JP7307725B2 - 固体撮像素子、撮像装置、および、固体撮像素子の制御方法 - Google Patents
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Description
1.第1の実施の形態(電子から画素信号を生成し、正孔から検出信号を生成する例)
2.第2の実施の形態(積層構造の固体撮像素子において電子から画素信号を生成し、正孔から検出信号を生成する例)
3.第3の実施の形態(正孔から検出信号が生成された画素において電子から画素信号を生成する例)
4.第4の実施の形態(アナログメモリに電子を転送して画素信号を生成し、正孔から検出信号を生成する例)
5.第5の実施の形態(バッファを設け、電子から画素信号を生成し、正孔から検出信号を生成する例)
6.第6の実施の形態(ループ回路を2段にし、電子から画素信号を生成し、正孔から検出信号を生成する例)
7.第7の実施の形態(容量を追加し、電子から画素信号を生成し、正孔から検出信号を生成する例)
8.移動体への応用例
[撮像装置の構成例]
図1は、本技術の第1の実施の形態における撮像装置100の一構成例を示すブロック図である。この撮像装置100は、画像データを撮像するための装置であり、光学部110、固体撮像素子200およびDSP(Digital Signal Processing)回路120を備える。さらに撮像装置100は、表示部130、操作部140、バス150、フレームメモリ160、記憶部170および電源部180を備える。撮像装置100としては、例えば、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラの他、撮像機能を持つスマートフォンやパーソナルコンピュータ、車載カメラ等が想定される。
図2は、本技術の第1の実施の形態における固体撮像素子200の一構成例を示すブロック図である。この固体撮像素子200は、DAC(Digital to Analog Converter)211、駆動回路212、Xアービタ213、時刻コード発生部230、画素アレイ部240、列処理部250、制御回路215、Yアービタ216を備える。これらの回路は、例えば、単一の半導体チップに配置される。また、画素アレイ部240には、二次元格子状に複数の画素が配列される。以下、画素アレイ部240において所定の方向に配列された画素の集合を「行」と称し、行に垂直な方向に配列された画素の集合を「列」と称する。
図3は、本技術の第1の実施の形態における画素アレイ部240の一構成例を示すブロック図である。この画素アレイ部240は、複数の時刻コード転送部241と、複数の画素300とを備える。時刻コード転送部241は、時刻コード発生部230ごとに配置される。また、画素300は、二次元格子状に配列される。
図4は、本技術の第1の実施の形態における画素300の一構成例を示すブロック図である。この画素300は、フォトダイオード305、画素信号生成部310およびアドレスイベント検出部400を備える。また、フォトダイオード305のアノードおよびカソードの一方は画素信号生成部310に接続され、他方はアドレスイベント検出部400に接続される。例えば、フォトダイオード305のカソードが、画素信号生成部310に接続され、アノードがアドレスイベント検出部400に接続される。
図6は、本技術の第1の実施の形態における画素信号生成部310の一構成例を示すブロック図である。この画素信号生成部310は、ADC(Analog-to-Digital Converter)320および画素回路330を備える。また、ADC320は、比較回路321およびデータ記憶部370を備える。そして、比較回路321は、差動入力回路340、電圧変換回路350および正帰還回路360を備える。
図7は、本技術の第1の実施の形態におけるアドレスイベント検出部400の一構成例を示すブロック図である。このアドレスイベント検出部400は、対数変換部410、減算器420、コンパレータ430およびAERロジック回路440を備える。
Qinit=C1×Vinit ・・・式1
Qafter=C1×Vafter ・・・式2
Q2=-C2×Vout ・・・式3
Qinit=Qafter+Q2 ・・・式4
Vout=-(C1/C2)×(Vafter-Vinit)・・・式5
図9は、本技術の第1の実施の形態における撮像処理の一例を示すフローチャートである。この撮像処理は、例えば、通常画像データの撮像のためのアプリケーションが実行されたときに開始される。
上述の第1の実施の形態では、単一の半導体チップに画素300を配置していたが、画素数が多くなるほど、半導体チップの回路規模が増大するおそれがある。この第2の実施の形態の固体撮像素子200は、積層された複数のチップに、画素300内の回路を分散して配置する点において第1の実施の形態と異なる。
上述の第2の実施の形態では、画素回路330と、比較回路321内のNMOSトランジスタ343乃至345とを受光チップ201に配置していたが、画素数が多くなるほど、受光チップ201の回路規模が増大するおそれがある。この第2の実施の形態の変形例の固体撮像素子200は、画素回路330を受光チップ201に配置し、比較回路321の全体を回路チップ202に配置した点において第2の実施の形態と異なる。
上述の第1の実施の形態では、垂直同期信号VSYNCに同期して全画素の画素信号を読み出していたが、画素数の増大に伴って回路規模が増大し、消費電力が大きくなるおそれがある。この第3の実施の形態の固体撮像素子200は、アドレスイベントが生じた画素の画素信号のみを読み出す点において第1の実施の形態と異なる。
上述の第3の実施の形態では、全画素のうちアドレスイベントが生じた画素のみを露光して読み出していたが、画素毎に露光タイミングが異なると、画素信号の出力タイミングが画素毎にばらついてしまう。この第3の実施の形態の第1の変形例の固体撮像素子200は、全画素を露光して、アドレスイベントが生じた画素の画素信号のみを出力する点において第3の実施の形態と異なる。
上述の第3の実施の形態では、画素毎にADC320を設け、アドレスイベントが生じた画素の画素信号のみをAD変換して(言い換えれば、読み出して)いたが、画素毎にADC320を配置する構成では、画素300の回路規模が増大してしまう。この第3の実施の形態の第2の変形例における固体撮像素子200は、カラムごとにADCを配置する点において第3の実施の形態と異なる。
上述の第1の実施の形態では、画素300が露光終了後に画素信号をAD変換していたが、フォトダイオード305の初期化によりノイズが生じるため、そのAD変換中に次の露光を開始することができない。この第4の実施の形態の画素300は、アナログメモリおよび転送トランジスタを追加してAD変換中の露光開始を可能とした点において第1の実施の形態と異なる。
上述の第1の実施の形態では、対数変換部410が電圧信号を減算器420に供給していたが、この構成では、減算器420以降の回路の駆動力が不足するおそれがある。この第5の実施の形態のアドレスイベント検出部400は、バッファ450を配置して駆動力を向上させた点において第1の実施の形態と異なる。
上述の第1の実施の形態では、対数変換部410にPMOSトランジスタ411および412からなるループ回路を1つのみ配置していたが、ループ回路が1つのみでは電流を電圧に変換する際の変換ゲインが不足するおそれがある。この第6の実施の形態の対数変換部410は、2段のループ回路が設けられる点において第1の実施の形態と異なる。
上述の第1の実施の形態では、対数変換部410内においてPMOSトランジスタ411および412をループ状に接続していたが、このループ状の回路が負帰還回路となり、一定の条件下で電圧信号が発振するおそれがある。この第7の実施の形態の対数変換部410は、容量の追加により、安定性を向上させた点において第1の実施の形態と異なる。
CC<<C0 ・・・式8
本開示に係る技術(本技術)は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
(1)光電変換により電子および正孔を生成するフォトダイオードと、
前記電子および前記正孔の一方の量に応じた電圧の画素信号を生成する画素信号生成部と、
前記電子および前記正孔の他方の変化量が所定の閾値を超えたか否かを検出して検出信号を出力する検出部と
を具備する固体撮像素子。
(2)前記画素信号生成部は、前記電子の量に応じた電圧の前記画素信号を生成し、
前記検出部は、前記正孔の変化量が前記閾値を超えたか否かを検出する
前記(1)記載の固体撮像素子。
(3)前記フォトダイオードと前記画素信号生成部の一部とは、所定の受光チップに配置され、
前記画素信号生成部の残りと前記検出部とは、所定の回路チップに配置される
前記(1)または(2)に記載の固体撮像素子。
(4)前記画素信号生成部は、
前記画素信号を生成する画素回路と、
前記画素信号と所定の参照信号とを比較する比較回路と
を備え、
前記フォトダイオードと前記画素回路と前記比較回路の一部とは、前記受光チップに配置され、
前記比較回路の残りと前記検出部とは、前記回路チップに配置される
前記(3)記載の固体撮像素子。
(5)前記画素信号生成部は、
前記画素信号を生成する画素回路と、
前記画素信号と所定の参照信号とを比較する比較回路と
を備え、
前記フォトダイオードおよび前記画素回路は、前記受光チップに配置され、
前記比較回路および前記検出部は、前記回路チップに配置される
前記(3)記載の固体撮像素子。
(6)前記検出部により前記変化量が前記閾値を超えた旨が検出された場合には前記画素信号生成部を駆動して前記画素信号を生成させる駆動部をさらに具備する
前記(1)から(5)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(7)前記画素信号に対して所定の信号処理を行って出力する列処理部と、
所定の露光期間内に前記変化量が前記閾値を超えた旨が検出された場合には前記列処理部を制御して前記画素信号を出力させる制御回路と
を具備する前記(1)から(5)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(8)前記フォトダイオード、前記画素信号生成部および前記検出部は、複数の画素のそれぞれに配置され、
前記画素信号生成部は、
アナログの前記画素信号を生成する画素回路と、
前記画素信号をデジタル信号に変換して出力するアナログデジタル変換器と
を備える前記(1)から(7)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(9)アナログの前記画素信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器をさらに具備し、
前記フォトダイオード、前記画素信号生成部および前記検出部は、複数の画素のそれぞれに配置され、
前記画素信号生成部は、アナログの前記画素信号を生成して前記アナログデジタル変換器へ出力する
前記(1)から(7)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(10)前記画素信号生成部は、
前記電子および前記正孔の一方の電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
前記電荷を蓄積して当該電荷の量に応じた前記電圧に変換する浮遊拡散層と、
前記フォトダイオードから電荷蓄積部へ前記電荷を転送する第1の転送トランジスタと、
前記電荷蓄積部から前記浮遊拡散層へ前記電荷を転送する第2の転送トランジスタと
を備える
前記(1)から(9)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(11)前記検出部は、
前記電子および前記正孔の他方からなる光電流を電圧に変換する変換部と、
減算により前記電圧の変化量を求める減算器と、
前記変化量と前記閾値とを比較して当該比較結果を前記検出信号として出力するコンパレータと
を備える前記(1)から(10)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(12)前記検出部は、前記変換部からの前記電圧の信号を前記減算器に出力するバッファをさらに備える
前記(11)記載の固体撮像素子。
(13)前記変換部は、複数段のループ回路を備え、
前記複数段のループ回路のそれぞれは、ループ状に接続された一対のトランジスタからなる
前記(11)または(12)に記載の固体撮像素子。
(14)前記変換部は、
ループ状に接続された一対のトランジスタと、
前記一対のトランジスタのそれぞれのゲートに接続された容量と
を備える前記(11)または(12)に記載の固体撮像素子。
(15)光電変換により電子および正孔を生成するフォトダイオードと、
前記電子および前記正孔の一方の量に応じた電圧の画素信号を生成する画素信号生成部と、
前記電子および前記正孔の他方の変化量が所定の閾値を超えたか否かを検出して検出信号を出力する検出部と、
前記検出信号および前記画素信号に対して所定の処理を行うデジタル信号処理部と
を具備する撮像装置。
(16)光電変換により生成された電子および正孔の一方の量に応じた電圧の画素信号を生成する画素信号生成手順と、
前記電子および前記正孔の他方の変化量が所定の閾値を超えたか否かを検出して検出信号を出力する検出手順と
を具備する固体撮像素子の制御方法。
110 光学部
120 DSP回路
130 表示部
140 操作部
150 バス
160 フレームメモリ
170 記憶部
180 電源部
200 固体撮像素子
201 受光チップ
202 回路チップ
211 DAC
212 駆動回路
213 Xアービタ
215 制御回路
216 Yアービタ
230 時刻コード発生部
240 画素アレイ部
241 時刻コード転送部
250 列処理部
260 カラムADC
300 画素
305 フォトダイオード
306 N層
307 P層
310 画素信号生成部
311 負荷MOS回路
320 ADC
321 比較回路
330 画素回路
331 排出トランジスタ
332、337 転送トランジスタ
333 リセットトランジスタ
334 浮遊拡散層
335 増幅トランジスタ
336 選択トランジスタ
338 アナログメモリ
340 差動入力回路
341、342、411、412、414、415 PMOSトランジスタ
343~345、413、451、452 NMOSトランジスタ
350 電圧変換回路
360 正帰還回路
370 データ記憶部
400 アドレスイベント検出部
410 対数変換部
416、421、423 容量
420 減算器
422 アンプ
424 スイッチ
430 コンパレータ
440 AERロジック回路
450 バッファ
12031 撮像部
Claims (16)
- 複数の画素を配列した画素アレイ部を具備し、
前記複数の画素のそれぞれは、
光電変換により電子および正孔を生成するフォトダイオードと、
前記電子および前記正孔の一方の量に応じた電圧の画素信号を生成する画素信号生成部と、
前記電子および前記正孔の他方の変化量が所定の閾値を超えたか否かを検出して検出信号を出力する検出部と
を備える固体撮像素子。 - 前記画素信号生成部は、前記電子の量に応じた電圧の前記画素信号を生成し、
前記検出部は、前記正孔の変化量が前記閾値を超えたか否かを検出する
請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記フォトダイオードと前記画素信号生成部の一部とは、所定の受光チップに配置され、
前記画素信号生成部の残りと前記検出部とは、所定の回路チップに配置される
請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記画素信号生成部は、
前記画素信号を生成する画素回路と、
前記画素信号と所定の参照信号とを比較する比較回路と
を備え、
前記フォトダイオードと前記画素回路と前記比較回路の一部とは、前記受光チップに配置され、
前記比較回路の残りと前記検出部とは、前記回路チップに配置される
請求項3記載の固体撮像素子。 - 前記画素信号生成部は、
前記画素信号を生成する画素回路と、
前記画素信号と所定の参照信号とを比較する比較回路と
を備え、
前記フォトダイオードおよび前記画素回路は、前記受光チップに配置され、
前記比較回路および前記検出部は、前記回路チップに配置される
請求項3記載の固体撮像素子。 - 前記検出部により前記変化量が前記閾値を超えた旨が検出された場合には前記画素信号生成部を駆動して前記画素信号を生成させる駆動部をさらに具備する
請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記画素信号に対して所定の信号処理を行って出力する列処理部と、
所定の露光期間内に前記変化量が前記閾値を超えた旨が検出された場合には前記列処理部を制御して前記画素信号を出力させる制御回路と
を具備する請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記フォトダイオード、前記画素信号生成部および前記検出部は、複数の画素のそれぞれに配置され、
前記画素信号生成部は、
アナログの前記画素信号を生成する画素回路と、
前記画素信号をデジタル信号に変換して出力するアナログデジタル変換器と
を備える請求項1記載の固体撮像素子。 - アナログの前記画素信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器をさらに具備し、
前記フォトダイオード、前記画素信号生成部および前記検出部は、複数の画素のそれぞれに配置され、
前記画素信号生成部は、アナログの前記画素信号を生成して前記アナログデジタル変換器へ出力する
請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記画素信号生成部は、
前記電子および前記正孔の一方の電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
前記電荷を蓄積して当該電荷の量に応じた前記電圧に変換する浮遊拡散層と、
前記フォトダイオードから電荷蓄積部へ前記電荷を転送する第1の転送トランジスタと、
前記電荷蓄積部から前記浮遊拡散層へ前記電荷を転送する第2の転送トランジスタと
を備える
請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記検出部は、
前記電子および前記正孔の他方からなる光電流を電圧に変換する変換部と、
減算により前記電圧の変化量を求める減算器と、
前記変化量と前記閾値とを比較して当該比較結果を前記検出信号として出力するコンパレータと
を備える請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記検出部は、前記変換部からの前記電圧の信号を前記減算器に出力するバッファをさらに備える
請求項11記載の固体撮像素子。 - 前記変換部は、複数段のループ回路を備え、
前記複数段のループ回路のそれぞれは、ループ状に接続された一対のトランジスタからなる
請求項11記載の固体撮像素子。 - 前記変換部は、
ループ状に接続された一対のトランジスタと、
前記一対のトランジスタのそれぞれのゲートに接続された容量と
を備える請求項11記載の固体撮像素子。 - 複数の画素を配列した画素アレイ部と、
デジタル信号処理部と
を具備し、
前記複数の画素のそれぞれは、
光電変換により電子および正孔を生成するフォトダイオードと、
前記電子および前記正孔の一方の量に応じた電圧の画素信号を生成する画素信号生成部と、
前記電子および前記正孔の他方の変化量が所定の閾値を超えたか否かを検出して検出信号を出力する検出部と
を備え、
前記デジタル信号処理部は、前記検出信号および前記画素信号に対して所定の処理を行う撮像装置。 - 画素アレイ部内に配列された複数の画素のそれぞれが備える画素信号生成部および検出部のうち前記画素信号生成部が、光電変換により生成された電子および正孔の一方の量に応じた電圧の画素信号を生成する画素信号生成手順と、
前記検出部が、前記電子および前記正孔の他方の変化量が所定の閾値を超えたか否かを検出して検出信号を出力する検出手順と
を具備する固体撮像素子の制御方法。
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