JP2011216966A - Solid-state imaging element, and method of driving the same, and electronic equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子および固体撮像素子の駆動方法、並びに電子機器に関し、特に、画像を撮像する際、ノイズの発生を低減するようにした固体撮像素子および固体撮像素子の駆動方法、並びに電子機器に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device, a solid-state imaging device driving method, and an electronic apparatus, and more particularly to a solid-state imaging device, a solid-state imaging device driving method, and an electronic device that reduce noise when an image is captured. Regarding equipment.
一般的なCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサは二次元配列された画素アレイを画素行ごとに順次走査し、読出しを行う機構を有している。この行順次走査により画素行ごとの蓄積期間は時間のずれが発生し、動被写体撮像時に撮像画像が歪むフォーカルプレーン歪みと呼ばれる現象を引き起こす。 A general CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor has a mechanism that sequentially scans a pixel array that is two-dimensionally arranged for each pixel row and performs reading. This row sequential scanning causes a time lag in the accumulation period for each pixel row, causing a phenomenon called focal plane distortion in which the captured image is distorted during moving subject imaging.
このような画像歪みが許容できない高速に動く被写体の撮像や、撮像画像の同時性を必要とするセンシング用途では、画素アレイ中のフォトダイオード(PD)の全行同時リセット駆動により画素アレイ全面の蓄積を同時に開始し、浮遊拡散領域(FD:フローティングディフュージョン)などの電荷蓄積部への全行同時転送駆動により全面の蓄積を同時に終了させることにより、画素アレイの蓄積期間の同時性を持たせる駆動を行うものがある。 In sensing applications that require high-speed moving subjects where image distortion cannot be tolerated, and sensing images that require simultaneous image capture, the entire array of pixels is accumulated by simultaneous reset driving of photodiodes (PD) in the pixel array. Is started at the same time, and the entire storage is simultaneously completed by the simultaneous transfer drive of all rows to the charge storage portion such as the floating diffusion region (FD: floating diffusion), thereby driving the pixel array to have the same storage period. There is something to do.
読出しは行順次走査により行われるが、読み出されるまでの間、浮遊拡散領域FDなどの電荷蓄積部に保持される信号は、電荷のリークや浮遊拡散領域FD自体の光電変換によるノイズ(これらを偽信号と呼ぶ)により劣化する。これに対し、一般的なCMOSイメージセンサ動作である受光信号の読み出しとノイズ読出しの差分を出力するのではなく、受光信号の読出しのみの出力を行って一面の読み出しに掛かる時間を短縮させ、結果としてリーク成分の影響を減らす手法が提案されている(特許文献1参照)。また、光量の多い順に読み出すようにすることで、リーク成分の影響を低減する手法が提案されている(特許文献2参照)。 Reading is performed by row-sequential scanning, but the signal held in the charge accumulation unit such as the floating diffusion region FD until read is caused by charge leaks or noise due to photoelectric conversion of the floating diffusion region FD itself (these are false It is deteriorated by a signal). On the other hand, instead of outputting the difference between the light reception signal readout and noise readout, which is a general CMOS image sensor operation, the output of only the light reception signal readout is performed to shorten the time required for one side readout, and as a result A method for reducing the influence of leak components has been proposed (see Patent Document 1). In addition, a method has been proposed in which the influence of a leak component is reduced by reading in order of increasing light quantity (see Patent Document 2).
ところで、上述したように、画素アレイの各画素のフォトダイオードの蓄積期間の同時性を持たせたCMOSイメージセンサの偽信号は、主として二つの成分を含んでおり、一方は時間に比例して増加する電荷のリーク成分によるものであり、他方は電荷蓄積部自体の光電変換によるものである。 By the way, as described above, the false signal of the CMOS image sensor having the synchronization period of the photodiode of each pixel of the pixel array mainly includes two components, one of which increases in proportion to time. The other is due to photoelectric conversion of the charge storage unit itself.
一方の成分であるリーク成分によるものに対しては、各画素の受光信号を、読み出した受光信号とノイズ成分との差分とせず、読み出した受光信号そのものを各画素の受光信号とみなすことによりリーク成分により影響を低減する技術が提案されている。すなわち、読み出した受光信号そのものを各画素の受光信号とすることにより、行順次走査の読み出しにおけるノイズ成分の読み出し期間を省略することができるので、読み出し処理を高速化することができ、処理期間の長さに起因するリーク成分の影響を低減する技術が提案されている。 For a leak component that is one of the components, the light reception signal of each pixel is not the difference between the read light reception signal and the noise component, and the read light reception signal itself is regarded as the light reception signal of each pixel. Techniques have been proposed for reducing the influence of components. That is, by using the read light reception signal itself as the light reception signal of each pixel, the readout period of the noise component in the readout of the row sequential scanning can be omitted, so that the readout process can be speeded up, and the processing period Techniques have been proposed for reducing the influence of leak components due to length.
また、他方のノイズ成分である電荷蓄積部自体の光電変換によるノイズの量は、読出しまでに輝度の高い被写体を意図した撮像とは別に蓄積してしまう時間に比例して増加する。例えば、図1で示されるように、時刻ta乃至tbにおいて、被写体の蓄積を1乃至N行目までの全面同時に終了した後、時刻tb以降であって、各行nにおける読み出し時刻t(n)までにその被写体が動いてしまうケース、また別の例では、蓄積を終了した後、読出しまでに点滅する電球などの高輝度の被写体が現れてしまうケースなどに、読み出しの遅い方、すなわち画素アレイの走査において最後に近い方に電荷蓄積部自体の光電変換によるノイズの量がより増加する。すなわち、図1で示されるように、行順次読み出しの場合、時刻taにおいて、グローバルリセットされることにより受光素子の露光が開始され、時刻tbによりグローバル転送されて、第n行の読み出し時刻t(n)は、読み出し行nが進むに連れて長くなり、最終行である第N行においては、最長となる。尚、図1においては、横軸は、経過時間を示し、縦軸は、各行の蓄積状態を示す。 Also, the amount of noise due to photoelectric conversion of the charge storage unit itself, which is the other noise component, increases in proportion to the time it takes to store a subject with high brightness separately from the intended imaging before reading. For example, as shown in FIG. 1, from time ta to tb, the accumulation of the subject is completed at the same time on the first to Nth rows at the same time, and after time tb, until the read time t (n) in each row n. In the case where the subject moves, or in another example, in the case where a high-brightness subject such as a flashing light bulb appears after reading is completed, the slower reading, that is, the pixel array In the scanning, the amount of noise due to photoelectric conversion of the charge storage unit itself increases toward the end. That is, as shown in FIG. 1, in the case of row sequential readout, exposure of the light receiving element is started by global reset at time ta, and is globally transferred at time tb, so that readout time t ( n) becomes longer as the read row n advances, and becomes the longest in the Nth row which is the last row. In FIG. 1, the horizontal axis indicates the elapsed time, and the vertical axis indicates the accumulation state of each row.
一般の撮像時に高輝度の被写体の位置は意識するものではないため、単に読出しを高速化した従来技術では、走査の後ろの方、例えば、画像の下側にそのような被写体がある場合、より偽信号が強く出ることになる。また、画像の上下に高輝度の被写体がある場合、偽信号の強度が走査の方向、すなわち、画像の上下で異なるため、撮像される画像が、不自然なものとなる恐れがあった。 Since the position of a high-luminance subject is not conscious at the time of general imaging, the conventional technology that simply speeds up the reading is more effective when there is such a subject at the back of the scan, for example, below the image. A false signal will come out strongly. In addition, when there are high-luminance subjects at the top and bottom of the image, the intensity of the false signal varies depending on the scanning direction, that is, the top and bottom of the image, so that the captured image may be unnatural.
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、特に、撮像素子により画像を撮像する際、各画素における受光信号の電荷の蓄積期間の同時性を持ち、電荷蓄積部自体の光電変換による影響による偽信号も最小限にするものである。 The present invention has been made in view of such a situation. In particular, when an image is picked up by an image pickup device, the charge storage period of the light reception signal in each pixel is synchronized, and photoelectric conversion of the charge storage unit itself is performed. This also minimizes the false signal due to the influence of.
本発明の一側面の固体撮像素子は、受光した光に対応して、受光信号としての電荷を発生して蓄積する受光素子と、前記受光素子により転送されてくる受光信号としての電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記受光素子より蓄積された受光信号としての電荷を電荷蓄積部に転送する転送手段と、リセット信号に基づいて、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷を開放することによりリセットするリセット手段と、前記電荷蓄積部に転送された電荷からなる受光信号を増幅する増幅手段と、選択信号に基づいて、前記増幅手段により増幅された受光信号を出力する選択手段とを単位とする画素をアレイ状に有するCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサと、前記受光素子に蓄積される受光信号のレベルに基づいて、前記複数の画素からなる行単位の、前記受光信号のレベルの高さの順番を解析する解析手段と、前記解析手段による解析結果である行単位の順番に基づいて、前記行単位での前記選択信号の発生を制御する制御手段とを含み、前記転送手段が、全画素一括して、前記受光素子に蓄積された電荷を、前記電荷蓄積部に転送すると共に、前記リセット手段が、前記電荷蓄積部をリセットした後、前記受光素子が、受光した光に応じて発生する受光信号としての電荷の蓄積を開始し、前記受光素子による電荷の蓄積が開始されてから所定の蓄積時間が経過したとき、前記リセット手段が、前記電荷蓄積部をリセットした後、前記転送手段が、前記受光素子の電荷を前記電荷蓄積部に一括転送し、その後、前記制御手段が、前記解析手段の解析結果である行単位の順番で、前記アレイ状の行単位での選択信号の発生を制御し、前記選択手段が、前記解析手段の解析結果である行単位の順番で、前記アレイ状の行単位で前記電荷蓄積部に蓄積された電荷からなる受光信号を前記増幅手段より増幅して出力させる。 A solid-state imaging device according to one aspect of the present invention stores a light receiving element that generates and accumulates a charge as a light receiving signal in response to received light, and a charge as a light receiving signal transferred by the light receiving element. Reset by releasing the charge accumulated in the charge accumulating unit based on a reset signal based on a charge accumulating unit, transfer means for transferring the charge as a light receiving signal accumulated from the light receiving element to the charge accumulating unit, and a reset signal Pixels in units of reset means, amplification means for amplifying a light reception signal composed of charges transferred to the charge storage section, and selection means for outputting the light reception signal amplified by the amplification means based on the selection signal A CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor having a plurality of pixels based on the level of a received light signal accumulated in the light receiving element. The analysis unit that analyzes the order of the level of the received light signal level in units of rows, and the generation of the selection signal in the unit of rows is controlled based on the order of row units that is the analysis result by the analysis unit After the transfer means transfers all the charges accumulated in the light receiving element to the charge accumulation section, and the reset means resets the charge accumulation section. When the light receiving element starts to accumulate charges as a light receiving signal generated according to the received light, and when a predetermined accumulation time has elapsed since the charge accumulation by the light receiving element is started, the reset means Then, after resetting the charge accumulating unit, the transfer unit collectively transfers the charge of the light receiving element to the charge accumulating unit, and then the control unit in the order of the row unit as an analysis result of the analyzing unit. Controlling the generation of the selection signal in units of rows in the array, and the selection unit is stored in the charge storage unit in units of rows in the array in the order of the row as an analysis result of the analysis unit A light receiving signal composed of electric charges is amplified by the amplifying means and output.
単位画素の前記受光素子に行方向に共通する排出配線と、排出選択信号に基づいて、前記排出配線と前記受光素子との接続を制御する接続制御手段と、前記排出配線の電流量を検出する電流量検出手段とをさらに含ませるようにすることができ、前記解析手段には、所定のフレームにおける全画素について、前記電流量検出手段により検出される前記電流量に対応して求められる、前記受光素子で発生される受光信号のレベルに基づいて、前記所定のフレームにおける前記画素からなる行単位の、前記受光信号のレベルの高さの順番を解析させ、前記制御手段には、前記解析手段による前記所定のフレームの解析結果である行単位の順番に基づいて、前記所定のフレームにおける前記行単位での前記選択信号の発生を制御させるようにすることができる。 A discharge wiring common to the light receiving elements of the unit pixel in the row direction, connection control means for controlling connection between the discharge wiring and the light receiving elements based on a discharge selection signal, and a current amount of the discharge wiring are detected. A current amount detecting means, and the analyzing means can be obtained corresponding to the current amount detected by the current amount detecting means for all pixels in a predetermined frame. Based on the level of the received light signal generated by the light receiving element, the order of the level of the received light signal level in a row unit composed of the pixels in the predetermined frame is analyzed, and the control means includes the analyzing means The generation of the selection signal in the row unit in the predetermined frame is controlled based on the order of the row unit that is the analysis result of the predetermined frame. Can.
前記解析手段には、前記制御手段が前記行単位で選択信号を発生する度に、前記電流量検出手段により検出される前記電流量に対応して求められる、前記受光素子で発生される受光信号のレベルに基づいて、前記所定のフレームにおける、前記制御手段により前記選択信号の発生が制御されていない行単位での、前記受光信号のレベルの高さの順番を解析させるようにすることができる。 The analyzing means includes a light receiving signal generated by the light receiving element, which is obtained corresponding to the amount of current detected by the current amount detecting means each time the control means generates a selection signal in units of rows. On the basis of the level of the received light signal, it is possible to analyze the order of the level of the received light signal in the row unit in which the generation of the selection signal is not controlled by the control means in the predetermined frame. .
前記受光素子による電荷の蓄積が開始されてから所定の蓄積時間が経過したとき、前記リセット手段が、電荷蓄積部をリセットしてから、前記転送手段が、前記受光素子の電荷を前記電荷蓄積部に一括転送した後、前記制御手段により、全画素に対応する前記接続制御手段に対して前記排出選択信号が発生され、前記接続制御手段が前記排出配線と前記受光素子とを接続することにより、前記排出配線と、前記受光素子に蓄積された受光信号としての電荷のオーバーフローパスとが共用されるようにすることができる。 When a predetermined accumulation time has elapsed since the start of charge accumulation by the light receiving element, the reset unit resets the charge accumulation unit, and then the transfer unit transfers the charge of the light receiving element to the charge accumulation unit. After the collective transfer, the control means generates the discharge selection signal for the connection control means corresponding to all pixels, and the connection control means connects the discharge wiring and the light receiving element, The discharge wiring and the charge overflow path as the light reception signal accumulated in the light receiving element can be shared.
前記解析手段には、第1のフレームにおける全画素について、前記増幅手段により出力された、前記受光素子に蓄積される受光信号のレベルに基づいて、前記画素からなる行単位の、前記受光信号のレベルの高さの順番を解析させ、前記制御手段には、前記解析手段による前記第1のフレームの解析結果である行単位の順番に基づいて、前記第1のフレームより時間的に後の第2のフレームにおける前記行単位での前記選択信号の発生を制御させるようにすることができる。 The analyzing means includes, for all the pixels in the first frame, the light receiving signal of the row unit composed of the pixels based on the level of the light receiving signal output from the amplifying means and accumulated in the light receiving element. The order of level height is analyzed, and the control means causes the first time frame after the first frame to be based on the order of the row units as the analysis result of the first frame by the analysis means. It is possible to control generation of the selection signal in units of rows in two frames.
前記受光素子に蓄積される受光信号の信号レベルに基づいて、前記解析手段は、前記受光信号のレベルの高さの順番の前記画素アレイ部の下側、または上側に多く分布するかを解析し、前記制御手段には、前記解析手段による解析結果に基づいて、前記行単位の順番を行配列の上方向順に、または下方向順の順番として、前記行単位での前記選択信号の発生を制御させるようにすることができる。 Based on the signal level of the received light signal accumulated in the light receiving element, the analyzing unit analyzes whether the light receiving signal is distributed in the lower side or the upper side in the order of the level of the received light signal level. The control means controls the generation of the selection signal in the row unit by setting the order of the row unit in the upward direction of the row arrangement or the order of the downward direction based on the analysis result by the analysis unit. You can make it.
前記解析手段には、前記受光素子に蓄積される受光信号のレベルに基づいて、前記画素からなる全行を1/nに分割した複数の行単位の、前記受光信号のレベルの高さの順番を解析させ、前記制御手段には、前記解析手段による解析結果である全行を1/nに分割した複数の行単位の順番に基づいて、前記複数の行単位での前記選択信号の発生を制御させるようにすることができる。 The analysis means includes a plurality of row units obtained by dividing the entire row of pixels into 1 / n based on the level of the light reception signal accumulated in the light receiving element, and the order of the level of the light reception signal level. And the control means generates the selection signal in the plurality of line units based on the order of the plurality of line units obtained by dividing all the lines as the analysis result by the analysis means into 1 / n. Can be controlled.
前記制御手段には、前記行単位での前記選択信号の発生期間中に、前記リセット信号の発生を制御させ、前記選択信号に基づいて、前記選択手段により、前記増幅手段が、前記電荷蓄積部に転送された電荷からなる受光信号を増幅して出力したとき、前記増幅手段により出力された受光信号の第1のレベルと、その後、前記リセット手段が、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷を開放することによりリセットしたとき、前記増幅手段により出力された受光信号の第2のレベルとの差分を、前記画素の受光信号のレベルとすることができる。 The control means controls the generation of the reset signal during the generation period of the selection signal in units of rows, and the amplification means causes the charge storage section to be controlled by the selection means based on the selection signal. When the light receiving signal composed of the charges transferred to is amplified and output, the first level of the light receiving signal output by the amplifying unit, and then the reset unit converts the charge accumulated in the charge accumulating unit. When reset by opening, the difference from the second level of the light reception signal output by the amplifying means can be the level of the light reception signal of the pixel.
前記イメージセンサには、前記電荷蓄積部より転送されてくる受光信号としての電荷を蓄積する、前記電荷蓄積部とは異なる他の電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部より蓄積された受光信号としての電荷を他の電荷蓄積部に転送する、前記転送手段とは異なる他の転送手段と、単位画素の前記受光素子に行方向に共通する排出配線と、排出選択信号に基づいて、前記排出配線と前記受光素子との接続を制御する接続制御手段とをさらに含ませるようにすることができ、前記リセット手段には、前記リセット信号に基づいて、前記他の電荷蓄積部に蓄積された電荷を開放させ、前記増幅手段には、前記他の電荷蓄積部に転送された電荷からなる受光信号を増幅させるようにすることができる。 In the image sensor, charge as a light reception signal transferred from the charge storage unit is stored, another charge storage unit different from the charge storage unit, and a light reception signal stored from the charge storage unit. Another transfer means different from the transfer means for transferring the charge to another charge storage section, a discharge wiring common to the light receiving element of the unit pixel in the row direction, and the discharge wiring based on a discharge selection signal Connection control means for controlling connection with the light receiving element can be further included, and the reset means releases the charge accumulated in the other charge accumulation portion based on the reset signal. The amplifying unit can amplify a light reception signal composed of the charges transferred to the other charge storage unit.
前記イメージセンサには、前記電荷蓄積部、前記転送手段、前記リセット手段、前記増幅手段、および選択手段のうちのいずれか、または複数を複数の画素が共有する構造とすることができる。 The image sensor may have a structure in which a plurality of pixels share one or more of the charge storage unit, the transfer unit, the reset unit, the amplification unit, and the selection unit.
本発明の一側面の固体撮像素子の駆動方法は、受光した光に対応して、受光信号としての電荷を発生して蓄積する受光素子と、前記受光素子により転送されてくる受光信号としての電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記受光素子より蓄積された受光信号としての電荷を電荷蓄積部に転送する転送手段と、リセット信号に基づいて、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷を開放することによりリセットするリセット手段と、前記電荷蓄積部に転送された電荷からなる受光信号を増幅する増幅手段と、選択信号に基づいて、前記増幅手段により増幅された受光信号を出力する選択手段とを単位とする画素をアレイ状に有するCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサと、前記受光素子に蓄積される受光信号のレベルに基づいて、前記複数の画素からなる行単位の、前記受光信号のレベルの高さの順番を解析する解析手段と、前記解析手段による解析結果である行単位の順番に基づいて、前記行単位での前記選択信号の発生を制御する制御手段とを含む固体撮像素子の駆動方法であって、前記解析手段における、前記受光素子に蓄積される受光信号のレベルに基づいて、前記複数の画素からなる行単位の、前記受光信号のレベルの高さの順番を解析する解析ステップと、前記制御手段における、前記解析ステップの処理による解析結果である行単位の順番に基づいて、前記行単位での前記選択信号の発生を制御する制御ステップとを含み、前記転送手段が、全画素一括して、前記受光素子に蓄積された電荷を、前記電荷蓄積部に転送すると共に、前記リセット手段が、前記電荷蓄積部をリセットした後、前記受光素子が、受光した光に応じて発生する受光信号としての電荷の蓄積を開始し、前記受光素子による電荷の蓄積が開始されてから所定の蓄積時間が経過したとき、前記リセット手段が、前記電荷蓄積部をリセットした後、前記転送手段が、前記受光素子の電荷を前記電荷蓄積部に一括転送し、その後、前記制御ステップの処理が、前記解析手段の解析結果である行単位の順番で、前記アレイ状の行単位での選択信号の発生を制御し、前記選択手段が、前記解析ステップの処理での解析結果である行単位の順番で、前記アレイ状の行単位で前記電荷蓄積部に蓄積された電荷からなる受光信号を前記増幅手段より増幅して出力させる。 The solid-state imaging device driving method according to one aspect of the present invention includes a light receiving element that generates and accumulates a charge as a light receiving signal corresponding to received light, and a charge as a light receiving signal transferred by the light receiving element. A charge storage unit for storing the charge, a transfer means for transferring the charge as a light reception signal stored from the light receiving element to the charge storage unit, and releasing the charge stored in the charge storage unit based on a reset signal A reset means for resetting by means of, an amplifying means for amplifying a received light signal composed of charges transferred to the charge storage section, and a selecting means for outputting the received light signal amplified by the amplifying means based on a selection signal. Based on a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor having pixels in the form of an array and a level of a received light signal accumulated in the light receiving element Analyzing means for analyzing the order of the level of the received light signal level in units of rows composed of pixels, and generation of the selection signal in units of rows based on the order of row units as a result of analysis by the analyzing means A solid-state imaging device including a control unit for controlling the light receiving signal in a row unit composed of the plurality of pixels based on a level of a light receiving signal accumulated in the light receiving device in the analyzing unit. An analysis step for analyzing the order of the level of the signal level, and the generation of the selection signal in the row unit are controlled based on the order of the row unit as an analysis result by the processing of the analysis step in the control means. And the transfer means transfers all the charges accumulated in the light receiving element to the charge accumulation section all at once, and the reset means After the resetting of the unit, the light receiving element starts to accumulate charges as a light receiving signal generated according to the received light, and a predetermined accumulation time has elapsed since the charge accumulation by the light receiving element was started. After the reset unit resets the charge storage unit, the transfer unit batch-transfers the charge of the light receiving element to the charge storage unit, and then the process of the control step is an analysis result of the analysis unit. The generation of the selection signal in the row unit of the array-like is controlled in the order of the row unit, and the selection unit is arranged in the order of the row in the order of the row as the analysis result in the processing of the analysis step. A light receiving signal composed of charges accumulated in the charge accumulating unit in a row unit is amplified by the amplifying means and output.
単位画素の前記受光素子に行方向に共通する排出配線と、排出選択信号に基づいて、前記排出配線と前記受光素子との接続を制御する接続制御手段と、前記排出配線の電流量を検出する電流量検出手段とをさらに含ませるようにすることができ、前記解析ステップの処理には、所定のフレームにおける全画素について、前記電流量検出手段により検出される前記電流量に対応して求められる、前記受光素子で発生される受光信号のレベルに基づいて、前記所定のフレームにおける前記画素からなる行単位の、前記受光信号のレベルの高さの順番を解析させ、前記制御ステップの処理には、前記解析ステップの処理による前記所定のフレームの解析結果である行単位の順番に基づいて、前記所定のフレームにおける前記行単位での前記選択信号の発生を制御させるよにすることができる。 A discharge wiring common to the light receiving elements of the unit pixel in the row direction, connection control means for controlling connection between the discharge wiring and the light receiving elements based on a discharge selection signal, and a current amount of the discharge wiring are detected. Current amount detecting means can be further included, and the processing of the analyzing step is obtained for all pixels in a predetermined frame corresponding to the current amount detected by the current amount detecting means. Based on the level of the received light signal generated by the light receiving element, the order of the level of the received light signal level in the row unit of the pixels in the predetermined frame is analyzed, and the processing of the control step The selection signal in the row unit in the predetermined frame based on the order of the row unit that is the analysis result of the predetermined frame by the processing in the analysis step It is possible to Yo to control the generation.
前記解析ステップの処理には、前記制御ステップの処理が前記行単位で選択信号を発生する度に、前記電流量検出手段により検出される前記電流量に対応して求められる、前記受光素子で発生される受光信号のレベルに基づいて、前記所定のフレームにおける、前記制御手段により前記選択信号の発生が制御されていない行単位での、前記受光信号のレベルの高さの順番を解析させるようにすることができる。 The processing of the analyzing step is generated at the light receiving element, which is obtained corresponding to the amount of current detected by the current amount detecting means each time the selection step is generated by the processing of the control step. Based on the level of the received light signal, the order of the level of the received light signal is analyzed in a row unit in which the generation of the selection signal is not controlled by the control means in the predetermined frame. can do.
前記受光素子による電荷の蓄積が開始されてから所定の蓄積時間が経過したとき、前記リセット手段が、電荷蓄積部をリセットしてから、前記転送手段が、前記受光素子の電荷を前記電荷蓄積部に一括転送した後、前記制御ステップの処理により、全画素に対応する前記接続制御手段に対して前記排出選択信号が発生され、前記接続制御手段が前記排出配線と前記受光素子とを接続することにより、前記排出配線と、前記受光素子に蓄積された受光信号としての電荷のオーバーフローパスとが共用されるようにすることができる。 When a predetermined accumulation time has elapsed since the start of charge accumulation by the light receiving element, the reset unit resets the charge accumulation unit, and then the transfer unit transfers the charge of the light receiving element to the charge accumulation unit. After the batch transfer, the process of the control step generates the discharge selection signal to the connection control means corresponding to all pixels, and the connection control means connects the discharge wiring and the light receiving element. Thus, the discharge wiring and the charge overflow path as the light reception signal accumulated in the light receiving element can be shared.
前記解析ステップの処理には、第1のフレームにおける全画素について、前記増幅手段により出力された、前記受光素子に蓄積される受光信号のレベルに基づいて、前記画素からなる行単位の、前記受光信号のレベルの高さの順番を解析させ、前記制御ステップの処理には、前記解析ステップの処理による前記第1のフレームの解析結果である行単位の順番に基づいて、前記第1のフレームより時間的に後の第2のフレームにおける前記行単位での前記選択信号の発生を制御させるようにすることができる。 In the processing of the analysis step, for all pixels in the first frame, the light reception in units of rows composed of the pixels based on the level of the light reception signal output from the amplification unit and accumulated in the light reception element. The order of signal level height is analyzed, and the control step processing is performed from the first frame on the basis of the order of row units as the analysis result of the first frame by the analysis step processing. It is possible to control generation of the selection signal in units of rows in a second frame that is temporally later.
前記受光素子に蓄積される受光信号の信号レベルに基づいて、前記解析手段は、前記受光信号のレベルの高さの順番の前記画素アレイ部の下側、または上側に多く分布するかを解析し、前記制御ステップの処理には、前記解析ステップの処理による解析結果に基づいて、前記行単位の順番を行配列の上方向順に、または下方向順の順番として、前記行単位での前記選択信号の発生を制御させるようにすることができる。 Based on the signal level of the received light signal accumulated in the light receiving element, the analyzing unit analyzes whether the light receiving signal is distributed in the lower side or the upper side in the order of the level of the received light signal level. In the process of the control step, the selection signal in the row unit is set based on the analysis result by the process of the analysis step, with the order of the row unit being the order of the upper direction of the row arrangement or the order of the lower direction. Can be controlled.
前記解析ステップの処理には、前記受光素子に蓄積される受光信号のレベルに基づいて、前記画素からなる全行を1/nに分割した複数の行単位の、前記受光信号のレベルの高さの順番を解析させ、前記制御ステップの処理には、前記解析ステップの処理による解析結果である全行を1/nに分割した複数の行単位の順番に基づいて、前記複数の行単位での前記選択信号の発生を制御させるようにすることができる。 In the processing of the analysis step, the level of the level of the light receiving signal in a plurality of rows obtained by dividing all the rows of the pixels into 1 / n based on the level of the light receiving signal accumulated in the light receiving element. In the control step, the processing in the control step is based on the order of the plurality of rows based on the order of the plurality of rows obtained by dividing all the rows as the analysis result by the processing in the analysis step into 1 / n. The generation of the selection signal can be controlled.
前記制御ステップの処理には、前記行単位での前記選択信号の発生期間中に、前記リセット信号の発生を制御させ、前記選択信号に基づいて、前記選択手段により、前記増幅手段が、前記電荷蓄積部に転送された電荷からなる受光信号を増幅して出力したとき、前記増幅手段により出力された受光信号の第1のレベルと、その後、前記リセット手段が、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷を開放することによりリセットしたとき、前記増幅手段により出力された受光信号の第2のレベルとの差分を、前記画素の受光信号のレベルとすることができる。 In the process of the control step, the generation of the reset signal is controlled during the generation period of the selection signal in units of rows, and the amplification unit is configured to control the charge by the selection unit based on the selection signal. When a light reception signal composed of charges transferred to the storage unit is amplified and output, the first level of the light reception signal output by the amplification unit and then the reset unit are stored in the charge storage unit. When reset by releasing the charge, the difference from the second level of the light reception signal output by the amplifying means can be the level of the light reception signal of the pixel.
本発明の一側面の電子機器は、受光した光に対応して、受光信号としての電荷を発生して蓄積する受光素子と、前記受光素子により転送されてくる受光信号としての電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記受光素子より蓄積された受光信号としての電荷を電荷蓄積部に転送する転送手段と、リセット信号に基づいて、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷を開放することによりリセットするリセット手段と、前記電荷蓄積部に転送された電荷からなる受光信号を増幅する増幅手段と、選択信号に基づいて、前記増幅手段により増幅された受光信号を出力する選択手段とを単位とする画素をアレイ状に有するCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサと、前記受光素子に蓄積される受光信号のレベルに基づいて、前記複数の画素からなる行単位の、前記受光信号のレベルの高さの順番を解析する解析手段と、前記解析手段による解析結果である行単位の順番に基づいて、前記行単位での前記選択信号の発生を制御する制御手段とを含み、前記転送手段が、全画素一括して、前記受光素子に蓄積された電荷を、前記電荷蓄積部に転送すると共に、前記リセット手段が、前記電荷蓄積部をリセットした後、前記受光素子が、受光した光に応じて発生する受光信号としての電荷の蓄積を開始し、前記受光素子による電荷の蓄積が開始されてから所定の蓄積時間が経過したとき、前記リセット手段が、前記電荷蓄積部をリセットした後、前記転送手段が、前記受光素子の電荷を前記電荷蓄積部に一括転送し、その後、前記制御手段が、前記解析手段の解析結果である行単位の順番で、前記アレイ状の行単位での選択信号の発生を制御し、前記選択手段が、前記解析手段の解析結果である行単位の順番で、前記アレイ状の行単位で前記電荷蓄積部に蓄積された電荷からなる受光信号を前記増幅手段より増幅して出力させる。 An electronic device according to one aspect of the present invention includes a light receiving element that generates and accumulates a charge as a light reception signal in response to received light, and a charge that accumulates a charge as a light reception signal transferred by the light reception element. A storage unit, transfer means for transferring a charge as a light reception signal stored by the light receiving element to the charge storage unit, and a reset for releasing the charge stored in the charge storage unit based on a reset signal A pixel having the following units: amplifying means for amplifying the received light signal comprising the charges transferred to the charge storage unit; and a selecting means for outputting the received light signal amplified by the amplifying means based on the selection signal. A CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor having an array and a plurality of pixels based on a level of a received light signal accumulated in the light receiving element Analysis means for analyzing the order of the level of the received light signal level in units, and control for controlling the generation of the selection signal in the row unit based on the order of the row unit as an analysis result by the analysis means And the transfer means transfers all the charges accumulated in the light receiving element to the charge accumulation section all at once, and the reset means resets the charge accumulation section, When the light receiving element starts accumulating charges as a light receiving signal generated according to the received light, and when a predetermined accumulation time has elapsed since the charge accumulating by the light receiving element is started, the reset means After resetting the charge storage unit, the transfer unit collectively transfers the charge of the light receiving element to the charge storage unit, and then the control unit performs the previous operation in the order of the row as the analysis result of the analysis unit. Controlling the generation of a selection signal in units of rows in the array, and the selection unit stores the charges accumulated in the charge storage unit in units of rows in the array in the order of rows that are the analysis results of the analysis unit Is amplified by the amplifying means and output.
本発明の一側面においては、アレイ状に有するCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサの画素単位における、受光素子により、受光した光に対応して、受光信号としての電荷が発生されて蓄積され、電荷蓄積部により、前記受光素子により転送されてくる受光信号としての電荷が蓄積され、転送手段により、前記受光素子より蓄積された受光信号としての電荷が電荷蓄積部に転送され、リセット手段により、リセット信号に基づいて、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷が開放されることによりリセットされ、増幅手段により、前記電荷蓄積部に転送された電荷からなる受光信号が増幅され、選択手段により、選択信号に基づいて、前記増幅手段により増幅された受光信号が出力され、前記受光素子に蓄積される受光信号のレベルに基づいて、前記複数の画素からなる行単位の、前記受光信号のレベルの高さの順番が解析され、解析結果である行単位の順番に基づいて、前記行単位での前記選択信号の発生を制御する制御手段とを含み、前記転送手段が、全画素一括して、前記受光素子に蓄積された電荷を、前記電荷蓄積部に転送すると共に、前記リセット手段が、前記電荷蓄積部をリセットした後、前記受光素子が、受光した光に応じて発生する受光信号としての電荷の蓄積を開始し、前記受光素子による電荷の蓄積が開始されてから所定の蓄積時間が経過したとき、前記リセット手段が、前記電荷蓄積部をリセットした後、前記転送手段が、前記受光素子の電荷を前記電荷蓄積部に一括転送し、その後、前記制御手段が、前記解析手段の解析結果である行単位の順番で、前記アレイ状の行単位での選択信号の発生を制御し、前記選択手段が、前記解析手段の解析結果である行単位の順番で、前記アレイ状の行単位で前記電荷蓄積部に蓄積された電荷からなる受光信号を前記増幅手段より増幅して出力させる。 In one aspect of the present invention, charge as a light reception signal is generated and accumulated in response to light received by a light receiving element in a pixel unit of a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor having an array, Charge as a light receiving signal transferred by the light receiving element is accumulated by the charge accumulating unit, and electric charge as a light receiving signal accumulated from the light receiving element is transferred to the charge accumulating unit by the transferring unit, and by the reset unit, Based on the reset signal, the charge accumulated in the charge accumulating unit is reset by being released, and the amplifying unit amplifies the received light signal composed of the charges transferred to the charge accumulating unit, and the selecting unit selects Based on the signal, the light receiving signal amplified by the amplifying means is output, and the level of the light receiving signal accumulated in the light receiving element is output. The order of the level of the received light signal level in units of rows composed of the plurality of pixels is analyzed, and the selection signal of the selection unit in units of rows is analyzed based on the order of the row units as the analysis result. Control means for controlling the generation, wherein the transfer means transfers all the charges accumulated in the light receiving element to the charge accumulation section in a batch, and the reset means controls the charge accumulation section. After the reset, the light receiving element starts to accumulate charges as a light receiving signal generated according to the received light, and when a predetermined accumulation time has elapsed since the charge accumulation by the light receiving element is started, After the reset unit resets the charge storage unit, the transfer unit collectively transfers the charge of the light receiving element to the charge storage unit, and then the control unit is a row unit that is an analysis result of the analysis unit. of Control the generation of the selection signal in units of rows in the array, and the selection means in the charge storage unit in units of rows in the order of the rows that are the analysis results of the analysis means. The light receiving signal composed of the accumulated electric charges is amplified by the amplifying means and output.
本発明の撮像素子は、独立した装置であっても良いし、撮像素子の駆動制御処理を行うブロックであっても良い。 The image sensor of the present invention may be an independent device or a block that performs drive control processing of the image sensor.
本発明の一側面によれば、イメージセンサにより画像を撮像する際、ノイズの発生を低減することが可能となる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to reduce the occurrence of noise when an image is captured by an image sensor.
以下、本発明を実施するための形態(以下、実施の形態という)について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
1.第1の実施の形態(一般的な単位画素からなる固体撮像素子を用いたCMOSイメージセンサの構成例)
2.第2の実施の形態(高輝度検出部を備えた固体撮像素子の構成例)
3.第3の実施の形態(高輝度検出部を備えた固体撮像素子であって、信号レベルを先に読み出しリセットレベルとの差分を用いる構成例)
4.第4の実施の形態(高輝度検出部を備えた固体撮像素子であって、リセットレベルを先に読み出し信号レベルとの差分を用いる構成例)
5.第5の実施の形態(単位画素のその他の構造例)
6.第6の実施の形態(本発明の固体撮像素子を用いたCMOSイメージセンサを備えた電子機器の構成例)
Hereinafter, modes for carrying out the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described. The description will be given in the following order.
1. First embodiment (configuration example of a CMOS image sensor using a solid-state image sensor composed of general unit pixels)
2. Second embodiment (configuration example of a solid-state imaging device including a high-luminance detection unit)
3. Third embodiment (a configuration example using a difference between a signal level first read out and a reset level in a solid-state imaging device including a high-luminance detection unit)
4). Fourth Embodiment (a configuration example in which a solid-state imaging device including a high-intensity detection unit uses a difference between a reset level and a read signal level first)
5. Fifth embodiment (other structural example of unit pixel)
6). 6. Sixth Embodiment (Configuration Example of Electronic Device Provided with CMOS Image Sensor Using Solid-State Image Sensor of the Present Invention)
<1.第1の実施の形態>
[固体撮像素子の構成例]
図2は、本発明が適用される固体撮像素子としてのCMOSイメージセンサの構成例を示すブロック図である。
<1. First Embodiment>
[Configuration example of solid-state image sensor]
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of a CMOS image sensor as a solid-state imaging device to which the present invention is applied.
CMOSイメージセンサ100は、画素アレイ部111、垂直駆動部112、カラム処理部113、水平駆動部114、およびシステム制御部115を含んで構成される。画素アレイ部111、垂直駆動部112、カラム処理部113、水平駆動部114、およびシステム制御部115は、図示せぬ半導体基板(チップ)上に形成されている。画素アレイ部111には、定電流源部119が設けられている。
The CMOS image sensor 100 includes a
画素アレイ部111には、入射光量に応じた電荷量の光電荷(以下、単に「電荷」と記述する場合もある)を受光信号として発生し内部に蓄積する光電変換素子を有する単位画素が行列状に2次元配置されている。なお、以下では、入射光量に応じた電荷量の光電荷を、単に「電荷」と記述し、単位画素を、単に「画素」と記述する場合もある。
In the
画素アレイ部111には、さらに、行列状の画素配列に対して行ごとに画素駆動線116が図の左右方向(画素行の画素の配列方向)に沿って形成され、列ごとに垂直信号線117が図の上下方向(画素列の画素の配列方向)に沿って形成されている。図2では、画素駆動線116について1本として示しているが、1本に限られるものではない。画素駆動線116の一端は、垂直駆動部112の各行に対応した出力端に接続されている。
In the
CMOSイメージセンサ100はさらに、信号処理部118を備えている。信号処理部118については、CMOSイメージセンサ100とは別の基板に設けられる外部信号処理部、例えばDSP(Digital Signal Processor)やソフトウェアによる処理でも構わないし、CMOSイメージセンサ100と同じ基板上に搭載しても構わない。
The CMOS image sensor 100 further includes a
垂直駆動部112は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、画素アレイ部111の各画素を、全画素同時あるいは行単位等で駆動する画素駆動部である。この垂直駆動部112は、その具体的な構成については図示を省略するが、一般的に、読出し走査系と掃出し走査系の2つの走査系を有する構成となっている。
The
読出し走査系は、単位画素から信号を読み出すために、画素アレイ部111の単位画素を行単位で順に選択走査する。掃出し走査系は、読出し走査系によって読出し走査が行われる読出し行に対して、その読出し走査よりもシャッタスピードの時間分だけ先行して掃出し走査を行う。
The readout scanning system selectively scans the unit pixels of the
この掃出し走査系による掃出し走査により、読出し行の単位画素の光電変換素子から不要な電荷が掃き出される(リセットされる)。そして、掃出し走査系による不要電荷の掃き出し(リセット)により、いわゆる電子シャッタ動作が行われる。ここで、電子シャッタ動作とは、光電変換素子の光電荷を捨てて、新たに露光を開始する(光電荷の蓄積を開始する)動作のことを言う。 By the sweep scanning by the sweep scanning system, unnecessary charges are swept (reset) from the photoelectric conversion elements of the unit pixels in the readout row. A so-called electronic shutter operation is performed by sweeping (reset) unnecessary charges by the sweep scanning system. Here, the electronic shutter operation refers to an operation in which the photoelectric charge of the photoelectric conversion element is discarded and a new exposure is started (photocharge accumulation is started).
読出し走査系による読出し動作によって読み出される信号は、その直前の読出し動作または電子シャッタ動作以降に入射した光量に対応するものである。そして、直前の読出し動作による読出しタイミングまたは電子シャッタ動作による掃出しタイミングから、今回の読出し動作による読出しタイミングまでの期間が、単位画素における光電荷の蓄積時間(露光時間)となる。 The signal read by the reading operation by the reading scanning system corresponds to the amount of light incident after the immediately preceding reading operation or electronic shutter operation. The period from the read timing by the previous read operation or the sweep timing by the electronic shutter operation to the read timing by the current read operation is the photocharge accumulation time (exposure time) in the unit pixel.
垂直駆動部112によって選択走査された画素行の各単位画素から出力される画素信号は、定電流源部119および垂直信号線117の各々を通してカラム処理部113に供給される。定電流源部119は、各画素にバイアス電流を供給するものであり、各画素列に配置される。カラム処理部113は、画素アレイ部111の画素列ごとに、選択行の各単位画素から垂直信号線117を通して出力される画素信号(受光信号)に対して所定の信号処理を行うとともに、信号処理後の画素信号を一時的に保持する。
Pixel signals output from each unit pixel in the pixel row selectively scanned by the
具体的には、カラム処理部113は、信号処理として少なくとも、ノイズ除去処理、例えばCDS(Correlated Double Sampling;相関二重サンプリング)処理を行う。このカラム処理部113によるCDS処理により、リセットノイズや増幅トランジスタの閾値ばらつき等の画素固有の固定パターンノイズが除去される。カラム処理部113にノイズ除去処理以外に、例えば、AD(アナログ−デジタル)変換機能を持たせ、信号レベルをデジタル信号で出力することも可能である。
Specifically, the
水平駆動部114は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、カラム処理部113の画素列に対応する単位回路を順番に選択する。この水平駆動部114による選択走査により、カラム処理部113で信号処理された画素信号が順番に信号処理部118に出力される。
The
システム制御部115は、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータ等によって構成され、タイミングジェネレータで生成された各種のタイミング信号を基に垂直駆動部112、カラム処理部113および水平駆動部114などの駆動制御を行う。より詳細には、システム制御部115は、信号処理部118により更新されるアドレスリスト115aを備えており、アドレスリスト115aに記載されているアドレスに対応する行の順序で行単位の読み出しを実行できるように駆動制御を行う。
The
信号処理部118は、レベル解析部118a、アドレスリスト118b、データ格納部118c、および並替部118dを備えている。レベル解析部118aは、読み出された画素信号の信号レベルを行単位で解析し、信号レベルの高さに応じた順序を求めて、その順序に対応した行を指定するアドレスをアドレスリスト118bに登録する。さらに、レベル解析部118aは、アドレスリスト118bが新たに登録されると、システム制御部115のアドレスリスト115aを、アドレスリスト118bにより更新する。また、データ格納部118cは、信号処理部118での信号処理に当たって、読み出された行単位の順序で信号レベルの情報を、一時的に格納する。並替部118dは、全行の読み出しが完了した時点で、データ格納部118cに格納されている信号レベルを、元の行単位の順序に並び替える。信号処理部118は、このように並び替えられた画素信号を出力する。
The
[図2のCMOSイメージセンサ100の単位画素の回路構成例]
次に、図3を参照して、図2の画素アレイ部111に配設される単位画素120の回路構成例について説明する。
[Circuit Configuration Example of Unit Pixel of CMOS Image Sensor 100 of FIG. 2]
Next, a circuit configuration example of the
図中の点線で囲まれた範囲内の回路構成が単位画素120の回路構成例である。単位画素120は、フォトダイオードPD、リセットトランジスタTR_RST、転送ゲートTR_ROG、選択トランジスタTR_SEL、および浮遊拡散領域FDを含む。
A circuit configuration within a range surrounded by a dotted line in the drawing is a circuit configuration example of the
光電変換素子であるフォトダイオードPDは、フォトダイオードPDのアノード電極は接地され、カソード電極は、トランジスタからなる転送ゲートTR_ROGのソースに接続されている。転送ゲートTR_ROGは、ドレイン電極がフォトダイオードPDのアノードに接続され、ソース電極が浮遊拡散領域(フローティングディフュージョン)FD、増幅トランジスタTR_AMPのゲート電極、リセットトランジスタTR_RSTのソース電極に接続されている。また、転送ゲートTR_ROGのゲート電極が転送パルス線ROGに接続されている。すなわち、転送ゲートTR_ROGは、図2のシステム制御部115の制御により転送パルス線ROGを介して転送パルスROGが供給されると、フォトダイオードPDにより光電変換により蓄積された電荷を浮遊拡散領域FDに転送する。
In the photodiode PD which is a photoelectric conversion element, the anode electrode of the photodiode PD is grounded, and the cathode electrode is connected to the source of the transfer gate TR_ROG made of a transistor. The transfer gate TR_ROG has a drain electrode connected to the anode of the photodiode PD, a source electrode connected to the floating diffusion region (floating diffusion) FD, the gate electrode of the amplification transistor TR_AMP, and the source electrode of the reset transistor TR_RST. Further, the gate electrode of the transfer gate TR_ROG is connected to the transfer pulse line ROG. That is, when the transfer pulse ROG is supplied via the transfer pulse line ROG under the control of the
浮遊拡散領域FDは、フォトダイオードPDにより光電変換されて蓄積され、転送ゲートTR_ROGより転送された電荷を一旦保持し、電荷を電圧信号に変換する。このため、図3では、コンデンサとして表記されている。 The floating diffusion region FD is photoelectrically converted and accumulated by the photodiode PD, temporarily holds the charge transferred from the transfer gate TR_ROG, and converts the charge into a voltage signal. For this reason, it is represented as a capacitor in FIG.
リセットトランジスタTR_RSTは、ゲート電極がリセットパルス線RSTに接続されており、ソース電極が浮遊拡散領域FD、転送ゲートTR_ROGのソース電極、増幅トランジスタTR_AMPのゲート電極に接続されている。また、リセットトランジスタTR_RSTは、ドレイン電極が電源VDD、および増幅トランジスタTR_AMPのドレインに接続されている。すなわち、システム制御部115の制御により、リセットパルス線RSTよりリセットパルスRSTが供給されると、浮遊拡散領域FDの電荷を開放し、リセットする。このとき、転送ゲートTR_ROGも転送パルスROGによりオンの状態になると、フォトダイオードPDで光電変換により蓄積された電荷も浮遊拡散領域FDを介して、リセットトランジスタTR_RSTより開放される。
The reset transistor TR_RST has a gate electrode connected to the reset pulse line RST, and a source electrode connected to the floating diffusion region FD, a source electrode of the transfer gate TR_ROG, and a gate electrode of the amplification transistor TR_AMP. The reset transistor TR_RST has a drain electrode connected to the power supply VDD and the drain of the amplification transistor TR_AMP. That is, when the reset pulse RST is supplied from the reset pulse line RST under the control of the
増幅トランジスタTR_AMPは、ゲート電極が、リセットトランジスタTR_RSTのソース電極、転送ゲートTR_ROGのソース電極、および浮遊拡散領域FDに接続されており、ドレイン電極が電源VDD、およびリセットトランジスタTR_RSTのドレイン電極に接続されている。また、増幅トランジスタTR_AMPは、ソース電極が選択トランジスタTR_SELのソース電極に接続されている。増幅トランジスタTR_AMPは、ゲートに印加される浮遊拡散領域FDの充電電圧である受光信号を増幅してソース電極から出力する。 The amplification transistor TR_AMP has a gate electrode connected to the source electrode of the reset transistor TR_RST, the source electrode of the transfer gate TR_ROG, and the floating diffusion region FD, and a drain electrode connected to the power supply VDD and the drain electrode of the reset transistor TR_RST. ing. The amplification transistor TR_AMP has a source electrode connected to the source electrode of the selection transistor TR_SEL. The amplification transistor TR_AMP amplifies a light reception signal which is a charging voltage of the floating diffusion region FD applied to the gate and outputs the amplified light reception signal from the source electrode.
選択トランジスタTR_SELは、ゲート電極が選択パルス線SELに接続され、ドレイン電極が増幅トランジスタTR_AMPのソース電極に接続され、ソース電極が垂直信号線VSLに接続されている。このため、システム制御部115の制御により選択パルス線SELより選択パルスSELが供給されると、選択トランジスタTR_SELは、増幅トランジスタTR_AMPのドレインより出力される浮遊拡散領域FDの電圧である受光信号が増幅された信号を垂直信号線VSLより出力する。垂直信号線VSLには、定電流源Iが設けられており、垂直信号線VSLに流れる電流値を一定の状態にする。尚、定電流源Iは、図2における定電流源部119を構成するものである。
The selection transistor TR_SEL has a gate electrode connected to the selection pulse line SEL, a drain electrode connected to the source electrode of the amplification transistor TR_AMP, and a source electrode connected to the vertical signal line VSL. Therefore, when the selection pulse SEL is supplied from the selection pulse line SEL under the control of the
[図2のCMOSイメージセンサ100の駆動処理]
次に、図4のフローチャート、および図5のタイミングチャートを参照して、図2のCMOSイメージセンサ100の駆動処理について説明する。尚、図5においては、上から3段目までにおいては、それぞれ画素アレイ部111の第(n−1)行乃至第(n+1)行の画素に対するリセットパルスRST、転送パルスROG、および選択パルスSELの発生タイミングを示している。また、最下段には、サンプルホールドタイミングパルスSHSの発生タイミングが示されている。
[Driving Process of CMOS Image Sensor 100 of FIG. 2]
Next, the driving process of the CMOS image sensor 100 of FIG. 2 will be described with reference to the flowchart of FIG. 4 and the timing chart of FIG. In FIG. 5, from the top to the third stage, the reset pulse RST, the transfer pulse ROG, and the selection pulse SEL for the pixels in the (n−1) th to (n + 1) th rows of the
ステップS11において、システム制御部115は、例えば、図5の時刻t1乃至t2で示されるように、全画素のリセットパルス線RST、および転送パルス線ROGに対して、リセットパルスRST、および転送パルスROGを発生させる。すなわち、この処理により、いわゆる、全ての画素について、同時にフォトダイオードPDがリセットされるグローバルリセットがなされる。
In step S11, the
ステップS12において、全てのフォトダイオードPDが、光を受光することにより光電変換により発生する受光信号としての電荷の蓄積を開始する。すなわち、図5で示されるように、時刻t2においては、全てのフォトダイオードPDがリセットされることになるため、露光期間の開始タイミングとなる。 In step S12, all the photodiodes PD start to accumulate charges as light reception signals generated by photoelectric conversion by receiving light. That is, as shown in FIG. 5, at the time t2, since all the photodiodes PD are reset, it is the start timing of the exposure period.
ステップS13において、システム制御部115は、例えば、図5の時刻t3乃至t4で示されるように、所定の露光期間が経過したところで、全画素のリセットパルス線RSTに対して、リセットパルスRSTを発生させる。
In step S13, the
ステップS14において、システム制御部115は、リセットパルスRSTの直後となるタイミング、すなわち、例えば、図5の時刻t5乃至t6で示されるように、全画素の転送パルス線ROGに対して、転送パルスROGを発生させる。
In step S14, the
この結果、転送パルスROGにより、転送ゲートTR_ROGは、オンの状態となるため、露光期間内にフォトダイオードPDに蓄積された受光信号としての電荷が浮遊拡散領域FDに転送される。すなわち、いわゆる、グローバル転送がなされる。 As a result, the transfer gate TR_ROG is turned on by the transfer pulse ROG, so that the charge as the light reception signal accumulated in the photodiode PD during the exposure period is transferred to the floating diffusion region FD. That is, so-called global transfer is performed.
ステップS15において、システム制御部115は、アドレスリスト115aの情報を読み出してアドレスリスト115aに記録された行単位の優先順位の情報を読み出す。尚、最初の処理においては、アドレスリスト115aに記録された行単位の優先順位の情報は、後述する受光信号のレベルに応じて順位が求められていない。このため、この時点では、アドレスリスト115aに記録されるべき順位の情報は不明であるか、または不正確であるので、初期設定として上方向、または下方向への単純な行番号の順序が記録されている。
In step S15, the
ステップS16において、システム制御部115は、アドレスリスト115aの行番号の順序に基づいて、未処理となる最上位の行を処理対象行として認識すると共に、処理対象行の画素に対して、選択パルス線SELより選択パルスSELを発生する。例えば、第n行が処理対象行である場合、図5で示されるように、時刻t11乃至t15において、選択パルスSELを発生する。これにより、垂直信号線VSLが有効となり、浮遊拡散領域FDより受光信号としての電荷が転送される。このとき、同時に、システム制御部115は、カラム処理部113に対してサンプルホールドタイミングパルスSHSを発生する。すなわち、処理対象行が第n行である場合、時刻t12乃至t13といった、選択パルスSELの発生期間内に、サンプルホールドタイミングパルスSHSが発生される。
In step S16, the
このサンプルホールドタイミングパルスSHSにより、ステップS17において、カラム処理部113は、垂直信号線VSLより供給されてくる受光信号を読み出し、水平駆動部114により列選択されたタイミングで順次受光信号を信号処理部118に供給する。そして、信号処理部118は、読み出された受光信号の信号レベルの情報を、読み出された行を指定するアドレスに対応付けてデータ格納部118cに格納する。すなわち、図5の第n行目において、点線で示される方形状の範囲において、第n行の画素の受光信号が読み出されることになる。
In step S17, the
ステップS18において、システム制御部115は、処理対象行の画素のリセットパルス線RSTにリセットパルスRSTを発生する。例えば、処理対象行が第n行である場合、選択パルスSELの発生期間の最終タイミングである時刻t14乃至t15において、リセットパルスRSTが発生される。この処理により、処理対象行の画素の浮遊拡散領域FDがリセットされる。
In step S18, the
ステップS19において、システム制御部115は、アドレスリスト115aに記憶されている行の順序のうち、読み出しが未処理の行が存在するか否かを判定する。例えば、未処理の行が存在する場合、処理は、ステップS16に戻る。すなわち、全ての行の画素の受光信号が読み出されるまで、ステップS16乃至S19の処理が繰り返され、順次データ格納部118cに画素の受光信号の信号レベルが格納されていく。
In step S19, the
ステップS19において、全ての行の画素の受光信号が読み出されたと判定された場合、ステップS20において、並替部118dは、データ格納部118cに格納された各画素の受光信号の情報を、読み出された順序から、表示するための本来の行番号の順序となるように上方向、または下方向に並び替えて1枚の画像信号として構成し、出力する。
When it is determined in step S19 that the light reception signals of the pixels in all rows have been read, in step S20, the rearrangement unit 118d reads the information on the light reception signals of each pixel stored in the
ステップS21において、レベル解析部118aは、データ格納部118cに格納されている受光信号の信号レベルを行単位で解析する。そして、レベル解析部118aは、行単位で受光信号の信号レベルの高い順に順位を求め、その順位に対応する行単位の順序に対応するアドレスをアドレスリスト118bに登録する。
In step S21, the
ステップS22において、レベル解析部118aは、システム制御部115のアドレスリスト115aを、アドレスリスト118bで置換することにより更新する。
In step S22, the
ステップS23において、信号処理部118は、固体撮像素子の駆動動作の終了が指示されたか否かを判定し、例えば、終了が指示されている場合、処理は終了し、終了が指示されていない場合、処理は、ステップS11に戻る。
In step S23, the
すなわち、以降の処理においては、順次アドレスリスト115aが、ステップS11乃至S22の処理が繰り返される度に更新されることになる。つまり、アドレスリスト115aには、直前に処理した画像の行単位での受光信号の信号レベルに対応して求められた行単位の順序で行を指定するアドレスが記録されていることになる。この結果、ステップS16乃至S19で順次読み出される順序は、直前に処理した画像の行単位での受光信号の信号レベルに基づいて求められた信号レベルの高い順番で読み出されることになる。
That is, in the subsequent processing, the
従って、例えば、行単位での信号レベルの順位が、上位から第n行、第(n−1)行、および第(n+1)行である場合、図5で示されるように、最初に、第n行の選択パルスSELが時刻t11乃至t15において発生される。尚、その間に時刻t12乃至t13において、サンプルホールドタイミングパルスSHSが発生され、このタイミングで、第n行目の垂直信号線117に供給されている受光信号がカラム処理部113で読み出される。さらに、時刻t14乃至t15においてリセットパルスRSTが発生され、第n行目の浮遊拡散領域FDは、蓄積していた受光信号としての電荷を放出してリセットされる。
Therefore, for example, when the order of the signal level in the row unit is the nth row, the (n−1) th row, and the (n + 1) th row from the top, as shown in FIG. The n rows of selection pulses SEL are generated from time t11 to t15. Meanwhile, at time t12 to t13, a sample hold timing pulse SHS is generated, and at this timing, the received light signal supplied to the
そして、第n行の処理が終了すると、第(n−1)行の処理となるため、第(n−1)行の選択パルスSELが時刻t16乃至t20において発生される。尚、その間に時刻t17乃至t18において、サンプルホールドタイミングパルスSHSが発生され、このタイミングで、第(n−1)行目の垂直信号線117に供給されている受光信号がカラム処理部113で読み出される。時刻t19乃至t20においてリセットパルスRSTが発生され、第(n−1)行目の浮遊拡散領域FDは、蓄積していた受光信号としての電荷を放出してリセットされる。
When the processing of the nth row is completed, the processing of the (n−1) th row is performed, and therefore the selection pulse SEL of the (n−1) th row is generated from time t16 to t20. Meanwhile, at time t17 to t18, a sample hold timing pulse SHS is generated, and at this timing, the received light signal supplied to the
さらに、第(n−1)行の処理が終了すると、第(n+1)行の処理となるため、第(n+1)行の選択パルスSELが時刻t21乃至t25において発生される。尚、その間に時刻t22乃至t23において、サンプルホールドタイミングパルスSHSが発生され、このタイミングで、第(n+1)行目の垂直信号線117に供給されている受光信号がカラム処理部113で読み出される。時刻t24乃至t25においてリセットパルスRSTが発生され、第(n+1)行目の浮遊拡散領域FDは、蓄積していた受光信号としての電荷を放出してリセットされる。
Further, when the processing of the (n−1) -th row is completed, the processing of the (n + 1) -th row is performed, so that the selection pulse SEL for the (n + 1) -th row is generated from time t21 to t25. In the meantime, at time t22 to t23, a sample hold timing pulse SHS is generated, and at this timing, the received light signal supplied to the
すなわち、単純に行の順序で読み出している場合、図6の左部で示されるように、読み出し順序が後回しにされる画素の浮遊拡散領域FDほど、蓄積時間が長くなるため、リーク成分が時間に比例して大きくなる。浮遊拡散領域FDのリーク成分は、信号レベルの高い画素ほど大きくなるため、蓄積時間が長くなればなるほど、影響が大きくなる。 That is, when reading is simply performed in the order of the rows, as shown in the left part of FIG. 6, the accumulation time becomes longer as the floating diffusion region FD of the pixel whose reading order is postponed. Increases in proportion to Since the leak component of the floating diffusion region FD increases as the signal level of the pixel increases, the influence increases as the accumulation time increases.
しかしながら、以上のような処理により、図6の右部で示されるように、直前の画像における行単位の信号レベルにより設定される順序で読み出されることになる。このため、浮遊拡散領域FDのリーク成分が蓄積時間に大きく影響する、信号レベルの高い画素ほど早い順序で読み出すことが可能となる。結果として、浮遊拡散領域FDのリーク成分の影響を低減することが可能となる。尚、図6においては、左部、および右部共に上から黒帯が行単位のリーク成分の電荷量であり、白帯が受光信号の信号レベルである。また、図6の右部においては、順位が、上位から第(n−1)行、第n行、第(n+1)行である場合の例が示されている。 However, by the processing as described above, as shown in the right part of FIG. 6, reading is performed in the order set by the signal level in units of rows in the immediately preceding image. For this reason, it becomes possible to read out pixels with higher signal levels, in which the leakage component of the floating diffusion region FD greatly affects the accumulation time, in an earlier order. As a result, it becomes possible to reduce the influence of the leak component of the floating diffusion region FD. In FIG. 6, in both the left part and the right part, the black band from the top is the charge amount of the leak component in units of rows, and the white band is the signal level of the received light signal. In the right part of FIG. 6, an example is shown in which the ranking is the (n−1) th row, the nth row, and the (n + 1) th row from the top.
また、以上の処理においては、これから各画素の信号レベルを読み出そうとする画像の行単位の順序ではなく、直前の画像における行単位の順序を用いているが、直前の画像の状態とは画像において大きな変化がないことが前提となっている。従って、全く異なる画像に切り替わる瞬間や、最初に読み出しを開始する場合、上述したように従来同様に、上方向、または下方向に単純な行単位の順序で読み出すようにしてもよい。 Further, in the above processing, the order of the row unit in the immediately preceding image is used instead of the order of the row unit of the image from which the signal level of each pixel is to be read out. It is assumed that there is no significant change in the image. Therefore, at the moment of switching to a completely different image or when reading is started for the first time, as described above, it may be read in the order of simple lines in the upward or downward direction as in the prior art.
さらに、以上の処理においては、行単位の順序は、全画素の信号レベルを読み出してから求める例について説明してきたが、所定数の複数行の画素の信号レベルだけを読み出したタイミングで、その範囲内の行単位の順位を求めるようにしてもよい。また、画素アレイ部111の全行数をN行とするとき、任意のmで除算することにより求められる所定の複数行単位毎に信号レベルの順位を求めて、複数の行単位で処理するようにしてもよい。
Further, in the above processing, the order of the row unit has been described with respect to an example in which the signal levels of all the pixels are read out, but the range is determined at the timing when only the signal levels of pixels in a predetermined number of rows are read out. You may make it obtain | require the order of the line unit in. Further, when the total number of rows in the
<2.第2の実施の形態>
[その他の固体撮像素子の構成例]
以上においては、処理対象となっている画像より直前に処理した画像における、受光信号の信号レベルにより求められた行単位の順序を用いるようにしていたが、処理対象となる画像の行単位の順序を求めて使用するようにしてもよい。
<2. Second Embodiment>
[Configuration example of other solid-state image sensor]
In the above, the order of the row unit obtained by the signal level of the light reception signal in the image processed immediately before the image to be processed is used, but the order of the row unit of the image to be processed is used. You may make it use for.
図7は、処理対象となる画像の行単位の順序を求めて使用するようにした固体撮像素子であるCMOSイメージセンサ100の構成例を示している。尚、図2と同様の構成については、同一の名将、および符号を付しており、その説明は、適宜省略するものとする。 FIG. 7 shows a configuration example of a CMOS image sensor 100 that is a solid-state imaging device that is used by obtaining the order of the row unit of the image to be processed. In addition, about the structure similar to FIG. 2, the same great general and the code | symbol are attached | subjected, and the description shall be abbreviate | omitted suitably.
すなわち、図7のCMOSイメージセンサ100において、図2のCMOSイメージセンサ100と異なる構成は、画素アレイ部111の各画素の回路構成、並びに、システム制御部115、および信号処理部118に代えて、システム制御部115’、信号処理部118’を備えた点である。尚、各画素の回路構成については、図8を参照して、詳細を後述する。
That is, the CMOS image sensor 100 of FIG. 7 differs from the CMOS image sensor 100 of FIG. 2 in that the circuit configuration of each pixel of the
システム制御部115’は、基本的にシステム制御部115と同様であるが、さらに、排出パルス線OFGを介して、排出パルスOFGの発生を制御する。尚、システム制御部115’が、信号処理部118’のアドレスリスト118bに基づいて更新されるアドレスリスト115aを備えている点については、図2における場合と同様である。
The
また、信号処理部118’は、レベル解析部118aに代えて、レベル解析部118a’を備えると共に、新たに高輝度検出部118eを備えている。レベル解析部118a’は、基本的にレベル解析部118aと同様の機能を備えているが、対象とするのが、高輝度検出部118eにより検出された各フォトダイオードPDの受光信号の信号レベルとなる点であり、信号レベルに基づいて、それらの行単位の順序を求め、アドレスリスト118bに格納する。尚、高輝度検出部118eの構成については、各画素の構成との関連があるため、図8の単位画素の回路構成例を説明した後に、図9を参照して後述するものとする。
The signal processing unit 118 'includes a
[図7のCMOSイメージセンサ100の単位画素の回路構成例]
次に、図8を参照して、図7の画素アレイ部111に配設される単位画素120の回路構成例について説明する。尚、図3の構成と同一の機能を備える構成については、同一の名称と同一の符号を付しており、その説明は、適宜省略するものとする。
[Circuit Configuration Example of Unit Pixel of CMOS Image Sensor 100 of FIG. 7]
Next, a circuit configuration example of the
図8の回路構成において、図3の回路構成と異なるのは、排出トランジスタTR_OFG、排出パルス線OFG、および排出ドレイン線OFDを設けた点である。 The circuit configuration of FIG. 8 is different from the circuit configuration of FIG. 3 in that a discharge transistor TR_OFG, a discharge pulse line OFG, and a discharge drain line OFD are provided.
排出トランジスタTR_OFGは、ゲート電極が、排出パルス線OFGに接続され、ソース電極がフォトダイオードPDのカソード、および転送ゲートTR_ROGのソース電極に接続され、ドレイン電極が、排出ドレイン線OFDに接続されている。 The discharge transistor TR_OFG has a gate electrode connected to the discharge pulse line OFG, a source electrode connected to the cathode of the photodiode PD and a source electrode of the transfer gate TR_ROG, and a drain electrode connected to the discharge drain line OFD. .
システム制御部115’は、フォトダイオードPDの蓄積中に、その動作に影響の無いように、排出パルス線OFGを介して排出パルスOFGをローレベル(GNDレベル)にして発生し、排出トランジスタTR_OFGのゲート電極をオフの状態とする。また、全ての画素に対して、転送パルスROGが発生されて、転送ゲートTR_ROGによりフォトダイオードPDの受光信号としての電荷が浮遊拡散領域FDへと一括転送された後においては、システム制御部115’は、排出パルス線OFGを介して、排出パルスOFGをハイレベルにして発生し、排出トランジスタTR_OFGをオンの状態にさせて、フォトダイオードPDと排出ドレイン線OFDとを接続し、フォトダイオードPDに残存する電荷を排出させる。排出ドレイン線OFDは、高輝度検出部118eに接続されている。
During the accumulation of the photodiode PD, the
ここで、高輝度検出部118eについて説明する。高輝度検出部118eは、例えば、図9の上部で示されるように、抵抗Rsense、差動増幅回路AM、および電源VDDを備えている。高輝度検出部118eは、差動増幅回路AMの出力電圧を排出ドレイン線OFDの電流値として読み出す。
Here, the high
より詳細には、行単位で設けられている排出ドレイン線OFDには、排出トランジスタTR_OFGがオンになると、フォトダイオードPDにより光電変換により生じる受光信号の電荷が垂れ流される状態となり、電源VDDから抵抗Rsenseを経由して、フォトダイオードPDの受光量に応じた電流が流れる。このため、抵抗Rsenseの両端には、その電流量に応じた電圧が生じるため、差動増幅回路AMは、この電圧を増幅して出力する。このため、高輝度検出部118eは、差動増幅回路AMの出力電圧に基づいて、抵抗Rsenseに流れる電流量Ioutを計測することにより、行単位の信号レベルを検出する。
More specifically, when the discharge transistor TR_OFG is turned on, the charge of the light reception signal generated by the photoelectric conversion by the photodiode PD flows down to the discharge drain line OFD provided in units of rows, and the resistance from the power supply VDD A current corresponding to the amount of light received by the photodiode PD flows through Rsense. For this reason, since a voltage corresponding to the amount of current is generated at both ends of the resistor Rsense, the differential amplifier circuit AM amplifies and outputs this voltage. Therefore, the high
尚、高輝度検出部118eは、単一の行の排出ドレイン線OFDの電流量から、単一の行単位の信号レベルを検出するのみではなく、例えば、図8の下部で示されるように、複数の行の排出ドレイン線OFD1乃至4を一括した信号レベルを求めるようにしてもよい。
Note that the high
[図7のCMOSイメージセンサの駆動処理]
次に、図10のフローチャート、および図11のタイミングチャートを参照して、図7のCMOSイメージセンサ100による駆動処理について説明する。尚、図11においては、上から3段目までにおいては、それぞれ画素アレイ部111の第(n−1)行乃至第(n+1)行の画素に対するリセットパルスRST、転送パルスROG、排出パルスOFG、および選択パルスSELの発生タイミングを示している。また、最下段には、サンプルホールドタイミングパルスSHSの発生タイミングが示されている。さらに、図10におけるステップS42乃至S44の処理については、図4を参照して説明したステップS12乃至S14の処理と同様であるので、その説明は省略する。
[Driving process of CMOS image sensor in FIG. 7]
Next, a driving process by the CMOS image sensor 100 of FIG. 7 will be described with reference to a flowchart of FIG. 10 and a timing chart of FIG. In FIG. 11, from the top to the third stage, the reset pulse RST, the transfer pulse ROG, the discharge pulse OFG, the pixels in the (n−1) th to (n + 1) th rows of the
すなわち、ステップS41において、システム制御部115’は、例えば、図11の時刻t101乃至t102で示されるように、全画素のリセットパルス線、および転送パルス線に対して、リセットパルスRST、および転送パルスROGを発生させる。この処理により、いわゆるグローバルリセットがなされる。さらに、同時に、システム制御部115’は、時刻t101乃至t107で示されるように、全画素の排出パルス線OFGに対して、排出パルスOFGをローレベル(GNDレベル)にして発生させる。
That is, in step S41, the
この結果、排出トランジスタTR_OFGは、オフの状態となるため、実質的に図3における単位画素の構成と同一の構成となり、ステップS42においては、フォトダイオードPDにおいて受光に応じて光電変換により電荷の蓄積が開始される。さらに、ステップS43において、システム制御部115’は、時刻t103乃至t104において、リセットパルスRSTを発生させて、浮遊拡散領域FDの電荷をリセットさせる。また、ステップS44において、システム制御部115’は、時刻t105乃至t106において、転送パルスROGを発生させて、フォトダイオードPDの電荷を浮遊拡散領域FDに転送させる。この処理により、いわゆる、グローバル転送がなされる。 As a result, the discharge transistor TR_OFG is turned off, so that it has substantially the same configuration as that of the unit pixel in FIG. 3. In step S42, charge accumulation is performed by photoelectric conversion in the photodiode PD according to light reception. Is started. In step S43, the system control unit 115 'generates a reset pulse RST from time t103 to t104 to reset the charge in the floating diffusion region FD. In step S44, the system control unit 115 'generates a transfer pulse ROG from time t105 to t106 to transfer the charge of the photodiode PD to the floating diffusion region FD. By this processing, so-called global transfer is performed.
ステップS45において、システム制御部115’は、時刻t107で示されるように、全画素の排出パルス線OFGに対して、排出パルスOFGをハイレベルにして発生させる。この処理により、全画素の排出トランジスタTR_OFGがオンの状態となり、フォトダイオードPDのカソードが、排出ドレイン線OFDに接続され、フォトダイオードPDに蓄積された電荷が排出ドレイン線OFDに開放される。 In step S45, the system control unit 115 'generates the discharge pulse OFG at a high level for the discharge pulse line OFG of all the pixels as indicated at time t107. By this processing, the discharge transistors TR_OFG of all the pixels are turned on, the cathode of the photodiode PD is connected to the discharge drain line OFD, and the charge accumulated in the photodiode PD is released to the discharge drain line OFD.
ステップS46において、信号処理部118’の高輝度検出部118eは、例えば、図11の時刻Tにおいて、全画素の排出ドレイン線OFDの電流値を、図8で示されるような差動増幅回路AMより電圧値の信号レベルとして読み出し、行単位の信号レベルの情報として記憶する。すなわち、時刻Tで示されるように、時刻t101乃至t107におけるグローバルリセット、およびグローバル転送の期間が経過し、いずれの画素からの読み出しもされていない状態のタイミングで、高輝度検出部118eは、各画素の受光レベルを検出する。
In step S46, the high-
ステップS47において、レベル解析部118a’は、高輝度検出部118eに検出されている行単位の排出ドレイン線OFDの電流値に対応する電圧値の信号レベルを高い順に順番を求め、アドレスリスト118bに登録する。
In step S47, the
ステップS48において、レベル解析部118a’は、システム制御部115’のアドレスリスト115aを、アドレスリスト118bで置換することにより更新する。すなわち、ここでは、システム制御部115’のアドレスリスト115aには、これから電荷の読み出しを開始しようとする各画素が受光している信号レベルに基づいた行単位の順番が登録されることになる。
In step S48, the
ステップS49において、システム制御部115’は、アドレスリスト115a’の情報を読み出してアドレスリスト115a’に記録された行単位の順位の情報を読み出す。
In step S49, the system control unit 115 'reads the information in the
ステップS50において、システム制御部115’は、アドレスリスト115a’の行番号の順序に基づいて、未処理となる最上位の行を処理対象行として認識すると共に、処理対象行の画素に対して、選択パルス線SELより選択パルスSELを発生する。例えば、第n行が処理対象行である場合、図11で示されるように、時刻t111乃至t115において、選択パルスSELを発生する。これにより、第n行の画素の垂直信号線VSLが有効となり、浮遊拡散領域FDより受光信号が増幅されて転送させる。このとき、同時に、システム制御部115’は、カラム処理部113に対してサンプルホールドタイミングパルスSHSを発生する。すなわち、処理対象行が第n行である場合、時刻t112乃至t113といった、選択パルスSELの発生期間内に、サンプルホールドタイミングパルスSHSが発生される。このサンプルホールドタイミングパルスSHSにより、カラム処理部113は、垂直信号線VSLより供給されてくる受光信号を読み出し、水平駆動部114により列選択されたタイミングで順次受光信号を信号処理部118’に供給する。すなわち、図11の第n行目において、点線で示される方形状の範囲において、第n行の画素の受光信号が読み出されることになる。
In step S50, the
ステップS51において、信号処理部118’は、読み出した受光信号の信号レベルの情報をデータ格納部118cに格納する。
In step S51, the signal processing unit 118 'stores information on the signal level of the read light reception signal in the
ステップS52において、システム制御部115’は、処理対象行の画素のリセットパルス線RSTにリセットパルスRSTを発生する。例えば、処理対象行が第n行である場合、選択パルスSELの発生期間の最終タイミングである時刻t114乃至t115において、リセットパルスRSTが発生される。この処理により、処理対象行の画素の浮遊拡散領域FDは、蓄積していた受光信号の画素を排出し、リセットされる。 In step S52, the system control unit 115 'generates a reset pulse RST on the reset pulse line RST of the pixel in the processing target row. For example, when the processing target row is the nth row, the reset pulse RST is generated at times t114 to t115 that are the final timing of the generation period of the selection pulse SEL. By this processing, the floating diffusion region FD of the pixel in the processing target row is reset by discharging the accumulated pixel of the received light signal.
ステップS53において、システム制御部115’は、アドレスリスト115a’に記憶されている行の順序のうち、読み出しが未処理の行が存在するか否かを判定する。例えば、未処理の行が存在する場合、処理は、ステップS50に戻る。すなわち、全ての行の画素の受光信号が読み出されるまで、ステップS50乃至S53の処理が繰り返され、順次データ格納部118cに画素の受光信号の信号レベルが格納されていく。
In step S <b> 53, the
ステップS53において、全ての行の画素の受光信号が読み出されたと判定された場合、ステップS54において、並替部118dは、データ格納部118cに格納された各画素の信号レベルの情報を読み出された行の順序を、上方向、または下方向に並び替えて1枚の画像信号として構成し、出力する。
If it is determined in step S53 that the light reception signals of the pixels in all rows have been read, in step S54, the rearrangement unit 118d reads the signal level information of each pixel stored in the
ステップS55において、信号処理部118’は、固体撮像素子の駆動動作の終了が指示されたか否かを判定し、例えば、終了が指示されている場合、処理は終了し、終了が指示されていない場合、処理は、ステップS41に戻る。
In step S55, the
すなわち、ステップS49において、アドレスリスト115a’には、処理対象としている画像における各画素の信号レベルに応じた行単位の順位が記録された状態となるため、ステップS50乃至S53で順次読み出される順序は、処理対象となっている画像の行単位での信号レベルに基づいて求められた信号レベルの高い順番で読み出されることになる。
That is, in step S49, the
従って、例えば、行単位での信号レベルの順位が、上位から第n行、第(n−1)行、および第(n+1)行である場合、図11で示されるように、最初に、第n行の選択パルスSELが時刻t111乃至t115において発生される。尚、その間に時刻t112乃至t113において、サンプルホールドタイミングパルスSHSが発生され、このタイミングで、第n行目の垂直信号線117に供給されている受光信号がカラム処理部113で読み出される。さらに、時刻t114乃至t115においてリセットパルスRSTが発生され、第n行目の浮遊拡散領域FDは、蓄積していた受光信号としての電荷を放出してリセットされる。
Therefore, for example, when the order of the signal level in the row unit is the nth row, the (n−1) th row, and the (n + 1) th row from the top, as shown in FIG. The n rows of selection pulses SEL are generated from time t111 to t115. Meanwhile, at time t112 to t113, a sample hold timing pulse SHS is generated, and at this timing, the received light signal supplied to the
そして、第n行の処理が終了すると、第(n−1)行の処理となるため、第(n−1)行の選択パルスSELが時刻t116乃至t120において発生される。尚、その間に時刻t117乃至t118において、サンプルホールドタイミングパルスSHSが発生され、このタイミングで、第(n−1)行目の垂直信号線117に供給されている受光信号がカラム処理部113で読み出される。さらに、時刻t119乃至t120においてリセットパルスRSTが発生され、第(n−1)行目の浮遊拡散領域FDは、蓄積していた受光信号としての電荷を放出してリセットされる。
When the processing of the nth row is completed, the processing of the (n−1) th row is performed, and therefore the selection pulse SEL of the (n−1) th row is generated from time t116 to t120. Meanwhile, at time t117 to t118, a sample hold timing pulse SHS is generated, and at this timing, the received light signal supplied to the
さらに、第(n−1)行の処理が終了すると、第(n+1)行の処理となるため、第(n+1)行の選択パルスSELが時刻t121乃至t125において発生される。尚、その間に時刻t122乃至t123において、サンプルホールドタイミングパルスSHSが発生され、このタイミングで、第(n+1)行目の垂直信号線117に供給されている受光信号がカラム処理部113で読み出される。さらに、時刻t124乃至t125においてリセットパルスRSTが発生され、第(n−1)行目の浮遊拡散領域FDは、蓄積していた受光信号としての電荷を放出してリセットされる。
Further, when the processing of the (n−1) th row is completed, the processing of the (n + 1) th row is performed, so that the selection pulse SEL of the (n + 1) th row is generated from time t121 to t125. In the meantime, at time t122 to t123, a sample hold timing pulse SHS is generated. At this timing, the received light signal supplied to the
以上のような処理により、図12の左部で示されるように、処理対象の画像における、これから読み出そうとする画素のうち、白帯で示されるように、受光レベルの高い、すなわち、信号レベルの高い行については、図12の右部で示されるように、行単位の信号レベルにより設定される順序で読み出されることになる。このため、浮遊拡散領域FDのリーク成分が蓄積時間に大きく影響する、信号レベルの高い画素ほど早い順序で読み出すことが可能となる。結果として、浮遊拡散領域FDのリーク成分による影響を低減することが可能となる。さらに、電荷を読み出そうとする処理対象の画像における行単位の信号レベルの順位に基づいて読み出し順序を設定することができるので、比較的高い精度で、受光レベルの高い行単位の順序を設定することが可能となる。また、最初に処理する画像から、信号レベルに応じた行単位の順序で読み出すことが可能となる。 Through the processing as described above, as shown in the left part of FIG. 12, among the pixels to be read out in the image to be processed, as shown by the white band, the light reception level is high, that is, the signal As shown in the right part of FIG. 12, the high-level rows are read in the order set by the signal level in units of rows. For this reason, it becomes possible to read out pixels with higher signal levels, in which the leakage component of the floating diffusion region FD greatly affects the accumulation time, in an earlier order. As a result, it is possible to reduce the influence of the leak component of the floating diffusion region FD. Furthermore, the readout order can be set based on the order of the signal level in units of rows in the processing target image from which charges are to be read out, so the order of rows in units of high light reception level can be set with relatively high accuracy. It becomes possible to do. In addition, it is possible to read out from the first processed image in the order of rows in accordance with the signal level.
また、以上の処理においては、これから各画素の信号レベルを読み出そうとする画像の行単位の順序ではなく、直前の画像における行単位の順序を用いているが、直前の画像の状態とは画像において大きな変化がないことが前提となっている。従って、全く異なる画像に切り替わる瞬間や、最初に読み出しを開始する場合、上述したように従来同様に、上方向、または下方向に単純な行単位の順序で読み出すようにしてもよい。 Further, in the above processing, the order of the row unit in the immediately preceding image is used instead of the order of the row unit of the image from which the signal level of each pixel is to be read out. It is assumed that there is no significant change in the image. Therefore, at the moment of switching to a completely different image or when reading is started for the first time, as described above, it may be read in the order of simple lines in the upward or downward direction as in the prior art.
さらに、以上の処理においては、行単位の順序は、全画素の信号レベルを読み出してから求める例について説明してきたが、所定数の複数行の画素の信号レベルだけを読み出したタイミングで、その範囲内の行単位の順位を求めるようにしてもよい。また、解析結果に基づいて、受光信号のレベルの高い画素が画像の上部に集中している場合には、上部の行から下部の行に向かって順次行単位で信号レベルを読み出すようにしてもよい。また、同様に、受光信号のレベルの高い画素が画像の下部に集中している場合には、下部の行から上部の行に向かって順次行単位で信号レベルを読み出すようにしてもよい。 Further, in the above processing, the order of the row unit has been described with respect to an example in which the signal levels of all the pixels are read out, but the range is determined at the timing when only the signal levels of pixels in a predetermined number of rows are read out. You may make it obtain | require the order of the line unit in. Further, based on the analysis result, when pixels with a high level of the received light signal are concentrated on the upper part of the image, the signal level may be sequentially read out in units of rows from the upper row to the lower row. Good. Similarly, when pixels with a high level of light reception signal are concentrated in the lower part of the image, the signal level may be read out in units of rows sequentially from the lower row to the upper row.
<3.第3の実施の形態>
[その他の固体撮像素子の構成例]
以上においては、浮遊拡散領域FDより転送された電荷に基づいて読み出される受光信号をそのまま画素の信号レベルとして用いる例について説明してきたが、信号レベルを示す受光信号を読んだ後、リセットレベルとなる受光信号を読み出し、その差分を信号レベルとするようにしてもよい。
<3. Third Embodiment>
[Configuration example of other solid-state image sensor]
In the above description, the example in which the light reception signal read based on the charge transferred from the floating diffusion region FD is used as it is as the signal level of the pixel has been described. However, after reading the light reception signal indicating the signal level, the reset level is obtained. The light reception signal may be read out and the difference between them may be used as a signal level.
図13は、処理対象となる画像の信号レベルの受光信号を読み出した後、リセットレベルの受光信号を読み出し、その差分を信号レベルとするようにした固体撮像素子を用いたCMOSイメージセンサ100の構成例を示している。尚、図13において、図7のCMOSイメージセンサ100と同様の機能を備えた構成については、同一の名称、および同一の符号を付しており、その説明は、適宜省略するものとする。 FIG. 13 shows a configuration of a CMOS image sensor 100 using a solid-state imaging device in which a light reception signal at a signal level of an image to be processed is read out, a light reception signal at a reset level is read out, and a difference between them is set as a signal level. An example is shown. In FIG. 13, components having the same functions as those of the CMOS image sensor 100 of FIG. 7 are given the same names and the same reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate.
すなわち、図13のCMOSイメージセンサ100における、図7のCMOSイメージセンサ100と異なる構成は、カラム処理部113、およびシステム制御部115’に代えて、カラム処理部113’、およびシステム制御部115’’を備えた点である。
That is, the CMOS image sensor 100 of FIG. 13 is different from the CMOS image sensor 100 of FIG. 7 in that the
カラム処理部113’は、読み出された信号レベルの受光信号と、リセットレベルの受光信号とをそれぞれ記憶し、その差分を求めて、信号レベルとして信号処理部118’に供給する。
The
システム制御部115’’は、システム制御部115’と基本的な機能は同様であるが、さらに、読み出し期間において、選択パルスをリセットパルスの発声期間より後のタイミングにおいてもハイレベルの状態を維持し、発生期間を長くする。また、さらに、システム制御部115’’は、信号レベルを読み出すためのサンプルホールドタイミングパルスSHSに加えて、リセットレベルを読み出すためのサンプルホールドタイミングパルスSHNを発生する。尚、単位画素の構成については、図8の構成と同一であるため、その説明は、省略する。
The
[図13のCMOSイメージセンサ100の駆動処理]
次に、図14のフローチャート、および図15のタイミングチャートを参照して、図13のCMOSイメージセンサ100の駆動処理について説明する。尚、図15の最下段には、図11で示されるサンプルホールドタイミングパルスSHSに加えて、サンプルホールドタイミングパルスSHNの発生タイミングが示されている。さらに、図14におけるステップS71乃至S79,S87,S88の処理については、図10を参照して説明したステップS41乃至S49,S54,S55の処理と同様であるので、その説明は省略する。
[Driving Process of CMOS Image Sensor 100 of FIG. 13]
Next, the driving process of the CMOS image sensor 100 of FIG. 13 will be described with reference to the flowchart of FIG. 14 and the timing chart of FIG. In the lowermost part of FIG. 15, the generation timing of the sample hold timing pulse SHN is shown in addition to the sample hold timing pulse SHS shown in FIG. Further, the processes in steps S71 to S79, S87, and S88 in FIG. 14 are the same as the processes in steps S41 to S49, S54, and S55 described with reference to FIG.
すなわち、ステップS79において、システム制御部115’により、アドレスリスト115a’の情報が読み出されてアドレスリスト115a’に記録された行単位の優先順位の情報を読み出されると処理は、ステップS80に進む。
That is, in step S79, when the information in the
ステップS80において、システム制御部115’’は、アドレスリスト115a’の行番号の順序に基づいて、未処理となる最上位の行を処理対象行として認識すると共に、処理対象行の画素に対して、選択パルス線SELより選択パルスSELを発生する。例えば、第n行が処理対象行である場合、図15で示されるように、時刻t111乃至t153において、選択パルスSELを発生する。これにより、垂直信号線VSLが有効となり、浮遊拡散領域FDより受光信号としての電荷を転送させる。このとき、同時に、システム制御部115’’は、カラム処理部113’に対してサンプルホールドタイミングパルスSHSを発生する。すなわち、処理対象行が第n行である場合、時刻t112乃至t113といった、選択パルスSELの発生期間内に、サンプルホールドタイミングパルスSHSが発生される。
In step S80, the system control unit 115 '' recognizes the unprocessed uppermost row as a processing target row based on the order of the row numbers in the
ステップS81において、サンプルホールドタイミングパルスSHSにより、カラム処理部113’は、垂直信号線117(VSL)を介して読み出される受光信号を信号レベルの情報として記憶する。すなわち、第n行目の単位画素の場合、図15における点線で示される時刻t112乃至t113近傍のタイミングにおいて、信号レベルの受光信号が読み出される。 In step S81, in response to the sample hold timing pulse SHS, the column processing unit 113 'stores the received light signal read out through the vertical signal line 117 (VSL) as signal level information. That is, in the case of the unit pixel in the nth row, the light reception signal at the signal level is read out at a timing in the vicinity of time t112 to t113 indicated by the dotted line in FIG.
ステップS82において、システム制御部115’は、処理対象行の画素のリセットパルス線にリセットパルスRSTを発生する。すなわち、例えば、処理対象行が第n行である場合、選択パルスSELの発生期間の最終タイミングである時刻t114乃至t115において、リセットパルスRSTが発生される。この処理により、処理対象行の画素の浮遊拡散領域FDがリセットされる。 In step S82, the system control unit 115 'generates a reset pulse RST on the reset pulse line of the pixel in the processing target row. That is, for example, when the processing target row is the n-th row, the reset pulse RST is generated at times t114 to t115 that are the final timing of the generation period of the selection pulse SEL. By this processing, the floating diffusion region FD of the pixel in the processing target row is reset.
ステップS83において、システム制御部115’’は、図15で示されるように、カラム処理部113に対してサンプルホールドタイミングパルスSHNを発生する。すなわち、処理対象行が第n行である場合、時刻t151乃至t152といった、選択パルスSELの発生期間内に、サンプルホールドタイミングパルスSHNが発生される。
In step S83, the system control unit 115 '' generates a sample hold timing pulse SHN for the
ステップS84において、サンプルホールドタイミングパルスSHNにより、カラム処理部113’は、垂直信号線117(VSL)より供給されてくる受光信号をリセットレベルの情報として記憶する。すなわち、第n行目の単位画素の場合、図15における点線で示される時刻t151乃至t152近傍のタイミングにおいて、リセットレベルの受光信号が読み出される。 In step S84, the column processing unit 113 'stores the received light signal supplied from the vertical signal line 117 (VSL) as reset level information by the sample hold timing pulse SHN. That is, in the case of the unit pixel in the nth row, the light reception signal at the reset level is read out at a timing in the vicinity of time t151 to t152 indicated by the dotted line in FIG.
ステップS85において、カラム処理部113’は、記憶している信号レベルの受光信号から、リセットレベルの受光信号の値を減算することにより差分を求め、求めた差分を対応する行における各画素の信号レベルとして、水平駆動部114により列選択されたタイミングで順次受光信号を信号処理部118’に供給する。
In step S85, the
ステップS86において、システム制御部115’’は、アドレスリスト115aに記憶されている行の順序のうち、読み出しが未処理の行が存在するか否かを判定する。例えば、未処理の行が存在する場合、処理は、ステップS80に戻る。すなわち、全ての行の画素の受光レベルとリセットレベルのそれぞれの受光信号が読み出され、その差分が信号レベルとして格納されるまで、ステップS80乃至S86の処理が繰り返され、順次データ格納部118cに画素の受光信号の信号レベルが格納されていく。
In step S <b> 86, the
ステップS86において、全ての行の画素の受光信号が読み出されたと判定された場合、処理は、ステップS87に進む。 If it is determined in step S86 that the light reception signals of the pixels in all rows have been read, the process proceeds to step S87.
すなわち、アドレスリスト115aは、処理対象としている画像における各画素の信号レベルに応じた行単位の順位が記録されているため、ステップS80乃至S86で順次読み出される順序は、処理対象となっている画像の行単位での信号レベルに基づいて求められた信号レベルの高い順番で読み出されることになる。さらに、信号レベルは、読み出された信号レベルと、リセットレベルとの差分となるため、浮遊拡散領域FDにおいて、排出トランジスタTR_OFGから開放しきれない電荷による影響を低減し、より高い精度で信号レベルを測定することが可能となる。
That is, since the
従って、例えば、行単位での信号レベルの順位が、上位から第n行、第(n−1)行、および第(n+1)行である場合、図15で示されるように、最初に、第n行の選択パルスSELが時刻t111乃至t153において発生される。その間に時刻t112乃至t113において、サンプルホールドタイミングパルスSHSが発生され、時刻t114乃至t115においてリセットパルスRSTが発生されて、第n行の各画素の信号レベルが読み出される。さらに、時刻t151乃至t152において、サンプルホールドタイミングパルスSHNが発生され、第n行の各画素のリセットレベルが読み出される。 Therefore, for example, when the order of the signal level in the row unit is the nth row, the (n−1) th row, and the (n + 1) th row from the top, as shown in FIG. The n rows of selection pulses SEL are generated from time t111 to t153. Meanwhile, a sample hold timing pulse SHS is generated from time t112 to t113, and a reset pulse RST is generated from time t114 to t115, so that the signal level of each pixel in the nth row is read. Further, from time t151 to t152, a sample hold timing pulse SHN is generated, and the reset level of each pixel in the nth row is read out.
そして、第n行の処理が終了すると、第(n−1)行の処理となるため、第(n−1)行の選択パルスSELが時刻t116乃至t156において発生される。その間に時刻t117乃至t118において、サンプルホールドタイミングパルスSHSが発生され、時刻t119乃至t120においてリセットパルスRSTが発生され、第(n−1)行の各画素の信号レベルが読み出される。さらに、時刻t154乃至t155において、サンプルホールドタイミングパルスSHNが発生され、第(n−1)行の各画素のリセットレベルが読み出される。 When the processing of the nth row is completed, the processing of the (n−1) th row is performed, and therefore the selection pulse SEL of the (n−1) th row is generated from time t116 to t156. Meanwhile, a sample hold timing pulse SHS is generated from time t117 to t118, a reset pulse RST is generated from time t119 to t120, and the signal level of each pixel in the (n−1) th row is read. Further, from time t154 to t155, a sample hold timing pulse SHN is generated, and the reset level of each pixel in the (n−1) th row is read out.
さらに、第(n−1)行の処理が終了すると、第(n+1)行の処理となるため、第(n+1)行の選択パルスSELが時刻t121乃至t159において発生される。尚、その間に時刻t122乃至t123において、サンプルホールドタイミングパルスSHSが発生され、時刻t124乃至t125においてリセットパルスRSTが発生され、第(n+1)行の各画素の信号レベルが読み出される。さらに、時刻t157乃至t158において、サンプルホールドタイミングパルスSHNが発生され、第(n+1)行の各画素のリセットレベルが読み出される。 Further, when the processing of the (n−1) -th row is completed, the processing of the (n + 1) -th row is performed, so that the selection pulse SEL for the (n + 1) -th row is generated from time t121 to t159. In the meantime, a sample hold timing pulse SHS is generated from time t122 to t123, a reset pulse RST is generated from time t124 to t125, and the signal level of each pixel in the (n + 1) th row is read. Further, from time t157 to t158, a sample hold timing pulse SHN is generated, and the reset level of each pixel in the (n + 1) th row is read out.
すなわち、以上の処理により、読み出された信号レベルと読み出されたリセットレベルと受光信号の差分を、正規の信号レベルとして扱うようにしているので、より高い精度で信号レベルを読み出すことが可能となる。また、この際においても、受光レベルの高い画素から順に、すなわち、受光レベルの高い、浮遊拡散領域FDの蓄積期間が長いほどリーク成分のノイズが発生しやすい画素の信号レベルから順に読み出されるので、ノイズの発生を低減することが可能となる。 In other words, with the above processing, the difference between the read signal level, the read reset level, and the received light signal is treated as a normal signal level, so the signal level can be read with higher accuracy. It becomes. Also in this case, the pixels are read in order from the pixel having the higher light reception level, that is, the signal level of the pixel in which the leakage component noise is more likely to occur as the accumulation period of the floating diffusion region FD is higher. Generation of noise can be reduced.
<4.第4の実施の形態>
[その他の固体撮像素子の構成例]
以上においては、浮遊拡散領域FDより転送された電荷に基づいて読み出される信号レベルを先に読み出した後、リセットレベルを読み出すようにする例について説明してきたが、電荷が転送される前の浮遊拡散領域FDの信号レベルをリセットレベルとして読み出し、その後、信号レベルを読み出すようにしてもよい。
<4. Fourth Embodiment>
[Configuration example of other solid-state image sensor]
In the above description, the example in which the signal level read based on the charge transferred from the floating diffusion region FD is read first and then the reset level is read is described. However, the floating diffusion before the charge is transferred is described. The signal level in the region FD may be read as the reset level, and then the signal level may be read.
図16は、処理対象となる画像のリセットレベルを読んだ後、信号レベルを読み出し、その差分を信号レベルとするようにしたCMOSイメージセンサ100の構成例を示している。尚、図16において、図13のCMOSイメージセンサ100と同様の機能を備えた構成については、同一の名称、および同一の符号を付しており、その説明は、適宜省略するものとする。 FIG. 16 shows a configuration example of the CMOS image sensor 100 in which the reset level of the image to be processed is read, the signal level is read, and the difference is set as the signal level. In FIG. 16, configurations having the same functions as those of the CMOS image sensor 100 of FIG. 13 are denoted by the same names and the same reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate.
すなわち、図16のCMOSイメージセンサ100における、図13のCMOSイメージセンサ100と異なる構成は、画素アレイ部111の単位画素の構成、並びに、システム制御部115’’に代えて、システム制御部115’’’を備えた点である。
That is, the CMOS image sensor 100 of FIG. 16 differs from the CMOS image sensor 100 of FIG. 13 in that the unit pixel configuration of the
システム制御部115’’’は、システム制御部115’’と基本的な機能は同様であるが、さらに、後述する単位画素の構成に新たに加えられる第2の転送ゲートのゲートに供給する第2の転送パルスTRGを発生する。
The
[図16のCMOSイメージセンサ100の単位画素の回路構成例]
次に、図17を参照して、図16の画素アレイ部111に配設される単位画素120の回路構成例について説明する。尚、図8の構成と同一の機能を備える構成については、同一の名称と同一の符号を付しており、その説明は、適宜省略するものとする。
[Circuit Configuration Example of Unit Pixel of CMOS Image Sensor 100 in FIG. 16]
Next, a circuit configuration example of the
すなわち、図17の単位画素120の回路構成例において、図8の単位画素の回路構成例と異なる点は、新たに、第2の転送ゲートTR_TRG、および、転送ゲートTR_TRGのゲートに対して第2の転送パルスTRGを発生するための第2の転送パルス線TRGが設けられ、さらに、第1の転送ゲートである、転送ゲートTR_ROGとの間に第2の浮遊拡散領域FD2が設けられている点である。尚、図17においては、図8の転送ゲートTR_ROG、および浮遊拡散領域FDは、それぞれ第1の転送ゲートTR_ROG、および第1の浮遊拡散領域FD1と称するものとする。
In other words, the circuit configuration example of the
[図16のCMOSイメージセンサ100の駆動処理]
次に、図18のフローチャート、および図19のタイミングチャートを参照して、図16のCMOSイメージセンサ100の駆動処理について説明する。尚、図19においては、上から3段目までにおいては、それぞれ画素アレイ部111の第(n−1)行乃至第(n+1)行の画素に対するリセットパルスRST、第2の転送パルスROG、第1の転送パルスROG、排出パルスOFG、選択パルスSELの発生タイミングを示している。また、最下段には、サンプルホールドタイミングパルスSHN,SHSの発生タイミングが示されている。また、図18のサンプルホールドタイミングパルスSHN,SHSは、図15のサンプルホールドタイミングパルスSHS,SHNと表示位置が上下逆にされている点に注意されたい。
[Driving Process of CMOS Image Sensor 100 of FIG. 16]
Next, with reference to the flowchart of FIG. 18 and the timing chart of FIG. 19, the driving process of the CMOS image sensor 100 of FIG. 16 will be described. In FIG. 19, from the top to the third stage, the reset pulse RST, the second transfer pulse ROG, and the second transfer pulse ROG for the pixels in the (n−1) th to (n + 1) th rows of the
すなわち、ステップS101において、システム制御部115’’’は、例えば、図19の時刻t101乃至t102で示されるように、全画素のリセットパルス線、および第1,第2の転送パルス線に対して、リセットパルスRST、第1の転送パルスROG、および第2の転送パルスTRGを発生させる。この処理により、いわゆる、グローバルリセットがなされる。さらに、同時に、システム制御部115’’’は、時刻t101乃至t107で示されるように、全画素の排出パルス線OFGに対して、排出パルスOFGをローレベル(GNDレベル)にして発生させる。
That is, in step S101, the
この結果、排出トランジスタTR_OFGは、オフの状態となり、ステップS102においては、フォトダイオードPDにおいて受光に応じて光電変換により電荷の蓄積が開始される。すなわち、露光期間が開始される。 As a result, the discharge transistor TR_OFG is turned off, and in step S102, charge accumulation is started by photoelectric conversion in the photodiode PD in response to light reception. That is, the exposure period is started.
ステップS103において、システム制御部115’’’は、時刻t103乃至t104において、リセットパルスRST、および第1の転送パルスROGを発生させて、浮遊拡散領域FD1の電荷をリセットさせる。すなわち、露光期間が終了される。 In step S103, the system control unit 115 '' '' generates the reset pulse RST and the first transfer pulse ROG from time t103 to t104 to reset the charge in the floating diffusion region FD1. That is, the exposure period ends.
ステップS104において、システム制御部115’’’は、時刻t105乃至t106において、第2の転送パルスTRGを発生させて、フォトダイオードPDの電荷を浮遊拡散領域FD2に転送させる。すなわち、グローバル転送がなされる。
In step S <b> 104, the
ステップS105において、システム制御部115’’’は、時刻t107で示されるように、全画素の排出パルス線OFGに対して、排出パルスOFGをハイレベルにして発生させる。この処理により、全画素の排出トランジスタTR_OFGがオンの状態となり、フォトダイオードPDのカソードが、排出ドレイン線OFDに接続され、フォトダイオードPDに蓄積された電荷が排出ドレイン線OFDより開放される。
In step S <b> 105, the
ステップS106において、信号処理部118’の高輝度検出部118eは、例えば、図19の時刻Tにおいて、全画素の排出ドレイン線OFDの電流値を、図8で示されるような差動増幅回路AMより電圧値の信号レベルとして読み出し、行単位の情報として記憶する。すなわち、時刻Tで示されるように、時刻t101乃至t107におけるグローバルリセット、およびグローバル転送の期間が経過し、いずれの画素からの読み出しもされていない状態のタイミングで、高輝度検出部118e’は、各画素の受光レベルを検出する。
In step S106, the high-
ステップS107において、レベル解析部118a’は、高輝度検出部118eに記憶されている行単位の排出ドレイン線OFDの電流値に対応する電圧値の信号レベルを高い順に順番を求め、アドレスリスト118bに登録する。
In step S107, the
ステップS108において、信号処理部118’は、システム制御部115’’’のアドレスリスト115aを、アドレスリスト118b’で置換することにより更新する。すなわち、ここでは、システム制御部115’’’のアドレスリスト115aには、これから電荷の読み出しを開始しようとする各画素が受光している信号レベルに基づいた行単位の順番が登録されることになる。
In step S108, the signal processing unit 118 'updates the
ステップS109において、システム制御部115’’’は、アドレスリスト115aの情報を読み出してアドレスリスト115aに記録された行単位の優先順位の情報を読み出す。
In step S <b> 109, the
ステップS110において、システム制御部115’’’は、アドレスリスト115aの行単位の順序に基づいて、未処理となる最上位の行を処理対象行として認識すると共に、処理対象行の画素に対して、選択パルス線より選択パルスSELを発生する。例えば、第n行が処理対象行である場合、システム制御部115’’’は、図19で示されるように、時刻t111乃至t171において、リセットパルスRSTを発生する。この処理により、浮遊拡散領域FD1は、リセットされる。また、システム制御部115’’’は、図19で示されるように、時刻t111乃至t153において、選択パルスSELを発生する。これにより、垂直信号線VSLが有効となり、浮遊拡散領域FDより受光信号としての電荷を転送させる。このとき、同時に、システム制御部115’’’は、カラム処理部113に対してサンプルホールドタイミングパルスSHNを発生する。すなわち、処理対象行が第n行である場合、時刻t112乃至t113といった、選択パルスSELの発生期間内に、サンプルホールドタイミングパルスSHNが発生される。
In step S110, the
ステップS111において、サンプルホールドタイミングパルスSHNにより、カラム処理部113’は、垂直信号線117(VSL)を介して読み出される受光信号をリセットレベルの情報として記憶する。すなわち、第n行目の単位画素の場合、図19における点線で示される時刻t112乃至t113近傍のタイミングにおいて、リセットレベルの受光信号が読み出される。すなわち、図19の時刻t111乃至t171において、リセットパルスRSTが発生されているため、カラム処理部113’は、浮遊拡散領域FD1のリセットレベルの受光信号が読み出される。 In step S111, the column processing unit 113 'stores the received light signal read out through the vertical signal line 117 (VSL) as reset level information by the sample hold timing pulse SHN. That is, in the case of the unit pixel in the nth row, the light reception signal at the reset level is read out at a timing in the vicinity of time t112 to t113 indicated by the dotted line in FIG. That is, since the reset pulse RST is generated from time t111 to t171 in FIG. 19, the column processing unit 113 'reads the light reception signal at the reset level of the floating diffusion region FD1.
ステップS112において、システム制御部115’’’は、処理対象行の画素の第1の転送パルス線に第1の転送パルスROGを発生する。例えば、処理対象行が第n行である場合、選択パルスSELの発生期間の最終タイミングである時刻t114乃至t115において、第1の転送パルスROGが発生される。この処理により、処理対象行の画素の浮遊拡散領域FD2の電荷が浮遊拡散領域FD1に転送されると共に、浮遊拡散領域FD1の受光信号が信号レベルとして垂直信号線117(VSL)を介して読み出される。 In step S112, the system control unit 115 '' '' generates a first transfer pulse ROG on the first transfer pulse line of the pixel in the processing target row. For example, when the processing target row is the n-th row, the first transfer pulse ROG is generated at times t114 to t115 which are the final timing of the generation period of the selection pulse SEL. With this processing, the charge in the floating diffusion region FD2 of the pixel in the processing target row is transferred to the floating diffusion region FD1, and the light reception signal of the floating diffusion region FD1 is read out as a signal level via the vertical signal line 117 (VSL). .
ステップS113において、システム制御部115’’’は、図19で示されるように、カラム処理部113に対してサンプルホールドタイミングパルスSHSを発生する。すなわち、処理対象行が第n行である場合、時刻t151乃至t152といった、選択パルスSELの発生期間内に、サンプルホールドタイミングパルスSHSが発生される。
In step S113, the system control unit 115 '' '' generates a sample hold timing pulse SHS for the
ステップS114において、サンプルホールドタイミングパルスSHSにより、カラム処理部113’は、垂直信号線VSLより供給されてくる受光信号を信号レベルとして読み出し記憶する。すなわち、第n行目の単位画素の場合、図19における点線で示される時刻t151乃至t153近傍のタイミングにおいて、信号レベルの受光信号が読み出される。 In step S114, the column processing unit 113 'reads and stores the received light signal supplied from the vertical signal line VSL as a signal level by the sample hold timing pulse SHS. That is, in the case of the unit pixel in the n-th row, a light reception signal having a signal level is read out at a timing in the vicinity of times t151 to t153 indicated by dotted lines in FIG.
ステップS115において、カラム処理部113’は、記憶している信号レベルの受光信号から、リセットレベルの受光信号の値を減算することにより差分を求め、求めた差分を対応する行における各画素の信号レベルとして、水平駆動部114により列選択されたタイミングで順次受光信号を信号処理部118’に供給する。
In step S115, the
ステップS116において、システム制御部115’’’は、アドレスリスト115aに記憶されている行の順序のうち、読み出しが未処理の行が存在するか否かを判定する。例えば、未処理の行が存在する場合、処理は、ステップS110に戻る。すなわち、全ての行の画素の受光信号の受光レベルとリセットレベルとが読み出され、その差分が信号レベルとして格納されるまで、ステップS110乃至S116の処理が繰り返され、順次データ格納部118cに画素の受光信号の信号レベルが格納されていく。
In step S <b> 116, the
ステップS116において、全ての行の画素の受光信号が読み出されたと判定された場合、処理は、ステップS117に進む。 If it is determined in step S116 that the light reception signals of the pixels in all rows have been read, the process proceeds to step S117.
すなわち、アドレスリスト115a’’’は、処理対象としている画像における各画素の信号レベルに応じた行単位の順位が記録されているため、ステップS110乃至S116で順次読み出される順序は、処理対象となっている画像の行単位での信号レベルに基づいて求められた信号レベルの高い順番で読み出されることになる。さらに、リセットレベルの受光信号が先に読み出された後、信号レベルの受光信号が読み出されて、信号レベルと、リセットレベルとの差分が求められるため、信号レベルの受光信号をリセットした場合に残留電荷のばらつきなどにより、差分値が正確に求められないといった影響を低減することができ、より高い精度で信号レベルを測定することが可能となる。
That is, since the
従って、例えば、行単位での信号レベルの順位が、上位から第n行、第(n−1)行、および第(n+1)行である場合、図19で示されるように、最初に、第n行の選択パルスSELが時刻t111乃至t153において発生される。その間に、時刻t111乃至t171において、リセットパルスRSTが発生され、時刻t112乃至t113において、サンプルホールドタイミングパルスSHNが発生され、第n行の各画素のリセットレベルの受光信号が読み出される。さらに、時刻t114乃至t115において第1の転送パルスROGが発生されて、時刻t151乃至t152において、サンプルホールドタイミングパルスSHSが発生され、第n行の各画素の信号レベルの信号レベルが読み出される。 Therefore, for example, when the order of the signal level in units of rows is the nth row, the (n−1) th row, and the (n + 1) th row from the top, as shown in FIG. The n rows of selection pulses SEL are generated from time t111 to t153. In the meantime, a reset pulse RST is generated from time t111 to t171, a sample hold timing pulse SHN is generated from time t112 to t113, and a light reception signal at the reset level of each pixel in the nth row is read. Further, the first transfer pulse ROG is generated from time t114 to t115, the sample hold timing pulse SHS is generated from time t151 to t152, and the signal level of the signal level of each pixel in the nth row is read.
そして、第n行の処理が終了すると、第(n−1)行の処理となるため、第(n−1)行の選択パルスSELが時刻t116乃至t156において発生される。その間に、時刻t116乃至t172において、リセットパルスRSTが発生され、時刻t117乃至t118において、サンプルホールドタイミングパルスSHNが発生され、第(n−1)行の各画素のリセットレベルが読み出される。さらに、時刻t119乃至t120において第1の転送パルスROGが発生され、時刻t154乃至t155において、サンプルホールドタイミングパルスSHSが発生され、第(n−1)行の各画素の信号レベルが読み出される。 When the processing of the nth row is completed, the processing of the (n−1) th row is performed, and therefore the selection pulse SEL of the (n−1) th row is generated from time t116 to t156. Meanwhile, a reset pulse RST is generated from time t116 to t172, a sample hold timing pulse SHN is generated from time t117 to t118, and the reset level of each pixel in the (n−1) th row is read. Further, the first transfer pulse ROG is generated from time t119 to t120, the sample hold timing pulse SHS is generated from time t154 to t155, and the signal level of each pixel in the (n−1) th row is read.
さらに、第(n−1)行の処理が終了すると、第(n+1)行の処理となるため、第(n+1)行の選択パルスSELが時刻t121乃至t159において発生される。尚、その間に、時刻t121乃至t173において、リセットパルスRSTが発生され、時刻t122乃至t123において、サンプルホールドタイミングパルスSHNが発生され、第(n+1)行の各画素の信号レベルが読み出される。さらに、時刻t124乃至t125において第1の転送パルスROGが発生され、時刻t157乃至t158において、サンプルホールドタイミングパルスSHSが発生され、第(n−1)行の各画素の信号レベルが読み出される。 Further, when the processing of the (n−1) -th row is completed, the processing of the (n + 1) -th row is performed, so that the selection pulse SEL for the (n + 1) -th row is generated from time t121 to t159. In the meantime, a reset pulse RST is generated from time t121 to t173, a sample hold timing pulse SHN is generated from time t122 to t123, and the signal level of each pixel in the (n + 1) th row is read. Further, the first transfer pulse ROG is generated from time t124 to t125, the sample hold timing pulse SHS is generated from time t157 to t158, and the signal level of each pixel in the (n−1) th row is read.
すなわち、以上の処理により、リセットレベルの受光信号を読み出した後に、信号レベルの受光信号を読み出し、読み出された信号レベルとリセットレベルとの差分を、正規の信号レベルとして扱うようにしているので、より高い精度で信号レベルを読み出すことが可能となる。また、この際においても、受光レベルの高い画素から順に読み出されるので、受光レベルの高い、浮遊拡散領域FDの蓄積期間が長いほどノイズが発生しやすい画素の信号レベルから順に読み出されるので、ノイズの発生を低減することが可能となる。 That is, by reading the reset level light reception signal by the above processing, the signal level light reception signal is read out, and the difference between the read signal level and the reset level is handled as a normal signal level. The signal level can be read with higher accuracy. Also in this case, since the pixels are read in order from the pixels with the higher light reception level, the signals are read out in order from the signal level of the pixels where the noise is more likely to be generated as the accumulation period of the floating diffusion region FD is higher. Occurrence can be reduced.
<5.第5の実施の形態>
[単位画素のその他の構造]
本発明は、以上のように説明してきた単位画素の構成のみならず、様々な単位画素の構成においても適用することが可能である。以降においては、適用が可能な単位画素の構造について説明する。
<5. Fifth embodiment>
[Other structure of unit pixel]
The present invention can be applied not only to the unit pixel configuration described above but also to various unit pixel configurations. In the following, applicable unit pixel structures will be described.
単位画素120は、浮遊拡散領域(容量)(フローティングディフュージョンとも称する)とは別に、光電変換素子から転送される光電荷を保持(蓄積)する電荷保持領域(以下、「メモリ部」とも称する)を有する構造とすることができる。
In addition to the floating diffusion region (capacitance) (also referred to as floating diffusion), the
図20は、単位画素120の構造の実施の形態の構成例を示す単位画素120Aの構成を示す図である。
FIG. 20 is a diagram illustrating a configuration of the unit pixel 120A that illustrates a configuration example of the embodiment of the structure of the
単位画素120Aは、光電変換素子として例えばフォトダイオード(PD)121を有している。フォトダイオード121は、例えば、N型基板131上に形成されたP型ウェル層132に対して、P型層133を基板表面側に形成してN型埋め込み層134を埋め込むことによって形成される埋め込み型フォトダイオードである。
The unit pixel 120A includes, for example, a photodiode (PD) 121 as a photoelectric conversion element. The
単位画素120Aは、フォトダイオード121に加えて、第1転送ゲート122、メモリ部(MEM)123、第2転送ゲート124および浮遊拡散領域(FD:Floating Diffusion)125を有する。なお、メモリ部123および浮遊拡散領域125は遮光されている。
The
第1転送ゲート122は、フォトダイオード121で光電変換され、その内部に蓄積された電荷を、ゲート電極122Aに転送パルスTRXが印加されることによって転送する。メモリ部123は、ゲート電極122Aの下に形成されたN型の埋め込みチャネル135によって形成され、第1転送ゲート122によってフォトダイオード121から転送された電荷を蓄積する。メモリ部123が埋め込みチャネル135によって形成されていることで、Si−SiO2界面での暗電流の発生を抑えることができるため画質の向上に寄与できる。
The
このメモリ部123において、その上部にゲート電極122Aを配置し、そのゲート電極122Aに転送パルスTRXを印加することでメモリ部123に変調をかけることができる。すなわち、ゲート電極122Aに転送パルスTRXが印加されることで、メモリ部123のポテンシャルが深くなる。これにより、メモリ部123の飽和電荷量を、変調を掛けない場合よりも増やすことができる。
In the
第2転送ゲート124は、メモリ部123に蓄積された電荷を、ゲート電極124Aに転送パルスTRGが印加されることによって転送する。浮遊拡散領域125は、N型層からなる電荷電圧変換部であり、第2転送ゲート124によってメモリ部123から転送された電荷を電圧に変換する。
The
単位画素120Aはさらに、リセットトランジスタ126、増幅トランジスタ127および選択トランジスタ128を有している。リセットトランジスタ126、増幅トランジスタ127および選択トランジスタ128は、図20の例では、NチャネルのMOSトランジスタを用いている。しかし、図20で例示したリセットトランジスタ126、増幅トランジスタ127および選択トランジスタ128の導電型の組み合わせは一例に過ぎず、これらの組み合わせに限られるものではない。
The unit pixel 120A further includes a
リセットトランジスタ126は、電源VDDと浮遊拡散領域125との間に接続されており、ゲート電極にリセットパルスRSTが印加されることによって浮遊拡散領域125をリセットする。増幅トランジスタ127は、ドレイン電極が電源VDDに接続され、ゲート電極が浮遊拡散領域125に接続されており、浮遊拡散領域125の電圧を読み出す。
The
選択トランジスタ128は、例えば、ドレイン電極が増幅トランジスタ127のソース電極に、ソース電極が垂直信号線117にそれぞれ接続されており、ゲート電極に選択パルスSELが印加されることで、画素信号を読み出すべき単位画素120Aを選択する。なお、選択トランジスタ128については、電源VDDと増幅トランジスタ127のドレイン電極との間に接続した構成を採ることも可能である。
In the
なお、浮遊拡散領域125、リセットトランジスタ126、増幅トランジスタ127および選択トランジスタ128については、その一つあるいは複数を画素信号の読み出し方法によって省略したり、複数の画素間で共有したりすることも可能である。
Note that one or more of the floating
単位画素120Aはさらに、フォトダイオード121の蓄積電荷を排出するための電荷排出部129を有している。この電荷排出部129は、露光開始時にゲート電極129Aに制御パルスABGが印加されることで、フォトダイオード121の電荷をN型層のドレイン部136に排出する。電荷排出部129はさらに、露光終了後の読み出し期間中にフォトダイオード121が飽和して電荷が溢れるのを防ぐ作用をなす。ドレイン部136には、所定の電圧VDDが印加されている。
The unit pixel 120A further includes a
また、単位画素120Aでは、フォトダイオード21の蓄積電荷を排出したり、フォトダイオード121で電荷が溢れるのを防止したりするために電荷排出部129を設ける構成を採っている。これに対して、転送パルスTRX,TRGおよびリセットパルスRSTを全てアクティブ(本例では、“H”レベル)状態にする構成を採ることによっても、電荷排出部129と同等の作用効果を得ることができる。
In addition, the unit pixel 120A employs a configuration in which a
ここで、電荷保持領域としてのメモリ部123のゲート電極、即ち、第1転送ゲート122のゲート電極122Aの電位について説明する。
Here, the potential of the gate electrode of the
本実施形態においては、電荷保持領域としてのメモリ部123のゲート電極の電位が、第1転送ゲート122および第2転送ゲート124のうち少なくともいずれか、たとえば第1転送ゲート122を非導通状態とする期間に、ピニング状態とする電位に設定される。より具体的には、第1転送ゲート122若しくは第2転送ゲート124のいずれか一方、または両方を非導通状態とする際に、ゲート電極122A,124Aに印加する電圧が、ゲート電極直下のSi表面にキャリアを蓄積できるピニング状態となるように設定される。
In the present embodiment, the potential of the gate electrode of the
本実施形態のように、転送ゲートを形成するトランジスタがN型の場合、第1転送ゲート122を非導通状態とする際に、ゲート電極122Aに印加する電圧がP型ウェル層132に対しグランドGNDよりも負電位となる電圧に設定される。なお、図示しないが、転送ゲートを形成するトランジスタがP型である場合、P型ウェル層がN型ウェル層となり、このN型ウェル層に対して電源電圧VDDよりも高い電圧に設定される。
As in this embodiment, when the transistor forming the transfer gate is N-type, when the
第1転送ゲート122を非導通状態とする際に、ゲート電極122Aに印加する電圧を、ゲート電極直下のSi表面にキャリアを蓄積できるピニング状態となるような電圧に設定する理由は以下の通りである。
The reason for setting the voltage applied to the
第1転送ゲート122のゲート電極122Aの電位を、P型ウェル層132に対して同電位(例えば0V)とすると、Si表面の結晶欠陥から発生するキャリアがメモリ部123に蓄積され、暗電流となり画質を劣化させるおそれがある。このため、本実施形態においては、メモリ部123上に形成されるゲート電極122Aのオフ(OFF)電位を、P型ウェル層132に対して負電位、例えば−2.0Vとする。これにより、本実施形態においては、電荷保持期間中はメモリ部123のSi表面に正孔(ホール:Hole)を発生させ、Si表面で発生した電子(エレクトロン:Electron)を再結合させることが可能で、その結果、暗電流を低減することが可能である。
When the potential of the
なお、図20の構成においては、メモリ部123の端部に、第2転送ゲート124のゲート電極124Aが存在することから、このゲート電極124Aも負電位とすることで、メモリ部123の端部で発生す暗電流を同様に抑えることが可能である。
In the configuration of FIG. 20, since the
CMOSイメージセンサ100は、全画素同時に露光を開始し、全画素同時に露光を終了し、フォトダイオード121に蓄積された電荷を、遮光されたメモリ部123および浮遊拡散領域125へ転送することで、グローバル露光を実現する。このグローバル露光により、全画素一致した露光期間による歪みのない撮像が可能となる。
The CMOS image sensor 100 starts exposure at the same time for all pixels, ends exposure at the same time for all pixels, and transfers the charges accumulated in the
なお、本実施の形態での全画素とは、画像に現れる部分の画素の全てということであり、ダミー画素などは除外される。また、時間差や画像の歪みが問題にならない程度に十分小さければ、全画素同時の動作の代わりに複数行(例えば、数十行)ずつに高速に走査するものも含まれる。 In addition, all the pixels in this Embodiment are all the pixels of the part which appears in an image, and a dummy pixel etc. are excluded. In addition, if the time difference and the distortion of the image are sufficiently small so as not to cause a problem, a method of scanning at a high speed for each of a plurality of lines (for example, several tens of lines) instead of the simultaneous operation of all the pixels is included.
尚、図20のフォトダイオード121、第1転送ゲート122、メモリ部(MEM)123、第2転送ゲート124および浮遊拡散領域(FD:Floating Diffusion)125は、それぞれ、図17のフォトダイオードPD、第2の転送ゲートTR_TRG、浮遊拡散領域FD2、第1の転送ゲートTR_ROG、および浮遊拡散領域FD1に対応するものであり、対応した動作により、同様の作用効果を奏する。
Note that the
[単位画素のその他の第1構成例]
本発明は、上述した実施の形態で説明した単位画素以外の構造にも採用することができる。以下、本発明が適用可能なその他の単位画素の構造について説明する。なお、以下の図において、図20と対応する部分には同一符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
[Other First Configuration Example of Unit Pixel]
The present invention can also be applied to structures other than the unit pixels described in the above-described embodiments. Hereinafter, the structure of other unit pixels to which the present invention is applicable will be described. In the following drawings, parts corresponding to those in FIG. 20 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate.
図21は、単位画素120のその他の第1構成例である単位画素120Bの構造を示す図である。
FIG. 21 is a diagram illustrating a structure of a unit pixel 120B which is another first configuration example of the
単位画素120Bでは、図20の単位画素120における第1転送ゲート122とメモリ部123が省略され、P型ウェル層132を挟んで、フォトダイオード121と浮遊拡散領域125が隣接する配置となっている。フォトダイオード121と浮遊拡散領域125の間のP型ウェル層132の上側には、第2転送ゲート124が配置されている。
In the unit pixel 120B, the
単位画素120Bにおけるグローバル露光動作について説明する。まず、全画素同時に埋め込みフォトダイオード121の蓄積電荷を空にする電荷排出動作が実行された後、露光が開始される。これにより、フォトダイオード121のPN接合容量に光電荷が蓄積される。露光期間終了時点で、第2転送ゲート124が全画素同時にONされ、蓄積された光電荷が全て浮遊拡散領域125へと転送される。第2転送ゲート124を閉じることで、全画素同一の露光期間で蓄積された光電荷が浮遊拡散領域125で保持される。その後、浮遊拡散領域125で保持された光電荷が、順次、画素信号として垂直信号線117を通して読み出される。最後に、浮遊拡散領域125がリセットされ、しかる後、リセットレベルが読み出される。
A global exposure operation in the unit pixel 120B will be described. First, after a charge discharging operation for emptying the charge stored in the embedded
尚、図21のフォトダイオード121、第2転送ゲート124および浮遊拡散領域(FD:Floating Diffusion)125は、それぞれ、図3のフォトダイオードPD、転送ゲートTR_TRG、および浮遊拡散領域FDに対応するものであり、対応した動作により、同様の作用効果を奏する。
21 corresponds to the photodiode PD, the transfer gate TR_TRG, and the floating diffusion region FD in FIG. 3, respectively. The
[単位画素のその他の第2構成例]
図22は、単位画素120のその他の第2構成例である単位画素120Cの構造を示す図である。
[Other Second Configuration Example of Unit Pixel]
FIG. 22 is a diagram illustrating a structure of a unit pixel 120C which is another second configuration example of the
単位画素120Cでは、ゲート電極122Aの下で、かつ、フォトダイオード121とメモリ部123との境界部分に、P−の不純物拡散領域137を設けることによりオーバーフローパス130を形成した点が単位画素120と異なる。
The unit pixel 120C is different from the
オーバーフローパス130を形成するためには、不純物拡散領域137のポテンシャルを低くする必要がある。不純物拡散領域137に軽くN不純物をドープしてP不純物濃度を下げることで、P−の不純物拡散領域137を形成することができる。あるいはポテンシャルバリア形成の際に不純物拡散領域137にP不純物をドープする場合はその濃度を下げることで、P−の不純物拡散領域137を形成することができる。
In order to form the
単位画素120Cでは、低照度での発生電荷を優先的にフォトダイオード121で蓄積する手段として、フォトダイオード121とメモリ部123との境界部分に形成されたオーバーフローパス130が用いられる。
In the
フォトダイオード121とメモリ部123との境界部分に、P−の不純物拡散領域137を設けることで境界部分のポテンシャルが下がる。このポテンシャルが下がった部分がオーバーフローパス130となる。そして、フォトダイオード121で発生し、オーバーフローパス130のポテンシャルを超えた電荷は、自動的にメモリ部123に漏れて、蓄積される。換言すれば、オーバーフローパス130のポテンシャル以下の発生電荷はフォトダイオード121に蓄積される。
Providing a P−
オーバーフローパス130は中間電荷転送部としての機能を持つ。すなわち、中間電荷転送部としてのオーバーフローパス130は、複数の単位画素の全てが同時に撮像動作を行う露光期間において、フォトダイオード121での光電変換によって発生し、オーバーフローパス130のポテンシャルで決まる所定電荷量を超える電荷を信号電荷としてメモリ部123へ転送する。
The
なお、図22の例では、P−の不純物拡散領域137を設けることによりオーバーフローパス130を形成した構造が採用されている。しかし、P−の不純物拡散領域137を設ける代わりに、N−の不純物拡散領域137を設けることによりオーバーフローパス130を形成した構造をとることも可能である。
In the example of FIG. 22, a structure in which an
尚、図22のフォトダイオード121、第1転送ゲート122、メモリ部(MEM)123、第2転送ゲート124および浮遊拡散領域(FD:Floating Diffusion)125は、それぞれ、図17のフォトダイオードPD、第2の転送ゲートTR_TRG、浮遊拡散領域FD2、第1の転送ゲートTR_ROG、および浮遊拡散領域FD1に対応するものであり、対応した動作により、同様の作用効果を奏する。
Note that the
[単位画素のその他の第3構成例]
図23は、単位画素120のその他の第3構成例である単位画素120Dの構造を示す図である。
[Other Third Configuration Example of Unit Pixel]
FIG. 23 is a diagram illustrating a structure of a unit pixel 120D which is another third configuration example of the
単位画素120Dは、図21の単位画素120Bの構成に、浮遊拡散領域125と同様のメモリ部123が設けられた構成となっている。即ち、単位画素120Dでは、第1転送ゲート122のゲート電極122Aがフォトダイオード121とメモリ部123の境界のP型ウェル層132の上部に設けられている。また、単位画素120Dでは、メモリ部123が浮遊拡散領域125と同様のN型層138によって形成される。
The unit pixel 120D has a configuration in which a
単位画素120Dにおけるグローバル露光動作は、次の手順で実行される。まず、電荷排出動作が全画素同時に実行され、同時露光が開始される。発生した光電荷がフォトダイオード121に蓄積される。露光終了時点で、第1転送ゲート122が全画素同時にONされ、蓄積された光電荷がメモリ部123へ転送され、保持される。露光終了後、順次動作にてリセットレベルと信号レベルが読み出される。即ち、浮遊拡散領域125がリセットされ、次にリセットレベルが読み出される。続いて、メモリ部123の保持電荷が浮遊拡散領域125へ転送され、信号レベルが読み出される。
The global exposure operation in the unit pixel 120D is executed according to the following procedure. First, the charge discharging operation is executed simultaneously for all pixels, and simultaneous exposure is started. The generated photocharge is accumulated in the
尚、図23のフォトダイオード121、第1転送ゲート122、メモリ部(MEM)123、第2転送ゲート124および浮遊拡散領域(FD:Floating Diffusion)125は、それぞれ、図17のフォトダイオードPD、第2の転送ゲートTR_TRG、浮遊拡散領域FD2、第1の転送ゲートTR_ROG、および浮遊拡散領域FD1に対応するものであり、対応した動作により、同様の作用効果を奏する。
Note that the
[単位画素のその他の第4構成例]
図24は、単位画素120のその他の第4構成例である単位画素120Eの構造を示す図である。
[Other Fourth Configuration Example of Unit Pixel]
FIG. 24 is a diagram illustrating a structure of a unit pixel 120E which is another fourth configuration example of the
図20の単位画素120Aでは、メモリ部123が埋め込みチャネル135によって形成された構成となっている。これに対して、図24の単位画素120Eでは、メモリ部123を、埋め込み型のN型拡散領域139によって形成した構成が採用されている。
In the
メモリ部123をN型拡散領域139によって形成した場合であっても、埋め込みチャネル135によって形成した場合と同様の作用効果を得ることができる。具体的には、P型ウェル層132の内部にN型拡散領域139を形成し、基板表面側にP型層140を形成することで、Si−SiO2界面で発生する暗電流がメモリ部123のN型拡散領域139に蓄積されることを回避できるため画質の向上に寄与できる。
Even when the
ここで、メモリ部123のN型拡散領域139の不純物濃度は、浮遊拡散領域125の不純物濃度よりも低くすることが好ましい。このような不純物濃度の設定により、第2転送ゲート124によるメモリ部123から浮遊拡散領域125への電荷の転送効率を高めることができる。単位画素120Eにおけるグローバル露光動作は、図20の単位画素120Aと同様である。
Here, the impurity concentration of the N-
なお、図24に示した単位画素120Eの構成では、メモリ部123を埋め込み型のN型拡散領域139によって形成したが、メモリ部123で発生する暗電流が増加することがあるものの、埋め込み型にしない構造としてもよい。
In the configuration of the unit pixel 120E shown in FIG. 24, the
また、単位画素120Eの構成においても、図20の単位画素120Aにおける場合と同様に電荷排出部129を省略し、転送パルスTRX,TRGおよびリセットパルスRSTを全てアクティブ状態にする構成を採ることができる。この構成を採ることにより、電荷排出部129と同等の作用効果、即ちフォトダイオード121の電荷を排出し、また、読み出し期間中にフォトダイオード121で溢れた電荷を基板側に逃がすことができる。
Also in the configuration of the unit pixel 120E, a configuration in which the
尚、図24のフォトダイオード121、第1転送ゲート122、メモリ部(MEM)123、第2転送ゲート124および浮遊拡散領域(FD:Floating Diffusion)125は、それぞれ、図17のフォトダイオードPD、第2の転送ゲートTR_TRG、浮遊拡散領域FD2、第1の転送ゲートTR_ROG、および浮遊拡散領域FD1に対応するものであり、対応した動作により、同様の作用効果を奏する。
Note that the
[単位画素のその他の第5構成例]
図25は、単位画素120のその他の第5構成例である単位画素120Fの構造を示す図である。
[Other Fifth Configuration Example of Unit Pixel]
FIG. 25 is a diagram illustrating a structure of a unit pixel 120F that is another fifth configuration example of the
図20の単位画素120では、フォトダイオード121と浮遊拡散領域125の間に1つのメモリ部(MEM)123が配置されていたが、図25の単位画素120Fでは、さらにもう1つのメモリ部(MEM2)142が配置されている。即ち、メモリ部が2段構成となっている。
In the
第3転送ゲート141は、メモリ部123に蓄積された電荷を、ゲート電極141Aに転送パルスTRX2が印加されることによって転送する。メモリ部142は、ゲート電極141Aの下に形成されたN型の埋め込みチャネル143によって形成され、第3転送ゲート141によってメモリ部123から転送された電荷を蓄積する。メモリ部142が埋め込みチャネル143によって形成されていることで、Si−SiO2界面での暗電流の発生を抑えることができるため画質の向上に寄与できる。
The
メモリ部142は、メモリ部123と同様の構成とされているので、メモリ部123と同様、変調を掛けた場合には、メモリ部142の飽和電荷量を変調を掛けない場合よりも増やすことができる。
Since the
単位画素120Fにおけるグローバル露光動作では、全画素同時に蓄積された光電荷はフォトダイオード121またはメモリ部123で保持される。メモリ部142は、画素信号が読み出されるまでの間、光電荷を保持するために使用される。
In the global exposure operation in the
尚、図25のフォトダイオード121、第1転送ゲート122、メモリ部(MEM)123、第2転送ゲート124および浮遊拡散領域(FD:Floating Diffusion)125は、それぞれ、図17のフォトダイオードPD、第2の転送ゲートTR_TRG、浮遊拡散領域FD2、第1の転送ゲートTR_ROG、および浮遊拡散領域FD1に対応するものであり、対応した動作により、同様の作用効果を奏する。
Note that the
本発明は、固体撮像素子への適用に限られるものではない。即ち、本発明は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置や、撮像機能を有する携帯端末装置や、画像読取部に固体撮像素子を用いる複写機など、画像取込部(光電変換部)に固体撮像素子を用いる電子機器全般に対して適用可能である。固体撮像素子は、ワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。 The present invention is not limited to application to a solid-state imaging device. That is, the present invention is applied to an image capturing unit (photoelectric conversion unit) such as an imaging device such as a digital still camera or a video camera, a portable terminal device having an imaging function, or a copying machine using a solid-state imaging device as an image reading unit. The present invention can be applied to all electronic devices using a solid-state image sensor. The solid-state imaging device may be formed as a one-chip, or may be in a module shape having an imaging function in which an imaging unit and a signal processing unit or an optical system are packaged together.
なお、上述した単位画素120、および120A乃至120Eにおけるデバイス構造の導電型は一例に過ぎず、N型、P型が逆でも構わないし、また、N型基板131の導電型についてもN型、P型のどちらでも構わない
Note that the conductivity type of the device structure in the above-described
また、以上においては、信号レベルの読み出し等を行単位とする例について説明してきたが、必ずしも行単位の処理とする必要はなく、例えば、複数の画素単位であっても良いし、複数の行単位と複数の画素単位とであってもよい。 Further, in the above, an example in which signal level reading or the like is performed in units of rows has been described. However, it is not always necessary to perform processing in units of rows. For example, a plurality of units of pixels may be used. It may be a unit and a plurality of pixel units.
<6.第6の実施の形態>
[本発明の固体撮像素子を適用したCMOSイメージセンサを備えた電子機器の構成例]
図26は、本発明の固体撮像素子を適用したCMOSイメージセンサを備えた電子機器としての、撮像装置の構成例を示すブロック図である。
<6. Sixth Embodiment>
[Configuration Example of Electronic Device with CMOS Image Sensor to which Solid-State Image Sensor of the Present Invention is Applied]
FIG. 26 is a block diagram illustrating a configuration example of an imaging apparatus as an electronic apparatus including a CMOS image sensor to which the solid-state imaging device of the present invention is applied.
図26の撮像装置300は、レンズ群などからなる光学部301、上述した単位画素120の各構成が採用される固体撮像素子(撮像デバイス)302、およびカメラ信号処理回路であるDSP(Digital Signal Processor)回路303を備える。また、撮像装置300は、フレームメモリ304、表示部305、記録部306、操作部307、および電源部308も備える。DSP回路303、フレームメモリ304、表示部305、記録部306、操作部307および電源部308は、バスライン309を介して相互に接続されている。
An imaging apparatus 300 in FIG. 26 includes an
光学部301は、被写体からの入射光(像光)を取り込んで固体撮像素子302の撮像面上に結像する。固体撮像素子302は、光学部301によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。この固体撮像素子302として、上述した実施の形態に係るCMOSイメージセンサ100等の固体撮像素子、即ちグローバル露光によって歪みのない撮像を実現できる固体撮像素子を用いることができる。
The
表示部305は、例えば、液晶パネルや有機EL(electro luminescence)パネル等のパネル型表示装置からなり、固体撮像素子302で撮像された動画または静止画を表示する。記録部306は、固体撮像素子302で撮像された動画または静止画を、ビデオテープやDVD(Digital Versatile Disk)等の記録媒体に記録する。
The
操作部307は、ユーザによる操作の下に、撮像装置300が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源部308は、DSP回路303、フレームメモリ304、表示部305、記録部306および操作部307の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
The
上述したように、固体撮像素子302として、上述した実施の形態に係るCMOSイメージセンサ100を用いることで、画素トランジスタの閾値バラツキに起因するノイズを低減し、高いS/Nを確保することができる。従って、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、さらには携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールなどの撮像装置300においても、撮像画像の高画質化を図ることができる。
As described above, by using the CMOS image sensor 100 according to the above-described embodiment as the solid-
また、上述した実施形態においては、可視光の光量に応じた信号電荷を物理量として検知する単位画素が行列状に配置されてなるCMOSイメージセンサに適用した場合を例に挙げて説明した。しかしながら、本発明はCMOSイメージセンサへの適用に限られるものではなく、画素アレイ部の画素列ごとにカラム処理部を配置してなるカラム方式の固体撮像素子全般に対して適用可能である。 In the above-described embodiment, the case where the present invention is applied to a CMOS image sensor in which unit pixels that detect signal charges corresponding to the amount of visible light as physical quantities are arranged in a matrix has been described as an example. However, the present invention is not limited to application to a CMOS image sensor, and can be applied to all column-type solid-state imaging devices in which a column processing unit is arranged for each pixel column of a pixel array unit.
また、本発明は、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像素子への適用に限らず、赤外線やX線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像素子や、広義の意味として、圧力や静電容量など、他の物理量の分布を検知して画像として撮像する指紋検出センサ等の固体撮像素子(物理量分布検知装置)全般に対して適用可能である。 Further, the present invention is not limited to application to a solid-state imaging device that detects the distribution of the amount of incident light of visible light and captures it as an image, but a solid that captures the distribution of the incident amount of infrared rays, X-rays, or particles as an image Applicable to imaging devices and, in a broad sense, solid-state imaging devices (physical quantity distribution detection devices) such as fingerprint detection sensors that detect the distribution of other physical quantities such as pressure and capacitance and capture images as images. is there.
尚、本明細書において、記録媒体に記録されるプログラムを記述するステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理は、もちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理を含むものである。 In this specification, the step of describing the program recorded on the recording medium is not limited to the processing performed in time series in the order described, but of course, it is not necessarily performed in time series. Or the process performed separately is included.
また、本明細書において、システムとは、複数の装置により構成される装置全体を表すものである。 Further, in this specification, the system represents the entire apparatus constituted by a plurality of apparatuses.
100 CMOSイメージセンサ, 111 画素アレイ部, 112 垂直駆動部, 113 カラム処理部, 114 水平駆動部, 115,115’,115’’,115’’’ システム制御部, 115a アドレスリスト, 118,118’ 信号処理部, 118a,118a’ レベル解析部, 118b アドレスリスト, 118c データ格納部, 118d 並替部, 118e 高輝度検出部 100 CMOS image sensor, 111 pixel array unit, 112 vertical drive unit, 113 column processing unit, 114 horizontal drive unit, 115, 115 ′, 115 ″, 115 ′ ″ system control unit, 115a address list, 118, 118 ′ Signal processing unit, 118a, 118a ′ level analysis unit, 118b address list, 118c data storage unit, 118d rearrangement unit, 118e high brightness detection unit
Claims (19)
前記受光素子に蓄積される受光信号のレベルに基づいて、前記複数の画素からなる行単位の、前記受光信号のレベルの高さの順番を解析する解析手段と、
前記解析手段による解析結果である行単位の順番に基づいて、前記行単位での前記選択信号の発生を制御する制御手段とを含み、
前記転送手段が、全画素一括して、前記受光素子に蓄積された電荷を、前記電荷蓄積部に転送すると共に、前記リセット手段が、前記電荷蓄積部をリセットした後、前記受光素子が、受光した光に応じて発生する受光信号としての電荷の蓄積を開始し、
前記受光素子による電荷の蓄積が開始されてから所定の蓄積時間が経過したとき、前記リセット手段が、前記電荷蓄積部をリセットした後、前記転送手段が、前記受光素子の電荷を前記電荷蓄積部に一括転送し、
その後、前記制御手段が、前記解析手段の解析結果である行単位の順番で、前記アレイ状の行単位での選択信号の発生を制御し、
前記選択手段が、前記解析手段の解析結果である行単位の順番で、前記アレイ状の行単位で前記電荷蓄積部に蓄積された電荷からなる受光信号を前記増幅手段より増幅して出力させる
固体撮像素子。 In response to the received light, a light receiving element that generates and stores a charge as a light receiving signal, a charge storage unit that stores a charge as a light receiving signal transferred by the light receiving element, and the light receiving element A transfer means for transferring the charge as the received light signal to the charge storage section, a reset means for resetting by releasing the charge stored in the charge storage section based on the reset signal, and a transfer means to the charge storage section. CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) having an array of pixels each having amplifying means for amplifying a received light signal composed of charges and a selecting means for outputting the received light signal amplified by the amplifying means based on the selection signal ) Image sensor,
Based on the level of the received light signal accumulated in the light receiving element, analysis means for analyzing the order of the height of the received light signal level in units of rows composed of the plurality of pixels;
Control means for controlling the generation of the selection signal in units of rows based on the order of units of rows that are analysis results by the analysis means,
The transfer means transfers all the charges accumulated in the light receiving element to the charge accumulating section in a batch, and after the reset means resets the charge accumulating section, the light receiving element receives the light. Start accumulating charge as a received light signal generated in response to the received light,
When a predetermined accumulation time has elapsed since the start of charge accumulation by the light receiving element, the reset unit resets the charge accumulation unit, and then the transfer unit converts the charge of the light receiving element into the charge accumulation unit. Bulk transfer to
Thereafter, the control means controls the generation of the selection signal in row units of the array in the order of the row units that are the analysis results of the analysis means,
The selecting means amplifies the light receiving signal composed of the charges accumulated in the charge accumulating section in the array-like row unit in the order of the row as the analysis result of the analyzing means, and outputs the amplified light signal from the amplifying means. Image sensor.
排出選択信号に基づいて、前記排出配線と前記受光素子との接続を制御する接続制御手段と、
前記排出配線の電流量を検出する電流量検出手段とをさらに含み、
前記解析手段は、所定のフレームにおける全画素について、前記電流量検出手段により検出される前記電流量に対応して求められる、前記受光素子で発生される受光信号のレベルに基づいて、前記所定のフレームにおける前記画素からなる行単位の、前記受光信号のレベルの高さの順番を解析し、
前記制御手段は、前記解析手段による前記所定のフレームの解析結果である行単位の順番に基づいて、前記所定のフレームにおける前記行単位での前記選択信号の発生を制御する
請求項1に記載の固体撮像素子。 A discharge wiring common to the light receiving element of the unit pixel in the row direction;
Connection control means for controlling connection between the discharge wiring and the light receiving element based on a discharge selection signal;
A current amount detecting means for detecting a current amount of the discharge wiring;
The analyzing means is configured to determine the predetermined light level based on a level of a light receiving signal generated by the light receiving element, which is obtained corresponding to the current amount detected by the current amount detecting means for all pixels in a predetermined frame. Analyzing the order of the height of the level of the received light signal in units of rows consisting of the pixels in the frame,
2. The generation unit according to claim 1, wherein the control unit controls generation of the selection signal in the row unit in the predetermined frame based on an order of the row unit that is an analysis result of the predetermined frame by the analysis unit. Solid-state image sensor.
請求項2に記載の固体撮像素子。 The analysis means calculates the light reception signal generated by the light receiving element, which is obtained corresponding to the current amount detected by the current amount detection means each time the control means generates a selection signal for each row. The solid according to claim 2, wherein, based on the level, the order of the level of the received light signal in the row unit in which generation of the selection signal is not controlled by the control means in the predetermined frame is analyzed. Image sensor.
前記制御手段により、全画素に対応する前記接続制御手段に対して前記排出選択信号が発生され、前記接続制御手段が前記排出配線と前記受光素子とを接続することにより、前記排出配線と、前記受光素子に蓄積された受光信号としての電荷のオーバーフローパスとが共用される
請求項2に記載の固体撮像素子。 When a predetermined accumulation time has elapsed since the start of charge accumulation by the light receiving element, the reset unit resets the charge accumulation unit, and then the transfer unit transfers the charge of the light receiving element to the charge accumulation unit. After bulk transfer to
The discharge means signal is generated by the control means for the connection control means corresponding to all the pixels, and the connection control means connects the discharge wiring and the light receiving element, whereby the discharge wiring, The solid-state imaging element according to claim 2, wherein the charge overflow path as a light reception signal accumulated in the light receiving element is shared.
前記制御手段は、前記解析手段による前記第1のフレームの解析結果である行単位の順番に基づいて、前記第1のフレームより時間的に後の第2のフレームにおける前記行単位での前記選択信号の発生を制御する
請求項1に記載の固体撮像素子。 The analyzing means outputs the level of the light receiving signal in units of rows composed of the pixels based on the level of the light receiving signal output from the amplifying means and accumulated in the light receiving element for all the pixels in the first frame. Analyzing the height order of
The control unit selects the row unit in the second frame temporally after the first frame, based on the row unit order which is the analysis result of the first frame by the analyzing unit. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein generation of a signal is controlled.
請求項1に記載の固体撮像素子。 Based on the signal level of the received light signal accumulated in the light receiving element, the analyzing unit analyzes whether the light receiving signal is distributed in the lower side or the upper side in the order of the level of the received light signal level. The control unit controls generation of the selection signal in the row unit based on the analysis result by the analysis unit, with the order of the row unit being set in the upward order of the row arrangement or the order in the downward direction. The solid-state imaging device according to claim 1.
前記制御手段は、前記解析手段による解析結果である全行を1/nに分割した複数の行単位の順番に基づいて、前記複数の行単位での前記選択信号の発生を制御する
請求項1に記載の固体撮像素子。 The analyzing means determines the order of the level of the received light signal level in a plurality of row units obtained by dividing all rows of the pixels into 1 / n based on the received light signal level accumulated in the light receiving element. Parse and
2. The control unit controls generation of the selection signal in the plurality of row units based on the order of a plurality of row units obtained by dividing all the rows as analysis results by the analysis unit into 1 / n. The solid-state image sensor described in 1.
前記選択信号に基づいて、前記選択手段により、前記増幅手段が、前記電荷蓄積部に転送された電荷からなる受光信号を増幅して出力したとき、前記増幅手段により出力された受光信号の第1のレベルと、その後、前記リセット手段が、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷を開放することによりリセットしたとき、前記増幅手段により出力された受光信号の第2のレベルとの差分を、前記画素の受光信号のレベルとする
請求項1に記載の固体撮像素子。 The control means controls the generation of the reset signal during the selection signal generation period in the row unit,
Based on the selection signal, when the amplification means amplifies and outputs a light reception signal composed of the charges transferred to the charge storage section, the selection means outputs a first light reception signal output by the amplification means. And when the reset means resets by releasing the charge accumulated in the charge accumulation section, the difference between the second level of the received light signal output by the amplifying means is calculated as the pixel level. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the level of the received light signal is a level of the received light signal.
前記電荷蓄積部より転送されてくる受光信号としての電荷を蓄積する、前記電荷蓄積部とは異なる他の電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部より蓄積された受光信号としての電荷を他の電荷蓄積部に転送する、前記転送手段とは異なる他の転送手段と、単位画素の前記受光素子に行方向に共通する排出配線と、排出選択信号に基づいて、前記排出配線と前記受光素子との接続を制御する接続制御手段とをさらに含み、
前記リセット手段は、前記リセット信号に基づいて、前記他の電荷蓄積部に蓄積された電荷を開放し、
前記増幅手段は、前記他の電荷蓄積部に転送された電荷からなる受光信号を増幅する
請求項1に記載の固体撮像素子。 The image sensor is
Another charge storage unit different from the charge storage unit that stores the charge as a light reception signal transferred from the charge storage unit, and another charge storage unit as a light reception signal stored from the charge storage unit A transfer unit that is different from the transfer unit that transfers to the unit, a discharge line that is common in the row direction to the light receiving element of the unit pixel, and a connection between the discharge line and the light receiving element based on a discharge selection signal And connection control means for controlling
The reset unit releases the charge accumulated in the other charge accumulation unit based on the reset signal,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the amplifying unit amplifies a light reception signal composed of charges transferred to the other charge storage unit.
請求項1に記載の固体撮像素子。 The solid image according to claim 1, wherein the image sensor has a structure in which a plurality of pixels share one or more of the charge storage unit, the transfer unit, the reset unit, the amplification unit, and the selection unit. Image sensor.
前記受光素子に蓄積される受光信号のレベルに基づいて、前記複数の画素からなる行単位の、前記受光信号のレベルの高さの順番を解析する解析手段と、
前記解析手段による解析結果である行単位の順番に基づいて、前記行単位での前記選択信号の発生を制御する制御手段とを含む固体撮像素子の駆動方法であって、
前記解析手段における、前記受光素子に蓄積される受光信号のレベルに基づいて、前記複数の画素からなる行単位の、前記受光信号のレベルの高さの順番を解析する解析ステップと、
前記制御手段における、前記解析ステップの処理による解析結果である行単位の順番に基づいて、前記行単位での前記選択信号の発生を制御する制御ステップとを含み、
前記転送手段が、全画素一括して、前記受光素子に蓄積された電荷を、前記電荷蓄積部に転送すると共に、前記リセット手段が、前記電荷蓄積部をリセットした後、前記受光素子が、受光した光に応じて発生する受光信号としての電荷の蓄積を開始し、
前記受光素子による電荷の蓄積が開始されてから所定の蓄積時間が経過したとき、前記リセット手段が、前記電荷蓄積部をリセットした後、前記転送手段が、前記受光素子の電荷を前記電荷蓄積部に一括転送し、
その後、前記制御ステップの処理が、前記解析手段の解析結果である行単位の順番で、前記アレイ状の行単位での選択信号の発生を制御し、
前記選択手段が、前記解析ステップの処理での解析結果である行単位の順番で、前記アレイ状の行単位で前記電荷蓄積部に蓄積された電荷からなる受光信号を前記増幅手段より増幅して出力させる
固体撮像素子の駆動方法。 In response to the received light, a light receiving element that generates and stores a charge as a light receiving signal, a charge storage unit that stores a charge as a light receiving signal transferred by the light receiving element, and the light receiving element A transfer means for transferring the charge as the received light signal to the charge storage section, a reset means for resetting by releasing the charge stored in the charge storage section based on the reset signal, and a transfer means to the charge storage section. CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) having an array of pixels each having amplifying means for amplifying a received light signal composed of charges and a selecting means for outputting the received light signal amplified by the amplifying means based on the selection signal ) Image sensor,
Based on the level of the received light signal accumulated in the light receiving element, analysis means for analyzing the order of the height of the received light signal level in units of rows composed of the plurality of pixels;
A solid-state image sensor driving method including control means for controlling the generation of the selection signal in the row unit based on the order of the row unit as an analysis result by the analysis unit,
An analysis step of analyzing the order of the level of the light reception signal level in units of rows composed of the plurality of pixels based on the level of the light reception signal accumulated in the light receiving element in the analysis unit;
A control step of controlling the generation of the selection signal in the row unit based on the order of the row unit as an analysis result by the analysis step in the control unit;
The transfer means transfers all the charges accumulated in the light receiving element to the charge accumulating section in a batch, and after the reset means resets the charge accumulating section, the light receiving element receives the light. Start accumulating charge as a received light signal generated in response to the received light,
When a predetermined accumulation time has elapsed since the start of charge accumulation by the light receiving element, the reset unit resets the charge accumulation unit, and then the transfer unit converts the charge of the light receiving element into the charge accumulation unit. Bulk transfer to
Thereafter, the process of the control step controls the generation of the selection signal in units of rows of the array in the order of units of rows that are the analysis results of the analysis means,
The selection unit amplifies a light reception signal composed of charges accumulated in the charge storage unit in the array-like row unit by the amplification unit in the order of the row unit which is an analysis result in the process of the analysis step. Driving method of solid-state image sensor to be output.
排出選択信号に基づいて、前記排出配線と前記受光素子との接続を制御する接続制御手段と、
前記排出配線の電流量を検出する電流量検出手段とをさらに含み、
前記解析ステップの処理は、所定のフレームにおける全画素について、前記電流量検出手段により検出される前記電流量に対応して求められる、前記受光素子で発生される受光信号のレベルに基づいて、前記所定のフレームにおける前記画素からなる行単位の、前記受光信号のレベルの高さの順番を解析し、
前記制御ステップの処理は、前記解析ステップの処理による前記所定のフレームの解析結果である行単位の順番に基づいて、前記所定のフレームにおける前記行単位での前記選択信号の発生を制御する
請求項11に記載の固体撮像素子の駆動方法。 A discharge wiring common to the light receiving element of the unit pixel in the row direction;
Connection control means for controlling connection between the discharge wiring and the light receiving element based on a discharge selection signal;
A current amount detecting means for detecting a current amount of the discharge wiring;
The processing of the analysis step is based on the level of the light reception signal generated by the light receiving element, which is obtained corresponding to the current amount detected by the current amount detection means for all pixels in a predetermined frame. Analyzing the order of the height of the level of the received light signal in units of rows composed of the pixels in a predetermined frame,
The processing in the control step controls generation of the selection signal in the row unit in the predetermined frame based on the order of the row unit that is an analysis result of the predetermined frame by the processing in the analysis step. The driving method of the solid-state imaging device according to 11.
請求項12に記載の固体撮像素子の駆動方法。 The process of the analysis step is generated by the light receiving element, which is obtained corresponding to the amount of current detected by the current amount detection means every time the process of the control step generates a selection signal in units of rows. 13. The order of the level of the received light signal level in a row unit in which generation of the selection signal is not controlled by the control means in the predetermined frame is analyzed based on the received light signal level. The driving method of the solid-state image sensor described in 1.
前記制御ステップの処理により、全画素に対応する前記接続制御手段に対して前記排出選択信号が発生され、前記接続制御手段が前記排出配線と前記受光素子とを接続することにより、前記排出配線と、前記受光素子に蓄積された受光信号としての電荷のオーバーフローパスとが共用される
請求項12に記載の固体撮像素子の駆動方法。 When a predetermined accumulation time has elapsed since the start of charge accumulation by the light receiving element, the reset unit resets the charge accumulation unit, and then the transfer unit transfers the charge of the light receiving element to the charge accumulation unit. After bulk transfer to
By the processing of the control step, the discharge selection signal is generated for the connection control means corresponding to all pixels, and the connection control means connects the discharge wiring and the light receiving element, thereby The solid-state imaging device driving method according to claim 12, wherein a charge overflow path as a light reception signal accumulated in the light receiving device is shared.
前記制御ステップの処理は、前記解析ステップの処理による前記第1のフレームの解析結果である行単位の順番に基づいて、前記第1のフレームより時間的に後の第2のフレームにおける前記行単位での前記選択信号の発生を制御する
請求項11に記載の固体撮像素子の駆動方法。 The processing of the analyzing step is performed for each pixel in the first frame, based on the level of the light reception signal output from the amplification unit and accumulated in the light receiving element, for each pixel. Analyzing the order of height of levels
The process of the control step is based on the order of the row unit that is the analysis result of the first frame by the process of the analysis step, and the row unit in the second frame temporally after the first frame. The method for driving a solid-state imaging device according to claim 11, wherein the generation of the selection signal is controlled.
請求項11に記載の固体撮像素子の駆動方法。 Based on the signal level of the received light signal accumulated in the light receiving element, the analyzing unit analyzes whether the light receiving signal is distributed in the lower side or the upper side in the order of the level of the received light signal level. The processing of the control step is based on the analysis result by the processing of the analysis step, and the order of the row unit is set to the upper order of the row arrangement or the order of the lower order. The method for driving a solid-state imaging device according to claim 11, wherein the generation is controlled.
前記制御ステップの処理は、前記解析ステップの処理による解析結果である全行を1/nに分割した複数の行単位の順番に基づいて、前記複数の行単位での前記選択信号の発生を制御する
請求項11に記載の固体撮像素子の駆動方法。 The processing in the analysis step is performed based on the level of the light reception signal in a plurality of rows obtained by dividing all the rows of the pixels into 1 / n based on the level of the light reception signal accumulated in the light receiving element. Analyze the order,
The processing in the control step controls generation of the selection signal in the plurality of row units based on the order of the plurality of row units obtained by dividing all the rows that are the analysis results by the processing in the analysis step into 1 / n. The method for driving a solid-state imaging device according to claim 11.
前記選択信号に基づいて、前記選択手段により、前記増幅手段が、前記電荷蓄積部に転送された電荷からなる受光信号を増幅して出力したとき、前記増幅手段により出力された受光信号の第1のレベルと、その後、前記リセット手段が、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷を開放することによりリセットしたとき、前記増幅手段により出力された受光信号の第2のレベルとの差分を、前記画素の受光信号のレベルとする
請求項11に記載の固体撮像素子の駆動方法。 The process of the control step controls the generation of the reset signal during the generation period of the selection signal in the row unit,
Based on the selection signal, when the amplification means amplifies and outputs a light reception signal composed of the charges transferred to the charge storage section, the selection means outputs a first light reception signal output by the amplification means. And when the reset means resets by releasing the charge accumulated in the charge accumulation section, the difference between the second level of the received light signal output by the amplifying means is calculated as the pixel level. The solid-state imaging device driving method according to claim 11, wherein the level of the received light signal is set to a level of the received light signal.
前記受光素子に蓄積される受光信号のレベルに基づいて、前記複数の画素からなる行単位の、前記受光信号のレベルの高さの順番を解析する解析手段と、
前記解析手段による解析結果である行単位の順番に基づいて、前記行単位での前記選択信号の発生を制御する制御手段とを含み、
前記転送手段が、全画素一括して、前記受光素子に蓄積された電荷を、前記電荷蓄積部に転送すると共に、前記リセット手段が、前記電荷蓄積部をリセットした後、前記受光素子が、受光した光に応じて発生する受光信号としての電荷の蓄積を開始し、
前記受光素子による電荷の蓄積が開始されてから所定の蓄積時間が経過したとき、前記リセット手段が、前記電荷蓄積部をリセットした後、前記転送手段が、前記受光素子の電荷を前記電荷蓄積部に一括転送し、
その後、前記制御手段が、前記解析手段の解析結果である行単位の順番で、前記アレイ状の行単位での選択信号の発生を制御し、
前記選択手段が、前記解析手段の解析結果である行単位の順番で、前記アレイ状の行単位で前記電荷蓄積部に蓄積された電荷からなる受光信号を前記増幅手段より増幅して出力させる
電子機器。 In response to the received light, a light receiving element that generates and stores a charge as a light receiving signal, a charge storage unit that stores a charge as a light receiving signal transferred by the light receiving element, and the light receiving element A transfer means for transferring the charge as the received light signal to the charge storage section, a reset means for resetting by releasing the charge stored in the charge storage section based on the reset signal, and a transfer means to the charge storage section. CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) having an array of pixels each having amplifying means for amplifying a received light signal composed of charges and a selecting means for outputting the received light signal amplified by the amplifying means based on the selection signal ) Image sensor,
Based on the level of the received light signal accumulated in the light receiving element, analysis means for analyzing the order of the height of the received light signal level in units of rows composed of the plurality of pixels;
Control means for controlling the generation of the selection signal in units of rows based on the order of units of rows that are analysis results by the analysis means,
The transfer means transfers all the charges accumulated in the light receiving element to the charge accumulating section in a batch, and after the reset means resets the charge accumulating section, the light receiving element receives the light. Start accumulating charge as a received light signal generated in response to the received light,
When a predetermined accumulation time has elapsed since the start of charge accumulation by the light receiving element, the reset unit resets the charge accumulation unit, and then the transfer unit converts the charge of the light receiving element into the charge accumulation unit. Bulk transfer to
Thereafter, the control means controls the generation of the selection signal in row units of the array in the order of the row units that are the analysis results of the analysis means,
The selection means amplifies and outputs the light reception signal composed of the charges accumulated in the charge accumulation unit in the array-like row unit by the amplification means in the order of the row unit as the analysis result of the analysis unit. machine.
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