JP6812160B2 - Control method of solid-state image sensor, image sensor and solid-state image sensor - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像素子、撮像装置及び固体撮像素子の制御方法に関する。 The present invention relates to a solid-state image sensor, an image pickup device, and a method for controlling a solid-state image sensor.
特許文献1には、光センサと、光センサから出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換回路(以下、AD変換回路とする)と、を有する固体撮像素子が開示されている。また、当該文献には、複数の光センサを共通のAD変換回路に接続させることで、回路規模を低減させた固体撮像素子も開示されている。
特許文献1に記載された固体撮像素子のように複数の光電変換部がAD変換回路等の信号処理回路を共有する構成において、複数の光電変換部から得られた信号は同時に処理されない。そのため、信号処理回路での処理に長時間を要する場合がある。したがって、回路規模の低減と処理の高速化の両立が課題となり得る。
In a configuration in which a plurality of photoelectric conversion units share a signal processing circuit such as an AD conversion circuit as in the solid-state image pickup device described in
そこで、本発明は、回路規模の低減と処理の高速化の両立が可能な固体撮像素子及び撮像装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a solid-state image pickup device and an image pickup apparatus capable of both reducing the circuit scale and speeding up the processing.
本発明の一実施形態に係る固体撮像素子は、少なくとも1つの第1の光電変換部と、複数の第2の光電変換部と、前記少なくとも1つの前記第1の光電変換部に対応して設けられ、前記第1の光電変換部で生成された電荷に基づく第1の信号を処理する第1の信号処理回路と、前記複数の前記第2の光電変換部に対応して設けられ、前記第2の光電変換部で生成された電荷に基づく第2の信号を処理する第2の信号処理回路と、前記第1の光電変換部と前記第1の信号処理回路との間に設けられ、前記第1の光電変換部で生成された電荷に基づく前記第1の信号を増幅する第1の増幅手段と、前記第2の光電変換部と前記第2の信号処理回路との間に設けられ、前記第2の光電変換部で生成された電荷に基づく前記第2の信号を増幅する第2の増幅手段と、を備え、前記第2の信号の強度が、前記第1の信号の強度よりも小さく、前記第2の信号処理回路に対応する前記第2の光電変換部の個数が、前記第1の信号処理回路に対応する前記第1の光電変換部の個数よりも多く、前記第2の増幅手段の増幅率が、前記第1の増幅手段の増幅率よりも小さいことを特徴とする。 The solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention is provided corresponding to at least one first photoelectric conversion unit, a plurality of second photoelectric conversion units, and at least one said first photoelectric conversion unit. A first signal processing circuit that processes a first signal based on the charge generated by the first photoelectric conversion unit, and a plurality of the second photoelectric conversion units are provided. A second signal processing circuit that processes a second signal based on the charge generated by the photoelectric conversion unit 2 is provided between the first photoelectric conversion unit and the first signal processing circuit. A first amplification means for amplifying the first signal based on the charge generated by the first photoelectric conversion unit is provided between the second photoelectric conversion unit and the second signal processing circuit. A second amplification means for amplifying the second signal based on the charge generated by the second photoelectric conversion unit is provided, and the strength of the second signal is higher than the strength of the first signal. small, wherein the second number of photoelectric conversion units corresponding to the second signal processing circuit, rather multi than the first number of photoelectric conversion units corresponding to the first signal processing circuit, the second The amplification factor of the amplification means is smaller than the amplification factor of the first amplification means .
本発明の一実施形態に係る撮像装置は、少なくとも1つの第1の光電変換部と、複数の第2の光電変換部と、前記少なくとも1つの前記第1の光電変換部に対応して設けられ、前記第1の光電変換部で生成された電荷に基づく第1の信号を処理する第1の信号処理回路と、前記複数の前記第2の光電変換部に対応して設けられ、前記第2の光電変換部で生成された電荷に基づく第2の信号を処理する第2の信号処理回路と、前記第1の光電変換部と前記第1の信号処理回路との間に設けられ、前記第1の光電変換部で生成された電荷に基づく前記第1の信号を増幅する第1の増幅手段と、前記第2の光電変換部と前記第2の信号処理回路との間に設けられ、前記第2の光電変換部で生成された電荷に基づく前記第2の信号を増幅する第2の増幅手段と、を備え、前記第2の信号の強度が、前記第1の信号の強度よりも小さく、前記第2の信号処理回路に対応する前記第2の光電変換部の個数が、前記第1の信号処理回路に対応する前記第1の光電変換部の個数よりも多く、前記第2の増幅手段の増幅率が、前記第1の増幅手段の増幅率よりも小さい、固体撮像素子と、前記固体撮像素子から出力された信号に対する演算を行う演算部と、を有することを特徴とする。
The imaging device according to the embodiment of the present invention is provided corresponding to at least one first photoelectric conversion unit, a plurality of second photoelectric conversion units, and at least one said first photoelectric conversion unit. A first signal processing circuit that processes a first signal based on the charge generated by the first photoelectric conversion unit, and a second signal processing circuit corresponding to the plurality of second photoelectric conversion units. A second signal processing circuit that processes a second signal based on the charge generated by the photoelectric conversion unit is provided between the first photoelectric conversion unit and the first signal processing circuit. The first amplification means for amplifying the first signal based on the charge generated by the
本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の制御方法は、少なくとも1つの第1の光電変換部と、複数の第2の光電変換部と、前記少なくとも1つの前記第1の光電変換部に対応して設けられた第1の信号処理回路と、前記複数の前記第2の光電変換部に対応して設けられた第2の信号処理回路と、前記第1の光電変換部と前記第1の信号処理回路との間に設けられ、前記第1の光電変換部で生成された電荷に基づく第1の信号を増幅する第1の増幅手段と、前記第2の光電変換部と前記第2の信号処理回路との間に設けられ、前記第2の光電変換部で生成された電荷に基づく第2の信号を増幅する第2の増幅手段と、を備える固体撮像素子の制御方法であって、前記第1の光電変換部で生成された電荷に基づく前記第1の信号を処理する第1の処理ステップと、前記第2の光電変換部で生成された電荷に基づく前記第2の信号を処理する第2の処理ステップとを含み、前記第2の信号の強度は、前記第1の信号の強度よりも小さく、所定の同期期間内に前記第2の処理ステップにて処理される前記第2の信号の個数は、前記第1の処理ステップにて処理される前記第1の信号の個数よりも多く、前記第2の増幅手段の増幅率が、前記第1の増幅手段の増幅率よりも小さいことを特徴とする。
The method for controlling a solid-state image sensor according to an embodiment of the present invention corresponds to at least one first photoelectric conversion unit, a plurality of second photoelectric conversion units, and at least one of the first photoelectric conversion units. The first signal processing circuit provided in the above section, the second signal processing circuit provided corresponding to the plurality of the second photoelectric conversion units, the first photoelectric conversion unit, and the first photoelectric conversion unit. A first amplification means provided between the signal processing circuit and amplifying a first signal based on the charge generated by the first photoelectric conversion unit, the second photoelectric conversion unit, and the second photoelectric conversion unit. A method for controlling a solid-state image sensor , which is provided between a signal processing circuit and a second amplification means for amplifying a second signal based on a charge generated by the second photoelectric conversion unit . processing the first processing step and said second signal based on the electric charge produced in the second photoelectric conversion unit for processing the first signal based on the electric charges generated in the first photoelectric conversion unit The second processing step includes the second processing step in which the strength of the second signal is smaller than that of the first signal and is processed in the second processing step within a predetermined synchronization period. the number of signals, the amplification factor of the first processing rather multi than the number of said first signals to be processed in step, said second amplifying means, from the gain of the first amplifying means Is also small .
本発明によれば、回路規模の低減と処理の高速化の両立が可能な固体撮像素子及び撮像装置が提供される。 According to the present invention, there is provided a solid-state image sensor and an image pickup apparatus capable of both reducing the circuit scale and increasing the processing speed.
以下に、本発明の好ましい実施形態を、添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。
(実施形態)
以下、図を参照して、本発明の実施形態に係る、撮像装置の構成、固体撮像素子の構成及び固体撮像素子の駆動方法について説明する。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
(Embodiment)
Hereinafter, the configuration of the image pickup device, the configuration of the solid-state image sensor, and the driving method of the solid-state image sensor according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
はじめに、図1を参照して、実施形態に係る撮像装置の構成について説明する。図1は、本実施形態に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。撮像装置の一例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、監視カメラなどがあげられる。 First, the configuration of the image pickup apparatus according to the embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an image pickup apparatus according to the present embodiment. Examples of the image pickup apparatus include a digital still camera, a digital camcorder, and a surveillance camera.
撮像装置は、固体撮像素子1、撮影レンズ2、撮影レンズ駆動部3、全体制御・演算部4、メモリ5、表示部6、記録媒体7、操作部8及び信号処理部9を有する。撮影レンズ2は、1又は2以上のレンズを含み得る。撮像装置への入射光は、撮影レンズ2を通過し、固体撮像素子1において結像する。また、撮影レンズ2は通過する光量を可変にする絞りを更に含み得る。
The image pickup device includes a solid-
撮影レンズ駆動部3は、撮影レンズ2のレンズ等を駆動させることにより、撮像装置のズーム、フォーカス、絞り等の制御を行う。固体撮像素子1は、入射光により生じた光学像を電気信号に変換し、画像生成用の信号を信号処理部9に出力する。信号処理部9は、固体撮像素子1から出力された信号に対し各種の補正を行う。全体制御・演算部4は、撮像装置全体の制御を行う制御部としての機能及び信号処理部9から出力された信号に対して各種演算を行うことで画像データを生成する演算部としての機能を有する。また、固体撮像素子1が焦点検出用信号を出力する機能を有する場合には、全体制御・演算部4は、焦点検出用信号を用いた焦点検出動作をも行い得る。
The photographing
メモリ5は画像データを一時的に記憶するメモリ回路である。表示部6は、各種情報及び撮影された画像の表示を行う表示装置である。記録媒体7は、画像データの記録及び読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体あるいは撮像装置に内蔵された記録媒体である。操作部8は、撮像装置の各種インターフェースであり、ユーザが撮像装置の入力装置を介して入力した指示、外部の制御機器が通信経路を介して入力した指示等を、電気的に受け付ける。 The memory 5 is a memory circuit that temporarily stores image data. The display unit 6 is a display device that displays various information and captured images. The recording medium 7 is a detachable recording medium such as a semiconductor memory for recording and reading image data, or a recording medium built in an image pickup apparatus. The operation unit 8 is various interfaces of the image pickup device, and electrically receives an instruction input by the user via the input device of the image pickup device, an instruction input by an external control device via the communication path, and the like.
次に、図2(a)乃至図2(c)、図3(a)及び図3(b)並びに図4(a)乃至図4(e)を参照して、本実施形態に係る固体撮像素子の構成について説明する。 Next, with reference to FIGS. 2 (a) to 2 (c), FIGS. 3 (a) and 3 (b), and FIGS. 4 (a) to 4 (e), a solid-state imaging according to the present embodiment is performed. The configuration of the element will be described.
本実施形態に係る固体撮像素子1は、本発明が適用され得る素子構造の一例として、第1基板60と第2基板70が複数のバンプ80により接続された構造を有している。図2(a)は、第1基板60の構成を示すブロック図である。第1基板60には、画素アレイ部10及び周辺回路部12が設けられる。画素アレイ部10は、行列状に配された画素100(第1の画素)を有する。また、画素アレイ部10の一部の行には、画素100に代えて画素100とは異なる構成を有する画素110(第2の画素)が配される。周辺回路部12は、画素アレイ部10の駆動信号等を生成する制御回路、固体撮像素子1から信号を出力するための出力回路等の周辺回路を含み得る。
The solid-
図2(b)は、第2基板70の構成を示すブロック図である。第2基板70には、信号処理回路アレイ部30及び周辺回路部22が設けられる。信号処理回路アレイ部30は、行列状に配された信号処理回路200(第1の信号処理回路)を有する。また、信号処理回路アレイ部30の一部の行には、信号処理回路210(第2の信号処理回路)が設けられる。信号処理回路200、210は、画素100、110から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換回路を含み得る。信号処理回路200は、近接する位置に配された画素100とともに、第1の単位ブロックを構成する。信号処理回路210は、近接する位置に配された画素110とともに、第2の単位ブロックを構成する。図2(b)に示されるように、複数の第1の単位ブロック及び複数の第2の単位ブロックを含む複数の単位ブロックは、二次元状に配列されている。周辺回路部22は、信号処理回路アレイ部30の駆動信号等を生成する制御回路を含み得る。なお、第1の単位ブロックは、更に、画素100と信号処理回路200の間に配される選択トランジスタを含み得る。また、第2の単位ブロックは、更に、画素110と信号処理回路210の間に配される選択トランジスタを含み得る。
FIG. 2B is a block diagram showing the configuration of the
図2(c)は、図2(a)及び図2(b)におけるC−C´断面を模式的に示した図である。第1基板60と第2基板70は、複数のバンプ80により電気的及び機械的に接続される。第1基板60の画素100、110及び周辺回路部12を構成するトランジスタ等の回路素子は、図中の下面、すなわち複数のバンプ80が接続される側の面に形成される。第2基板70の信号処理回路200、210及び周辺回路部22を構成するトランジスタ等の回路素子は、図中の上面、すなわち複数のバンプ80が接続される側の面に形成される。バンプ80は、上述の第1の単位ブロックあるいは第2の単位ブロックごとに設けられており、各単位ブロックの画素100、110と信号処理回路200、210とを接続する。
FIG. 2 (c) is a diagram schematically showing a cross section of CC'in FIGS. 2 (a) and 2 (b). The
第1基板60のバンプ80が接続される面とは反対側の面には、カラーフィルタ106及びマイクロレンズ105が形成される。固体撮像素子1への入射光は、図2(c)の上方から入射され、マイクロレンズ105及びカラーフィルタ106を通過して、第1基板60の画素100内の光電変換素子に入射される。第1基板60の画素100、110及び周辺回路部12を構成するトランジスタ等の回路素子が形成される面を表面とすると、光は裏面から入射される構造であるため、本実施形態の固体撮像素子1は裏面照射型の固体撮像素子である。
A
なお、画素100、110、信号処理回路200、210、及び周辺回路部12、22を同一基板上に形成することも可能である。しかしながら、本実施形態では第1基板60と第2基板70を積層した構造を採用しているので、画素100、110、信号処理回路200、210、及び周辺回路部12、22を同一基板上に形成した場合に比べて、光電変換素子の面積を広くすることができる。そのため、同一基板上に各回路素子を形成した場合と比べ、感度が向上されている。
It is also possible to form the
図3(a)は、第1の単位ブロックの構成を示す回路図である。図3(b)は、第2の単位ブロックを示す回路図である。 FIG. 3A is a circuit diagram showing the configuration of the first unit block. FIG. 3B is a circuit diagram showing a second unit block.
まず、図3(a)を参照して、第1の単位ブロックの構成を説明する。第1の単位ブロックは、画素100と、信号処理回路200と、選択トランジスタ204とを含む。画素100は、フォトダイオード(以下、PDとする)101、転送トランジスタ102、フローティングディフュージョン(以下、FDとする)103、リセットトランジスタ104及び入力容量107を含む。また、画素100と信号処理回路200の間には選択トランジスタ204が配されている。各トランジスタはMOSトランジスタ等により構成され得る。以下の説明では各トランジスタはN型のMOSトランジスタであるものとする。
First, the configuration of the first unit block will be described with reference to FIG. 3A. The first unit block includes a
なお、選択トランジスタ204は、第2基板70に形成され得るが、第1基板60に形成されていてもよい。また、選択トランジスタ204が信号処理回路200に含まれていてもよい。また、本実施形態の説明においては、入力容量107は、画素100に含まれていることから、第1基板60に形成されているものとしているが、これに限定されない。入力容量107が、第2基板70に形成される構成であってもよく、第1基板60と第2基板70の間に更に誘電体層が設けられることにより、第1基板60と第2基板70の間に入力容量107が形成される構成であってもよい。
Although the selection transistor 204 may be formed on the
PD101は、光電変換により入射光に応じた電荷を生成し蓄積する光電変換部(第1の光電変換部)である。PD101のカソードは転送トランジスタ102のソースに接続され、PD101のアノードは接地される。転送トランジスタ102のドレインは、FD103に接続される。転送トランジスタ102は、PD101で生成され、蓄積された電荷をFD103に転送する。FD103は、PD101から転送された電荷に応じた電圧が生じる拡散領域である。リセットトランジスタ104のソースはFD103に接続され、リセットトランジスタ104のドレインは電源電圧VDDを有する電源電圧線に接続される。リセットトランジスタ104は、FD103に転送された電荷を電源電圧線に移動させることにより、FD103の電圧をリセットする。FD103は、入力容量107の一方の端子に接続される。入力容量107の他方の端子は選択トランジスタ204のドレインに接続される。選択トランジスタ204のソースは信号処理回路200に接続される。転送トランジスタ102のゲートには、周辺回路部12から出力される駆動信号φTXが入力される。リセットトランジスタ104のゲートには、周辺回路部12から出力される駆動信号φRESが入力される。選択トランジスタ204のゲートには、周辺回路部22から出力される駆動信号φSELが入力される。このように、信号処理回路200は、PD101に対応して設けられており、PD101で生成された電荷に基づく信号(第1の信号)を処理する。
The PD101 is a photoelectric conversion unit (first photoelectric conversion unit) that generates and stores electric charges according to incident light by photoelectric conversion. The cathode of PD101 is connected to the source of
次に、図3(b)を参照して、第2の単位ブロックの構成を説明する。第2の単位ブロックは、画素110と、信号処理回路210と、選択トランジスタ204a、204bとを含む。画素110は、PD101a、101b、転送トランジスタ102a、102b、FD103a、103b、リセットトランジスタ104a、104b及び入力容量107a、107bを含む。画素110は、PD101a、101b(第2の光電変換部)を備えているため、画素100よりも多い個数の光電変換部を備えているといえる。画素110と信号処理回路210の間には選択トランジスタ204a、204bが配されている。
Next, the configuration of the second unit block will be described with reference to FIG. 3 (b). The second unit block includes
PD101aのカソードは転送トランジスタ102aのソースに接続され、PD101aのアノードは接地される。転送トランジスタ102aのドレインは、FD103aに接続される。リセットトランジスタ104aのソースはFD103aに接続され、リセットトランジスタ104aのドレインは電源電圧VDDを有する電源電圧線に接続される。FD103aは、入力容量107aの一方の端子に接続される。入力容量107aの他方の端子は選択トランジスタ204aのドレインに接続される。選択トランジスタ204aのソースは信号処理回路210に接続される。転送トランジスタ102aのゲートには、周辺回路部12から出力される駆動信号φTXAが入力される。リセットトランジスタ104aのゲートには、周辺回路部12から出力される駆動信号φRESAが入力される。選択トランジスタ204aのゲートには、周辺回路部22から出力される駆動信号φSELAが入力される。
The cathode of PD101a is connected to the source of
PD101bのカソードは転送トランジスタ102bのソースに接続され、PD101bのアノードは接地される。転送トランジスタ102bのドレインは、FD103bに接続される。リセットトランジスタ104bのソースはFD103bに接続され、リセットトランジスタ104bのドレインは電源電圧VDDを有する電源電圧線に接続される。FD103bは、入力容量107bの一方の端子に接続される。入力容量107bの他方の端子は選択トランジスタ204bのドレインに接続される。選択トランジスタ204bのソースは信号処理回路210に接続される。転送トランジスタ102bのゲートには、周辺回路部12から出力される駆動信号φTXBが入力される。リセットトランジスタ104bのゲートには、周辺回路部12から出力される駆動信号φRESBが入力される。選択トランジスタ204bのゲートには、周辺回路部22から出力される駆動信号φSELBが入力される。このように、信号処理回路210は、PD101a、101bに対応して設けられており、PD101a、101bで生成された電荷に基づく信号(第2の信号)を処理する。
The cathode of PD101b is connected to the source of
以上のように、本実施形態においては、信号処理回路210に対応するPD101a、101bの個数が、信号処理回路200に対応するPD101の個数よりも多い構成となっている。本実施形態では一例として、信号処理回路210に対応するPDの個数は2個としているが、これに限定されず、3個以上であってもよい。また、この場合において、信号処理回路200に対応するPD101の個数は1個に限定されず、信号処理回路210に対応するPDの個数よりも少なければ、複数個であってもよい。また、本実施形態では一例として、FD103aとFD103bの二つのFDを持つ構成としているが、これに限定されず、二つのPDで一つのFDを共有するようにしてもよい。
As described above, in the present embodiment, the number of PD101a and 101b corresponding to the
また、本実施形態においては、信号処理回路210で処理される第2の信号の強度が、信号処理回路200で処理される第1の信号の強度よりも小さい。このような信号の強度の関係となる構成の例を図4(a)乃至図4(e)を参照して説明する。
Further, in the present embodiment, the strength of the second signal processed by the
図4(a)乃至図4(e)は、本実施形態に係る固体撮像素子1に適用され得るフォトダイオードとマイクロレンズの配置を示すレイアウト図である。
4 (a) to 4 (e) are layout diagrams showing arrangements of a photodiode and a microlens that can be applied to the solid-
図4(a)は、画素100に設けられたPD101と、マイクロレンズ105(集光部)の位置関係を上面視で示している。1つのマイクロレンズ105は、1つのPD101に対応して設けられており、PD101の上方に配されている。
FIG. 4A shows the positional relationship between the
図4(b)は、画素110に設けられたPD101a、101bと、マイクロレンズ105の位置関係を上面視で示している。1つのマイクロレンズ105は、並んで形成された2つのPD101a、101bに対応して設けられており、PD101a、101bの上方に配されている。PD101a、101bには、マイクロレンズ105の互いに異なる瞳(撮影レンズ2の射出瞳)を通過した光が入射される。したがって、PD101a、101bで生成された電荷に基づく信号は、焦点検出のための位相差信号として用いることができる。ここで、図4(b)に示されるように、PD101a、101bに設けられた受光部の面積は、PD101に設けられた受光部の面積よりも小さい。したがって、PD101a、101bの入射光に対する感度は、PD101の入射光に対する感度よりも小さい。そのため、PD101a、101bで生成された電荷に基づく信号の強度は、PD101で生成された電荷に基づく信号の強度よりも小さい。
FIG. 4B shows the positional relationship between the
図4(c)は、図4(b)の画素110の変形例に係る画素110aの上面視図である。本変形例において、マイクロレンズ105a、105bは、画素110aに設けられたPD101a、101bに、それぞれ対応して設けられている。この場合も、図4(b)の例と同様に、PD101a、101bで生成された電荷に基づく信号は、焦点検出のための位相差信号として用いることができる。図4(c)に示されるように、PD101a、101bに設けられた受光部の面積は、PD101に設けられた受光部の面積よりも小さい。したがって、PD101a、101bの入射光に対する感度は、PD101の入射光に対する感度よりも小さい。そのため、PD101a、101bで生成された電荷に基づく信号の強度は、PD101で生成された電荷に基づく信号の強度よりも小さい。なお本実施形態では一例として、図4(c)において、受光部の面積を小さくしたPDに関して示したが、これに限定されず、図4(a)で示した通常のPDを一部遮光するようにしてもよい。
FIG. 4C is a top view of the
本実施形態に係る固体撮像素子1に適用される画素構成は、上述の図4(b)、図4(c)の例のような位相差信号を得るためのものに限定されない。例えば、本実施形態に係る固体撮像素子1は、ダイナミックレンジを拡大する処理に用いられる低感度信号を得ること等を目的とした低感度の画素を備えていてもよい。これを実現するため、例えば、以下に述べる変形例を適用することによりPD101a、101bが、PD101よりも小さい感度を有していてもよい。
The pixel configuration applied to the solid-
図4(d)は、図4(b)の画素110の他の変形例に係る画素110bの上面視図である。本変形例の画素110bは、PD101a、101bへの入射光の一部を遮光する遮光部材108を有する。遮光部材108が配置される位置は入射光の一部を遮光可能な位置であればよく、例えば、PD101a、101bの上方、かつマイクロレンズ105a、105bの下方に配置される。遮光部材108は、図4(d)に示されるように、例えば、PD101a、101bのそれぞれの中心部付近が開口されており、端部付近が遮光されている構造を有する。遮光部材108は、入射光が透過しない材料あるいは透過しにくい材料で構成される。例えば、遮光部材108には、アルミニウム等の金属材料が採用され得る。このような構成により、PD101a、101bの受光部において遮光部材108によって遮光されない部分の面積は、PD101の受光部の面積よりも小さい。そのため、PD101a、101bで生成された電荷に基づく信号の強度は、PD101で生成された電荷に基づく信号の強度よりも小さい。
FIG. 4D is a top view of the
なお、上述の図4(b)から図4(d)の構成は、PD101a、101bに対する入射光の角度範囲を制限する構成と言い換えることもできる。入射光をPD101に集光するマイクロレンズ105を第1の集光部、入射光をPD101a、101bに集光するマイクロレンズ105又はマイクロレンズ105a、105bを第2の集光部とする。このとき、第2の集光部への入射光のうちのPD101a、101bの受光部に入射し得る入射光の角度範囲が、第1の集光部への入射光のうちのPD101の受光部に入射し得る入射光の角度範囲よりも小さい。これにより、PD101a、101bで生成された電荷に基づく信号の強度は、PD101で生成された電荷に基づく信号の強度よりも小さくされている。
The configuration of FIGS. 4 (b) to 4 (d) described above can be rephrased as a configuration that limits the angular range of the incident light with respect to the
図4(e)は、図4(b)の画素110の他の変形例に係る画素110cの上面視図である。本変形例の画素110cは、PD101a、101bへの入射光の強度を低下させる減光フィルタ109(減光部)を有する。減光フィルタ109が配置される位置は入射光が通過する位置であればよく、例えば、PD101a、101bの上方、かつマイクロレンズ105a、105bの下方に配置される。減光フィルタ109は、入射光の一部を反射又は吸収することにより入射光の一部を透過させる材料で構成される。このような構成により、PD101a、101bへの入射光量が減少するため、PD101a、101bで生成された電荷に基づく信号の強度を、PD101で生成された電荷に基づく信号の強度よりも小さくすることができる。
FIG. 4 (e) is a top view of the
また、本実施形態の他の構成例として、固体撮像素子1に増幅器等の増幅手段を更に設けることにより、信号処理回路210で処理される信号の強度が、信号処理回路200で処理される信号の強度よりも小さいという関係が実現されていてもよい。増幅手段は、画素100及び画素110の各々に対応して設けられる。画素100に対応する第1の増幅手段は、PD101と信号処理回路200の間に設けられる。例えば、第1の増幅手段は、画素100内に設けられていてもよく、あるいは画素100と信号処理回路200の間に設けられていてもよい。画素110に対応する第2の増幅手段は、PD101a、101bの少なくとも一方と信号処理回路200との間に設けられる。例えば、第2の増幅手段は、画素110内に設けられていてもよく、あるいは画素110と信号処理回路210の間に設けられていてもよい。これらの構成において、第2の増幅手段の増幅率を第1の増幅手段の増幅率よりも小さく設定することにより、信号処理回路210で処理される信号の強度を、信号処理回路200で処理される信号の強度よりも小さくすることができる。
Further, as another configuration example of the present embodiment, by further providing an amplification means such as an amplifier in the solid-
次に、図5を参照して、本実施形態に係る固体撮像素子1の読み出し動作について説明する。図5は、固体撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャートである。図5には、駆動信号φSEL、φRES、φTX、φSELA、φRESA、φTXA、φSELB、φRESB、φTXBの駆動タイミングと、信号処理回路200、210で行われるAD変換が図示されている。図5に示すタイミングチャートは所定行に対する動作であり、不図示の水平同期信号によって規定される水平同期期間内に本動作が行われる。本動作は各行に対して実行され、全ての行に対して実行することによって、一フレーム分の信号を得ることができる。図中の「AD変換(200)」は、信号処理回路200で行われるAD変換の内容を示しており、「AD変換(210)」は、信号処理回路210で行われるAD変換の内容を示している。各駆動信号がハイレベルのときに各トランジスタはオン状態となり、各駆動信号がローレベルのときに各トランジスタがオフ状態となる。
Next, the reading operation of the solid-
時刻t100よりも前の初期状態において、駆動信号φSEL、φTX、φSELA、φTXA、φSELB、φTXBはローレベルであり、選択トランジスタ204、204a、204bと、転送トランジスタ102、102a、102bはオフ状態である。また、駆動信号φRES、φRESA、φRESBはハイレベルであり、リセットトランジスタ104、104a、104bはオン状態である。これにより、FD103、103a、103bの電荷がリセットされている。
In the initial state before the time t100, the drive signals φSEL, φTX, φSELA, φTXA, φSELB, and φTXB are at low level, and the
時刻t100において、駆動信号φRESがローレベルになり、リセットトランジスタ104がオフになる。これにより、FD103のリセットが終了する。また、駆動信号φRESAがローレベルになり、リセットトランジスタ104aがオフになる。これにより、FD103aのリセットが終了する。
At time t100, the drive signal φRES goes low and the
時刻t101において、駆動信号φSELがハイレベルになり、選択トランジスタ204がオンになる。これにより、入力容量107が信号処理回路200に接続され、信号処理回路200でのAD変換が開始される。このとき信号処理回路200に入力される電圧はFD103のリセット状態に対応する電圧である。このAD変換をN変換と呼ぶ。また、駆動信号φSELAがハイレベルになり、選択トランジスタ204aがオンになる。これにより、入力容量107aが信号処理回路210に接続され、信号処理回路210でのAD変換が開始される。このとき信号処理回路210に入力される電圧はFD103aのリセット状態に対応する電圧である。このAD変換をNA変換と呼ぶ。
At time t101, the drive signal φSEL becomes high level and the selection transistor 204 turns on. As a result, the
時刻t102において、駆動信号φRESBがローレベルになり、リセットトランジスタ104bがオフになる。これにより、FD103bのリセットが終了する。
At time t102, the drive signal φRESB goes low and the
時刻t103において、信号処理回路200、210でのAD変換が終了する。信号処理回路200において得られたデジタル信号が基準信号Nとして不図示の記憶手段に記憶される。更に、信号処理回路210において得られたデジタル信号が基準信号NAとして不図示の記憶手段に記憶される。また、駆動信号φSELAがローレベルになり、選択トランジスタ204aがオフになる。これにより、入力容量107aが信号処理回路210と非接続となる。更に、駆動信号φSELBがハイレベルになり、選択トランジスタ204bがオンになる。これにより、入力容量107bが信号処理回路210に接続され、信号処理回路210でのAD変換が開始される。このとき信号処理回路210に入力される電圧はFD103bのリセット状態に対応する電圧である。このAD変換をNB変換と呼ぶ。
At time t103, the AD conversion in the
時刻t104において、駆動信号φTXがハイレベルになり、転送トランジスタ102がオンになる。これにより、PD101に蓄積された電荷のFD103への転送が開始され、FD103に当該電荷が蓄積され始める。また、駆動信号φTXAがハイレベルになり、転送トランジスタ102aがオンになる。これにより、PD101aに蓄積された電荷のFD103aへの転送が開始され、FD103aに当該電荷が蓄積され始める。
At time t104, the drive signal φTX becomes high level and the
時刻t105において、駆動信号φTXがローレベルになり、転送トランジスタ102がオフになる。これにより、PD101からFD103への電荷の転送が終了する。また、駆動信号φTXAがローレベルになり、転送トランジスタ102aがオフになる。これにより、PD101aからFD103aへの電荷の転送が終了する。
At time t105, the drive signal φTX goes low and the
時刻t106において、信号処理回路210でのAD変換が終了し、信号処理回路210において得られたデジタル信号が基準信号NBとして不図示の記憶手段に記憶される。また、駆動信号φSELBがローレベルになり、選択トランジスタ204bがオフになる。これにより、入力容量107bが信号処理回路210と非接続となる。また、信号処理回路200でのAD変換が開始される。このとき信号処理回路200に入力される電圧はFD103に転送された電荷に対応する電圧である。このAD変換をS変換と呼ぶ。更に、駆動信号φSELAがハイレベルになり、選択トランジスタ204aがオンになる。これにより、入力容量107aが信号処理回路210に接続され、信号処理回路210でのAD変換が開始される。このとき信号処理回路210に入力される電圧はFD103aに転送された電荷に対応する電圧である。このAD変換をSA変換と呼ぶ。
At time t106, the AD conversion in the
時刻t107において、駆動信号φTXBがハイレベルになり、転送トランジスタ102bがオンになる。これにより、PD101bに蓄積された電荷のFD103bへの転送が開始され、FD103bに当該電荷が蓄積され始める。
At time t107, the drive signal φTXB becomes high level and the
時刻t108において、駆動信号φTXBがローレベルになり、転送トランジスタ102bがオフになる。これにより、PD101bからFD103bへの電荷の転送が終了する。
At time t108, the drive signal φTXB goes low and the
時刻t109において、信号処理回路210でのAD変換が終了する。信号処理回路210において得られたデジタル信号が光信号SAとして不図示の記憶手段に記憶される。また、駆動信号φSELAがローレベルになり、選択トランジスタ204aがオフになる。これにより、入力容量107aが信号処理回路210と非接続となる。更に、駆動信号φSELBがハイレベルになり、選択トランジスタ204bがオンになる。これにより、入力容量107bが信号処理回路210に接続され、信号処理回路210でのAD変換が開始される。このとき信号処理回路210に入力される電圧はFD103bに転送された電荷に対応する電圧である。このAD変換をSB変換と呼ぶ。
At time t109, the AD conversion in the
時刻t110において、駆動信号φRESAがハイレベルになり、リセットトランジスタ104aがオンになる。これにより、FD103aのリセットが開始される。
At time t110, the drive signal φRESA becomes high level and the
時刻t111において、信号処理回路200、210でのAD変換が終了し、信号処理回路200において得られたデジタル信号が光信号Sとして不図示の記憶手段に記憶される。更に、信号処理回路210において得られたデジタル信号が光信号SBとして不図示の記憶手段に記憶される。また、駆動信号φSELがローレベルになり、選択トランジスタ204がオフになる。これにより、入力容量107が信号処理回路200と非接続となる。更に、駆動信号φSELBがローレベルになり、選択トランジスタ204bがオフになる。これにより、入力容量107bが信号処理回路210と非接続となる。
At time t111, the AD conversion in the
時刻t112において、駆動信号φRES、φRESBがハイレベルになり、リセットトランジスタ104、104bがオンになる。これにより、FD103、103bのリセットが開始される。
At time t112, the drive signals φRES and φRESB become high level, and the
以上の動作により、画素100、110からの1回の読み出しが完了し、基準信号N、NA、NB、光信号S、SA、SBが不図示の記憶手段に記憶される。固体撮像素子1の内部あるいは撮像装置内において、光信号S、SA、SBから基準信号N、NA、NBをそれぞれ減算する処理を行うことにより、リセット時のノイズを除去することができる。
By the above operation, one reading from the
上述したとおり、本実施形態においては、信号処理回路210で処理される信号の強度が、信号処理回路200で処理される信号の強度よりも小さい。一般に、AD変換において、信号の強度が大きいほど処理に要する時間が長くなる。したがって、信号処理回路210におけるSA変換、SB変換は、信号処理回路200におけるS変換よりも短時間で行われ得る。
As described above, in the present embodiment, the strength of the signal processed by the
本実施形態においては、第1の単位ブロックに係る駆動信号と、第1の単位ブロックに係る駆動信号とが互いに異なるものとなっている。したがって、第1の単位ブロックと第1の単位ブロックとは、互いに異なる動作タイミングで駆動され得る。そのため、S変換を行う期間に、これと並行してSA変換、SB変換が行われ得る。より一般的には、信号処理回路200がAD変換の処理を所定の回数行う期間に、信号処理回路210は、AD変換の処理をその所定の回数よりも多い回数行うことができる。本実施形態では、図5に示されるようにSA変換、SB変換の期間の長さをS変換の期間の約半分としているため、信号処理回路200がAD変換を1回行う期間に、信号処理回路210は、AD変換を2回行うことができる。
In the present embodiment, the drive signal related to the first unit block and the drive signal related to the first unit block are different from each other. Therefore, the first unit block and the first unit block can be driven at different operation timings from each other. Therefore, SA conversion and SB conversion can be performed in parallel with the S conversion period. More generally, during the period in which the
以上のように、本実施形態に係る固体撮像素子1は、複数のPD101a、101bが1つの信号処理回路210を共有した構成を有している。更に、信号処理回路210で処理される信号の強度が、信号処理回路200で処理される信号の強度よりも小さいことから、信号処理回路210におけるSA変換、SB変換は、信号処理回路200におけるS変換よりも短時間で行われ得る。そのため、信号処理回路の回路規模の低減と処理の高速化の両立が可能となる。
As described above, the solid-
(その他の実施形態)
なお、上述の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
(Other embodiments)
It should be noted that the above-described embodiments are merely examples of embodiment in carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed in a limited manner by these. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or its main features.
本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサがプログラムを読み出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。 The present invention supplies a program that realizes one or more functions of the above-described embodiment to a system or device via a network or storage medium, and one or more processors in the computer of the system or device reads and executes the program. It can also be realized by the processing to be performed. It can also be realized by a circuit (for example, ASIC) that realizes one or more functions.
1 固体撮像素子
100、110 画素
101、101a、101b フォトダイオード
102、102a、102b 転送トランジスタ
103、103a、103b フローティングディフュージョン
104、104a、104b リセットトランジスタ
107、107a、107b 入力容量
204、204a、204b 選択トランジスタ
200、210 信号処理回路
1 Solid-
Claims (18)
複数の第2の光電変換部と、
前記少なくとも1つの前記第1の光電変換部に対応して設けられ、前記第1の光電変換部で生成された電荷に基づく第1の信号を処理する第1の信号処理回路と、
前記複数の前記第2の光電変換部に対応して設けられ、前記第2の光電変換部で生成された電荷に基づく第2の信号を処理する第2の信号処理回路と、
前記第1の光電変換部と前記第1の信号処理回路との間に設けられ、前記第1の光電変換部で生成された電荷に基づく前記第1の信号を増幅する第1の増幅手段と、
前記第2の光電変換部と前記第2の信号処理回路との間に設けられ、前記第2の光電変換部で生成された電荷に基づく前記第2の信号を増幅する第2の増幅手段と、
を備え、
前記第2の信号の強度が、前記第1の信号の強度よりも小さく、
前記第2の信号処理回路に対応する前記第2の光電変換部の個数が、前記第1の信号処理回路に対応する前記第1の光電変換部の個数よりも多く、
前記第2の増幅手段の増幅率が、前記第1の増幅手段の増幅率よりも小さいことを特徴とする固体撮像素子。 With at least one first photoelectric conversion unit,
With a plurality of second photoelectric conversion units,
A first signal processing circuit provided corresponding to the at least one first photoelectric conversion unit and processing a first signal based on an electric charge generated by the first photoelectric conversion unit.
A second signal processing circuit provided corresponding to the plurality of the second photoelectric conversion units and processing a second signal based on the electric charge generated by the second photoelectric conversion unit.
A first amplification means provided between the first photoelectric conversion unit and the first signal processing circuit to amplify the first signal based on the electric charge generated by the first photoelectric conversion unit. ,
A second amplification means provided between the second photoelectric conversion unit and the second signal processing circuit to amplify the second signal based on the electric charge generated by the second photoelectric conversion unit. ,
With
The strength of the second signal is smaller than the strength of the first signal.
Said second number of photoelectric conversion units corresponding to the second signal processing circuit, rather multi than the first number of photoelectric conversion units corresponding to the first signal processing circuit,
A solid-state image sensor, characterized in that the amplification factor of the second amplification means is smaller than the amplification factor of the first amplification means .
複数の第2の光電変換部を含む第2の画素と、前記複数の前記第2の光電変換部に対応して設けられ、前記第2の光電変換部で生成された電荷に基づく第2の信号を処理する第2の信号処理回路と、を含む第2の単位ブロックと、
を備え、
複数の前記第1の単位ブロック及び複数の前記第2の単位ブロックを含む複数の単位ブロックが、二次元状に配列され、
前記第2の信号の強度が、前記第1の信号の強度よりも小さく、
前記第2の信号処理回路に対応する前記第2の光電変換部の個数が、前記第1の信号処理回路に対応する前記第1の光電変換部の個数よりも多いことを特徴とする固体撮像素子。 A first pixel including one first photoelectric conversion unit of the at no small, the provided corresponding to at least one of said first photoelectric conversion unit, generated by the first photoelectric conversion unit charge A first signal processing circuit that processes a first signal based on , and a first unit block that includes.
A second pixel including a second photoelectric conversion unit of the multiple, the plurality of the provided corresponding to the second photoelectric conversion unit, a second based on the electric charges generated by the second photoelectric conversion unit A second signal processing circuit that processes the signal of
Bei to give a,
A plurality of unit blocks including the plurality of the first unit blocks and the plurality of the second unit blocks are arranged in a two-dimensional manner .
The strength of the second signal is smaller than the strength of the first signal.
Solid said second number of photoelectric conversion units corresponding to the second signal processing circuit, you characterized in that more than said first number of photoelectric conversion units corresponding to the first signal processing circuit Body image sensor.
入射光を前記第2の光電変換部に集光する第2の集光部と、
を更に備え、
前記第2の集光部への入射光のうちの前記第2の光電変換部の受光部に入射し得る入射光の角度範囲が、前記第1の集光部への入射光のうちの前記第1の光電変換部の受光部に入射し得る入射光の角度範囲よりも小さいことを特徴とする、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の固体撮像素子。 A first condensing unit that collects incident light on the first photoelectric conversion unit,
A second condensing unit that condenses the incident light on the second photoelectric conversion unit,
With more
The angular range of the incident light that can be incident on the light receiving portion of the second photoelectric conversion unit among the incident light on the second condensing unit is the angle range of the incident light on the first condensing unit. The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 5 , characterized in that it is smaller than the angle range of incident light that can be incident on the light receiving portion of the first photoelectric conversion unit.
前記第2の光電変換部の受光部において前記遮光部材によって遮光されない部分の面積が、前記第1の光電変換部の受光部の面積よりも小さいことを特徴とする、請求項1乃至7のいずれか1項に記載の固体撮像素子。 The second photoelectric conversion unit includes a light-shielding member that shields a part of the second photoelectric conversion unit from incident light.
Any of claims 1 to 7 , wherein the area of the light-receiving portion of the second photoelectric conversion unit that is not shaded by the light-shielding member is smaller than the area of the light-receiving portion of the first photoelectric conversion unit. The solid-state image sensor according to item 1.
前記第1の信号処理回路及び前記第2の信号処理回路が設けられた、前記第1基板とは異なる第2基板と
を更に備えることを特徴とする、請求項1乃至14のいずれか1項に記載の固体撮像素子。 A first substrate provided with the at least one first photoelectric conversion unit and the plurality of second photoelectric conversion units.
One of claims 1 to 14 , further comprising a second substrate different from the first substrate provided with the first signal processing circuit and the second signal processing circuit. The solid-state image sensor according to.
前記固体撮像素子から出力された信号に対する演算を行う演算部と、
を有することを特徴とする撮像装置。 The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 15 .
An arithmetic unit that performs arithmetic on the signal output from the solid-state image sensor, and
An imaging device characterized by having.
前記第1の光電変換部で生成された電荷に基づく前記第1の信号を処理する第1の処理ステップと、
前記第2の光電変換部で生成された電荷に基づく前記第2の信号を処理する第2の処理ステップとを含み、
前記第2の信号の強度は、前記第1の信号の強度よりも小さく、
所定の同期期間内に前記第2の処理ステップにて処理される前記第2の信号の個数は、前記第1の処理ステップにて処理される前記第1の信号の個数よりも多く、
前記第2の増幅手段の増幅率が、前記第1の増幅手段の増幅率よりも小さいことを特徴とする固体撮像素子の制御方法。 A first signal processing circuit provided corresponding to at least one first photoelectric conversion unit, a plurality of second photoelectric conversion units, and the at least one first photoelectric conversion unit, and the plurality of. A second signal processing circuit provided corresponding to the second photoelectric conversion unit, and the first photoelectric conversion unit provided between the first photoelectric conversion unit and the first signal processing circuit. A first amplification means for amplifying a first signal based on the charge generated in the unit is provided between the second photoelectric conversion unit and the second signal processing circuit, and the second photoelectric conversion is provided. A method for controlling a solid-state image sensor , comprising: a second amplification means for amplifying a second signal based on the charge generated in the unit .
A first processing step of processing the first signal based on the electric charges generated in the first photoelectric conversion unit,
And a second processing step of processing said second signal based on the electric charge produced in the second photoelectric conversion unit,
The strength of the second signal is smaller than the strength of the first signal.
The number of the second signal to be processed by said second processing step in a predetermined synchronization period, rather multi than the number of said first signals to be processed by the first processing step,
A method for controlling a solid-state image sensor, characterized in that the amplification factor of the second amplification means is smaller than the amplification factor of the first amplification means .
前記第1の光電変換部で生成された電荷に基づく第1の信号を処理する第1の処理ステップと、A first processing step of processing a first signal based on the electric charge generated by the first photoelectric conversion unit, and
前記第2の光電変換部で生成された電荷に基づく第2の信号を処理する第2の処理ステップとを含み、Including a second processing step of processing a second signal based on the charge generated by the second photoelectric conversion unit.
前記第2の信号の強度は、前記第1の信号の強度よりも小さく、The strength of the second signal is smaller than the strength of the first signal.
所定の同期期間内に前記第2の処理ステップにて処理される前記第2の信号の個数は、前記第1の処理ステップにて処理される前記第1の信号の個数よりも多いことを特徴とする固体撮像素子の制御方法。The number of the second signals processed in the second processing step within a predetermined synchronization period is larger than the number of the first signals processed in the first processing step. A method for controlling a solid-state image sensor.
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