転送を別個の処理として行った場合において、アナログデジタル変換回路24の入力容量をダークレベルとするときの静定時間x_ADC(t)を(3)式に示す。

Figure 0006778595
Further, as in the example shown in FIG. 6, when the dark level read to the vertical read line and the dark level transfer to the analog-digital conversion circuit 24 are performed as separate processes, the input of the analog-digital conversion circuit 24 is performed. The static time x_ADC (t) when the capacity is set to the dark level is shown in Eq. (3).
Figure 0006778595

(1)式と(3)式を比較すると、(3)式は、分子の容量値に関する項が(1)式よりも小さくなっている。つまり、垂直読み出し線へのダークレベルの読み出しとアナログデジタル変換回路24へのダークレベルの転送を並列、かつ、別個の処理として行った場合、1H時間に内のダークレベル読み出しに要する時間を短くすることができる。また、(2)式で示す静定時間x_lineは、画素信号が垂直読み出し線の寄生容量及びアナログデジタル変換回路24の入力容量を充電しながら読み出されることを考えると、画素信号の読み出し時間よりも短くなることが分かる。つまり、実施の形態1にかかるセンサ15において、垂直読み出し線へのダークレベルの読み出しとアナログデジタル変換回路24へのダークレベルの転送を並列、かつ、別個の処理として行うことで、垂直読み出し線へのダークレベルの読み出しとアナログデジタル変換回路24へのダークレベルの転送を1つの処理として実行する場合よりも1H時間を短くすることができる。 Comparing Eqs. (1) and (3), Eq. (3) has a smaller term related to the volume value of the molecule than Eq. (1). That is, when the dark level read to the vertical read line and the dark level transfer to the analog-to-digital conversion circuit 24 are performed in parallel and as separate processes, the time required for the dark level read within 1H time is shortened. be able to. Further, the static time x_line represented by the equation (2) is larger than the pixel signal read time, considering that the pixel signal is read while charging the parasitic capacitance of the vertical read line and the input capacitance of the analog-to-digital conversion circuit 24. You can see that it gets shorter. That is, in the sensor 15 according to the first embodiment, the dark level readout to the vertical readout line and the dark level transfer to the analog-to-digital conversion circuit 24 are performed in parallel and as separate processes to the vertical readout line. The 1H time can be shortened as compared with the case where the reading of the dark level and the transfer of the dark level to the analog-to-digital conversion circuit 24 are executed as one process.

上記説明より、実施の形態1にかかるセンサ15では、同一の列に配置される画素ユニットを2つのグループに分類する。そして、実施の形態1にかかるセンサ15は、一方のグループに属する画素ユニットから出力されるダークレベル及び画素信号をアナログデジタル変換回路24に読み出すアナログデジタル変換処理と、他方のグループに属する画素ユニットが出力するダークレベルで対応する垂直読み出し線をリセットするリセット処理と、を並列して行う。また、実施の形態1にかかるセンサ15では、2つのグループの間でアナログデジタル変換処理とリセット処理とを交互に行う。これにより、実施の形態1にかかるセンサ15では、一方のグループに属する画素ユニットから出力されるダークレベルをアナログデジタル変換回路24に転送する前に垂直読み出し線の電圧がダークレベルに設定された状態となり、アナログデジタル変換回路24へのダークレベルの転送時間を短縮することができる。また、実施の形態1にかかるセンサ15では、アナログデジタル変換処理とリセット処理とを並列して行うことで、1画素分の画素信号の読み出しに必要な1H時間内に行う処理をアナログデジタル変換処理に要する時間に限りなく近づけ、1H時間を短縮することができる。 From the above description, in the sensor 15 according to the first embodiment, the pixel units arranged in the same row are classified into two groups. Then, in the sensor 15 according to the first embodiment, an analog-to-digital conversion process for reading a dark level and a pixel signal output from a pixel unit belonging to one group to an analog-to-digital conversion circuit 24 and a pixel unit belonging to the other group are used. The reset process that resets the corresponding vertical read line at the output dark level is performed in parallel. Further, in the sensor 15 according to the first embodiment, the analog-to-digital conversion process and the reset process are alternately performed between the two groups. As a result, in the sensor 15 according to the first embodiment, the voltage of the vertical readout line is set to the dark level before the dark level output from the pixel unit belonging to one group is transferred to the analog-to-digital conversion circuit 24. Therefore, the dark level transfer time to the analog-to-digital conversion circuit 24 can be shortened. Further, in the sensor 15 according to the first embodiment, the analog-to-digital conversion process and the reset process are performed in parallel to perform the analog-to-digital conversion process within 1 H time required for reading the pixel signal for one pixel. It is possible to shorten the 1H time as close as possible to the time required for.

つまり、実施の形態1にかかるセンサ15では、1画素の画素信号の読み出しに要する時間を短縮することができる。また、実施の形態1にかかるセンサ15では、1画素分の画素信号の読み出し時間を短縮できるため、所定の期間内に読み出すことが出来る画素数を増加させることができる。発明者らの検討では、垂直読み出し線へのダークレベルの読み出しとアナログデジタル変換回路24へのダークレベルの転送を並列、かつ、別個の処理として行った場合、垂直読み出し線へのダークレベルの読み出しとアナログデジタル変換回路24へのダークレベルの転送を1つの処理として行った場合に比べて10〜20%程度の時間短縮効果があることが確認されている。 That is, in the sensor 15 according to the first embodiment, the time required for reading the pixel signal of one pixel can be shortened. Further, in the sensor 15 according to the first embodiment, the reading time of the pixel signal for one pixel can be shortened, so that the number of pixels that can be read within a predetermined period can be increased. According to the study by the inventors, when the dark level read to the vertical read line and the dark level transfer to the analog-to-digital conversion circuit 24 are performed in parallel and as separate processes, the dark level read to the vertical read line is performed. It has been confirmed that there is a time saving effect of about 10 to 20% as compared with the case where the dark level transfer to the analog-to-digital conversion circuit 24 is performed as one process.

また、画素信号の読み出し速度を高速化することを考えた場合、異なる画素ユニットから読み出した画素信号を複数のアナログデジタル変換回路を用いて並列して変換処理することが考えられる。しかし、この場合、1列当たりのアナログデジタル変換回路の数が増加する問題が生じる。これに対して、実施の形態1にかかるセンサ15では、一列の画素ユニットに対して設けられるアナログデジタル変換回路24は1つである。そのため、実施の形態1にかかるセンサ15は、回路規模を増加させることなく画素信号の読み出し速度の高速化を実現することができる。特に近年センサ15の画素数が増加しており、回路規模の抑制する要求が高くなっているため、回路規模を増加させることなく読み出し速度を高速化できる効果は大きい。 Further, when considering increasing the reading speed of the pixel signal, it is conceivable to convert the pixel signals read from different pixel units in parallel using a plurality of analog-to-digital conversion circuits. However, in this case, there arises a problem that the number of analog-to-digital conversion circuits per row increases. On the other hand, in the sensor 15 according to the first embodiment, one analog-to-digital conversion circuit 24 is provided for one row of pixel units. Therefore, the sensor 15 according to the first embodiment can realize an increase in the reading speed of the pixel signal without increasing the circuit scale. In particular, since the number of pixels of the sensor 15 has increased in recent years and the demand for suppressing the circuit scale has increased, the effect of increasing the read speed without increasing the circuit scale is great.

実施の形態2
実施の形態2では、画素ユニット23の別の形態となる画素ユニット23aを説明する。画素ユニット23aは、2つのフォトダイオードを含む画素ユニットである。また、実施の形態2では、画素ユニット23aを含むセンサ15をセンサ15aと称す。そこで、図10に実施の形態2にかかるセンサ15aのブロック図を示す。
Embodiment 2
In the second embodiment, the pixel unit 23a, which is another form of the pixel unit 23, will be described. The pixel unit 23a is a pixel unit including two photodiodes. Further, in the second embodiment, the sensor 15 including the pixel unit 23a is referred to as a sensor 15a. Therefore, FIG. 10 shows a block diagram of the sensor 15a according to the second embodiment.

図10に示すように、実施の形態2にかかるセンサ15aは、画素ユニット23aが格子状に配置される画素アレイ22aを有する。実施の形態2にかかる画素ユニット23aは、1つの画素ユニット当たりのフォトダイオードの個数が2つである。そのため、実施の形態2にかかる画素アレイ22aは、隣接する2列分の画素ユニットを用いてカラーフィルタをベイヤー配置する。また、実施の形態2にかかるセンサ15aにおいても、一列の画素ユニットに対して2本の垂直読み出し線が設けられる。 As shown in FIG. 10, the sensor 15a according to the second embodiment has a pixel array 22a in which the pixel units 23a are arranged in a grid pattern. The pixel unit 23a according to the second embodiment has two photodiodes per pixel unit. Therefore, in the pixel array 22a according to the second embodiment, the color filters are Bayer-arranged by using the pixel units for two adjacent rows. Further, also in the sensor 15a according to the second embodiment, two vertical read lines are provided for one row of pixel units.

続いて、実施の形態2にかかる画素ユニット23aの回路について説明する。そこで、図11に実施の形態2にかかるセンサ15a内の画素ユニット23aの回路図を示す。図11に示すように、実施の形態2にかかる画素ユニット23aは、フォトダイオードPD0、PD1の2つのダイオードを有する。つまり、画素ユニット23aは、実施の形態1にかかる画素ユニット23からフォトダイオードPD2、PD3、転送トランジスタ312、313を削除したものである。 Subsequently, the circuit of the pixel unit 23a according to the second embodiment will be described. Therefore, FIG. 11 shows a circuit diagram of the pixel unit 23a in the sensor 15a according to the second embodiment. As shown in FIG. 11, the pixel unit 23a according to the second embodiment has two diodes, the photodiodes PD0 and PD1. That is, the pixel unit 23a is obtained by removing the photodiodes PD2 and PD3 and the transfer transistors 312 and 313 from the pixel unit 23 according to the first embodiment.

実施の形態2にかかる画素ユニット23aを用いた場合の動作は、図6で示したタイミングチャートの動作と実質的に同じになるため、ここでは説明を省略する。 Since the operation when the pixel unit 23a according to the second embodiment is used is substantially the same as the operation of the timing chart shown in FIG. 6, description thereof will be omitted here.

上記説明より、実施の形態1にかかる画素ユニット23に含まれるフォトダイオードの数を削減しても実施の形態1にかかる画素ユニット23と同様に画素信号の読み出し速度を高速化することができることが分かる。 From the above description, even if the number of photodiodes included in the pixel unit 23 according to the first embodiment is reduced, the pixel signal reading speed can be increased as in the pixel unit 23 according to the first embodiment. I understand.

実施の形態3
実施の形態3では、画素ユニット23の別の形態となる画素ユニット23bを説明する。画素ユニット23bは、1つのフォトダイオードを含む画素ユニットである。また、実施の形態3では、画素ユニット23bを含むセンサ15をセンサ15bと称す。そこで、図12に実施の形態3にかかるセンサ15bのブロック図を示す。
Embodiment 3
In the third embodiment, the pixel unit 23b, which is another form of the pixel unit 23, will be described. The pixel unit 23b is a pixel unit including one photodiode. Further, in the third embodiment, the sensor 15 including the pixel unit 23b is referred to as a sensor 15b. Therefore, FIG. 12 shows a block diagram of the sensor 15b according to the third embodiment.

図10に示すように、実施の形態3にかかるセンサ15bは、画素ユニット23bが格子状に配置される画素アレイ22bを有する。実施の形態3にかかる画素ユニット23bは、1つの画素ユニット当たりのフォトダイオードの個数が1つである。そのため、実施の形態3にかかる画素アレイ22bは、隣接する2行2列分の画素ユニットを用いてカラーフィルタをベイヤー配置する。また、実施の形態3にかかるセンサ15bにおいても、一列の画素ユニットに対して2本の垂直読み出し線が設けられる。 As shown in FIG. 10, the sensor 15b according to the third embodiment has a pixel array 22b in which pixel units 23b are arranged in a grid pattern. In the pixel unit 23b according to the third embodiment, the number of photodiodes per pixel unit is one. Therefore, in the pixel array 22b according to the third embodiment, the color filters are Bayer-arranged by using the pixel units for two rows and two columns adjacent to each other. Further, also in the sensor 15b according to the third embodiment, two vertical read lines are provided for one row of pixel units.

続いて、実施の形態3にかかる画素ユニット23bの回路について説明する。そこで、図13に実施の形態3にかかるセンサ15b内の画素ユニット23bの回路図を示す。図13に示すように、実施の形態3にかかる画素ユニット23bは、フォトダイオードPDの1つのダイオードを有する。つまり、画素ユニット23bは、実施の形態1にかかる画素ユニット23からフォトダイオードPD1、PD2、PD3、転送トランジスタ311、312、313を削除したものである。 Subsequently, the circuit of the pixel unit 23b according to the third embodiment will be described. Therefore, FIG. 13 shows a circuit diagram of the pixel unit 23b in the sensor 15b according to the third embodiment. As shown in FIG. 13, the pixel unit 23b according to the third embodiment has one diode of the photodiode PD. That is, the pixel unit 23b is obtained by removing the photodiodes PD1, PD2, PD3, and transfer transistors 311, 312, and 313 from the pixel unit 23 according to the first embodiment.

続いて、実施の形態3にかかる画素ユニット23bの動作を説明する。そこで、図14に実施の形態3にかかる撮像素子の動作例を説明するタイミングチャートを示す。図14に示すように、実施の形態3にかかるセンサ15bでは、0行目の画素ユニット23bから出力されるダークレベル及び画素信号をアナログデジタル変換回路24に転送している期間に、1行目の画素ユニット23bが接続されている垂直読み出し線PIXOUT_Lをダークレベルにリセットする。また、実施の形態1にかかるセンサ15bは、1行目から出力されるダークレベル及び画素信号をアナログデジタル変換回路24に転送している期間に、2行目の画素ユニット23bが接続されている垂直読み出し線PIXOUT_Rをダークレベルにリセットする。このように、実施の形態3にかかるセンサ15bは、ダークレベル及び画素信号をアナログデジタル変換回路24に転送する垂直読み出し線と、リセットする垂直読み出し線を垂直読み出し線PIXOUT_Rと垂直読み出し線PIXOUT_Lとの間で切り替えながら画素信号の読み出し処理を行う。 Subsequently, the operation of the pixel unit 23b according to the third embodiment will be described. Therefore, FIG. 14 shows a timing chart for explaining an operation example of the image pickup device according to the third embodiment. As shown in FIG. 14, in the sensor 15b according to the third embodiment, the first line is during the period in which the dark level and the pixel signal output from the pixel unit 23b on the 0th line are transferred to the analog-to-digital conversion circuit 24. The vertical readout line PIXOUT_L to which the pixel unit 23b of the above is connected is reset to a dark level. Further, in the sensor 15b according to the first embodiment, the pixel unit 23b of the second line is connected during the period in which the dark level and the pixel signal output from the first line are transferred to the analog-digital conversion circuit 24. Reset the vertical readout line PIXOUT_R to dark level. As described above, in the sensor 15b according to the third embodiment, the vertical read line for transferring the dark level and the pixel signal to the analog-digital conversion circuit 24 and the vertical read line PIXOUT_R and the vertical read line PIXOUT_L for resetting are Pixel signal reading processing is performed while switching between.

上記説明より、実施の形態1にかかる画素ユニット23に含まれるフォトダイオードの数を削減しても実施の形態1にかかる画素ユニット23と同様に画素信号の読み出し速度を高速化することができることが分かる。 From the above description, even if the number of photodiodes included in the pixel unit 23 according to the first embodiment is reduced, the pixel signal reading speed can be increased as in the pixel unit 23 according to the first embodiment. I understand.

実施の形態4
実施の形態4では、画素ユニット23の別の形態となる画素ユニット23cを説明する。画素ユニット23cは、2つのフォトダイオードを用いて1画素分の受光素子を構成し、この受光素子を2つ含む画素ユニットである。また、実施の形態4では、画素ユニット23cを含むセンサ15をセンサ15cと称す。そこで、図15に実施の形態4にかかるセンサ15cのブロック図を示す。
Embodiment 4
In the fourth embodiment, the pixel unit 23c, which is another form of the pixel unit 23, will be described. The pixel unit 23c is a pixel unit in which two photodiodes are used to form a light receiving element for one pixel, and the pixel unit 23c includes two light receiving elements. Further, in the fourth embodiment, the sensor 15 including the pixel unit 23c is referred to as a sensor 15c. Therefore, FIG. 15 shows a block diagram of the sensor 15c according to the fourth embodiment.

図15に示すように、実施の形態4にかかるセンサ15cは、画素ユニット23cが格子状に配置される画素アレイ22cを有する。実施の形態4にかかる画素ユニット23cは、1つの画素ユニット当たりのフォトダイオードの個数が2つである。そのため、実施の形態4にかかる画素アレイ22cは、隣接する2列分の画素ユニットを用いてカラーフィルタをベイヤー配置する。また、実施の形態4にかかるセンサ15cにおいても、一列の画素ユニットに対して2本の垂直読み出し線が設けられる。なお、画素ユニット23cに含まれるフォトダイオードは2つのフォトダイオードを含む。 As shown in FIG. 15, the sensor 15c according to the fourth embodiment has a pixel array 22c in which the pixel units 23c are arranged in a grid pattern. The pixel unit 23c according to the fourth embodiment has two photodiodes per pixel unit. Therefore, in the pixel array 22c according to the fourth embodiment, the color filters are Bayer-arranged by using the pixel units for two adjacent rows. Further, also in the sensor 15c according to the fourth embodiment, two vertical read lines are provided for one row of pixel units. The photodiode included in the pixel unit 23c includes two photodiodes.

続いて、実施の形態4にかかるセンサ15cの垂直読み出し線、転送スイッチの構成を説明する。そこで、図16に実施の形態4にかかるセンサ15cの垂直読み出し線、転送スイッチの構成を説明するブロック図を示す。なお、図16から図18においては、画素ユニット23が配置される行番号と列番号を()内に示した。 Subsequently, the configuration of the vertical read line and the transfer switch of the sensor 15c according to the fourth embodiment will be described. Therefore, FIG. 16 shows a block diagram illustrating a configuration of a vertical read line and a transfer switch of the sensor 15c according to the fourth embodiment. In addition, in FIGS. 16 to 18, the row number and the column number in which the pixel unit 23 is arranged are shown in parentheses.

図16に示すように、実施の形態4にかかる画素ユニット23cは、配置される列に対応する垂直読み出し線PIXOUT_L又は垂直読み出し線PIXOUT_Rに加えて、隣接する列の垂直読み出し線PIXOUT_L又は垂直読み出し線PIXOUT_Rにも接続される。つまり、実施の形態4にかかるセンサ15cでは、垂直読み出し線は、隣接する列で共用される。これは、画素ユニット23内の1つの受光素子が2つのフォトダイオードにより構成され、2つのフォトダイオードで生成された画素信号を個別に読み出すためである。 As shown in FIG. 16, in the pixel unit 23c according to the fourth embodiment, in addition to the vertical read line PIXOUT_L or the vertical read line PIXOUT_R corresponding to the arranged row, the vertical read line PIXOUT_L or the vertical read line of the adjacent row It is also connected to PIXOUT_R. That is, in the sensor 15c according to the fourth embodiment, the vertical read lines are shared by adjacent columns. This is because one light receiving element in the pixel unit 23 is composed of two photodiodes, and the pixel signals generated by the two photodiodes are individually read out.

続いて、実施の形態4にかかる画素ユニット23cの回路について説明する。そこで、図17に実施の形態4にかかるセンサ15c内の画素ユニット23cの回路図を示す。図17に示す例では、2行2列分の4つの画素ユニット23cを示した。また、図17に示すように、実施の形態1にかかるセンサ15cでは、偶数列に配置される画素ユニット23cにフォトダイオードPD0、PD1を配置し、奇数列に配置される画素ユニット23cにフォトダイオードPD2、PD3を配置する。そして、各フォトダイオードは、左画素を構成する左画素フォトダイオードPDx_L(xはフォトダイオードの番号を示す値)と右画素を構成する右画素フォトダイオードPDx_Rとにより構成される。 Subsequently, the circuit of the pixel unit 23c according to the fourth embodiment will be described. Therefore, FIG. 17 shows a circuit diagram of the pixel unit 23c in the sensor 15c according to the fourth embodiment. In the example shown in FIG. 17, four pixel units 23c for two rows and two columns are shown. Further, as shown in FIG. 17, in the sensor 15c according to the first embodiment, the photodiodes PD0 and PD1 are arranged in the pixel units 23c arranged in the even-numbered rows, and the photodiodes are arranged in the pixel units 23c arranged in the odd-numbered rows. PD2 and PD3 are arranged. Each photodiode is composed of a left pixel photodiode PDx_L (x is a value indicating a photodiode number) constituting the left pixel and a right pixel photodiode PDx_R constituting the right pixel.

また、図17に示す例では、画素ユニット23cのフォトダイオードの左画素の画素信号は、列番号が1つ小さい列に配置される画素ユニット23cの右画素に対応して設けられる増幅トランジスタ33により読み出される。つまり、実施の形態4にかかるセンサ15cでは、1組の垂直読み出し線は、それぞれ、n列目に配置される画素ユニットの前記右画素フォトダイオードとn+1列目に配置される画素ユニットの前記左画素フォトダイオードとにより共用される。なお、0行目に配置される画素ユニット23cについては、列番号が1つ小さい列が無いため、左画素用に増幅トランジスタ33が設けられる。 Further, in the example shown in FIG. 17, the pixel signal of the left pixel of the photodiode of the pixel unit 23c is generated by the amplification transistor 33 provided corresponding to the right pixel of the pixel unit 23c arranged in the row having the column number one smaller. Read out. That is, in the sensor 15c according to the fourth embodiment, the set of vertical readout lines is the right pixel photodiode of the pixel unit arranged in the nth row and the left side of the pixel unit arranged in the n + 1th row, respectively. It is shared by the pixel photodiode. As for the pixel unit 23c arranged in the 0th row, since there is no column whose column number is one smaller, the amplification transistor 33 is provided for the left pixel.

また、図17に示す例では、フォトダイオードPD0_Lに対応して転送トランジスタ510が設けられる。フォトダイオードPD0_Rに対応して転送トランジスタ511が設けられる。フォトダイオードPD1_Lに対応して転送トランジスタ512が設けられる。フォトダイオードPD1_Rに対応して転送トランジスタ513が設けられる。フォトダイオードPD2_Lに対応して転送トランジスタ514が設けられる。フォトダイオードPD2_Rに対応して転送トランジスタ515が設けられる。フォトダイオードPD3_Lに対応して転送トランジスタ516が設けられる。フォトダイオードPD3_Rに対応して転送トランジスタ516が設けられる。なお、画素ユニット23cにおけるリセットトランジスタ32、増幅トランジスタ33、選択トランジスタ34の構成は、図4等で説明した画素ユニットと実質的に同じである。 Further, in the example shown in FIG. 17, the transfer transistor 510 is provided corresponding to the photodiode PD0_L. A transfer transistor 511 is provided corresponding to the photodiode PD0_R. A transfer transistor 512 is provided corresponding to the photodiode PD1_L. A transfer transistor 513 is provided corresponding to the photodiode PD1_R. A transfer transistor 514 is provided corresponding to the photodiode PD2_L. A transfer transistor 515 is provided corresponding to the photodiode PD2_R. A transfer transistor 516 is provided corresponding to the photodiode PD3_L. A transfer transistor 516 is provided corresponding to the photodiode PD3_R. The configuration of the reset transistor 32, the amplification transistor 33, and the selection transistor 34 in the pixel unit 23c is substantially the same as that of the pixel unit described with reference to FIG. 4 and the like.

ここで、実施の形態4にかかるセンサ15cのフォトダイオードの構造を説明する。そこで、図18に実施の形態4にかかるセンサ15cのフォトダイオードの構造を説明する断面図を示す。図18に示すように、画素ユニット23cでは、Nサブ層61の上層にPウェル層62が形成され、当該Pウェル層62の表面にフォトダイオードPD0_L、PD0_Rが形成される。そして、Nサブ層61及びPウェル層62からなる基板層の上層には、配線63〜65が形成される配線層が設けられる。画素ユニット23cにおけるマイクロレンズは、配線層の上層に形成される。マイクロレンズが形成されるマイクロレンズ層では、カラーフィルタ66の上層にマイクロレンズ67が形成される。そして、図18に示すように、画素ユニット23cでは、フォトダイオード対を覆うようにマイクロレンズ67が形成される。 Here, the structure of the photodiode of the sensor 15c according to the fourth embodiment will be described. Therefore, FIG. 18 shows a cross-sectional view illustrating the structure of the photodiode of the sensor 15c according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 18, in the pixel unit 23c, the P-well layer 62 is formed on the upper layer of the N-sub layer 61, and the photodiodes PD0_L and PD0_R are formed on the surface of the P-well layer 62. A wiring layer on which the wirings 63 to 65 are formed is provided on the upper layer of the substrate layer composed of the N-sub layer 61 and the P-well layer 62. The microlens in the pixel unit 23c is formed on the upper layer of the wiring layer. In the microlens layer on which the microlens is formed, the microlens 67 is formed on the upper layer of the color filter 66. Then, as shown in FIG. 18, in the pixel unit 23c, the microlens 67 is formed so as to cover the photodiode pair.

続いて、実施の形態4にかかるセンサ15cの動作について説明する。そこで、図19に実施の形態4にかかるセンサ15cの動作例を説明するタイミングチャートを示す。なお、図19では、センサ15cの動作中の垂直読み出し線に読み出される信号のみを示し、各種制御信号の論理レベルの遷移は省略した。各種制御信号の論理レベルの遷移は、実施の形態1で説明したものに準じるものとする。 Subsequently, the operation of the sensor 15c according to the fourth embodiment will be described. Therefore, FIG. 19 shows a timing chart for explaining an operation example of the sensor 15c according to the fourth embodiment. Note that FIG. 19 shows only the signals read by the vertical readout line during operation of the sensor 15c, and the transition of the logic level of various control signals is omitted. The transition of the logic level of various control signals shall be in accordance with that described in the first embodiment.

図19に示すように、実施の形態4にかかるセンサ15cでは、1本の垂直読み出し線を見ると、各垂直読み出し線に接続される画素ユニットから出力されるダークレベルによるリセット動作(図中の「読み出し準備」)と、画素ユニットから出力されるダークレベル及び画素信号のアナログデジタル変換回路24への転送動作(図中の「読み出し実行」)とが繰り返し行われる。また、同一列に属する垂直読み出し線の間を見ると、偶数行と奇数行の一方に配置される画素ユニット23cに対する読み出し実行処理と、偶数行と奇数行の他方に配置される画素ユニット23cに対する読み出し準備と、が並列して行われる。また、列番号が1つ小さい列の画素ユニット23cと共用される垂直読み出し線を見ると、列番号が1つ小さい列の画素ユニット23cによる利用期間と自列に属する画素ユニット23cによる利用期間とが連続していることが分かる。 As shown in FIG. 19, in the sensor 15c according to the fourth embodiment, when one vertical read line is viewed, a reset operation by a dark level output from a pixel unit connected to each vertical read line (in the figure). "Preparation for reading") and the operation of transferring the dark level and pixel signals output from the pixel unit to the analog-to-digital conversion circuit 24 ("reading execution" in the figure) are repeatedly performed. Looking between the vertical read lines belonging to the same column, the read execution process for the pixel unit 23c arranged on one of the even and odd rows and the pixel unit 23c arranged on the other of the even and odd rows Read preparation and read preparation are performed in parallel. Looking at the vertical readout line shared with the pixel unit 23c in the row with the column number one smaller, the usage period by the pixel unit 23c in the row with the column number one smaller and the usage period by the pixel unit 23c belonging to the own row Can be seen to be continuous.

このように、垂直読み出し線を隣接する列の間で共用することで、画素ユニット23c内の1つのフォトダイオードが右画素と左画素とにより構成されている場合においてもアナログデジタル変換回路24の数の増加を回避することができる。 By sharing the vertical readout line between adjacent columns in this way, the number of analog-to-digital conversion circuits 24 even when one photodiode in the pixel unit 23c is composed of a right pixel and a left pixel. Can be avoided.

また、1つのフォトダイオードPDが2つのフォトダイオードにより構成されている画素ユニット23cを用いることで、オートフォーカス処理に用いる画像特徴情報DCIを生成することができる。そこで、以下で、実施の形態4にかかるセンサ15cにおける画素情報Doの生成方法と画像特徴情報DCIの生成方法について説明する。 Further, by using the pixel unit 23c in which one photodiode PD is composed of two photodiodes, image feature information DCI used for autofocus processing can be generated. Therefore, a method of generating pixel information Do and a method of generating image feature information DCI in the sensor 15c according to the fourth embodiment will be described below.

図20に実施の形態4にかかるセンサ15cにおける画像情報の出力処理を説明するフローチャートを示す。図20に示すように、実施の形態4にかかるセンサ15cでは、画素アレイ22cから右画素と左画素の画素情報を個別に読み出す(ステップS1)。その後、実施の形態4にかかるセンサ15cでは、右画素の画素情報と、左画素の画素情報と、を合成して1つの画素情報Doを出力する(ステップS2)。このように、センサ15c内で右画素の画素情報と左画素の画素情報とを合成することで、センサ15cは1つの画素情報Doを出力する。 FIG. 20 shows a flowchart illustrating an image information output process in the sensor 15c according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 20, in the sensor 15c according to the fourth embodiment, the pixel information of the right pixel and the left pixel is individually read from the pixel array 22c (step S1). After that, in the sensor 15c according to the fourth embodiment, the pixel information of the right pixel and the pixel information of the left pixel are combined and one pixel information Do is output (step S2). By synthesizing the pixel information of the right pixel and the pixel information of the left pixel in the sensor 15c in this way, the sensor 15c outputs one pixel information Do.

図21に実施の形態4にかかるセンサ15cにおける画像特徴情報DCIの出力処理を説明するフローチャートを示す。図21に示すように、実施の形態4にかかるセンサ15cでは、画素アレイ22cから右画素と左画素の画素情報を個別に読み出す(ステップS11)。その後、実施の形態4にかかるセンサ15cでは、右画素の画素情報から得られる画像のエッジ情報と、左画素の画素情報から得られる画像のエッジ情報と、をそれぞれ画像特徴情報DCIとして出力する(ステップS12)。 FIG. 21 shows a flowchart for explaining the output processing of the image feature information DCI in the sensor 15c according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 21, in the sensor 15c according to the fourth embodiment, the pixel information of the right pixel and the left pixel is individually read from the pixel array 22c (step S11). After that, the sensor 15c according to the fourth embodiment outputs the edge information of the image obtained from the pixel information of the right pixel and the edge information of the image obtained from the pixel information of the left pixel as image feature information DCI, respectively ( Step S12).

ここで、この画像特徴情報DCIについて更に詳しく説明する。まず、図22に実施の形態4にかかるセンサ15cにおける位相差オートフォーカスの原理を説明する図を示す。図22では、センサ表面に形成される評価面(例えば、像面)とフォーカスレンズから入射した光の像が合焦する合焦面との位置関係を示した。 Here, the image feature information DCI will be described in more detail. First, FIG. 22 shows a diagram illustrating the principle of phase difference autofocus in the sensor 15c according to the fourth embodiment. FIG. 22 shows the positional relationship between the evaluation surface (for example, the image surface) formed on the sensor surface and the focal surface on which the image of the light incident from the focus lens is in focus.

図22に示すように、フォーカスが一致している場合、フォーカスレンズから入射した光の像が合焦する合焦面は像面と一致する(図22の上図)。一方、フォーカスがずれている場合、フォーカスレンズから入射した光の像が合焦する合焦面は像面とは異なる位置に形成される(図22の下図)。この合焦面と像面とのズレ量がデフォーカス量となる。 As shown in FIG. 22, when the focus is aligned, the focal plane in which the image of the light incident from the focus lens is in focus coincides with the image plane (upper view of FIG. 22). On the other hand, when the focus is off, the focal plane in which the image of the light incident from the focus lens is in focus is formed at a position different from the image plane (lower figure of FIG. 22). The amount of deviation between the focal plane and the image plane is the defocus amount.

ここで、フォーカスずれが生じている場合に像面で形成される像について説明する。そこで、図23に、フォーカスずれが生じている場合のフォトダイオードの出力を説明するグラフを示す。図23では、横軸に画素ユニット23cのレンズ中心軸からの距離を示す像高を示し、縦軸に画素ユニット23cの出力の大きさを示した。 Here, an image formed on the image plane when the focus shift occurs will be described. Therefore, FIG. 23 shows a graph for explaining the output of the photodiode when the focus shift occurs. In FIG. 23, the horizontal axis shows the image height indicating the distance of the pixel unit 23c from the lens center axis, and the vertical axis shows the magnitude of the output of the pixel unit 23c.

図23に示すように、フォーカスがずれている場合、左画素から出力される信号と、右画素から出力される信号と、が像高方向にずれる。この像ずれ量はデフォーカス量に比例する大きさである。そこで、実施の形態4にかかるセンサ15cを用いたカメラシステム1では、像ずれ量に基づきデフォーカス量を算出してフォーカスレンズ14の位置を決定する。 As shown in FIG. 23, when the focus is off, the signal output from the left pixel and the signal output from the right pixel are shifted in the image height direction. This image shift amount is proportional to the defocus amount. Therefore, in the camera system 1 using the sensor 15c according to the fourth embodiment, the defocus amount is calculated based on the image shift amount to determine the position of the focus lens 14.

実施の形態4にかかるセンサ15cを用いたカメラシステム1のオートフォーカス処理では、センサ15cの画素アレイ22cに配置される全画素ユニットから出力される出力信号が左画素と右画素とで一致するようにフォーカスレンズ14の位置を制御する。また、実施の形態4にかかるセンサ15cを用いたカメラシステム1では、フォーカスレンズ14の位置の制御を、システム制御MCU19がセンサ15cから出力される画像特徴情報DCIに基づき行う。 In the autofocus process of the camera system 1 using the sensor 15c according to the fourth embodiment, the output signals output from all the pixel units arranged in the pixel array 22c of the sensor 15c are matched between the left pixel and the right pixel. The position of the focus lens 14 is controlled. Further, in the camera system 1 using the sensor 15c according to the fourth embodiment, the position of the focus lens 14 is controlled based on the image feature information DCI output from the sensor 15c by the system control MCU 19.

上記説明より、実施の形態4にかかるセンサ15cを用いることで、オートフォーカス処理に用いる画像特徴情報DCIを生成することができる。そして、実施の形態4にかかるセンサ15cを用いたカメラシステム1では、この画像特徴情報DCIに基づくオートフォーカス処理を実施することができる。また、実施の形態4にかかるセンサ15cでは、画像特徴情報DCIを生成する機能を追加しながら、実施の形態1と同様に回路規模の増加を回避し、画素信号の読み出し速度の高速化を実現することができる。 From the above description, the image feature information DCI used for the autofocus process can be generated by using the sensor 15c according to the fourth embodiment. Then, in the camera system 1 using the sensor 15c according to the fourth embodiment, the autofocus process based on the image feature information DCI can be performed. Further, in the sensor 15c according to the fourth embodiment, while adding a function of generating the image feature information DCI, the increase in the circuit scale is avoided and the pixel signal reading speed is increased as in the first embodiment. can do.

実施の形態5
実施の形態5では、画素ユニット23の別の形態となる画素ユニット23d及び画素ユニット23dを含む画素アレイ22dを説明する。画素アレイ22dでは、同一列に配置される異なる画素ユニット23dのフローティングディフュージョンを共通した1つのフローティングディフュージョンとして扱うか、画素ユニット毎に独立したフローティングディフュージョンとして扱うかを切り替える機能を有する。また、実施の形態5では、画素ユニット23dを含むセンサ15をセンサ15dと称す。そこで、図24に実施の形態4にかかるセンサ15dのブロック図を示す。
図24に示すように、実施の形態5にかかるセンサ15dは、画素ユニット23dが格子状に配置される画素アレイ22dを有する。実施の形態5にかかる画素ユニット23dは、1つの画素ユニット当たりのフォトダイオードの個数が2つである。そのため、実施の形態5にかかる画素アレイ22dは、隣接する2列分の画素ユニットを用いてカラーフィルタをベイヤー配置する。また、実施の形態5にかかるセンサ15dにおいても、一列の画素ユニットに対して2本の垂直読み出し線が設けられる。
また、図24に示すように、画素ユニット23dには、それぞれ、2つの転送制御信号TX(図24のTX0、TX1)、リセット制御信号RST、2つの選択信号SEL(図24のSEL_L、SEL_R)、電源配線VDD_PXに加えて、ローカルFD制御信号FDSWL及びグローバルFD制御信号FDSWGが与えられる。
Embodiment 5
In the fifth embodiment, the pixel array 22d including the pixel unit 23d and the pixel unit 23d, which are different forms of the pixel unit 23, will be described. The pixel array 22d has a function of switching whether the floating diffusions of different pixel units 23d arranged in the same row are treated as one common floating diffusion or treated as independent floating diffusions for each pixel unit. Further, in the fifth embodiment, the sensor 15 including the pixel unit 23d is referred to as a sensor 15d. Therefore, FIG. 24 shows a block diagram of the sensor 15d according to the fourth embodiment.
As shown in FIG. 24, the sensor 15d according to the fifth embodiment has a pixel array 22d in which the pixel units 23d are arranged in a grid pattern. The pixel unit 23d according to the fifth embodiment has two photodiodes per pixel unit. Therefore, in the pixel array 22d according to the fifth embodiment, the color filters are Bayer-arranged by using the pixel units for two adjacent rows. Further, also in the sensor 15d according to the fifth embodiment, two vertical read lines are provided for one row of pixel units.
Further, as shown in FIG. 24, the pixel unit 23d has two transfer control signals TX (TX0 and TX1 in FIG. 24), a reset control signal RST, and two selection signals SEL (SEL_L and SEL_R in FIG. 24), respectively. , Power supply wiring In addition to VDD_PX, a local FD control signal FDSWL and a global FD control signal FDSWG are given.

続いて、実施の形態5にかかる画素アレイ22dの具体的な回路構成について説明する。そこで、図25に実施の形態5にかかる画素アレイ22dの回路構成を説明するブロック図を示す。図25に示すように、実施の形態5にかかる15dでは、カラムコントローラ21の構成については、例えば、実施の形態1と同じである。一方、画素アレイ22dでは、配置される画素ユニット内の構成及び画素ユニット内のフローティングディフュージョンを共通化するか否かを切り替えるフローティングディフュージョン共通切替回路232が追加される点が他の実施の形態とは異なる。 Subsequently, a specific circuit configuration of the pixel array 22d according to the fifth embodiment will be described. Therefore, FIG. 25 shows a block diagram illustrating the circuit configuration of the pixel array 22d according to the fifth embodiment. As shown in FIG. 25, in 15d according to the fifth embodiment, the configuration of the column controller 21 is the same as that of the first embodiment, for example. On the other hand, the pixel array 22d is different from other embodiments in that a floating diffusion common switching circuit 232 for switching the configuration in the arranged pixel unit and whether or not the floating diffusion in the pixel unit is shared is added. different.

画素ユニット23dは、それぞれ出力配線切替回路231を有する。この出力配線切替回路231は、選択トランジスタ34に代えて設けられるものである。出力配線切替回路231は、第1の増幅トランジスタ(例えば、自画素ユニット内の増幅トランジスタ33)の出力信号を第1の垂直読み出し配線(例えば、垂直読み出し線PIXOUT_L)と第2の垂直読み出し配線(例えば、垂直読み出し線PIXOUT_R)とのいずれに出力するかを切り替える。 Each of the pixel units 23d has an output wiring switching circuit 231. The output wiring switching circuit 231 is provided in place of the selection transistor 34. The output wiring switching circuit 231 transfers the output signal of the first amplification transistor (for example, the amplification transistor 33 in the own pixel unit) to the first vertical read wiring (for example, the vertical read line PIXOUT_L) and the second vertical read wiring (for example, the vertical read wiring PIXOUT_L). For example, it is switched to which of the vertical read line PIXOUT_R) is output.

フローティングディフュージョン共通切替回路232は、共通化対象の画素ユニット内のフローティングディフュージョンを共通化対象の画素ユニット間で共通して用いるか、個別のフローティングディフュージョンとして用いるかを切り替える。具体的には、共通化対象の画素ユニットの一方に含まれるフローティングディフュージョンを第1のフローティングディフュージョンとし、他方に含まれる第2のフローティングディフュージョンとすると、以下のように考えられる。フローティングディフュージョン共通切替回路232は、第1のフローティングディフュージョンと第2のフローティングディフュージョンとを共通化するか独立させるかを切り替える。 The floating diffusion common switching circuit 232 switches whether the floating diffusion in the pixel unit to be shared is used in common among the pixel units to be shared or used as an individual floating diffusion. Specifically, assuming that the floating diffusion included in one of the pixel units to be shared is the first floating diffusion and the second floating diffusion included in the other, it is considered as follows. The floating diffusion common switching circuit 232 switches whether the first floating diffusion and the second floating diffusion are shared or made independent.

続いて、実施の形態5にかかる画素ユニット23d及びフローティングディフュージョン共通切替回路232の具体的回路について説明する。そこで、図26に実施の形態5にかかる撮像素子内の画素ユニット23dとフローティングディフュージョン共通切替回路232の回路図を示す。 Subsequently, a specific circuit of the pixel unit 23d and the floating diffusion common switching circuit 232 according to the fifth embodiment will be described. Therefore, FIG. 26 shows a circuit diagram of the pixel unit 23d and the floating diffusion common switching circuit 232 in the image pickup device according to the fifth embodiment.

図26に示すように、画素ユニット23dは、実施の形態2で説明した画素ユニット23aの選択トランジスタ34を出力配線切替回路231に置き換えたものである。また、出力配線切替回路231は、選択トランジスタ34、選択トランジスタ35を有する。アナログデジタル変換回路24は、増幅トランジスタ33のソースと、垂直読み出し線PIXOUT_Lとの間に設けられる。選択トランジスタ34は、選択信号SEL_Lにより導通状態が制御される。選択トランジスタ35は、増幅トランジスタ33のソースと垂直読み出し線PIXOUT_Rとの間に設けられる。選択トランジスタ35は、選択信号SEL_Rにより導通状態が制御される。 As shown in FIG. 26, the pixel unit 23d replaces the selection transistor 34 of the pixel unit 23a described in the second embodiment with the output wiring switching circuit 231. Further, the output wiring switching circuit 231 has a selection transistor 34 and a selection transistor 35. The analog-to-digital conversion circuit 24 is provided between the source of the amplification transistor 33 and the vertical readout line PIXOUT_L. The conduction state of the selection transistor 34 is controlled by the selection signal SEL_L. The selection transistor 35 is provided between the source of the amplification transistor 33 and the vertical readout line PIXOUT_R. The conduction state of the selection transistor 35 is controlled by the selection signal SEL_R.

フローティングディフュージョン共通切替回路232は、ローカルスイッチトランジスタ36、グローバルスイッチトランジスタ37を有する。ローカルスイッチトランジスタ36は、対応する画素ユニット23dのフローティングディフュージョンと、グローバルスイッチトランジスタ37のソースとを接続する。グローバルスイッチトランジスタ37は、ドレインが1つ上の行の画素ユニット23dに対応して配置されるフローティングディフュージョン共通切替回路232のグローバルスイッチトランジスタ37のソースと接続される。なお、フローティングディフュージョン共通切替回路232のうち0行目の画素ユニット23dに対応して設けられるフローティングディフュージョン共通切替回路232のグローバルスイッチトランジスタ37のソースはグローバル配線リセットトランジスタのドレインに接続される。このグローバル配線リセットトランジスタは、0行目の画素ユニットに対応して設けられるフローティングディフュージョン共通切替回路232のグローバルスイッチトランジスタ37のソースと電源配線VDD_PXとの間に設けられる。また、グローバル配線リセットトランジスタは、グローバルFDリセット制御信号FDGRSTにより導通状態が制御される。 The floating diffusion common switching circuit 232 includes a local switch transistor 36 and a global switch transistor 37. The local switch transistor 36 connects the floating diffusion of the corresponding pixel unit 23d to the source of the global switch transistor 37. The global switch transistor 37 is connected to the source of the global switch transistor 37 of the floating diffusion common switching circuit 232 whose drain is arranged corresponding to the pixel unit 23d in the row one row above. The source of the global switch transistor 37 of the floating diffusion common switching circuit 232 provided corresponding to the pixel unit 23d on the 0th row of the floating diffusion common switching circuit 232 is connected to the drain of the global wiring reset transistor. This global wiring reset transistor is provided between the source of the global switch transistor 37 of the floating diffusion common switching circuit 232 provided corresponding to the pixel unit on the 0th line and the power supply wiring VDD_PX. Further, the conduction state of the global wiring reset transistor is controlled by the global FD reset control signal FDGRST.

実施の形態5にかかる撮像素子15dでは、通常の画素読み出し処理を行う第1の動作モードに加えて、画素内合成処理後に画素の読み出し処理を行う第2の動作モードを有する。そこで、各動作モード毎の読み出し対象となる画素ユニットの単位について説明する。 The image sensor 15d according to the fifth embodiment has, in addition to the first operation mode in which the normal pixel read-out process is performed, a second operation mode in which the pixel read-out process is performed after the intra-pixel synthesis process. Therefore, the unit of the pixel unit to be read out for each operation mode will be described.

まず、図27に実施の形態5にかかる撮像素子の第1の動作モード時の画素ユニットの構成を示すブロック図を示す。図27に示すように、1つの画素ユニットを1つの読み出し単位とする第1の動作モードでは、フローティングディフュージョン共通切替回路232は、無効化され、各画素ユニット内のフローティングディフュージョンは独立して用いられる。また、偶数行に配置される画素ユニット23d内の出力配線切替回路231は、垂直読み出し線PIXOUT_Lに対して画素ユニットから出力される信号を出力する。奇数行に配置される画素ユニット23d内の出力配線切替回路231は、垂直読み出し線PIXOUT_Rに対して画素ユニットから出力される信号を出力する。 First, FIG. 27 shows a block diagram showing a configuration of a pixel unit in the first operation mode of the image sensor according to the fifth embodiment. As shown in FIG. 27, in the first operation mode in which one pixel unit is one read unit, the floating diffusion common switching circuit 232 is disabled, and the floating diffusion in each pixel unit is used independently. .. Further, the output wiring switching circuit 231 in the pixel unit 23d arranged in even-numbered rows outputs a signal output from the pixel unit to the vertical read line PIXOUT_L. The output wiring switching circuit 231 in the pixel unit 23d arranged in the odd-numbered lines outputs a signal output from the pixel unit to the vertical read line PIXOUT_R.

続いて、図28に実施の形態5にかかる撮像素子の第2の動作モード時の画素ユニットの構成を示すブロック図に示す。図28に示すように、第2の動作モードでは、第1の動作モードで奇数行に配置された画素ユニットと偶数行に配置された画素ユニットとを1つの画素ユニットとして用いる。また、第2の動作モードは1つの画素ユニットとして組み合わされた画素ユニットを2つの画素ユニットの間に配置されるフローティングディフュージョン共通切替回路232を有効化する。これにより、1つの画素ユニットとして組み合わされた画素ユニット内のフローティングディフュージョンが共通化される。そして、第2の動作モードでは、例えば、物理的配置が0行目と1行目となる画素ユニットを組み合わせて合成後の0行目の合成画素ユニットとし、物理的配置が2行目と3行目となる画素ユニットを組み合わせて合成後の1行目の合成画素ユニットとする。また、組み合わせ後の行番号が偶数番目となる合成画素ユニットの出力配線切替回路231は、増幅トランジスタ33の出力を垂直読み出し線PIXOUT_Lに出力する。組み合わせ後の行番号が奇数番目となる合成画素ユニットの出力配線切替回路231は、増幅トランジスタ33の出力を垂直読み出し線PIXOUT_Rに出力する。 Subsequently, FIG. 28 is shown in a block diagram showing the configuration of the pixel unit in the second operation mode of the image pickup device according to the fifth embodiment. As shown in FIG. 28, in the second operation mode, the pixel units arranged in the odd-numbered rows and the pixel units arranged in the even-numbered rows in the first operation mode are used as one pixel unit. The second operation mode also enables the floating diffusion common switching circuit 232 in which the pixel units combined as one pixel unit are arranged between the two pixel units. As a result, the floating diffusion in the pixel units combined as one pixel unit is standardized. Then, in the second operation mode, for example, the pixel units whose physical arrangements are the 0th row and the 1st row are combined to form the composite pixel unit of the 0th row after the synthesis, and the physical arrangements are the 2nd row and the 3rd row. The pixel units in the first row are combined to form the composite pixel unit in the first row after synthesis. Further, the output wiring switching circuit 231 of the composite pixel unit whose line number after the combination is an even number outputs the output of the amplification transistor 33 to the vertical read line PIXOUT_L. The output wiring switching circuit 231 of the composite pixel unit whose line number after the combination is an odd number outputs the output of the amplification transistor 33 to the vertical read line PIXOUT_R.

つまり、実施の形態5にかかる撮像素子15dでは、第2の動作モードでは、第1の合成画素ユニット及び第2の合成画素ユニットが、それぞれ、少なくとも2つの合成対象画素ユニット(例えば、図28の各行に属する画素ユニットに含まれる2つの画素ユニット23d)と、複数の合成対象画素ユニット内のフローティングディフュージョン同士でそれらの合成対象画素ユニットを互いに共通化するか独立させるかを切り替えるフローティングディフュージョン共通切替回路232と、を有する。一方、実施の形態5にかかる撮像素子15dは、第1の動作モードでは、この合成対象画素ユニットを独立した画素ユニットとして制御する。 That is, in the image sensor 15d according to the fifth embodiment, in the second operation mode, the first composite pixel unit and the second composite pixel unit each have at least two composite target pixel units (for example, FIG. 28). Floating diffusion common switching circuit that switches whether the two pixel units 23d) included in the pixel units belonging to each row and the floating diffusions in the plurality of synthesis target pixel units share or make the synthesis target pixel units common to each other. It has 232 and. On the other hand, the image sensor 15d according to the fifth embodiment controls the synthesis target pixel unit as an independent pixel unit in the first operation mode.

また、実施の形態5にかかる撮像素子15dは、複数の前記合成対象画素ユニットは、それぞれ、受光素子(例えば、フォトダイオードPD0、PD1)と、受光素子に対応して設けられる転送トランジスタ(例えば、転送トランジスタ310、311)と、転送トランジスタに対して設けられるフローティングディフュージョンFD及び増幅トランジスタ33と、増幅トランジスタ33の出力信号を第1の垂直読み出し配線(例えば、垂直読み出し線PIXOUT_L)と第2の垂直読み出し配線(例えば、垂直読み出し線PIXOUT_R)とのいずれに出力するかを切り替える出力配線切替回路231を有する。 Further, in the image pickup element 15d according to the fifth embodiment, the plurality of synthesis target pixel units are each of a light receiving element (for example, photodiodes PD0 and PD1) and a transfer transistor (for example, a transfer transistor) provided corresponding to the light receiving element. The transfer transistor 310, 311), the floating diffusion FD and amplification transistor 33 provided for the transfer transistor, and the output signal of the amplification transistor 33 are connected to the first vertical read wiring (for example, vertical read line PIXOUT_L) and the second vertical. It has an output wiring switching circuit 231 for switching which output is output to the read wiring (for example, the vertical read line PIXOUT_R).

そして、実施の形態5にかかる撮像素子15dでは、タイミング制御回路(例えば、ロウコントローラ20)は、フローティングディフュージョン共通切替回路232に対して、複数の合成対象画素ユニット内のフローティングディフュージョンを独立させることを指示する第1の動作モードにおいては、偶数行目になる合成対象画素ユニット内の出力配線切替回路231に増幅トランジスタの出力信号を出力する配線が垂直読み出し配線PIXOUT_Lとなり、奇数行目になる前記合成対象画素ユニット内の出力配線切替回路231に増幅トランジスタの出力信号を出力する配線が垂直読み出し配線PIXOUT_Rとなるような指示を行う。また、タイミング制御回路(例えば、ロウコントローラ20)は、フローティングディフュージョン共通切替回路231に対して、複数の合成対象画素ユニット内のフローティングディフュージョンを共通化させることを指示する第2の動作モードにおいては、合成後の奇数行目に配置される第1の合成画素ユニットに属する合成対象画素ユニットの出力配線切替回路231に増幅トランジスタの出力信号を出力する配線が垂直読み出し配線PIXOUT_Lとなり、合成後の奇数行目に配置される第2の合成画素ユニットに属する合成対象画素ユニットの出力配線切替回路231に増幅トランジスタの出力信号を出力する配線が垂直読み出し配線PIXOUT_Rとなるような指示を行う。 Then, in the image pickup element 15d according to the fifth embodiment, the timing control circuit (for example, the row controller 20) makes the floating diffusion in the plurality of synthesis target pixel units independent of the floating diffusion common switching circuit 232. In the first operation mode to be instructed, the wiring that outputs the output signal of the amplification transistor to the output wiring switching circuit 231 in the pixel unit to be combined, which is on the even line, is the vertical read wiring PIXOUT_L, and the composition is on the odd line. An instruction is given to the output wiring switching circuit 231 in the target pixel unit so that the wiring that outputs the output signal of the amplification transistor becomes the vertical read wiring PIXOUT_R. Further, in the second operation mode, the timing control circuit (for example, the row controller 20) instructs the floating diffusion common switching circuit 231 to share the floating diffusion in the plurality of synthesis target pixel units. The wiring that outputs the output signal of the amplification transistor to the output wiring switching circuit 231 of the synthesis target pixel unit belonging to the first synthesis pixel unit arranged in the odd line after synthesis becomes the vertical read wiring PIXOUT_L, and the odd line after synthesis An instruction is given to the output wiring switching circuit 231 of the synthesis target pixel unit belonging to the second synthesis pixel unit arranged in the eye so that the wiring for outputting the output signal of the amplification transistor becomes the vertical read wiring PIXOUT_R.

続いて、実施の形態5にかかる撮像素子15dの動作について、タイミングチャートを用いて説明を行う。なお、実施の形態1にかかる15dの第1の動作モードの動作は、例えば、ローカルFD制御信号FDSWL及びグローバルFD制御信号FDSWGを共にロウレベルとすることで、実施の形態2にかかる撮像素子15aの動作と同じ動作となるため、ここでは、第1の動作モードに関する説明を省略する。そこで、図29に実施の形態5にかかる撮像素子の第2の動作モード時の動作例を説明するタイミングチャートを示す。 Subsequently, the operation of the image pickup device 15d according to the fifth embodiment will be described using a timing chart. In the operation of the first operation mode of 15d according to the first embodiment, for example, by setting both the local FD control signal FDSWL and the global FD control signal FDSWG to a low level, the image sensor 15a according to the second embodiment can be operated. Since the operation is the same as the operation, the description of the first operation mode will be omitted here. Therefore, FIG. 29 shows a timing chart for explaining an operation example of the image pickup device according to the fifth embodiment in the second operation mode.

図29に示すように、第2の動作モードでは、ローカルFD制御信号FDSWL<0>、FDSWL<1>、グローバルFD制御信号FDSWG<0>、及び選択信号SEL_L<0>、SEL_L<1>を合成画素ユニットからの出力タイミングに合わせてハイレベルとロウレベルを切り替え、かつ、グローバルFD制御信号FDSWG<1>、及び選択信号SEL_R<0>、SEL_R<1>をロウレベルで維持する。また、ローカルFD制御信号FDSWL<2>、FDSWL<3>、グローバルFD制御信号FDSWG<2>、及び選択信号SEL_R<2>、SEL_R<3>を合成画素ユニットからの出力タイミングに合わせてハイレベルとロウレベルを切り替え、かつ、グローバルFD制御信号FDSWG<3>、及び選択信号SEL_L<2>、SEL_L<3>をロウレベルで維持する。このような制御を行うことで、実施の形態5にかかる撮像素子15dは、図28で示した回路構成とし、かつ、実施の形態2にかかる撮像素子15dと同じ読み出し動作を行う。また、実施の形態5にかかる撮像素子では、垂直読み出し線PIXPOUT_L、PIXOUT_Rに出力される信号は、2つの合成対象画素ユニット内で2つのフォトダイオードで生成された信号を合成したものとなる。 As shown in FIG. 29, in the second operation mode, the local FD control signals FDSWL <0> and FDSWL <1>, the global FD control signals FDSWG <0>, and the selection signals SEL_L <0> and SEL_L <1> are used. The high level and the low level are switched according to the output timing from the composite pixel unit, and the global FD control signal FDSWG <1> and the selection signals SEL_R <0> and SEL_R <1> are maintained at the low level. Further, the local FD control signals FDSWL <2>, FDSWL <3>, global FD control signals FDSWG <2>, and selection signals SEL_R <2> and SEL_R <3> are set at a high level according to the output timing from the composite pixel unit. And the low level are switched, and the global FD control signal FDSWG <3> and the selection signals SEL_L <2> and SEL_L <3> are maintained at the low level. By performing such control, the image sensor 15d according to the fifth embodiment has the circuit configuration shown in FIG. 28, and performs the same reading operation as the image sensor 15d according to the second embodiment. Further, in the image sensor according to the fifth embodiment, the signals output to the vertical readout lines PIXPOUT_L and PIXOUT_R are obtained by synthesizing the signals generated by the two photodiodes in the two pixel units to be combined.

上記説明より、実施の形態5にかかる撮像素子15dでは、2つの合成対象画素ユニットにより1つの合成画素ユニットを構成し、かつ、2つの合成対象画素ユニット内のフローティングディフュージョンを共通化する。そして、実施の形態5にかかる撮像素子15dでは、2つの合成対象画素ユニット内の2つのフォトダイオードにより生成された信号を合成画素ユニット内で合成した上で垂直読み出し線に出力する。これにより、実施の形態5にかかる撮像素子15dは、画素アレイ22d内で生成される信号のS/N比を高めることができる。 From the above description, in the image sensor 15d according to the fifth embodiment, one composite pixel unit is configured by the two synthesis target pixel units, and the floating diffusion in the two synthesis target pixel units is shared. Then, in the image pickup device 15d according to the fifth embodiment, the signals generated by the two photodiodes in the two synthesis target pixel units are combined in the synthesis pixel unit and then output to the vertical readout line. As a result, the image sensor 15d according to the fifth embodiment can increase the S / N ratio of the signal generated in the pixel array 22d.

また、実施の形態5にかかる撮像素子15dでは、画素ユニット内に出力配線切替回路231を有することで、垂直読み出し線毎に伝達する信号に対応するカラーフィルタの色を固定することができる。そこで、カラーフィルタの色と、信号を伝達する垂直読み出し線との対応について説明する。図30に実施の形態5にかかる撮像素子の第1の動作モード時の読み出し動作の変形例を説明する図を示す。図30に示す例では、第1の動作モード時の動作について書いたが、第2の動作モードにおいても同様の動作は可能である。 Further, in the image pickup device 15d according to the fifth embodiment, by having the output wiring switching circuit 231 in the pixel unit, the color of the color filter corresponding to the signal transmitted for each vertical readout line can be fixed. Therefore, the correspondence between the color of the color filter and the vertical readout line for transmitting the signal will be described. FIG. 30 shows a diagram illustrating a modified example of the read operation in the first operation mode of the image sensor according to the fifth embodiment. In the example shown in FIG. 30, the operation in the first operation mode is described, but the same operation is possible in the second operation mode.

図30に示すように、実施の形態5にかかる撮像素子15dでは、同一の画素ユニットから信号を出力する場合であっても第1の読み出しタイミングと第2の読み出しタイミングとで信号の出力に用いる選択トランジスタを切り替える。これにより、例えば、赤色のカラーフィルタに対応する出力信号は垂直読み出し線PIXOUT_Rを介して出力する撮像素子を構成することができる。 As shown in FIG. 30, the image sensor 15d according to the fifth embodiment is used for signal output at the first read timing and the second read timing even when a signal is output from the same pixel unit. Switch the selected transistor. Thereby, for example, an image sensor that outputs the output signal corresponding to the red color filter via the vertical readout line PIXOUT_R can be configured.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。 Although the invention made by the present inventor has been specifically described above based on the embodiments, the present invention is not limited to the embodiments already described, and various changes can be made without departing from the gist thereof. It goes without saying that it is possible.

1 カメラシステム
11 ズームレンズ
12 絞り機構
13 固定レンズ
14 フォーカスレンズ
15、15a、15b、15c センサ
16 ズームレンズアクチュエータ
17 フォーカスレンズアクチュエータ
18 信号処理回路
19 システム制御MCU
20 ロウコントローラ
21 カラムコントローラ
22、22a、22b、22c、22d 画素アレイ
23、23a、23b、23c、23d 画素ユニット
24 アナログデジタル変換回路
25、26 転送スイッチ
310〜313 転送トランジスタ
32 リセットトランジスタ
33 増幅トランジスタ
34 選択トランジスタ
35 選択トランジスタ
36 ローカルスイッチトランジスタ
37 グローバルスイッチトランジスタ
231 出力配線切替回路
232 フローティングディフュージョン共通切替回路
41 参照電圧生成回路
42 制御信号生成回路
43 ランプ信号生成回路
510〜517 転送トランジスタ
61 Nサブ層
62 Pウェル層
63〜65 配線
66 カラーフィルタ
67 マイクロレンズ
PD0〜PD4 フォトダイオード
FD フローティングディフュージョン
Cline_L、Cline_R 配線容量
Rwire_L、Rwire_R 配線抵抗
Ri_L、Ri_R 抵抗
Ipx_L、Ipx_R 画素電流源
PIXOUT_R、PIXOUT_L 垂直読み出し線
Do 画素情報
DOUT 画素出力値
TX 転送制御信号
RST リセット制御信号
SEL 選択信号
LINE_SEL_L、LINE_SEL_R 読み出し線選択信号
VDD_PX 電源配線
FDSWL ローカルFD制御信号
FDSWG グローバルFD制御信号
1 Camera system 11 Zoom lens 12 Aperture mechanism 13 Fixed lens 14 Focus lens 15, 15a, 15b, 15c Sensor 16 Zoom lens actuator 17 Focus lens actuator 18 Signal processing circuit 19 System control MCU
20 Row controller 21 Column controller 22, 22a, 22b, 22c, 22d Pixel array 23, 23a, 23b, 23c, 23d Pixel unit 24 Analog digital conversion circuit 25, 26 Transfer switch 310-313 Transfer transistor 32 Reset transistor 33 Amplification transistor 34 Selective transistor 35 Selective transistor 36 Local switch transistor 37 Global switch transistor 231 Output wiring switching circuit 232 Floating diffusion common switching circuit 41 Reference voltage generation circuit 42 Control signal generation circuit 43 Lamp signal generation circuit 510-517 Transfer transistor 61 N sublayer 62 P Well layer 63-65 Wiring 66 Color filter 67 Microlens PD0 to PD4 Photo diode FD Floating diffusion Cline_L, Cline_R Wiring capacity Rware_L, Rwire_R Wiring resistance Ri_L, Ri_R resistance Ipx_L, Ipx_R Pixel current source PIXOUT_R Pixel output value TX Transfer control signal RST Reset control signal SEL selection signal LINE_SEL_L, LINE_SEL_R Read line selection signal VDD_PX Power supply wiring FDSWL Local FD control signal FDSWG Global FD control signal

Claims (11)

複数の画素ユニットをアレイ状に備える画素アレイと、
前記画素アレイに含まれる、第1の画素ユニットと前記第1の画素ユニットと同一列に配置される第2の画素ユニットと、
前記第1の画素ユニットに設けられた第1のフローティングディフュージョンと、
前記第2の画素ユニットに設けられた第2のフローティングディフュージョンと、
前記第1の画素ユニットに接続される第1の垂直読み出し線と、
前記第2の画素ユニットに接続される第2の垂直読み出し線と、
前記第1の垂直読み出し線の一端に設けられる第1の転送スイッチと、
前記第2の垂直読み出し線の一端に設けられる第2の転送スイッチと、
前記第1の転送スイッチ及び前記第2の転送スイッチを介して入力される信号の信号レベルのいずれか一つに応じたデジタル値を出力するアナログデジタル変換回路と、
前記第1、第2の画素ユニット、前記第1、第2の転送スイッチ、及び前記アナログデジタル変換回路の動作タイミングを制御するタイミング制御回路と、
を有し、
前記タイミング制御回路は、1画素に対する変換処理期間内に、
前記第1の転送スイッチを遮断状態にした時に、前記第1のフローティングディフュージョンと前記第1の垂直読み出し線の信号レベルをダークレベルにリセットし、
前変換処理期間において前記第2の垂直読み出し線にセットされたダークレベル信号と、前記第2の転送スイッチを導通状態にして前記第2のフローティングディフュージョンと前記第2の垂直読み出し線を介して転送される前記第2の画素ユニットの画素信号と、順に前記アナログデジタル変換回路に与える撮像素子。
A pixel array that has multiple pixel units in an array,
A first pixel unit included in the pixel array and a second pixel unit arranged in the same row as the first pixel unit,
With the first floating diffusion provided in the first pixel unit,
With the second floating diffusion provided in the second pixel unit,
A first vertical readout line connected to the first pixel unit,
A second vertical readout line connected to the second pixel unit,
A first transfer switch provided at one end of the first vertical read line and
A second transfer switch provided at one end of the second vertical read line and
An analog-to-digital conversion circuit that outputs a digital value corresponding to any one of the signal levels of the signal input via the first transfer switch and the second transfer switch.
A timing control circuit that controls the operation timing of the first and second pixel units, the first and second transfer switches, and the analog-to-digital conversion circuit.
Have,
The timing control circuit is within the conversion processing period for one pixel.
When the first transfer switch is turned off, the signal levels of the first floating diffusion and the first vertical readout line are reset to dark levels.
Before the dark level signal is set to said second vertical read lines in the conversion processing period, through the second SL prior to the transfer switch in a conducting state the second floating diffusion and the second vertical read lines An image pickup device that sequentially feeds a pixel signal of the second pixel unit to be transferred to the analog-to-digital conversion circuit.
前記タイミング制御回路は、
前記第2の転送スイッチを導通状態にした時、前記第2の画素ユニットの画素信号を前記アナログデジタル変換回路に転送する前に、
前記第2のフローティングディフュージョンと前記第2の垂直読み出し線のダークレベルを前記アナログデジタル変換回路に転送する請求項1に記載の撮像素子。
The timing control circuit
When the second transfer switch is made conductive, before transferring the pixel signal of the second pixel unit to the analog-to-digital conversion circuit,
The image pickup device according to claim 1, wherein the dark level of the second floating diffusion and the second vertical readout line is transferred to the analog-to-digital conversion circuit.
前記第1の画素ユニット及び前記第2の画素ユニットに代えて設けられる第1、第2の合成画素ユニットを有し、前記第1の合成画素ユニット及び前記第2の合成画素ユニットは、それぞれ、
少なくとも2つの合成対象画素ユニットと、
複数の合成対象画素ユニット内のフローティングディフュージョンと合成対象画素ユニットを共通化するか独立させるかを切り替えるフローティングディフュージョン共通切替回路と、を有し、
複数の前記合成対象画素ユニットは、それぞれ、
受光素子と、
前記受光素子に対応して設けられる転送トランジスタと、
前記転送トランジスタに対して設けられるフローティングディフュージョン及び増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタの出力信号を前記第1の垂直読み出し配線と前記第2の垂直読み出し配線とのいずれに出力するかを切り替える出力配線切替回路を有し、
前記タイミング制御回路は、
前記フローティングディフュージョン共通切替回路に対して、複数の前記合成対象画素ユニット内の前記フローティングディフュージョンを独立させることを指示する第1の動作モードにおいては、
偶数行目になる前記合成対象画素ユニット内の前記出力配線切替回路に前記増幅トランジスタの出力信号を出力する配線が前記第1の垂直読み出し配線となり、
奇数行目になる前記合成対象画素ユニット内の前記出力配線切替回路に前記増幅トランジスタの出力信号を出力する配線が前記第2の垂直読み出し配線となるような指示を行い、
前記フローティングディフュージョン共通切替回路に対して、複数の前記合成対象画素ユニット内の前記フローティングディフュージョンを共通化させることを指示する第2の動作モードにおいては、
前記第1の合成画素ユニットに属する前記合成対象画素ユニットの前記出力配線切替回路に前記増幅トランジスタの出力信号を出力する配線が前記第1の垂直読み出し配線となり、
前記第2の合成画素ユニットに属する前記合成対象画素ユニットの前記出力配線切替回路に前記増幅トランジスタの出力信号を出力する配線が前記第2の垂直読み出し配線となるような指示を行う請求項1に記載の撮像素子。
It has a first and second composite pixel unit provided in place of the first pixel unit and the second pixel unit, and the first composite pixel unit and the second composite pixel unit are each provided.
At least two pixel units to be combined and
It has a floating diffusion in a plurality of pixel units to be combined and a floating diffusion common switching circuit for switching whether the pixel units to be combined are shared or independent.
The plurality of pixel units to be combined are each
With the light receiving element
A transfer transistor provided corresponding to the light receiving element and
Floating diffusion and amplification transistors provided for the transfer transistor, and
It has an output wiring switching circuit for switching whether the output signal of the amplification transistor is output to the first vertical read wiring or the second vertical read wiring.
The timing control circuit
In the first operation mode in which the floating diffusion common switching circuit is instructed to make the floating diffusion in the plurality of synthesis target pixel units independent.
The wiring that outputs the output signal of the amplification transistor to the output wiring switching circuit in the synthesis target pixel unit on the even-numbered line becomes the first vertical read wiring.
An instruction is given to the output wiring switching circuit in the synthesis target pixel unit on the odd-numbered line so that the wiring that outputs the output signal of the amplification transistor becomes the second vertical read wiring.
In the second operation mode in which the floating diffusion common switching circuit is instructed to make the floating diffusion in the plurality of synthesis target pixel units common.
The wiring that outputs the output signal of the amplification transistor to the output wiring switching circuit of the synthesis target pixel unit belonging to the first synthesis pixel unit becomes the first vertical read wiring.
The first aspect of claim 1 is instructing the output wiring switching circuit of the synthesis target pixel unit belonging to the second synthesis pixel unit so that the wiring that outputs the output signal of the amplification transistor becomes the second vertical read wiring. The image pickup device described.
第1の垂直読み出し線に接続される第1の画素ユニットと、
第2の垂直読み出し線に接続され、前記第1の画素ユニットと同一列に配置される第2の画素ユニットと、
前記第1の垂直読み出し線の一端に設けられる第1の転送スイッチと、
前記第2の垂直読み出し線の一端に設けられる第2の転送スイッチと、
前記第1の転送スイッチ及び前記第2の転送スイッチを介して入力される信号の信号レベルに応じたデジタル値を出力するアナログデジタル変換回路と、
前記第1、第2の画素ユニット、前記第1、第2の転送スイッチ、及び前記アナログデジタル変換回路の動作タイミングを制御するタイミング制御回路と、を有し、
前記タイミング制御回路は、
前記第1の転送スイッチと前記第2の転送スイッチとのうち遮断状態に制御された一方の転送スイッチに接続されるリセット対象垂直読み出し線と、当該リセット対象垂直読み出し線に接続される画素ユニット内のフローティングディフュージョンと、の信号レベルをダークレベルにリセットするリセット処理と、
前記第1の転送スイッチと前記第2の転送スイッチとのうち導通状態に制御された他方の転送スイッチに接続される読み出し対象垂直読み出し線から出力されるダークレベルを有するダークレベル信号のデジタル値へ変換する第1の変換処理と、前記読み出し対象垂直読み出し線に接続される画素ユニットから前記アナログデジタル変換回路への画素信号の出力、及び、前記画素信号のデジタル値へ変換する第2の変換処理とを、行う変換出力処理と、
が1つの期間内で並列して行われるように前記第1、第2の画素ユニット、前記第1、第2の転送スイッチ、及び前記アナログデジタル変換回路を制御する撮像素子。
The first pixel unit connected to the first vertical readout line and
A second pixel unit connected to the second vertical readout line and arranged in the same row as the first pixel unit.
A first transfer switch provided at one end of the first vertical read line and
A second transfer switch provided at one end of the second vertical read line and
An analog-to-digital conversion circuit that outputs a digital value according to the signal level of a signal input via the first transfer switch and the second transfer switch.
It has the first and second pixel units, the first and second transfer switches, and a timing control circuit that controls the operation timing of the analog-to-digital conversion circuit.
The timing control circuit
Within the pixel unit connected to the reset target vertical read line connected to one of the first transfer switch and the second transfer switch controlled to the cutoff state, and the reset target vertical read line. Floating diffusion, reset processing to reset the signal level to dark level,
To the digital value of the dark level signal having a dark level output from the read target vertical read line connected to the other transfer switch controlled to be conductive among the first transfer switch and the second transfer switch. a first conversion processing for converting an output of the pixel signal from the pixel unit connected to the read-target vertical read-out line to the analog-to-digital converter, and a second to convert to a digital value of the pixel signal Conversion processing that performs conversion processing and conversion output processing
An image pickup device that controls the first and second pixel units, the first and second transfer switches, and the analog-to-digital conversion circuit so that the above can be performed in parallel within one period.
前記タイミング制御回路は、
前記アナログデジタル変換回路がアナログ値を有する信号をデジタル値に変換するアナログデジタル変換処理を行っている期間以外の期間において前記画素ユニットに前記リセット処理を指示するリセット制御信号の論理レベルを切り替える請求項4に記載の撮像素子。
The timing control circuit
A claim for switching the logic level of a reset control signal that instructs the pixel unit to perform the reset process during a period other than the period during which the analog-to-digital conversion circuit converts a signal having an analog value into a digital value. The imaging element according to 4.
前記第1、第2の画素ユニットは、複数の受光素子と、前記受光素子に対応して設けられる複数の転送トランジスタと、前記複数の転送トランジスタに対して共通に設けられるフローティングディフュージョン及び増幅トランジスタと、を有し、
前記タイミング制御回路は、
前記第1の画素ユニット及び前記第2の画素ユニットから交互に前記画素信号が出力されるように、前記第1の画素ユニット及び前記第2の画素ユニット内の前記転送トランジスタを制御する請求項4に記載の撮像素子。
The first and second pixel units include a plurality of light receiving elements, a plurality of transfer transistors provided corresponding to the light receiving elements, and floating diffusion and amplification transistors commonly provided for the plurality of transfer transistors. Have,
The timing control circuit
4. Claim 4 that controls the transfer transistor in the first pixel unit and the second pixel unit so that the pixel signals are alternately output from the first pixel unit and the second pixel unit. The image pickup device according to.
前記第1、第2の画素ユニットは、1つのマイクロレンズの下部に隣接して配置された右光電変換素子と左光電変換素子を1つの受光素子として備え、
前記第1、第2の垂直読み出し線は、それぞれ、n列目に配置される画素ユニットの前記右光電変換素子とn+1列目に配置される画素ユニットの前記左光電変換素子とにより共用される請求項4に記載の撮像素子。
The first and second pixel units include a right photoelectric conversion element and a left photoelectric conversion element arranged adjacent to each other under one microlens as one light receiving element.
The first and second vertical readout lines are shared by the right photoelectric conversion element of the pixel unit arranged in the nth row and the left photoelectric conversion element of the pixel unit arranged in the n + 1 row, respectively. The image pickup device according to claim 4.
前記第1の垂直読み出し線と前記第2の垂直読み出し線とには、それぞれ、対応する読み出し線から電流を引き抜く画素電流源が設けられる請求項4に記載の撮像素子。 The image pickup device according to claim 4, wherein each of the first vertical read line and the second vertical read line is provided with a pixel current source that draws a current from the corresponding read line. 前記アナログデジタル変換回路は、前記第1の転送スイッチと前記第2の転送スイッチとに対して共通に設けられる入力端子を有し、
前記第1の転送スイッチを介して入力されるダークレベル信号のデジタル値への変換及び前記画素信号のデジタル値への変換と、前記第2の転送スイッチを介して入力されるダークレベル信号のデジタル値への変換及び前記画素信号のデジタル値への変換と、を交互に実施する請求項4に記載の撮像素子。
The analog-to-digital conversion circuit has an input terminal commonly provided for the first transfer switch and the second transfer switch.
The conversion of the dark level signal input via the first transfer switch to a digital value, the conversion of the pixel signal to a digital value, and the digital conversion of the dark level signal input via the second transfer switch. The imaging device according to claim 4, wherein conversion to a value and conversion of the pixel signal to a digital value are alternately performed.
前記第1の画素ユニット及び前記第2の画素ユニットに代えて設けられる第1、第2の合成画素ユニットを有し、前記第1の合成画素ユニット及び前記第2の合成画素ユニットは、それぞれ、
少なくとも2つの合成対象画素ユニットと、
複数の合成対象画素ユニット内のフローティングディフュージョンと合成対象画素ユニットを共通化するか独立させるかを切り替えるフローティングディフュージョン共通切替回路と、を有し、
複数の前記合成対象画素ユニットは、それぞれ、
受光素子と、
前記受光素子に対応して設けられる転送トランジスタと、
前記転送トランジスタに対して設けられるフローティングディフュージョン及び増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタの出力信号を前記第1の垂直読み出し配線と前記第2の垂直読み出し配線とのいずれに出力するかを切り替える出力配線切替回路を有し、
前記タイミング制御回路は、
前記フローティングディフュージョン共通切替回路に対して、複数の前記合成対象画素ユニット内の前記フローティングディフュージョンを独立させることを指示する第1の動作モードにおいては、
偶数行目になる前記合成対象画素ユニット内の前記出力配線切替回路に前記増幅トランジスタの出力信号を出力する配線が前記第1の垂直読み出し配線となり、
奇数行目になる前記合成対象画素ユニット内の前記出力配線切替回路に前記増幅トランジスタの出力信号を出力する配線が前記第2の垂直読み出し配線となるような指示を行い、
前記フローティングディフュージョン共通切替回路に対して、複数の前記合成対象画素ユニット内の前記フローティングディフュージョンを共通化させることを指示する第2の動作モードにおいては、
前記第1の合成画素ユニットに属する前記合成対象画素ユニットの前記出力配線切替回路に前記増幅トランジスタの出力信号を出力する配線が前記第1の垂直読み出し配線となり、
前記第2の合成画素ユニットに属する前記合成対象画素ユニットの前記出力配線切替回路に前記増幅トランジスタの出力信号を出力する配線が前記第2の垂直読み出し配線となるような指示を行う請求項4に記載の撮像素子。
It has a first and second composite pixel unit provided in place of the first pixel unit and the second pixel unit, and the first composite pixel unit and the second composite pixel unit are each provided.
At least two pixel units to be combined and
It has a floating diffusion in a plurality of pixel units to be combined and a floating diffusion common switching circuit for switching whether the pixel units to be combined are shared or independent.
The plurality of pixel units to be combined are each
With the light receiving element
A transfer transistor provided corresponding to the light receiving element and
Floating diffusion and amplification transistors provided for the transfer transistor, and
It has an output wiring switching circuit for switching whether the output signal of the amplification transistor is output to the first vertical read wiring or the second vertical read wiring.
The timing control circuit
In the first operation mode in which the floating diffusion common switching circuit is instructed to make the floating diffusion in the plurality of synthesis target pixel units independent.
The wiring that outputs the output signal of the amplification transistor to the output wiring switching circuit in the synthesis target pixel unit on the even-numbered line becomes the first vertical read wiring.
An instruction is given to the output wiring switching circuit in the synthesis target pixel unit on the odd-numbered line so that the wiring that outputs the output signal of the amplification transistor becomes the second vertical read wiring.
In the second operation mode in which the floating diffusion common switching circuit is instructed to make the floating diffusion in the plurality of synthesis target pixel units common.
The wiring that outputs the output signal of the amplification transistor to the output wiring switching circuit of the synthesis target pixel unit belonging to the first synthesis pixel unit becomes the first vertical read wiring.
The fourth aspect of claim 4 is instructing the output wiring switching circuit of the synthesis target pixel unit belonging to the second synthesis pixel unit so that the wiring that outputs the output signal of the amplification transistor becomes the second vertical read wiring. The image pickup device described.
前記受光素子は、複数の受光素子を含む請求項10に記載の撮像素子。 The image pickup element according to claim 10, wherein the light receiving element includes a plurality of light receiving elements.
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