JP7312029B2 - Imaging signal processing method and solid-state imaging device using the same - Google Patents

Imaging signal processing method and solid-state imaging device using the same Download PDF

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この発明は撮像信号の信号処理方法およびそれを用いた固体撮像装置に関し、特に、画素から得られた画素信号(アナログ値)をデジタル値に変換する際に、時間の経過に伴って電位が変化するランプ信号を参照信号として利用するAD(Analog to Digital)コンバータ(ADC)と、それを備えた固体撮像装置に関する。 1. Field of the Invention The present invention relates to a signal processing method for an image signal and a solid-state image sensor using the same, and more particularly, to a method in which the potential changes with the passage of time when converting a pixel signal (analog value) obtained from a pixel into a digital value. The present invention relates to an AD (Analog to Digital) converter (ADC) using a ramp signal as a reference signal, and a solid-state imaging device having the same.

図9は一般的なCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサの構成図を示す。図9に示すCMOSイメージセンサ100は、画素制御信号生成部1、画素アレイ2、ランプ信号生成回路3、カウンタ回路4、画素アレイ2の列ごとにADCを備えたカラムADCブロック5、ロジック回路部6、出力I/F部7を有する。ADCはシングルスロープ積分型ADCを対象としている。画素アレイは、通常の画素(R、G、B)(有効画素)とオプティカルブラック(OB)の画素(遮光画素)とを有する。 FIG. 9 shows a configuration diagram of a general CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor. The CMOS image sensor 100 shown in FIG. 9 includes a pixel control signal generator 1, a pixel array 2, a ramp signal generator 3, a counter circuit 4, a column ADC block 5 having an ADC for each column of the pixel array 2, and a logic circuit. 6, has an output I/F unit 7; The ADC is intended for single-slope integrating ADCs. The pixel array has normal pixels (R, G, B) (effective pixels) and optical black (OB) pixels (light-shielded pixels).

CMOSイメージセンサは、高温で特性が劣化することが知られている。この原因は主に暗電流と呼ばれるものであり、これによって、光が入らない(暗い)部分でもフォトダイオード(Photo Diode;PD)に電荷が発生してしまい、画像が白浮きする現象が起きる。この暗電流成分は、温度が8℃上がるごとに2倍程度増加することが、一般的に知られており、高温では無視できないレベルに達する。そのため従来は、オプティカルブラック(Optical Black;OB)と呼ばれる遮光された画素を設け、そこから得られた暗電流の情報を、遮光されていない通常の画素から得られた画素信号情報から減算することにより、上述の白浮き現象を抑える方法が用いられていた(特許文献1)。 CMOS image sensors are known to deteriorate in characteristics at high temperatures. This is mainly due to what is called a dark current, which causes charges to occur in photodiodes (PDs) even in areas where light does not enter (dark), resulting in a phenomenon that the image appears white. It is generally known that the dark current component increases approximately twice as the temperature rises by 8° C., and reaches a non-negligible level at high temperatures. Therefore, conventionally, a light-shielded pixel called optical black (OB) is provided, and dark current information obtained therefrom is subtracted from pixel signal information obtained from an unshielded normal pixel. Therefore, a method for suppressing the whitening phenomenon described above has been used (Patent Document 1).

特開2001-186419号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-186419

図10はシングルスロープ積分型ADC500の簡単な構成を示す図である。図10に示すADCの動作は、ランプ信号生成回路3から参照信号電位として供給されるランプ信号(Ramp Input)と、画素アレイ2からの画素信号である入力シグナル(Signal)のレベルを、比較器(Comparator)501によって比較する。そして、シグナルレベルとランプ信号の電位が一致する時間(カウンタ値)を、カウンタ回路4から出力されるDigital Codeを使い、カウンターラッチ(Counter Latch)回路502によりラッチ(カウント)し、アナログ値であった画素信号の値をデジタル値として出力する。 FIG. 10 is a diagram showing a simple configuration of a single-slope integrating ADC 500. As shown in FIG. The operation of the ADC shown in FIG. 10 is such that the levels of a ramp signal (Ramp Input) supplied as a reference signal potential from the ramp signal generation circuit 3 and an input signal (Signal), which is a pixel signal from the pixel array 2, are detected by a comparator. (Comparator) 501 compares. Then, the time (counter value) during which the signal level and the potential of the ramp signal match is latched (counted) by a counter latch circuit 502 using the digital code output from the counter circuit 4 and converted into an analog value. The value of the pixel signal obtained is output as a digital value.

従来は、OB画素と通常画素は、同じランプ信号(時間の経過に伴って電位が変化する信号)を用いて信号のAD変換が行われ、通常画素から得られた撮像信号に対し、OB画素から得られた暗電流成分を、後段の処理回路にて差分を取ることで補正を行っていた。そのため後述するように、通常画素のAD変換において、どの程度暗電流成分を含んでいるかを考慮せず暗電流成分を含んだ信号をAD変換しているため、白浮き現象を抑える一方で、ダイナミックレンジを狭める弊害が生じていた。 Conventionally, OB pixels and normal pixels are AD-converted using the same ramp signal (a signal whose potential changes with the lapse of time). Correction is performed by taking a difference in a processing circuit at a later stage from the dark current component obtained from . Therefore, as will be described later, in the AD conversion of normal pixels, signals containing dark current components are AD converted without considering how much dark current components are included. There was an adverse effect of narrowing the range.

その他の課題および新規な特徴は、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 problems and novel features will become apparent from the description of the specification and the accompanying drawings.

実施の形態に係る撮像信号の信号処理方法は、半導体撮像素子より出力された撮像信号を時間の経過に伴って電位が変化するランプ信号を用いてアナログデジタル変換する撮像信号の信号処理方法であって、前記半導体撮像素子のPDリセット、FDリセットを経た露光後に遮光画素より出力された第1の撮像信号を第1のランプ信号を用いて第1のアナログデジタル変換する工程と、前記半導体撮像素子のPDリセット、FDリセットを経た露光後に有効画素より出力された第2の撮像信号を第2のランプ信号を用いて第2のアナログデジタル変換する工程と、を備え、前記第2のランプ信号は、前記第1のアナログデジタル変換された出力値に応じて、前記第1のランプ信号に電圧値をオフセットさせた信号である。 A signal processing method for an imaging signal according to an embodiment is a signal processing method for an imaging signal that performs analog-to-digital conversion of an imaging signal output from a semiconductor imaging device using a ramp signal whose potential changes with the lapse of time. performing a first analog-to-digital conversion using a first ramp signal on a first imaging signal output from a light-shielded pixel after exposure through PD reset and FD reset of the semiconductor imaging device; and a second analog-to-digital conversion step using a second ramp signal for a second imaging signal output from an effective pixel after exposure through PD reset and FD reset, wherein the second ramp signal is , a signal obtained by offsetting the voltage value of the first ramp signal in accordance with the first analog-to-digital converted output value.

実施の形態に係る撮像信号の信号処理方法は、半導体撮像素子より出力された撮像信号を時間の経過に伴って電位が変化するランプ信号を用いてアナログデジタル変換する撮像信号の信号処理方法であって、前記半導体撮像素子のPDリセット、FDリセットを経た露光後に遮光画素より出力された第1の撮像信号を第1のランプ信号を用いて第1のアナログデジタル変換する工程と、前記半導体撮像素子のPDリセット、FDリセットを経た露光後に有効画素より出力された第2の撮像信号を第2のランプ信号を用いて第2のアナログデジタル変換する工程と、を備え、前記第2撮像信号は、前記第1のアナログデジタル変換された出力値に応じて、前記半導体撮像素子の露光後に有効画素より出力された信号が電圧値をオフセットさせた信号である。 A signal processing method for an imaging signal according to an embodiment is a signal processing method for an imaging signal that performs analog-to-digital conversion of an imaging signal output from a semiconductor imaging device using a ramp signal whose potential changes with the lapse of time. performing a first analog-to-digital conversion using a first ramp signal on a first imaging signal output from a light-shielded pixel after exposure through PD reset and FD reset of the semiconductor imaging device; a second analog-to-digital conversion of a second imaging signal output from effective pixels after exposure through PD reset and FD reset using a second ramp signal, wherein the second imaging signal is A signal output from an effective pixel after exposure of the semiconductor imaging device is a signal obtained by offsetting a voltage value in accordance with the first analog-to-digital converted output value.

実施の形態に係る固体撮像素子は、固体撮像素子であって、ロウ方向およびカラム方向に配置された複数の画素を含む画素アレイと、各々が、対応するカラムに対応して設けられ、対応するカラムの画素から出力された信号を伝送する複数の垂直信号線と、前記複数の垂直信号線を介して伝送された信号を並列にAD変換するカラムADC回路と時間の経過に伴って電位が変化するランプ信号を出力するランプ信号生成回路と、を備え、前記画素アレイは、遮光画素と有効画素とを有し、前記カラムADC回路は、各々が、対応するカラムに対して設けられた複数のAD変換器を備え、前記AD変換器は、第1のランプ信号に基づいて、前記遮光画素から出力された撮像信号をAD変換し、第2のランプ信号に基づいて、前記有効画素から出力された撮像信号をAD変換し、前記第2のランプ信号は、第1のランプ信号が、前記遮光画素から出力された撮像信号のAD変換の出力結果の値に応じて電圧値をオフセットされた信号である。 A solid-state imaging device according to an embodiment is a solid-state imaging device, and includes a pixel array including a plurality of pixels arranged in a row direction and a column direction, and each provided corresponding to a corresponding column. A plurality of vertical signal lines that transmit signals output from pixels in columns, a column ADC circuit that AD-converts signals transmitted through the plurality of vertical signal lines in parallel, and a potential that changes with the passage of time. a ramp signal generation circuit for outputting a ramp signal for outputting a ramp signal, the pixel array having light-shielded pixels and effective pixels, and the column ADC circuits each having a plurality of columns provided for corresponding columns. An AD converter is provided, and the AD converter AD-converts the imaging signals output from the light-shielded pixels based on the first ramp signal, and the imaging signals output from the effective pixels based on the second ramp signal. The second ramp signal is a signal obtained by offsetting the voltage value of the first ramp signal according to the value of the output result of AD conversion of the imaging signal output from the light-shielded pixel. is.

実施の形態に係る撮像信号の信号処理方法およびそれを用いた固体撮像装置によれば、ダイナミックレンジの減少を抑制すると共に、暗電流による白浮き現象を抑制することができる。 According to the signal processing method of the imaging signal and the solid-state imaging device using the same according to the embodiment, it is possible to suppress the decrease in the dynamic range and suppress the whitening phenomenon caused by the dark current.

図1は実施の形態1に係るADコンバータの回路構成の概略を撮像素子の画素との接続と合わせて示した図である。FIG. 1 is a diagram showing an outline of a circuit configuration of an AD converter according to Embodiment 1 together with connections with pixels of an imaging device. 図2は、実施の形態1に係るADコンバータの処理フローの概略を示した図である。FIG. 2 is a diagram showing an outline of the processing flow of the AD converter according to the first embodiment. 図3は、実施の形態2に係る、露光後のOB画素(遮光画素)からの撮像信号と通常画素(有効画素)からの撮像信号のAD変換のタイミングチャートの概略を示す図である。FIG. 3 is a diagram schematically showing a timing chart of AD conversion of imaging signals from OB pixels (light-shielded pixels) after exposure and imaging signals from normal pixels (effective pixels) according to the second embodiment. 図4は、実施の形態2に係るADコンバータの回路構成の概略を撮像素子の画素との接続と合わせて示したものである。FIG. 4 shows an outline of the circuit configuration of the AD converter according to Embodiment 2 together with the connection with the pixels of the imaging device. 図5は、図3で記した実施の形態2に係るAD変換のタイミングチャートの概略に、図4で記した画素(有効画素、遮光画素)へ接続されている各種制御信号とのタイミングの関係を示した図である。FIG. 5 shows the outline of the timing chart of AD conversion according to the second embodiment shown in FIG. It is a figure showing. 図6は、実施の形態3に係るADコンバータの回路構成の概略を撮像素子の画素との接続と合わせて示したものである。FIG. 6 shows an outline of the circuit configuration of the AD converter according to Embodiment 3 together with the connection with the pixels of the imaging device. 図7は、実施の形態3に係る、露光後のOB画素(遮光画素)からの撮像信号と通常画素(有効画素)からの撮像信号のAD変換のタイミングチャートの概略を示す図である。FIG. 7 is a diagram schematically showing a timing chart of AD conversion of imaging signals from OB pixels (light-shielded pixels) after exposure and imaging signals from normal pixels (effective pixels) according to the third embodiment. 図8は、実施の形態4に係るADコンバータの回路構成の概略を撮像素子の画素との接続と合わせて示したものである。FIG. 8 shows an outline of the circuit configuration of the AD converter according to Embodiment 4 together with the connection with the pixels of the imaging device. 図9は、一般的なCMOSイメージセンサの構成を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the configuration of a general CMOS image sensor. 図10は、一般的なシングルスロープ積分型ADC500の簡単な構成を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a simple configuration of a general single-slope integrating ADC 500. As shown in FIG. 図11Aは、従来の露光後のOB画素(遮光画素)からの撮像信号のAD変換のタイミングチャートの概略を示す図である。FIG. 11A is a diagram schematically showing a conventional timing chart of AD conversion of imaging signals from OB pixels (light-shielded pixels) after exposure. 図11Bは、従来の露光後の通常画素(有効画素)からの撮像信号のAD変換のタイミングチャートの概略を示す図である。FIG. 11B is a diagram schematically showing a conventional timing chart of AD conversion of imaging signals from normal pixels (effective pixels) after exposure.

以下、実施の形態に係る半導体装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、明細書および図面において、同一の構成要素または対応する構成要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、図面では、説明の便宜上、構成を省略または簡略化している場合もある。また、実施の形態と各変形例との少なくとも一部は、互いに任意に組み合わされてもよい。 Hereinafter, semiconductor devices according to embodiments will be described in detail with reference to the drawings. In addition, in the specification and the drawings, the same components or corresponding components are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted. Also, in the drawings, the configuration may be omitted or simplified for convenience of explanation. Moreover, at least a part of the embodiment and each modification may be arbitrarily combined with each other.

(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係るADコンバータの回路構成の概略を撮像素子の画素との接続と合わせて示したものである。シングルスロープ積分型ADC5001は、図10で記した一般的なシングルスロープ積分型ADC500に比べてさらに、オフセット制御ブロック504を含む。オフセット制御ブロック504は、入力信号に対し、所望の電圧オフセットを追加し出力する機能を備える。OBデータ記録回路503では、シングルスロープ積分型ADC5001の出力が入力され格納される。そして、その格納された値は、オフセット制御ブロック504にて利用する電圧オフセット値を決める際の参照データとしオフセット制御ブロック504に出力される。オフセット制御ブロック504には、ランプ信号生成回路3の出力が入力され、所望のオフセット電圧が追加された上で、比較器501の一方の入力に出力される。あるいは、オフセット制御ブロック504には、垂直読み出し線を介し、有効画素(R、G、B)や遮光画素(OB)から出力された信号が入力され、所望のオフセット電圧が追加された上で、比較器501のもう一方の入力に出力される。垂直読み出し線は、有効画素(R、G、B)や遮光画素(OB)を含む各画素の選択トランジスタのそれぞれのソース端に接続され、また、定電流源を介して接地電位GNDに接続されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows an outline of the circuit configuration of the AD converter according to Embodiment 1 together with the connection with the pixels of the imaging device. Single-slope integrating ADC 5001 further includes offset control block 504 compared to general single-slope integrating ADC 500 noted in FIG. The offset control block 504 has a function of adding a desired voltage offset to the input signal and outputting it. The OB data recording circuit 503 receives and stores the output of the single slope integration type ADC 5001 . The stored value is output to the offset control block 504 as reference data for determining the voltage offset value to be used in the offset control block 504 . The output of the ramp signal generation circuit 3 is input to the offset control block 504 , a desired offset voltage is added thereto, and the result is output to one input of the comparator 501 . Alternatively, the offset control block 504 receives signals output from effective pixels (R, G, B) and light-shielded pixels (OB) via vertical readout lines, adds a desired offset voltage, and Output to the other input of comparator 501 . The vertical readout line is connected to the source terminals of the selection transistors of each pixel including effective pixels (R, G, B) and light-shielded pixels (OB), and is also connected to the ground potential GND via a constant current source. ing.

有効画素(R、G、B)と遮光画素(OB)はそれぞれ、図1に示すように、フォトダイオード(PD1、PD0)、転送トランジスタ(MT1、MT0)、リセットトランジスタ(MR1、MR0)、増幅トランジスタ(MA0、MA1)、選択トランジスタ(MS1、MS0)を備える。遮光画素では、有効画素に比べ、少なくともフォトダイオードPD0部分への外部からの光信号が遮ぎられるように構成されている。また、有効画素、遮光画素ともに、転送トランジスタを制御するために、それぞれのゲート電極にゲート制御信号配線(TX1、TX0)が接続されている。同様に、リセットトランジスタを制御するために、それぞれのゲート電極にリセット制御信号配線(RST1、RST0)が接続されている。また、選択トランジスタを制御するために、それぞれのゲート電極に選択信号配線(SEL1、SEL0)が接続されている。これらの各画素ごとに、それぞれ3種類の制御信号配線が、画素制御信号生成部1から接続されている。 Effective pixels (R, G, B) and light-shielded pixels (OB) are each composed of photodiodes (PD1, PD0), transfer transistors (MT1, MT0), reset transistors (MR1, MR0), amplification It has transistors (MA0, MA1) and select transistors (MS1, MS0). Compared to the effective pixels, the light-shielded pixels are configured such that at least the photodiode PD0 portion is shielded from light signals from the outside. Gate control signal lines (TX1, TX0) are connected to the gate electrodes of both the effective pixels and the light-shielded pixels in order to control the transfer transistors. Similarly, to control the reset transistors, reset control signal wirings (RST1, RST0) are connected to the respective gate electrodes. In addition, select signal wirings (SEL1, SEL0) are connected to the respective gate electrodes in order to control the select transistors. Three types of control signal wirings are connected from the pixel control signal generator 1 to each of these pixels.

さらに、それぞれのフォトダイオード(PD1、PD0)にて発生した電荷は、転送トランジスタ(MT1、MT0)を介してフローティングディフュージョン領域(FD1、FD0)に転送される。それぞれのフローティングディフュージョン領域(FD1、FD0)は、リセットトランジスタ(MR1、MR0)により、そのリセットトランジスタ(MR1、MR0)がオンすることで、電源電位PWR(VDD)にリセット(初期化)される。垂直信号読み出し線によりどの画素が読み出されるかは、選択トランジスタ(MS1、MS0)のうちの一つが活性化されることにより選択される。 Furthermore, the charges generated in the respective photodiodes (PD1, PD0) are transferred to the floating diffusion regions (FD1, FD0) via the transfer transistors (MT1, MT0). The respective floating diffusion regions (FD1, FD0) are reset (initialized) to the power supply potential PWR (VDD) by the reset transistors (MR1, MR0) turning on the reset transistors (MR1, MR0). Which pixel is read out by the vertical signal readout line is selected by activating one of the selection transistors (MS1, MS0).

OBデータ記録回路503は、シングルスロープ積分型ADC5001の出力を格納・記録する機能を持つが、特に、遮光画素(OB)から出力される信号が、垂直読み出し線経由で入力された場合のシングルスロープ積分型ADC5001の出力値を対象にしている。そしてこの時にOBデータ記録回路503に格納された値は、暗電流成分が起因して生じるノイズレベル(ダークレベル)の値に相当する。 The OB data recording circuit 503 has a function of storing and recording the output of the single-slope integration type ADC 5001. In particular, the signal output from the light-shielded pixel (OB) is input via the vertical readout line. It targets the output value of the integrating ADC5001. The value stored in the OB data recording circuit 503 at this time corresponds to the value of the noise level (dark level) caused by the dark current component.

オフセット制御ブロック504は、OBデータ記録回路503からのダークレベルの値に応じたオフセット値を、ランプ信号生成回路3の出力に追加し、後段の比較器501とカウンターラッチ回路502により、有効画素(R、G、B)から出力される信号をデジタル値として出力する(後述の実施の形態2に対応)。 The offset control block 504 adds an offset value corresponding to the dark level value from the OB data recording circuit 503 to the output of the ramp signal generation circuit 3, and the effective pixels ( R, G, and B) are output as digital values (corresponding to Embodiment 2 described later).

あるいは、オフセット制御ブロック504は、OBデータ記録回路503からのダークレベルの値に応じたオフセット値を、有効画素(R、G、B)から出力される信号に追加して、後段のシングルスロープ積分型ADCにより、有効画素(R、G、B)から出力される信号をデジタル値として出力する(後述の実施の形態3に対応)。 Alternatively, the offset control block 504 adds an offset value corresponding to the value of the dark level from the OB data recording circuit 503 to the signal output from the effective pixels (R, G, B) to perform single slope integration in the latter stage. A type ADC outputs signals output from effective pixels (R, G, B) as digital values (corresponding to a third embodiment described later).

図2は、これらの処理フローを簡単に示したフロー図である。最初のステップ(S1)として、OB画素の露光後のAD変換を実行する。次のステップ(S2)として、前のステップ(S1)でAD変換された出力値を記録する。次のステップ(S3)では、前のステップ(S2)にて記録されたAD変換出力値により、ダークレベル相当の値を求め、ランプ信号もしくはシグナル入力に、オフセットとして追加する。最後のステップ(S4)として、有効画素の露光後のAD変換を実行するが、前のステップ(S3)にて求められたオフセットをランプ信号か、もしくは、シグナル入力かに追加することにより実行する。 FIG. 2 is a flowchart simply showing these processing flows. As a first step (S1), post-exposure AD conversion of OB pixels is performed. As the next step (S2), the output values AD-converted in the previous step (S1) are recorded. In the next step (S3), a value corresponding to the dark level is obtained from the AD conversion output value recorded in the previous step (S2), and added as an offset to the lamp signal or signal input. As the final step (S4), AD conversion of effective pixels after exposure is performed by adding the offset obtained in the previous step (S3) to the ramp signal or signal input. .

図2で示したフローチャートにおいて、従来と比べ特徴的な点は、ステップS4で実行される有効画素の露光後のAD変換のために、ランプ信号、もしくは、シグナル入力に、ダークレベル相当のオフセットを追加する点である。そして、追加するオフセットを予め求めるために、S4より前の時点で、S1、もしくは、S1とS2、もしくは、S1とS2とS3が実行されるという点である。 In the flowchart shown in FIG. 2, a characteristic point compared to the conventional art is that an offset equivalent to a dark level is applied to the lamp signal or signal input for AD conversion after exposure of effective pixels executed in step S4. This is an additional point. Then, S1, or S1 and S2, or S1, S2, and S3 are executed before S4 in order to obtain the offset to be added in advance.

本実施の形態1に基づいた構成(図1)、処理フロー(図2)とすることにより、有効画素(R、G、B)から出力される信号が、シングルスロープ積分型ADC5001によりデジタル値として出力されるにあたり、予め求めたダークレベルの値に相当するオフセットを追加する。このようなオフセットが追加されたランプ信号、もしくは、入力信号によりAD変換を行うため、ダイナミックレンジの減少を起こさず、暗電流による白浮き現象を抑制することができる。 With the configuration (FIG. 1) and the processing flow (FIG. 2) based on the first embodiment, the signals output from the effective pixels (R, G, B) are converted into digital values by the single-slope integration type ADC 5001. When outputting, an offset corresponding to the pre-obtained dark level value is added. Since the AD conversion is performed by the ramp signal or the input signal to which such an offset is added, the dynamic range does not decrease, and the whitening phenomenon caused by the dark current can be suppressed.

(実施の形態2)
図3は、実施の形態2に係る、露光後のOB画素(遮光画素)からの撮像信号と露光後の通常画素(有効画素)からの撮像信号のAD変換のタイミングチャートの概略を示す図である。図3のタイミングチャートでは、ランプ信号0に加えてランプ信号1が描かれている。ランプ信号0により、露光後のOB画素(遮光画素)からの撮像信号のAD変換を行い、ランプ信号1により、露光後の通常画素(有効画素)からの撮像信号のAD変換を行う。ランプ信号0によるAD変換は、従来と同様であるが、そのAD変換の結果を反映させたランプ信号1によるAD変換に特徴がある。具体的には、ランプ信号1は、ランプ信号0と同じ傾きを持つが、OB画素の撮像信号のAD変換により得られたダークレベル相当の電圧値分だけマイナス方向にオフセットを持たせた波形となっている。図3では、図2で言うところの、ステップS2とステップS3の工程は図中には省略され示されていない。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a diagram schematically showing a timing chart of AD conversion of imaging signals from post-exposure OB pixels (light-shielded pixels) and post-exposure imaging signals from normal pixels (effective pixels) according to the second embodiment. be. In the timing chart of FIG. 3, ramp signal 1 is drawn in addition to ramp signal 0. In FIG. Ramp signal 0 performs AD conversion of imaging signals from OB pixels (light-shielded pixels) after exposure, and ramp signal 1 performs AD conversion of imaging signals from normal pixels (effective pixels) after exposure. The AD conversion by the ramp signal 0 is the same as the conventional one, but the AD conversion by the ramp signal 1 reflecting the result of the AD conversion is characteristic. Specifically, the ramp signal 1 has the same slope as the ramp signal 0, but has a waveform offset in the negative direction by the voltage value corresponding to the dark level obtained by AD conversion of the imaging signal of the OB pixels. It's becoming In FIG. 3, steps S2 and S3 referred to in FIG. 2 are omitted and not shown.

図3に示すように、ランプ信号1によるAD変換では、カウンターラッチのカウンタが0の開始時点で、ランプ信号1上でa1と記した電圧値からAD変換が開始される。この電圧値はダークレベル相当の電圧値に等しい。ADコンバータの適応範囲となるa1の電位からb1の電位までの範囲、カウンタ値で示すとカウント値0から4095カウントまでの範囲で、ダークレベルと同等の信号から、大きな信号までAD変換可能となる。ダイナミックレンジとしては、図3中に記した「Dレンジ1」と記した範囲がダイナミックレンジとなる。ダークレベル分ランプ信号をオフセットしたことによって、図3に示したように、カウンタラッチのカウンタ動作における、0カウントから4095カウントまで、ランプ信号の電圧で示すと、a1からb1まで、最大限にアナログ電圧値を検出しデジタル値へとAD変換対応出来ることが分かる。 As shown in FIG. 3, in the AD conversion by the ramp signal 1, the AD conversion is started from the voltage value indicated as a1 on the ramp signal 1 at the time when the counter of the counter latch is 0. This voltage value is equal to the voltage value corresponding to the dark level. In the range from the potential of a1 to the potential of b1, which is the applicable range of the AD converter, and the count value in the range of 0 to 4095 counts in terms of counter value, it is possible to AD convert from signals equivalent to dark level to large signals. . As for the dynamic range, the range indicated as "D range 1" in FIG. 3 is the dynamic range. By offsetting the ramp signal by the dark level, as shown in FIG. 3, from 0 count to 4095 counts in the counter operation of the counter latch, from a1 to b1 in terms of the voltage of the ramp signal, the analog level is maximized. It can be seen that the voltage value can be detected and AD-converted into a digital value.

実施の形態2に係るAD変換のダイナミックレンジの効果を説明するために、比較例でのダイナミックレンジについての説明を図11A、図11Bを使って以下に示す。図11A、図11Bは、図10に示したシングルスロープ積分型ADC500のタイミングチャートの概略を示す図である。図11Aは、露光後のOB画素(遮光画素)からの撮像信号のAD変換のタイミングチャートを示す。露光後のOB画素(遮光画素)からの撮像信号であるので、暗電流に起因するノイズレベル(ダークレベル)を測定していることになる。図11Bは、露光後の通常画素(有効画素)からの撮像信号のAD変換のタイミングチャートを示す。背景技術で述べたように、図11Bの手順で得られた画素信号の値から、図11Aの手順で得られた暗電流信号の値を引くことで、正味の画素信号の値が得られることになる。 In order to explain the effect of the dynamic range of AD conversion according to the second embodiment, the dynamic range in a comparative example will be explained below using FIGS. 11A and 11B. 11A and 11B are schematic timing charts of the single-slope integrating ADC 500 shown in FIG. FIG. 11A shows a timing chart of AD conversion of imaging signals from OB pixels (light-shielded pixels) after exposure. Since the imaging signals are from OB pixels (light-shielded pixels) after exposure, the noise level (dark level) caused by dark current is measured. FIG. 11B shows a timing chart of AD conversion of imaging signals from normal pixels (effective pixels) after exposure. As described in Background Art, a net pixel signal value can be obtained by subtracting the dark current signal value obtained in the procedure of FIG. 11A from the pixel signal value obtained in the procedure of FIG. 11B. become.

図11A、図11Bを参照し、詳細な動作を説明する。図10で説明したように、まず、コンパレータにシグナルとランプ信号0がそれぞれ入力され、カウンタラッチがカウント動作を行い、図11A、図11Bそれぞれの入力信号レベルのAD変換が行われる。つまり、図11Aのランプ信号0では、ランプ信号0のa点からカウント動作が開始され、ダークレベルと同レベルとなるx点に至るまで、Dカウントされ、これがダークレベルのデジタル値となる。同様に、図11Bのランプ信号0では、ランプ信号0のa点からカウント動作が開始され、シグナルレベルと同レベルとなるy点に至るまで、S0カウントされ、これがシグナルレベルのデジタル値となる。 Detailed operations will be described with reference to FIGS. 11A and 11B. As described with reference to FIG. 10, first, a signal and a ramp signal 0 are input to the comparator, the counter latch performs a counting operation, and AD conversion of the input signal levels in FIGS. 11A and 11B is performed. That is, in the ramp signal 0 of FIG. 11A, the count operation starts from the point a of the ramp signal 0, and the D count is performed until the point x, which is the same level as the dark level, and this becomes the digital value of the dark level. Similarly, with ramp signal 0 in FIG. 11B, the count operation starts from point a of ramp signal 0, and counts S0 until point y, which is the same level as the signal level, and this is the digital value of the signal level.

図11A、図11Bに描いた例では共に、ADコンバータとしては0カウントから4095カウントまで対応可能であり、ランプ信号0上のレベルでは、a点の電位レベルからb点の電位レベルまで変化する信号についてAD変換が可能である。変換可能な電位レベルの可変範囲がダイナミックレンジと呼び、図11Aの場合では、図中「Dレンジ01」と記した範囲がダイナミックレンジの大きさを示す。 In the examples depicted in FIGS. 11A and 11B, the AD converter can handle from 0 count to 4095 counts, and the level on the ramp signal 0 is a signal that changes from the potential level at point a to the potential level at point b. can be AD converted. A variable range of potential levels that can be converted is called a dynamic range, and in the case of FIG. 11A, the range indicated as "D range 01" in the drawing indicates the magnitude of the dynamic range.

一方、図11Bの場合は、図中で灰色のハッチを掛けて記したように、定常的に暗電流成分がノイズとして存在するため、正味の撮像信号の有無によらず、この暗電流成分より小さい信号はノイズに掻き消されてしまい信号として出力されることはない。そのため、図11Bの場合のダイナミックレンジは、図11Bの図中で「Dレンジ02」と記した範囲となり、図11Aの場合のダイナミックレンジに比べ、暗電流成分の大きさだけ小さい値となる。 On the other hand, in the case of FIG. 11B, as indicated by gray hatching in the figure, the dark current component constantly exists as noise. A small signal is drowned out by noise and is not output as a signal. Therefore, the dynamic range in the case of FIG. 11B is the range indicated as "D range 02" in the drawing of FIG. 11B, which is smaller than the dynamic range in the case of FIG. 11A by the magnitude of the dark current component.

本比較例では、図11Bの手順で得られた画素信号の値から、図11Aの手順で得られた暗電流信号の値を引くことで、正味の画素信号の値が得られるが、上述のとおり、図11Bの手順で画素信号の値を求める際に、狭められたダイナミックレンジの特性の下でAD変換が行われるため、白浮き現象を抑える一方で、ダイナミックレンジを狭める弊害が生じてしまう。また、比較例の場合は、図11Bの手順で得られた画素信号の値から、図11Aの手順で得られた暗電流信号の値を引くにあたり、それぞれ、図11Aの手順で得られた暗電流信号の値と、図11Bの手順で得られた画素信号の値は、独立に求められ最終的に差分が取られれば良いので、図2で説明したように、図11Aの手順が、図11Bの手順より時間的に前に行われていなければいけない、という制約はない。 In this comparative example, a net pixel signal value is obtained by subtracting the dark current signal value obtained in the procedure of FIG. 11A from the pixel signal value obtained in the procedure of FIG. 11B. As shown, when the value of the pixel signal is obtained in the procedure of FIG. 11B, the AD conversion is performed under the characteristics of the narrowed dynamic range. . Further, in the case of the comparative example, when subtracting the dark current signal value obtained by the procedure of FIG. 11A from the value of the pixel signal obtained by the procedure of FIG. The value of the current signal and the value of the pixel signal obtained by the procedure of FIG. 11B can be obtained independently, and the difference is finally taken. There is no restriction that it must be performed temporally before the procedure of 11B.

改めて本実施の形態1によるダイナミックレンジについて、図3のランプ信号1による値を見ると、図中のDレンジ1と示した値であり、比較例の図11BでDレンジ02と示した値と比較すると、ダイナミックレンジが、カウンタラッチのカウンタ動作における、0カウントから4095カウントまで、ランプ信号の電圧で示すと、a1からb1まで最大限にレンジが確保できており、比較例に比べ改善できていることが分かる。 Regarding the dynamic range according to the first embodiment, looking again at the values of the ramp signal 1 in FIG. By comparison, the dynamic range is from 0 count to 4095 counts in the counter operation of the counter latch, and when indicated by the voltage of the ramp signal, the maximum range is secured from a1 to b1, which is an improvement compared to the comparative example. I know there is.

図5は、実施の形態2に係るADコンバータの回路構成の概略を撮像素子の画素との接続と合わせて示したものである。図1で示されたADコンバータの回路構成と比較して、オフセット制御ブロック504の一例としての詳細が、オフセット制御回路1(506)として、記されている。 FIG. 5 shows an outline of the circuit configuration of the AD converter according to Embodiment 2 together with the connection with the pixels of the imaging device. Compared with the circuit configuration of the AD converter shown in FIG. 1, the details of the offset control block 504 are shown as an offset control circuit 1 (506) as an example.

図5は、図3で記した実施の形態2に係るAD変換のタイミングチャートの概略に、図4で記した画素(有効画素、遮光画素)へ接続されている各種制御信号とのタイミングの関係を示した図である。以下に、t1からt13まで順を追って動作の概略を説明していく。図5では、図3と同様に、図2で言うところの、ステップS2とステップS3の工程は図中には省略され示されていない。 FIG. 5 shows the outline of the timing chart of AD conversion according to the second embodiment shown in FIG. It is a figure showing. The outline of the operation will be described below in order from t1 to t13. In FIG. 5, as in FIG. 3, steps S2 and S3 referred to in FIG. 2 are omitted and not shown.

図5で、時刻t1~t2の間は、遮光画素のリセットトランジスタMR0のリセット信号RST0、転送トランジスタMT0の制御信号TX0、が共にハイレベルとなっており、フォトダイオードPD0のリセット動作(PDリセット)が行われる。次に、時刻t3~t4の間は、遮光画素のリセットトランジスタMR0のリセット信号RST0のみがハイレベルとなり、遮光画素のフローティングディフュージョン領域FD0のリセット動作(FDリセット)が行われる。時刻t3からは、遮光画素の選択トランジスタMS0の制御信号SEL0もハイレベルになり、遮光画素の信号が選択され、垂直信号読み出し線を経由してADコンバータに出力され始める。 In FIG. 5, between times t1 and t2, both the reset signal RST0 of the reset transistor MR0 of the light-shielded pixel and the control signal TX0 of the transfer transistor MT0 are at high level, and the reset operation (PD reset) of the photodiode PD0 is performed. is done. Next, between times t3 and t4, only the reset signal RST0 of the reset transistor MR0 of the light-shielded pixel becomes high level, and the reset operation (FD reset) of the floating diffusion region FD0 of the light-shielded pixel is performed. From time t3, the control signal SEL0 of the selection transistor MS0 of the light-shielded pixel also becomes high level, the signal of the light-shielded pixel is selected, and it starts to be output to the AD converter via the vertical signal readout line.

その後、時刻t5~t6の間に、遮光画素の転送トランジスタMT0の制御信号TX0がハイレベルになり、遮光画素に対し時刻t2~t5の露光期間中に実際は遮光されているため、画素で生じた暗電流成分がフローティングディフュージョン領域FD0に転送される。すでに選択信号SEL0は時刻t3からハイレベルになっており、時刻t6直後にADコンバータでのAD変換動作が、ランプ信号0を用い、カウンタラッチでのカウント動作と共に開始される。 After that, between times t5 and t6, the control signal TX0 of the transfer transistor MT0 of the light-shielded pixel becomes high level, and the light-shielded pixel is actually light-shielded during the exposure period of time t2-t5. A dark current component is transferred to the floating diffusion region FD0. The selection signal SEL0 has already been at high level from time t3, and immediately after time t6, the AD conversion operation in the AD converter using the ramp signal 0 is started together with the count operation in the counter latch.

ここまでのAD変換で、遮光画素が露光され、その撮像信号のデジタル値が得られているが、これが暗電流成分であり、ダークレベルの値を示すものである。図4で示されたように、この値は、OBデータ記録回路に格納され、以降の有効画素の撮像信号のAD変換のために、ランプ信号1のオフセット値として使われる。時刻t4~t5の間に、一般的にはFD領域のノイズ成分を読み出すAD変換を伴う処理がランプ信号を使って行われるが、本発明では省略する。 Through the AD conversion up to this point, the light-shielded pixels are exposed and the digital value of the imaging signal is obtained. This is the dark current component, which indicates the value of the dark level. As shown in FIG. 4, this value is stored in the OB data recording circuit, and used as the offset value of the ramp signal 1 for AD conversion of the imaging signal of the effective pixels thereafter. Between times t4 and t5, a process involving AD conversion for reading noise components in the FD area is generally performed using a ramp signal, but this is omitted in the present invention.

図5では引き続き、時刻t7~t8の間は、有効画素のリセットトランジスタMR1のリセット信号RST1、転送トランジスタMT1の制御信号TX1、が共にハイレベルとなっており、フォトダイオードPD1のリセット動作(PDリセット)が行われる。次に、時刻t10~t11の間は、有効画素のリセットトランジスタMR1のリセット信号RST1のみがハイレベルとなり、有効画素のフローティングディフュージョン領域FD1のリセット動作(FDリセット)が行われる。時刻t10からは、有効画素の選択トランジスタMS1の制御信号SEL1もハイレベルになり、有効画素の信号が選択され、垂直信号読み出し線を経由してADコンバータに出力され始める。時刻t11~t12の間に、一般的にはFD領域のノイズ成分を読み出すAD変換を伴う処理がランプ信号を使って行われるが、本発明では省略する。 In FIG. 5, between times t7 and t8, both the reset signal RST1 of the reset transistor MR1 of the effective pixel and the control signal TX1 of the transfer transistor MT1 are at high level, and the reset operation of the photodiode PD1 (PD reset ) is performed. Next, during time t10 to t11, only the reset signal RST1 of the reset transistor MR1 of the effective pixel becomes high level, and the reset operation (FD reset) of the floating diffusion region FD1 of the effective pixel is performed. From time t10, the control signal SEL1 of the select transistor MS1 of the effective pixel also becomes high level, the signal of the effective pixel is selected, and it starts to be output to the AD converter via the vertical signal readout line. Between times t11 and t12, a process involving AD conversion for reading noise components in the FD area is generally performed using a ramp signal, but this is omitted in the present invention.

その後、時刻t12~t13の間に、有効画素の転送トランジスタMT1の制御信号TX1がハイレベルになり、有効画素に対し時刻t8~t12の露光期間中に有効画素に露光された画素信号情報がフローティングディフュージョン領域FD1の転送される。すでに選択信号SEL0は時刻t9からロウレベルとなっており、代わりに選択信号SEL1が時刻t10からハイレベルになっており、時刻t13直後にADコンバータでのAD変換動作が、ランプ信号1を用い、カウンタラッチでのカウント動作と共に開始される。 After that, during time t12 to t13, the control signal TX1 of the transfer transistor MT1 of the effective pixel becomes high level, and the pixel signal information of the effective pixel exposed to the effective pixel during the exposure period of time t8 to t12 is floating. Diffusion area FD1 is transferred. The selection signal SEL0 has already been at the low level from time t9, and instead the selection signal SEL1 has been at the high level from time t10. It starts with the count operation in the latch.

上述のとおり、有効画素のAD変換に使われるランプ信号1は、遮光画素から得られた暗電流成分に相当する値だけ電圧値としてランプ信号0からオフセットされている。これにより、有効画素から出力される信号に対するAD変換では、ダイナミックレンジの減少を起こさず、暗電流による白浮き現象を抑制することができる。 As described above, the ramp signal 1 used for AD conversion of effective pixels is offset from the ramp signal 0 as a voltage value by a value corresponding to the dark current component obtained from the light-shielded pixels. As a result, in the AD conversion of the signal output from the effective pixel, the dynamic range does not decrease, and the whitening phenomenon caused by the dark current can be suppressed.

(実施の形態3)
図6は、実施の形態3に係るADコンバータの回路構成の概略を撮像素子の画素との接続と合わせて示したものである。図1で示されたADコンバータの回路構成と比べて、オフセット制御ブロック504の一例としての詳細が、オフセット制御回路2(507)として、記されている。
(Embodiment 3)
FIG. 6 shows an outline of the circuit configuration of the AD converter according to Embodiment 3 together with the connection with the pixels of the imaging device. Compared with the circuit configuration of the AD converter shown in FIG. 1, details of an example of the offset control block 504 are shown as an offset control circuit 2 (507).

図6からも分かる通り、実施の形態3に係るADコンバータでは、遮光画素から得られた暗電流成分に相当する値を、有効画素から得られた撮像信号をAD変換するにあたり、有効画素から得られた撮像信号に電圧値をオフセットとして追加する。 As can be seen from FIG. 6, in the AD converter according to the third embodiment, a value corresponding to the dark current component obtained from the light-shielded pixel is obtained from the effective pixel when AD-converting the imaging signal obtained from the effective pixel. A voltage value is added as an offset to the captured image signal.

図7は、実施の形態3に係る、露光後のOB画素(遮光画素)からの撮像信号と通常画素(有効画素)からの撮像信号のAD変換のタイミングチャートの概略を示す図である。
実施の形態3では、遮光画素のAD変換も、有効画素のAD変換も、図11A、図11Bで示した様に、従来と同様に、同じランプ信号0を使う。図7では、図2で言うところの、ステップS2とステップS3の工程は図中には省略され示されていない。
FIG. 7 is a diagram schematically showing a timing chart of AD conversion of imaging signals from OB pixels (light-shielded pixels) after exposure and imaging signals from normal pixels (effective pixels) according to the third embodiment.
In the third embodiment, as shown in FIGS. 11A and 11B, the same ramp signal 0 is used for both the AD conversion of the light-shielded pixels and the AD conversion of the effective pixels. In FIG. 7, steps S2 and S3 referred to in FIG. 2 are omitted and not shown.

図7で示されるように、実施の形態3では、有効画素のAD変換の際に、有効画素からのシグナルレベル2は、暗電流成分に相当する分の値だけプラスの側にオフセットされている。その結果、カウンタラッチがカウント動作を開始する時点で、図7で示すランプ信号0上の点a2は、暗電流成分を省いた値をAD変換の対象とすることが出来るため、図7で記したように、正味の信号に対するダイナミックレンジとしては、図7で記した、Dレンジ2、と書いた範囲がダイナミックレンジとなり、図11Bで記した従来のダイナミックレンジ(Dレンジ02)と比べ大きく取れていることがわかる。 As shown in FIG. 7, in the third embodiment, during AD conversion of effective pixels, the signal level 2 from the effective pixels is offset to the positive side by a value corresponding to the dark current component. . As a result, when the counter latch starts the counting operation, the point a2 on the ramp signal 0 shown in FIG. As described above, the dynamic range for the net signal is the range indicated by D range 2 in FIG. 7, which is larger than the conventional dynamic range (D range 02) indicated in FIG. 11B. It can be seen that

よって、実施の形態3に係るADコンバータにおいては、有効画素から出力される信号に対するAD変換では、遮光画素から得られた暗電流成分に相当する値だけ電圧値として
オフセットされている。これにより、有効画素から出力される信号に対するAD変換では、ダイナミックレンジの減少を起こさず、暗電流による白浮き現象を抑制することができる。
Therefore, in the AD converter according to the third embodiment, the voltage value is offset by a value corresponding to the dark current component obtained from the light-shielded pixel in the AD conversion of the signal output from the effective pixel. As a result, in the AD conversion of the signal output from the effective pixel, the dynamic range does not decrease, and the whitening phenomenon caused by the dark current can be suppressed.

(実施の形態4)
図8は、実施の形態4に係るADコンバータの回路構成の概略を撮像素子の画素との接続と合わせて示したものである。同様な構成を記した図1では、全体構成を示した図9に表されているセルアレイ2の中の、一つの列について代表として遮光画素1つと、有効画素一つを抜き出した図であった。図8では、セルアレイの中から列を2つ抜き出したものをイメージしている。そして、それぞれの列について、図1でも示されていた、遮光画素(OB)と有効画素(R,G,B)に加えて、遮光画素2(OB2)と有効画素2(R2,G2,B2)が追加されている。
(Embodiment 4)
FIG. 8 shows an outline of the circuit configuration of the AD converter according to Embodiment 4 together with the connection with the pixels of the imaging device. In FIG. 1 showing a similar configuration, one light-shielded pixel and one effective pixel are extracted as representatives for one column in the cell array 2 shown in FIG. 9 showing the overall configuration. . FIG. 8 shows an image of two columns extracted from the cell array. For each column, in addition to the light-shielding pixel (OB) and effective pixels (R, G, B) shown in FIG. 1, light-shielding pixel 2 (OB2) and effective pixel 2 (R2, G2, B2) ) has been added.

図1において、すでに描かれていた列に対応するカラムADC(オフセット制御機能付きシングルスロープ積分型ADC)5001が図11にも描かれており、その中には、カウンターラッチ回路502、比較器501、オフセット制御ブロック504が含まれている。そして追加された列に対応するカラムADC(オフセット制御機能付きシングルスロープ積分型ADC)5002が、図8では追加して描かれている。カラムADC(オフセット制御機能付きシングルスロープ積分型ADC)5002は、カウンターラッチ回路5022、比較器5012、オフセット制御ブロック5042が含まれている。 A column ADC (single-slope integrating ADC with offset control function) 5001 corresponding to the columns already drawn in FIG. 1 is also drawn in FIG. , an offset control block 504 is included. A column ADC (single-slope integration type ADC with offset control function) 5002 corresponding to the added column is additionally drawn in FIG. A column ADC (single slope integration type ADC with offset control function) 5002 includes a counter latch circuit 5022 , a comparator 5012 and an offset control block 5042 .

2つのカラムADC5001、5002では、入力されるランプ信号生成回路3は共通して接続されている。そして、それぞれのADCに共通のランプ信号が供給される。同様に、2つのカラムADC5001、5002では、カウンターラッチ回路502、5022の出力が共通のOBデータ記録回路503に接続されている。また、このOBデータ記録回路503の出力は、2つのカラムADC5001、5002それぞれのオフセット制御ブロック504、5042に入力されている。それぞれのオフセット制御ブロック504、5042のもう一方の入力には、それぞれが対応する列の垂直信号読み出し線が接続される構成となっている。 In the two column ADCs 5001 and 5002, the input ramp signal generation circuit 3 is connected in common. A common ramp signal is then supplied to each ADC. Similarly, in the two column ADCs 5001 and 5002, the outputs of the counter latch circuits 502 and 5022 are connected to the OB data recording circuit 503 in common. Also, the output of this OB data recording circuit 503 is input to the offset control blocks 504 and 5042 of the two column ADCs 5001 and 5002, respectively. The other inputs of the offset control blocks 504 and 5042 are connected to the vertical signal readout lines of the corresponding columns.

図1では、1つのカラムADC5001が、同じ列にある遮光画素からの信号をAD変換し、暗電流成分(ダークレベル)をOBデータ記録回路503に格納し、同じ列にある有効画素からの信号をAD変換する際に、このOBデータ記録回路503に格納されている暗電流成分(ダークレベル)の値に応じて、ランプ信号生成回路3からのランプ信号に追うセットを追加し、改善されたダイナミックレンジにてAD変換を行っていた。 In FIG. 1, one column ADC 5001 AD-converts signals from light-shielded pixels in the same column, stores dark current components (dark levels) in the OB data recording circuit 503, and outputs signals from effective pixels in the same column. is added to follow the ramp signal from the ramp signal generation circuit 3 according to the value of the dark current component (dark level) stored in the OB data recording circuit 503. AD conversion was performed in the dynamic range.

しかし図8では、一つのカラムADCが対応する列の遮光画素から暗電流成分(ダークレベル)をOBデータ記録回路503に格納し、別のカラムADCが別の列の有効画素からの撮像信号をAD変換する際に、OBデータ記録回路503に格納された暗電流成分(ダークレベル)の値に応じて、ランプ信号生成回路3からのランプ信号に電圧値としてオフセットを追加しAD変換を行うという利用の仕方も可能となる。このような構成においても、有効画素から出力される信号に対するAD変換では、ダイナミックレンジの減少を起こさず、暗電流による白浮き現象を抑制することができる。 However, in FIG. 8, one column ADC stores the dark current component (dark level) from the light-shielded pixel of the corresponding column in the OB data recording circuit 503, and another column ADC stores the imaging signal from the effective pixel of another column. When performing AD conversion, an offset is added as a voltage value to the ramp signal from the ramp signal generation circuit 3 according to the value of the dark current component (dark level) stored in the OB data recording circuit 503, and AD conversion is performed. The method of use is also possible. Even in such a configuration, in the AD conversion of the signal output from the effective pixel, the dynamic range does not decrease, and the whitening phenomenon caused by the dark current can be suppressed.

あるいは図8では、一つのカラムADCが対応する列の遮光画素から暗電流成分(ダークレベル)をOBデータ記録回路503に格納し、別のカラムADCが別の列の有効画素からの撮像信号をAD変換する際に、OBデータ記録回路503に格納された暗電流成分(ダークレベル)の値に応じて、それぞれのカラムからの画素信号に電圧値としてオフセットを追加しAD変換を行うという利用の仕方も可能となる。このような構成においても、有効画素から出力される信号に対するAD変換では、ダイナミックレンジの減少を起こさず、暗電流による白浮き現象を抑制することができる。 Alternatively, in FIG. 8, one column ADC stores the dark current component (dark level) from the light-shielded pixels of the corresponding column in the OB data recording circuit 503, and another column ADC stores the imaging signal from the effective pixels of another column. When performing AD conversion, an offset is added as a voltage value to the pixel signal from each column according to the value of the dark current component (dark level) stored in the OB data recording circuit 503, and AD conversion is performed. How to do it is also possible. Even in such a configuration, in the AD conversion of the signal output from the effective pixel, the dynamic range does not decrease, and the whitening phenomenon caused by the dark current can be suppressed.

実施の形態4に係るADコンバータにおいては、複数のカラム間で、OBデータ記録回路503を共有できるため、面積・コストの削減に効果があるものと期待できる。 In the AD converter according to the fourth embodiment, since the OB data recording circuit 503 can be shared among a plurality of columns, it can be expected to be effective in reducing area and cost.

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。 The invention made by the present inventor has been specifically described above based on the embodiments, but the present invention is not limited to the embodiments already described, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. It goes without saying that this is possible.

1:画素制御信号生成部
2:画素アレイ
3:ランプ信号生成回路
4:カウンタ回路
5:カラムADCブロック
6:ロジック回路部
7:出力I/F部
100:CMOSイメージセンサ
500:シングルスロープ積分型ADC
5001、5002:オフセット制御機能付きシングルスロープ積分型ADC
501、5012:比較器(Comparator)
502、5022:カウンターラッチ(Counter Latch)回路
503:OBデータ記録回路
504、5042:オフセット制御ブロック
506:オフセット制御回路1
507:オフセット制御回路2
FD0、FD1:フローティングディフュージョン領域0、フローティングディフュージョン領域1
MA0、MA1:増幅トランジスタ0、増幅トランジスタ1
MR0、MR1:リセットトランジスタ0、リセットトランジスタ1
MS0、MS1:選択トランジスタ0、選択トランジスタ1
MT0、MT1:転送トランジスタ0、転送トランジスタ1
PD0、PD1:フォトダイオード0、フォトダイオード1
1: Pixel control signal generator
2: Pixel Array 3: Ramp Signal Generation Circuit 4: Counter Circuit 5: Column ADC Block 6: Logic Circuit Section 7: Output I/F Section 100: CMOS Image Sensor 500: Single Slope Integration ADC
5001, 5002: Single-slope integrating ADC with offset control function
501, 5012: Comparator
502, 5022: Counter Latch Circuit 503: OB Data Recording Circuit 504, 5042: Offset Control Block 506: Offset Control Circuit 1
507: Offset control circuit 2
FD0, FD1: floating diffusion area 0, floating diffusion area 1
MA0, MA1: amplification transistor 0, amplification transistor 1
MR0, MR1: reset transistor 0, reset transistor 1
MS0, MS1: select transistor 0, select transistor 1
MT0, MT1: transfer transistor 0, transfer transistor 1
PD0, PD1: Photodiode 0, Photodiode 1

Claims (4)

半導体撮像素子より出力された撮像信号を時間の経過に伴って電位が変化するランプ信号を用いてアナログデジタル変換する撮像信号の信号処理方法であって、
前記半導体撮像素子のPDリセット、FDリセットを経た露光後に遮光画素より出力された第1の撮像信号を第1のランプ信号を用いて第1のアナログデジタル変換する工程と、
前記半導体撮像素子のPDリセット、FDリセットを経た露光後に有効画素より出力された第2の撮像信号を第2のランプ信号を用いて第2のアナログデジタル変換する工程と、を備え、
前記第2のランプ信号は、前記第1のアナログデジタル変換された出力値に応じて、前記第1のランプ信号に電圧値をオフセットさせた信号であり、
前記遮光画素は、第1のカラムADCに対応する第1のカラムに含まれ、
前記有効画素は、前記第1のカラムADCとは異なる第2のカラムADCに対応する第2のカラムに含まれ、
前記第1のカラムADCは、前記第1のカラムの前記遮光画素から暗電流成分を記録回路に格納し、
前記第2のカラムADCは、前記第2のカラムの前記有効画素からの撮像信号をアナログデジタル変換する際に、前記記録回路に格納された暗電流成分の値に応じて、前記第2のランプ信号に電圧値としてオフセットを追加し、アナログデジタル変換を行う、
撮像信号の信号処理方法。
A signal processing method for an image signal output from a semiconductor image pickup device for analog-to-digital conversion using a ramp signal whose potential changes with the passage of time, comprising:
A step of first analog-to-digital converting a first imaging signal output from a light-shielded pixel after exposure through PD reset and FD reset of the semiconductor imaging device using a first ramp signal;
a second analog-to-digital conversion step using a second ramp signal for a second imaging signal output from an effective pixel after exposure through PD reset and FD reset of the semiconductor imaging device;
the second ramp signal is a signal obtained by offsetting the voltage value of the first ramp signal according to the first analog-to-digital converted output value ;
the light-shielded pixels are included in a first column corresponding to the first column ADC;
the effective pixels are included in a second column corresponding to a second column ADC different from the first column ADC;
the first column ADC stores dark current components from the light-shielded pixels of the first column in a recording circuit;
The second column ADC converts the image signal from the effective pixel of the second column from analog to digital according to the value of the dark current component stored in the recording circuit. Add an offset as a voltage value to the signal and perform analog-to-digital conversion,
A signal processing method for imaging signals.
半導体撮像素子より出力された撮像信号を時間の経過に伴って電位が変化するランプ信号を用いてアナログデジタル変換する撮像信号の信号処理方法であって、
前記半導体撮像素子のPDリセット、FDリセットを経た露光後に遮光画素より出力された第1の撮像信号を第1のランプ信号を用いて第1のアナログデジタル変換する工程と、
前記半導体撮像素子のPDリセット、FDリセットを経た露光後に有効画素より出力された第2の撮像信号を第2のランプ信号を用いて第2のアナログデジタル変換する工程と、を備え、
前記第2の撮像信号は、前記第1のアナログデジタル変換された出力値に応じて、前記半導体撮像素子の露光後に有効画素より出力された信号が電圧値をオフセットさせた信号であり、
前記遮光画素は、第1のカラムADCに対応する第1のカラムに含まれ、
前記有効画素は、前記第1のカラムADCとは異なる第2のカラムADCに対応する第2のカラムに含まれ、
前記第1のカラムADCは、前記第1のカラムの前記遮光画素から暗電流成分を記録回路に格納し、
前記第2のカラムADCは、前記第2のカラムの前記有効画素からの撮像信号をアナログデジタル変換する際に、前記記録回路に格納された暗電流成分の値に応じて、それぞれのカラムからの画素信号に電圧値としてオフセットを追加し、アナログデジタル変換を行う、
撮像信号の信号処理方法。
A signal processing method for an image signal output from a semiconductor image pickup device for analog-to-digital conversion using a ramp signal whose potential changes with the passage of time, comprising:
A step of first analog-to-digital converting a first imaging signal output from a light-shielded pixel after exposure through PD reset and FD reset of the semiconductor imaging device using a first ramp signal;
a second analog-to-digital conversion step using a second ramp signal for a second imaging signal output from an effective pixel after exposure through PD reset and FD reset of the semiconductor imaging device;
the second imaging signal is a signal obtained by offsetting a voltage value of a signal output from an effective pixel after exposure of the semiconductor imaging device according to the first analog-to-digital converted output value;
the light-shielded pixels are included in a first column corresponding to the first column ADC;
the effective pixels are included in a second column corresponding to a second column ADC different from the first column ADC;
the first column ADC stores dark current components from the light-shielded pixels of the first column in a recording circuit;
The second column ADC converts the image signal from the effective pixel of the second column from analog to digital according to the value of the dark current component stored in the recording circuit. Adds an offset as a voltage value to the pixel signal and performs analog-to-digital conversion.
A signal processing method for imaging signals.
固体撮像装置であって、
ロウ方向およびカラム方向に配置された複数の画素を含む画素アレイと、
各々が、対応するカラムに対応して設けられ、対応するカラムの画素から出力された信号を伝送する複数の垂直信号線と、
前記複数の垂直信号線を介して伝送された信号を並列にAD変換するカラムADC回路と、
時間の経過に伴って電位が変化するランプ信号を出力するランプ信号生成回路と、
記録回路と、
を備え、
前記画素アレイは、遮光画素と有効画素とを有し、
前記カラムADC回路は、各々が、対応するカラムに対して設けられた複数のAD変換器を備え、
前記AD変換器は、
第1のランプ信号に基づいて、前記遮光画素から出力された撮像信号をAD変換し、
第2のランプ信号に基づいて、前記有効画素から出力された撮像信号をAD変換し、
前記第2のランプ信号は、前記第1のランプ信号が、前記遮光画素から出力された撮像信号のAD変換の出力結果の値に応じて電圧値をオフセットされた信号であり、
前記遮光画素は、第1のカラムADC回路に対応する第1のカラムに含まれ、
前記有効画素は、前記第1のカラムADC回路とは異なる第2のカラムADC回路に対応する第2のカラムに含まれ、
前記第1のカラムADC回路は、前記第1のカラムの前記遮光画素から暗電流成分を前記記録回路に格納し、
前記第2のカラムADC回路は、前記第2のカラムの前記有効画素からの撮像信号をアナログデジタル変換する際に、前記記録回路に格納された暗電流成分の値に応じて、前記第2のランプ信号に電圧値としてオフセットを追加し、アナログデジタル変換を行う、
固体撮像装置。
A solid-state imaging device ,
a pixel array including a plurality of pixels arranged in a row direction and a column direction;
a plurality of vertical signal lines each provided corresponding to a corresponding column and transmitting a signal output from a pixel in the corresponding column;
a column ADC circuit that AD-converts signals transmitted through the plurality of vertical signal lines in parallel;
a ramp signal generation circuit that outputs a ramp signal whose potential changes with the passage of time;
a recording circuit;
with
The pixel array has light-shielded pixels and effective pixels,
The column ADC circuit includes a plurality of AD converters each provided for a corresponding column,
The AD converter is
AD-converting the imaging signal output from the light-shielded pixel based on the first ramp signal,
AD-converting the imaging signal output from the effective pixel based on the second ramp signal;
The second ramp signal is a signal obtained by offsetting the voltage value of the first ramp signal according to the value of the output result of AD conversion of the imaging signal output from the light-shielded pixel,
the light-shielded pixels are included in a first column corresponding to a first column ADC circuit;
the effective pixels are included in a second column corresponding to a second column ADC circuit different from the first column ADC circuit;
The first column ADC circuit stores dark current components from the light-shielded pixels of the first column in the recording circuit;
The second column ADC circuit performs analog-to-digital conversion of imaging signals from the effective pixels of the second column, according to the value of the dark current component stored in the recording circuit. Add an offset as a voltage value to the ramp signal and perform analog-to-digital conversion.
Solid-state imaging device.
固体撮像装置であって、A solid-state imaging device,
ロウ方向およびカラム方向に配置された複数の画素を含む画素アレイと、a pixel array including a plurality of pixels arranged in a row direction and a column direction;
各々が、対応するカラムに対応して設けられ、対応するカラムの画素から出力された信号を伝送する複数の垂直信号線と、a plurality of vertical signal lines each provided corresponding to a corresponding column and transmitting a signal output from a pixel in the corresponding column;
前記複数の垂直信号線を介して伝送された信号を並列にAD変換するカラムADC回路と、a column ADC circuit that AD-converts signals transmitted through the plurality of vertical signal lines in parallel;
時間の経過に伴って電位が変化するランプ信号を出力するランプ信号生成回路と、a ramp signal generation circuit that outputs a ramp signal whose potential changes with the passage of time;
記録回路と、a recording circuit;
を備え、with
前記画素アレイは、遮光画素と有効画素とを有し、The pixel array has light-shielded pixels and effective pixels,
前記カラムADC回路は、各々が、対応するカラムに対して設けられた複数のAD変換器を備え、The column ADC circuit includes a plurality of AD converters each provided for a corresponding column,
前記AD変換器は、The AD converter is
第1のランプ信号に基づいて、前記遮光画素から出力された撮像信号をAD変換し、AD-converting the imaging signal output from the light-shielded pixel based on the first ramp signal,
第2のランプ信号に基づいて、前記有効画素から出力された撮像信号をAD変換し、AD-converting the imaging signal output from the effective pixel based on the second ramp signal;
前記第2のランプ信号は、前記第1のランプ信号が、前記遮光画素から出力された撮像信号のAD変換の出力結果の値に応じて電圧値をオフセットされた信号であり、The second ramp signal is a signal obtained by offsetting the voltage value of the first ramp signal according to the value of the output result of AD conversion of the imaging signal output from the light-shielded pixel,
前記遮光画素は、第1のカラムADC回路に対応する第1のカラムに含まれ、the light-shielded pixels are included in a first column corresponding to a first column ADC circuit;
前記有効画素は、前記第1のカラムADC回路とは異なる第2のカラムADC回路に対応する第2のカラムに含まれ、the effective pixels are included in a second column corresponding to a second column ADC circuit different from the first column ADC circuit;
前記第1のカラムADC回路は、前記第1のカラムの前記遮光画素から暗電流成分を前記記録回路に格納し、The first column ADC circuit stores dark current components from the light-shielded pixels of the first column in the recording circuit;
前記第2のカラムADC回路は、前記第2のカラムの前記有効画素からの撮像信号をアナログデジタル変換する際に、前記記録回路に格納された暗電流成分の値に応じて、それぞれのカラムからの画素信号に電圧値としてオフセットを追加し、アナログデジタル変換を行う、The second column ADC circuit, when performing analog-to-digital conversion of imaging signals from the effective pixels of the second column, converts each column to Add an offset as a voltage value to the pixel signal of , and perform analog-to-digital conversion.
固体撮像装置。Solid-state imaging device.
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