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JP5051994B2 - Solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, and imaging device - Google Patents

Solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, and imaging device Download PDF

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JP5051994B2
JP5051994B2 JP2005277191A JP2005277191A JP5051994B2 JP 5051994 B2 JP5051994 B2 JP 5051994B2 JP 2005277191 A JP2005277191 A JP 2005277191A JP 2005277191 A JP2005277191 A JP 2005277191A JP 5051994 B2 JP5051994 B2 JP 5051994B2
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Description

本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法および撮像装置に関し、特に画素の転送トランジスタのゲートレベルをコントロールする技術によって広ダイナミックレンジ化を図る固体撮像装置、当該固体撮像装置の駆動方法および当該固体撮像装置を撮像デバイスとして用いた撮像装置に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device, a driving method for the solid-state imaging device, and an imaging device, and in particular, a solid-state imaging device that achieves a wide dynamic range by a technique for controlling the gate level of a transfer transistor of a pixel, The present invention relates to an imaging apparatus using the solid-state imaging apparatus as an imaging device.

図11に、例えばCMOS型固体撮像装置の基本構成を示す。図11に示すように、光電変換素子を含む画素101が行列状に2次元配置されて画素アレイ部(撮像領域)102を構成している。この画素アレイ部102には、行列状の画素配置に対して列毎に垂直信号線103が、行毎に複数本の駆動制御線104がそれぞれ配線されている。この画素アレイ部102の周辺回路として、垂直走査回路105、カラム回路(列並列信号処理回路)106、水平走査回路107および出力回路108が設けられている。   FIG. 11 shows a basic configuration of a CMOS type solid-state imaging device, for example. As shown in FIG. 11, pixels 101 including photoelectric conversion elements are two-dimensionally arranged in a matrix to form a pixel array unit (imaging region) 102. The pixel array section 102 is provided with a vertical signal line 103 for each column and a plurality of drive control lines 104 for each row with respect to the matrix-like pixel arrangement. As peripheral circuits of the pixel array unit 102, a vertical scanning circuit 105, a column circuit (column parallel signal processing circuit) 106, a horizontal scanning circuit 107, and an output circuit 108 are provided.

垂直走査回路105は、画素アレイ部102の各画素101をシャッタ行と読み出し行それぞれについて行単位で垂直方向(上下方向)に走査しつつ、シャッタ行に対してはその行の画素の信号掃き捨てを行うためのシャッタパルスを供給するとともに、読み出し行に対してはその行の画素の信号読み出しを行うための読み出しパルスを供給する。   The vertical scanning circuit 105 scans each pixel 101 of the pixel array unit 102 in the vertical direction (vertical direction) in units of rows for each shutter row and readout row, and for the shutter row, sweeps out the signals of the pixels in that row. In addition to supplying a shutter pulse for performing reading, a reading pulse for reading a signal of a pixel in the row is supplied to the reading row.

カラム回路106は、垂直走査回路105による垂直走査によって選択された読み出し行の各画素101から垂直信号線103を通して出力される信号に対して所定の信号処理を行うとともに、一時的に保持する。水平走査回路107は、カラム回路106を水平走査し、当該カラム回路106に一時的に保持されている1行(1ライン)分の画素の信号を順次出力する。出力回路108は、カラム回路106からの信号を処理して出力する。なお、垂直信号線103の撮像領域外には、電流源109としてMOSトランジスタが接続されている。   The column circuit 106 performs predetermined signal processing on signals output from the pixels 101 in the readout row selected by the vertical scanning by the vertical scanning circuit 105 through the vertical signal line 103 and temporarily holds the signals. The horizontal scanning circuit 107 horizontally scans the column circuit 106 and sequentially outputs signals of pixels for one row (one line) temporarily held in the column circuit 106. The output circuit 108 processes and outputs a signal from the column circuit 106. A MOS transistor is connected as the current source 109 outside the imaging area of the vertical signal line 103.

図12に、画素アレイ部102の走査タイミングを示す。図12において、縦軸は画素アレイ部102の行アドレスVaddrを、横軸は時間をそれぞれ示している。また、Vsyncは垂直同期信号、Hsyncは水平同期信号である。   FIG. 12 shows the scanning timing of the pixel array unit 102. In FIG. 12, the vertical axis indicates the row address Vaddr of the pixel array unit 102, and the horizontal axis indicates time. Vsync is a vertical synchronization signal, and Hsync is a horizontal synchronization signal.

垂直同期パルスVsyncの発生タイミングで、垂直走査回路105が読み出し行の走査を開始する。なお、シャッタ行の走査は、読み出し行の走査よりも前のタイミングから開始されている。シャッタ行から読み出し行までの走査期間が、画素101の光電変換素子の露光期間(信号電荷の蓄積期間)となる。   At the generation timing of the vertical synchronization pulse Vsync, the vertical scanning circuit 105 starts scanning the readout row. Note that the scanning of the shutter row is started from a timing before the scanning of the readout row. A scanning period from the shutter row to the readout row is an exposure period (signal charge accumulation period) of the photoelectric conversion element of the pixel 101.

図12において、読み出し行が画素アレイ部102を最終行まで走査してから再度1行目から走査を開始するまでの期間を垂直ブランキング期間(VBLK)と呼ぶ。また、シャッタ行が画素アレイ部102を最終行まで走査してから再度1行目から走査を開始するまでの期間をシャッタブランキング期間(SBLK)と呼ぶ。   In FIG. 12, a period from when the readout row scans the pixel array portion 102 to the last row until the scanning starts again from the first row is referred to as a vertical blanking period (VBLK). Further, a period from when the shutter row scans the pixel array unit 102 to the last row to when scanning starts again from the first row is called a shutter blanking period (SBLK).

ここで、画素101の光電変換素子で光電変換された信号電荷の読み出しの動作、つまり読み出し行とシャッタ行が存在し、読み出し行の走査タイミングとシャッタ行の走査タイミングとの間の期間が露光期間(信号電荷の蓄積期間)となる動作では、光電変換素子に蓄積された電荷がオーバーフローするまでの範囲(光電変換素子の飽和レベル範囲)の光量しか検出することができない。   Here, the readout operation of the signal charges photoelectrically converted by the photoelectric conversion element of the pixel 101, that is, there is a readout row and a shutter row, and a period between the scanning timing of the readout row and the scanning timing of the shutter row is an exposure period. In the operation in the (signal charge accumulation period), only the amount of light in the range until the charge accumulated in the photoelectric conversion element overflows (the saturation level range of the photoelectric conversion element) can be detected.

それ以上の光量になると、光電変換素子で光電変換された電荷がオーバーフローするために光量の検出は不可能となる。したがって、画面内で極端にコントラストが違う被写体の場合、例えば被写体の暗い部分に絞りやシャッタ速度を合わせた場合に、被写体の明るい部分では光電変換素子が飽和状態となっており、階調のない(光量検出のない)真っ白な被写体として撮像されてしまう。   If the amount of light exceeds that, the amount of light photoelectrically converted by the photoelectric conversion element overflows, so that the amount of light cannot be detected. Therefore, in the case of a subject with extremely different contrast in the screen, for example, when the aperture or shutter speed is adjusted to the dark part of the subject, the photoelectric conversion element is saturated in the bright part of the subject, and there is no gradation. The image is captured as a pure white subject (without light intensity detection).

このような問題を解決するために、ダイナミックレンジの拡大を図る技術が種々提案されている。例えば、光電変換素子から1水平期間内に蓄積時間の異なる2つの信号を出力させ、これら2つの信号に対してA/D変換後にコントラスト強調処理を行って合成することで、輝度ダイナミックの拡大を図っている(例えば、特許文献1参照)。   In order to solve such a problem, various techniques for expanding the dynamic range have been proposed. For example, two signals with different accumulation times are output from a photoelectric conversion element within one horizontal period, and contrast enhancement processing is performed on these two signals after A / D conversion to synthesize the luminance dynamic. (For example, refer to Patent Document 1).

また、光電変換素子に蓄積されたある一定レベル以上の信号電荷を、広ダイナミックレンジシャッタのタイミングで掃き捨て、再度読み出しタイミングまで信号電荷を蓄積することで、広ダイナミックレンジ化を図るようにした技術も知られている(例えば、特許文献2参照)。   In addition, the signal charge of a certain level or more accumulated in the photoelectric conversion element is swept away at the timing of the wide dynamic range shutter, and the signal charge is accumulated until the readout timing again, thereby widening the dynamic range. Is also known (see, for example, Patent Document 2).

特開2002−335452号公報JP 2002-335451 A 特開2001−189893号公報JP 2001-189893 A

しかしながら、特許文献1記載の従来技術では、1水平期間に2回読み出しを行う構成を採っていることから、画素からアナログ信号処理部へ2つの信号を伝送する信号線を画素列ごとに2本配線する必要があるとともに、アナログ信号処理部内にも2つの信号を受ける2系統の回路を設ける必要があるために、チップ面積が増大するとともに、アナログ信号処理部の回路面積が大きくなる。すなわち、昨今のチップ面積の微細化、画素セルの極微細化を阻む結果となる。   However, since the conventional technique described in Patent Document 1 employs a configuration in which reading is performed twice in one horizontal period, two signal lines for transmitting two signals from the pixel to the analog signal processing unit are provided for each pixel column. In addition to wiring, it is necessary to provide two systems of circuits that receive two signals in the analog signal processing unit, which increases the chip area and increases the circuit area of the analog signal processing unit. In other words, the recent miniaturization of the chip area and the miniaturization of the pixel cell are hindered.

一方、特許文献2記載の従来技術には、特許文献1記載の従来技術の上記問題はないものの、以下に説明するような問題がある。なお、後述するように、画素には光電変換素子に加えて、当該光電変換素子で光電変換された信号電荷を信号検出部へ転送する転送トランジスタや、信号検出部をリセットするリセットトランジスタ等の各種トランジスタが設けられているものとする。   On the other hand, the conventional technique described in Patent Document 2 has the problems described below, although the above-described problem of the conventional technique described in Patent Document 1 is not present. As will be described later, in addition to the photoelectric conversion element, the pixel includes various transfer transistors that transfer signal charges photoelectrically converted by the photoelectric conversion element to the signal detection unit, reset transistors that reset the signal detection unit, and the like. It is assumed that a transistor is provided.

特許文献2記載の従来技術では、光電変換素子から信号検出部へ信号電荷を転送する転送トランジスタを駆動するパルスの電位レベルをコントロールすることで、光電変換素子に蓄積されたある一定レベル以上の電荷を掃き捨てる動作を実現している。この掃き捨て動作を行う前に、リセットトランジスタを導通状態にすることで、信号検出部をリセットトランジスタのドレインレベルにする。その後、リセットトランジスタをオフ状態して、光電変換素子から信号検出部を通して信号電荷の掃き捨てを行っている。   In the prior art described in Patent Document 2, by controlling the potential level of a pulse that drives a transfer transistor that transfers signal charges from a photoelectric conversion element to a signal detection unit, charges of a certain level or more accumulated in the photoelectric conversion element The operation that sweeps away is realized. Before performing the sweeping-out operation, the signal detection unit is set to the drain level of the reset transistor by bringing the reset transistor into a conductive state. Thereafter, the reset transistor is turned off, and signal charges are swept away from the photoelectric conversion element through the signal detection unit.

ここで重要なのは、転送トランジスタのゲートレベルをコントロールすることによって光電変換素子からある一定レベル以上の信号電荷のみを掃き捨て、その後信号電荷の再蓄積を行うことで、広ダイナミックレンジ化技術を実現している点である。この信号電荷の掃き捨て動作では、光電変換素子からの掃き捨てを行う前にリセットトランジスタを1度オフ状態にしている。   What is important here is that by controlling the gate level of the transfer transistor, only the signal charge above a certain level is swept away from the photoelectric conversion element, and then the signal charge is re-accumulated to realize a wide dynamic range technology. It is a point. In this signal charge sweeping-out operation, the reset transistor is turned off once before the photoelectric conversion element is swept away.

しかしながら、光電変換素子からの信号電荷の掃き捨てを行う前にリセットトランジスタを1度オフ状態にしたのでは、信号検出部の電位がフローティング状態になるために、当該電位が変動してしまうという問題が発生する。具体的には、下記理由(1)〜(3)により、特に低い側に信号検出部の電位が変動すると考えられる。   However, if the reset transistor is turned off once before the signal charge from the photoelectric conversion element is swept away, the potential of the signal detection unit is in a floating state, so that the potential fluctuates. Will occur. Specifically, for the following reasons (1) to (3), it is considered that the potential of the signal detection unit varies particularly on the lower side.

(1)リセットトランジスタをオフ状態にした後に、光電変換素子からオーバーフローする電荷による電位変動
(2)リセットトランジスタをオフ状態にすることによる、リセットトランジスタのゲートと拡散層との静電的容量結合による電位変動
(3)光電変換素子から電荷を掃き捨てている期間における、掃き捨てられた電荷自身による電位変動
(1) Potential fluctuation due to electric charge overflowing from the photoelectric conversion element after the reset transistor is turned off. (2) By electrostatic capacitive coupling between the gate of the reset transistor and the diffusion layer by turning the reset transistor off. Potential fluctuation (3) Potential fluctuation due to the swept away charge during the period when the charge is swept away from the photoelectric conversion element

信号検出部の電位レベルが低い側に変動すると、光電変換素子から電荷を掃き捨てる際に、ある掃き捨て期間に完全に掃き捨てることができない状態や、最悪信号検出部から逆に光電変換素子側に電荷が流れ込む状態が発生することが考えられる。また、信号検出部がフローティング状態であると言うことから、電荷を掃き捨てる際の掃き捨て量にもバラツキが生じる。   If the potential level of the signal detector fluctuates to the lower side, when the charge is swept away from the photoelectric conversion element, it cannot be completely swept away during a certain sweeping period, or the photoelectric conversion element side from the worst signal detector It is conceivable that a state in which electric charge flows into the substrate occurs. Further, since the signal detection unit is in a floating state, the amount of sweeping when the charge is swept away varies.

そこで、本発明は、転送トランジスタのゲートレベルをコントロールする技術を採用することで、チップ面積の微細化、画素セルの極微細化に対応可能とした上で、信号検出部の電位変動を抑えることによって当該電位変動に起因する不具合を解消しつつダイナミックレンジの拡大を可能とした固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法および撮像装置を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention adopts a technique for controlling the gate level of the transfer transistor, thereby enabling to cope with the miniaturization of the chip area and the microminiaturization of the pixel cell and suppressing the potential fluctuation of the signal detection unit. Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device, a driving method of the solid-state imaging device, and an imaging device capable of expanding the dynamic range while eliminating the problems caused by the potential fluctuation.

上記目的を達成するために、本発明では、光電変換素子、当該光電変換素子に蓄積された電荷を信号検出部に転送する転送トランジスタおよび前記信号検出部をリセットするリセットトランジスタを有する画素が行列状に2次元配置されてなる画素アレイ部と、前記画素アレイ部の各画素を走査しつつ、前記光電変換素子に蓄積された電荷を掃き捨てる電子シャッタ動作、前記光電変換素子に蓄積された電荷を読み出す読み出し動作および前記電子シャッタ動作から前記読み出し動作までの露光期間内に前記光電変換素子に蓄積された電荷の一部を、前記信号検出部に溢れさせることによって掃き捨てるハーフシャッタ動作を行う走査手段とを備えた固体撮像装置において、記リセットトランジスタをリセット動作させるリセットパルスが少なくともアクティブ状態にあり、前記信号検出部の電位を固定した状態にあるときに前記転送トランジスタを転送動作させる転送パルスをアクティブ状態にして前記ハーフシャッタ動作を行う構成を採っている。 In order to achieve the above object, in the present invention, pixels having a photoelectric conversion element, a transfer transistor that transfers charges accumulated in the photoelectric conversion element to a signal detection unit, and a reset transistor that resets the signal detection unit are arranged in a matrix. A two-dimensionally arranged pixel array unit, an electronic shutter operation that sweeps away charges accumulated in the photoelectric conversion elements while scanning each pixel of the pixel array unit, and charges accumulated in the photoelectric conversion elements Scanning means for performing a read-out operation for reading out and a half-shutter operation for sweeping away a part of the charge accumulated in the photoelectric conversion element in the exposure period from the electronic shutter operation to the read-out operation by overflowing the signal detection unit in the solid-state imaging device including bets, a reset pulse for reset operation before Symbol reset transistor Even without is in the active state, adopts a configuration in which a transfer pulse for transferring operating the transfer transistor when in a state of fixing the potential of the signal detection unit in the active state perform the half shutter operation.

画素の転送トランジスタのゲートレベルをコントロールする技術によって広ダイナミックレンジ化を図る固体撮像装置において、ハーフシャッタ動作時に、リセットパルスが少なくともアクティブ状態にあるときに、転送トランジスタのゲートに供給される転送パルスをアクティブ状態にし、ハーフシャッタの掃き捨て動作を行うことで、信号検出部の電位がリセットトランジスタを通して電荷掃き捨て側の電位に固定となるために、信号検出部の電位変動が抑えられる。   In a solid-state imaging device that achieves a wide dynamic range by controlling the gate level of the pixel transfer transistor, the transfer pulse supplied to the gate of the transfer transistor is at least active when the reset pulse is in an active state during half shutter operation. By making the active state and performing the half-shutter sweeping operation, the potential of the signal detection unit is fixed to the potential of the charge sweeping-out side through the reset transistor, so that the potential variation of the signal detection unit is suppressed.

本発明によれば、ハーフシャッタ動作時における信号検出部の電位変動を抑えることができるために、当該電位変動に起因する不具合を解消しつつダイナミックレンジの拡大を図ることができる。   According to the present invention, since the potential variation of the signal detection unit during the half shutter operation can be suppressed, the dynamic range can be expanded while solving the problems caused by the potential variation.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置、例えばMOS型固体撮像装置の構成を示すシステム構成図である。   FIG. 1 is a system configuration diagram showing a configuration of a solid-state imaging device, for example, a MOS type solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.

図1に示すように、本実施形態に係るMOS型固体撮像装置10は、光電変換素子を含む画素20が行列状(マトリクス状)に2次元配置されてなる画素アレイ部(撮像領域)11に加えて、その周辺回路として垂直走査回路12、電流源13、カラム回路(列並列信号処理回路)14、水平走査回路15、出力回路16および制御回路17を有する構成となっている。   As shown in FIG. 1, the MOS type solid-state imaging device 10 according to this embodiment includes a pixel array unit (imaging region) 11 in which pixels 20 including photoelectric conversion elements are two-dimensionally arranged in a matrix (matrix shape). In addition, the peripheral circuit includes a vertical scanning circuit 12, a current source 13, a column circuit (column parallel signal processing circuit) 14, a horizontal scanning circuit 15, an output circuit 16, and a control circuit 17.

ここでは、図面の簡略化のために、画素アレイ部11における画素20の配列を4行6列としている。この行列状の画素配列に対して、列毎に垂直信号線111が配線され、行毎に駆動制御線、例えば転送制御線112、リセット制御線113およびドレイン制御線114が配線されている。ドレイン制御線114は、全画素共通に配線されている。   Here, in order to simplify the drawing, the arrangement of the pixels 20 in the pixel array unit 11 is set to 4 rows and 6 columns. With respect to this matrix pixel arrangement, vertical signal lines 111 are wired for each column, and drive control lines such as a transfer control line 112, a reset control line 113, and a drain control line 114 are wired for each row. The drain control line 114 is wired in common for all pixels.

(画素回路)
図2は、画素20の回路構成の一例を示す回路図である。図2に示すように、本例に係る画素20は、光電変換素子、例えばフォトダイオード21に加えて、例えば転送トランジスタ22、リセットトランジスタ23および増幅トランジスタ24の3つのトランジスタを有する画素回路となっている。ここでは、これらトランジスタ22〜24として、例えばNチャネルのMOSトランジスタを用いている。
(Pixel circuit)
FIG. 2 is a circuit diagram illustrating an example of a circuit configuration of the pixel 20. As shown in FIG. 2, the pixel 20 according to this example is a pixel circuit having three transistors, for example, a transfer transistor 22, a reset transistor 23, and an amplification transistor 24 in addition to a photoelectric conversion element, for example, a photodiode 21. Yes. Here, as these transistors 22 to 24, for example, N-channel MOS transistors are used.

転送トランジスタ22は、フォトダイオード21のカソードと信号検出部であるFD部(フローティングディフュージョン部)25との間に接続され、フォトダイオード21で光電変換され、ここに蓄積された信号電荷(ここでは、電子)を、ゲートに転送パルスTrfが与えられることによってFD部25に転送する。   The transfer transistor 22 is connected between the cathode of the photodiode 21 and an FD section (floating diffusion section) 25 that is a signal detection section, and is photoelectrically converted by the photodiode 21 and accumulated in the signal charge (here, Electron) is transferred to the FD section 25 when a transfer pulse Trf is applied to the gate.

リセットトランジスタ23は、ドレイン制御線114にドレインが、FD部25にソースがそれぞれ接続され、フォトダイオード21からFD部25への信号電荷の転送に先立って、ゲートにリセットパルスRstが与えられることによってFD部25の電位をリセットする。ドレイン制御線114には、アクティブで電源レベル、非アクティブでGNDレベルとなるドレイン電圧Drainが与えられる。   The reset transistor 23 has a drain connected to the drain control line 114 and a source connected to the FD unit 25, and a reset pulse Rst is applied to the gate prior to transfer of signal charges from the photodiode 21 to the FD unit 25. The potential of the FD unit 25 is reset. The drain control line 114 is supplied with a drain voltage Drain which is active and has a power supply level, and inactive and has a GND level.

増幅トランジスタ24は、FD部25にゲートが、ドレイン制御線114にドレインが、垂直信号線111にソースがそれぞれ接続されたソースフォロア構成となっており、ドレイン電圧Drainがアクティブになることによって動作状態となって画素20の選択をなし、リセットトランジスタ23によってリセットした後のFD部25の電位をリセットレベルとして垂直信号線111に出力し、転送トランジスタ12によってフォトダイオード21から信号電荷を転送した後のFD部25の電位を信号レベルとして垂直信号線111に出力する。   The amplification transistor 24 has a source follower configuration in which a gate is connected to the FD unit 25, a drain is connected to the drain control line 114, and a source is connected to the vertical signal line 111, and the operation state is activated when the drain voltage Drain becomes active. The pixel 20 is selected, the potential of the FD section 25 after resetting by the reset transistor 23 is output to the vertical signal line 111 as a reset level, and the signal charge is transferred from the photodiode 21 by the transfer transistor 12 The potential of the FD unit 25 is output to the vertical signal line 111 as a signal level.

ここでは、転送トランジスタ22、リセットトランジスタ23および増幅トランジスタ24を有し、増幅トランジスタ24を画素選択トランジスタとして兼用した3トランジスタ構成の画素20を例に挙げて説明したが、画素20としては、3トランジスタ構成のものに限られるものではなく、増幅トランジスタ24に対してそのソース側あるいはドレイン側に選択トランジスタを直列に接続してなる4トランジスタ構成のものなど、少なくとも、転送トランジスタ22およびリセットトランジスタ23を有する構成のものであれば良い。   Here, the pixel 20 having the transfer transistor 22, the reset transistor 23, and the amplifying transistor 24 and having the three-transistor configuration using the amplifying transistor 24 as a pixel selection transistor has been described as an example. It is not limited to the configuration, but has at least a transfer transistor 22 and a reset transistor 23, such as a 4-transistor configuration in which a selection transistor is connected in series to the source or drain side of the amplification transistor 24. Any configuration is acceptable.

図1に説明を戻す。垂直走査回路12は、シフトレジスタあるいはアドレスデコーダ等によって構成され、画素アレイ部11の各画素20を電子シャッタ行と読み出し行それぞれについて行単位で垂直方向(上下方向)に走査しつつ、電子シャッタ行に対してはその行の画素の信号掃き捨てを行うための電子シャッタパルスを供給するとともに、読み出し行に対してはその行の画素の信号読み出しを行うための読み出しパルスを供給する。   Returning to FIG. The vertical scanning circuit 12 is configured by a shift register, an address decoder, or the like, and scans each pixel 20 of the pixel array unit 11 in the vertical direction (vertical direction) in units of rows for each of the electronic shutter row and the readout row. Is supplied with an electronic shutter pulse for sweeping out the signals of the pixels in the row, and a readout pulse for reading out the signals of the pixels in the row is supplied to the readout row.

ここでは、図示を省略するが、垂直走査回路12は、画素20を行単位で順に選択しつつ、読み出し行に対して読み出しパルスを供給することによって当該読み出し行の各画素20の信号を読み出す読み出し動作を行うための読み出し走査系と、当該読み出し走査系による読み出し走査よりもシャッタ速度に対応した時間分だけ前に同じ行(電子シャッタ行)に対して電子シャッタパルスを供給することによって当該電子シャッタ行の各画素20のフォトダイオード21にそれまでに蓄積された電荷を捨てる(リセットする)電子シャッタ動作を行うための電子シャッタ走査系を有する構成となっている。   Here, although not shown in the figure, the vertical scanning circuit 12 reads the signal of each pixel 20 in the read row by supplying the read pulse to the read row while sequentially selecting the pixels 20 in units of rows. The electronic shutter by supplying an electronic shutter pulse to the same row (electronic shutter row) by a time corresponding to the shutter speed before the readout scanning by the readout scanning system and the readout scanning by the readout scanning system The configuration includes an electronic shutter scanning system for performing an electronic shutter operation that discards (resets) charges accumulated so far in the photodiode 21 of each pixel 20 in a row.

そして、電子シャッタ走査系によるシャッタ走査によってフォトダイオード21の不要な電荷がリセットされたタイミングから、読み出し走査系による読み出し走査によって画素20の信号が読み出されるタイミングまでの期間が、画素20における信号電荷の蓄積期間(露光期間)となる。すなわち、電子シャッタ動作とは、フォトダイオード21に蓄積された信号電荷のリセット(掃き捨て)を行い、そのリセット後から新たに信号電荷の蓄積を開始する動作である。   The period from the timing when the unnecessary charge of the photodiode 21 is reset by the shutter scanning by the electronic shutter scanning system to the timing when the signal of the pixel 20 is read by the reading scanning by the readout scanning system is the period of the signal charge in the pixel 20. It becomes an accumulation period (exposure period). That is, the electronic shutter operation is an operation that resets (sweeps out) signal charges accumulated in the photodiode 21 and newly starts accumulation of signal charges after the reset.

本発明では、広ダイナミックレンジ化を実現するために、電子シャッタ行の走査タイミングから読み出し行の走査タイミングまでの期間(露光期間)内にハーフシャッタ行を設け、このハーフシャッタ行の走査タイミングで、フォトダイオード21にある一定レベル以上蓄積された信号電荷分のみを掃き捨てる駆動を行うことを特徴としている。   In the present invention, in order to realize a wide dynamic range, a half shutter row is provided within a period (exposure period) from the scanning timing of the electronic shutter row to the scanning timing of the readout row, and at the scanning timing of the half shutter row, It is characterized in that driving is performed to sweep away only the signal charge accumulated in a certain level or more in the photodiode 21.

かかる駆動を実現するために、垂直走査回路12は、読み出し走査系および電子シャッタ走査系に加えて、ハーフシャッタ行に対してハーフシャッタパルスを供給するためのハーフシャッタ走査系を有する構成となっている。このハーフシャッタ走査系も、読み出し走査系および電子シャッタ走査系と同様に、シフトレジスタあるいはアドレスデコーダ等によって構成される。   In order to realize such driving, the vertical scanning circuit 12 includes a half shutter scanning system for supplying a half shutter pulse to the half shutter row in addition to the readout scanning system and the electronic shutter scanning system. Yes. This half-shutter scanning system is also configured by a shift register or an address decoder, as in the readout scanning system and the electronic shutter scanning system.

電流源13は、特に図2から明らかなように、垂直信号線111とグランドGNDとの間に接続された負荷MOSトランジスタ131によって構成されている。負荷MOSトランジスタ131のゲートには、ロード線132を介してロードパルスLoadが選択的に与えられる。この負荷MOSトランジスタ131は、垂直信号線111を介して選択行の画素の増幅トランジスタ24と電気的に接続されることで、当該増幅トランジスタ24とソースフォロア回路を形成する。   As clearly shown in FIG. 2, the current source 13 is composed of a load MOS transistor 131 connected between the vertical signal line 111 and the ground GND. A load pulse Load is selectively applied to the gate of the load MOS transistor 131 via the load line 132. The load MOS transistor 131 is electrically connected to the amplification transistor 24 of the pixel in the selected row via the vertical signal line 111, thereby forming a source follower circuit with the amplification transistor 24.

カラム回路14は、画素アレイ部11の例えば画素列ごとに、即ち画素列に対して1対1の対応関係をもって配置された回路群からなり、垂直走査回路12による垂直走査によって選択された読み出し行の各画素20から垂直信号線111を通して出力される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。   The column circuit 14 is composed of a circuit group arranged for each pixel column of the pixel array unit 11, that is, with a one-to-one correspondence with the pixel column, and is selected by the vertical scanning by the vertical scanning circuit 12. A predetermined signal processing is performed on a signal output from each pixel 20 through the vertical signal line 111, and the pixel signal after the signal processing is temporarily held.

より具体的には、カラム回路14は、1行分の各画素20から出力される信号を画素列ごとに受けて、その信号に対して画素固有の固定パターンノイズを除去するためのCDS(Correlated Double Sampling;相関二重サンプリング)や信号増幅等の信号処理を行う。このカラム回路14に、A/D(アナログ/デジタル)変換機能を持たせた構成を採ることも可能である。   More specifically, the column circuit 14 receives a signal output from each pixel 20 for one row for each pixel column, and removes a fixed pattern noise peculiar to the pixel from the signal. Performs signal processing such as Double Sampling (correlated double sampling) and signal amplification. It is also possible to adopt a configuration in which the column circuit 14 has an A / D (analog / digital) conversion function.

水平走査回路15は、シフトレジスタあるいはアドレスデコーダ等によって構成され、カラム回路14の各回路を順に走査し、当該カラム回路14に一時的に保持されている1行(1ライン)分の画素の信号を順次出力する。出力回路16は、カラム回路15から出力される信号に対して所定の処理、例えばバッファリングだけ、あるいはバッファリングの前に黒レベル調整、列ごとのばらつきの補正、信号増幅等の処理を行う。   The horizontal scanning circuit 15 includes a shift register, an address decoder, or the like, scans each circuit of the column circuit 14 in order, and signals of pixels for one row (one line) temporarily held in the column circuit 14. Are output sequentially. The output circuit 16 performs predetermined processing on the signal output from the column circuit 15, for example, buffering only, or processing such as black level adjustment, correction of variation for each column, and signal amplification before buffering.

制御回路17は、本固体撮像装置10の動作モードなどを指令するデータを図示せぬ上位装置から受け取り、また本固体撮像装置10の情報を含むデータを上位装置に出力するとともに、垂直同期信号Vsync、水平同期信号HsyncおよびマスタークロックMCKに基づいて、垂直駆動回路12、電流源13、カラム回路14および水平走査回路15などの動作の基準となるクロック信号や制御信号などを生成し、これら各回路に対して与える。また、電子シャッタ動作時、ハーフシャッタ動作時、読み出し動作時等のタイミング制御を行う。   The control circuit 17 receives data for instructing the operation mode of the solid-state imaging device 10 from a host device (not shown), outputs data including information on the solid-state imaging device 10 to the host device, and also generates a vertical synchronization signal Vsync. Based on the horizontal synchronization signal Hsync and the master clock MCK, a clock signal, a control signal, and the like that become a reference for operations of the vertical drive circuit 12, the current source 13, the column circuit 14, and the horizontal scanning circuit 15 are generated. Give against. Also, timing control is performed during electronic shutter operation, half shutter operation, reading operation, and the like.

図3に、画素駆動パルス、即ち水平同期パルスHsync、ロードパルスLoad、ドレイン電圧Drain、リセットパルスRstおよび転送パルスTrfのタイミング関係を示す。ここでは、リセットパルスRstおよび転送パルスTrfに関して、読み出し行のリセットパルスR_Rstおよび転送パルスR_Trf(読み出しパルス)、ハーフシャッタ行のリセットパルスHS_Rstおよび転送パルスHS_Trf(ハーフシャッタパルス)、電子シャッタ行のリセットパルスS_Rstおよび転送パルスS_Trf(電子シャッタパルス)として示している。   FIG. 3 shows a timing relationship among pixel drive pulses, that is, horizontal synchronization pulse Hsync, load pulse Load, drain voltage Drain, reset pulse Rst, and transfer pulse Trf. Here, with respect to the reset pulse Rst and the transfer pulse Trf, the reset pulse R_Rst and transfer pulse R_Trf (read pulse) of the readout row, the reset pulse HS_Rst and transfer pulse HS_Trf (half shutter pulse) of the half shutter row, the reset pulse of the electronic shutter row S_Rst and transfer pulse S_Trf (electronic shutter pulse) are shown.

ここで、リセットパルスRstおよび転送パルスTrfのLowレベル(例えば、GNDレベル)をVl、HighレベルをVhとするとき、図3から明らかなように、ハーフシャッタ行の転送パルスHS_TrfのHighレベルVmを、VlレベルとVhレベルの間のレベル(Vh>Vm>Vl)に設定する。   Here, when the low level (for example, GND level) of the reset pulse Rst and the transfer pulse Trf is Vl and the high level is Vh, the high level Vm of the transfer pulse HS_Trf of the half shutter row is set as shown in FIG. , A level between Vl level and Vh level (Vh> Vm> Vl) is set.

次に、上記構成のCMOS型固体撮像装置10における画素20の動作について、図3のタイミングチャートを用いて説明する。   Next, the operation of the pixel 20 in the CMOS solid-state imaging device 10 having the above configuration will be described with reference to the timing chart of FIG.

水平ブランキング期間において、先ず、全画素共通に与えられるドレイン電圧Drainがアクティブ(電源レベル)となり、同時にロードパルスLoadがアクティブ(Highレベル)となることで、増幅トランジスタ24とソースフォロア回路を形成する負荷MOSトランジスタ131がオン状態となる。その後、読み出し行のリセットパルスR_Rstがアクティブになり、リセットトランジスタ22がオン状態となることで、FD部25がリセットされ、FD部25の電位がドレイン電圧Drain(電源レベル)に決定される。このリセット時のFD部25の電位は、増幅トランジスタ24によってリセットレベルとして垂直信号線111に出力される。   In the horizontal blanking period, first, the drain voltage Drain applied to all the pixels is activated (power supply level), and at the same time, the load pulse Load is activated (High level), thereby forming the amplification transistor 24 and the source follower circuit. The load MOS transistor 131 is turned on. Thereafter, the reset pulse R_Rst of the read row becomes active and the reset transistor 22 is turned on, whereby the FD unit 25 is reset and the potential of the FD unit 25 is determined to be the drain voltage Drain (power supply level). The potential of the FD unit 25 at the time of resetting is output to the vertical signal line 111 as a reset level by the amplification transistor 24.

次に、読み出し行の転送パルスR_Trfがアクティブになることで、転送トランジスタ22がオン状態となってフォトダイオード21で入射光強度に応じて光電変換された信号電荷をFD部25へ転送する。この信号転送時のFD部25の電位は、増幅トランジスタ24によって信号レベルとして垂直信号線111に出力される。これで、画素20における信号出力の動作としては終了である。   Next, when the transfer pulse R_Trf of the read row becomes active, the transfer transistor 22 is turned on, and the signal charge photoelectrically converted by the photodiode 21 according to the incident light intensity is transferred to the FD unit 25. The potential of the FD unit 25 at the time of signal transfer is output to the vertical signal line 111 as a signal level by the amplification transistor 24. This completes the signal output operation in the pixel 20.

リセットレベルおよび信号レベルは垂直信号線111を通して順にカラム回路14に供給される。そして、カラム回路14において、水平ブランキング期間後にリセットレベルと信号レベルとの差分がとられ、当該差分がフォトダイオード21での光電変換分の信号として、水平走査回路15からの水平走査パルスに同期して順に後段の出力回路16へ出力される。   The reset level and the signal level are sequentially supplied to the column circuit 14 through the vertical signal line 111. In the column circuit 14, the difference between the reset level and the signal level is taken after the horizontal blanking period, and the difference is synchronized with the horizontal scanning pulse from the horizontal scanning circuit 15 as a signal for photoelectric conversion in the photodiode 21. Then, the signals are sequentially output to the output circuit 16 at the subsequent stage.

水平ブランキング期間内での動作の説明に戻る。転送トランジスタ22がオン状態となってフォトダイオード21で光電変換された信号電荷がFD部25に転送された後、読み出し行、ハーフシャッタ行、電子シャッタ行それぞれのリセットパルス(R_Rst,HS_Rst,S_Rst)がアクティブ(Highレベル)になることで、各行のリセットトランジスタ23がオン状態となり、FD部25のリセットが行われる。   Returning to the description of the operation within the horizontal blanking period. After the transfer transistor 22 is turned on and the signal charges photoelectrically converted by the photodiode 21 are transferred to the FD unit 25, reset pulses (R_Rst, HS_Rst, S_Rst) for the readout row, the half shutter row, and the electronic shutter row, respectively. Becomes active (High level), the reset transistors 23 in each row are turned on, and the FD section 25 is reset.

同時に、ハーフシャッタ行では、転送トランジスタ22のゲートにVmレベルの転送パルスHS_Trfが印加されることで、転送トランジスタ22のゲート下のポテンシャルがVmレベルに依存したある一定レベルの深さとなる。これにより、フォトダイオード21で光電変換され、ここに蓄積された信号電荷のうち、Vmレベルに依存したある一定レベル以上の信号電荷分のみがFD部25に溢れでることによってドレイン制御線114側へ掃き捨てられる。   At the same time, in the half shutter row, the transfer pulse HS_Trf at the Vm level is applied to the gate of the transfer transistor 22, so that the potential under the gate of the transfer transistor 22 has a certain level of depth depending on the Vm level. As a result, only the signal charge of a certain level or higher depending on the Vm level out of the signal charge photoelectrically converted by the photodiode 21 overflows to the FD portion 25, and thus to the drain control line 114 side. Be swept away.

また、電子シャッタ行では、転送トランジスタ22のゲートにVhレベルの転送パルスS_Trfが印加されることで、転送トランジスタ22のゲート下のポテンシャルがVhレベルに対応して一番深い深さとなるために、フォトダイオード21で光電変換され、ここに蓄積された信号電荷の全てがFD部25を通してドレイン制御線114側へ掃き捨てられる。   In the electronic shutter row, since the transfer pulse S_Trf at the Vh level is applied to the gate of the transfer transistor 22, the potential below the gate of the transfer transistor 22 has the deepest depth corresponding to the Vh level. All the signal charges photoelectrically converted by the photodiode 21 and accumulated therein are swept away to the drain control line 114 side through the FD section 25.

その後、読み出し行、ハーフシャッタ行、電子シャッタ行の3行とも、ドレイン電圧Drainが非アクティブ(GNDレベル)となり、同時にロードパルスLoadが非アクティブ(Lowレベル)となり、負荷MOSトランジスタ131がオフ状態となることで、読み出し行、ハーフシャッタ行、電子シャッタ行の3行の各画素20が垂直信号線111から電気的に切り離される。   Thereafter, the drain voltage Drain is inactive (GND level) in all three rows of the readout row, the half shutter row, and the electronic shutter row, and at the same time, the load pulse Load is inactive (Low level), and the load MOS transistor 131 is turned off. Thus, the three pixels 20 in the readout row, the half shutter row, and the electronic shutter row are electrically disconnected from the vertical signal line 111.

最後に、読み出し行、ハーフシャッタ行、電子シャッタ行それぞれのリセットパルス(R_Rst,HS_Rst,S_Rst)が非アクティブ(Lowレベル)になることで、各行のリセットトランジスタ23がオフ状態となる。その後、カラム回路14での信号処理によって得られた光電変換分の信号を水平走査回路15によって水平走査して出力する水平映像期間となる。   Finally, the reset pulse (R_Rst, HS_Rst, S_Rst) for each of the readout row, the half shutter row, and the electronic shutter row becomes inactive (Low level), so that the reset transistors 23 in each row are turned off. Thereafter, a horizontal video period in which a signal corresponding to photoelectric conversion obtained by signal processing in the column circuit 14 is horizontally scanned by the horizontal scanning circuit 15 and output.

以降、水平走査回路12による垂直走査によって垂直方向に行選択が行われながら、上述した一連の動作が繰り返される。図4に、画素アレイ部(撮像領域)11の走査タイミングのタイミング関係を示す。   Thereafter, the above-described series of operations is repeated while row selection is performed in the vertical direction by vertical scanning by the horizontal scanning circuit 12. FIG. 4 shows the timing relationship of the scanning timing of the pixel array unit (imaging region) 11.

次に、上述したように、転送トランジスタ22のゲートレベルをコントロールする技術を用いた本実施形態に係るCMOS型固体撮像装置10において、ハーフシャッタ行の走査タイミングで、フォトダイオード21にある一定レベル以上蓄積された信号電荷分のみを掃き捨てる駆動を行うことことで、広ダイナミックレンジ化を実現する動作原理について、図5を用いて説明する。   Next, as described above, in the CMOS type solid-state imaging device 10 according to the present embodiment using the technology for controlling the gate level of the transfer transistor 22, the photodiode 21 has a certain level or more at the scanning timing of the half shutter row. An operation principle for realizing a wide dynamic range by performing driving to sweep away only the accumulated signal charge will be described with reference to FIG.

図5は、蓄積・読み出し・ハーフシャッタ・電子シャッタ時のフォトダイオード21での信号電荷の簡易モデルを示す図である。図5において、(A)は蓄積時、(B)はハーフシャッタ時、(C)は読み出し時、(D)は電子シャッタ時の簡易モデルをそれぞれ示している。   FIG. 5 is a diagram showing a simplified model of signal charges at the photodiode 21 during accumulation, readout, half shutter, and electronic shutter. 5, (A) shows a simplified model at the time of accumulation, (B) at the time of half shutter, (C) at the time of reading, and (D) showing a simple model at the time of electronic shutter.

先ず、フォトダイオード21は、入射光を光電変換して得た信号電荷を蓄積している。電子シャッタ行として画素20に垂直走査回路12からVhレベルの電子シャッタパルス(リセットパルスS_Rstおよび転送パルスS_Trf)が供給されることで、リセットトランジスタ23および転送トランジスタ22がオン状態となるために、図5(D)に示すように、フォトダイオード21に蓄積されていた電荷の掃き捨てが行われる。   First, the photodiode 21 accumulates signal charges obtained by photoelectrically converting incident light. Since the Vh level electronic shutter pulse (reset pulse S_Rst and transfer pulse S_Trf) is supplied from the vertical scanning circuit 12 to the pixel 20 as an electronic shutter row, the reset transistor 23 and the transfer transistor 22 are turned on. As shown in FIG. 5D, charges accumulated in the photodiode 21 are swept away.

リセットパルスS_Rstおよび転送パルスS_Trfが共にVlレベルに遷移することで、リセットトランジスタ23および転送トランジスタ22がオフ状態となり、その後フォトダイオード21では、図5(A)に示すように、信号電荷の再蓄積が始まる。   As both the reset pulse S_Rst and the transfer pulse S_Trf transition to the Vl level, the reset transistor 23 and the transfer transistor 22 are turned off. Thereafter, in the photodiode 21, as shown in FIG. Begins.

次に、ハーフシャッタ行として画素20に垂直走査回路12からハーフシャッタパルス(リセットパルスHS_Rstおよび転送パルスHS_Trf)が供給される。これにより、リセットトランジスタ23がVhレベルのリセットパルスHS_Rstでオン状態となり、転送トランジスタ22がVmレベルの転送パルスHS_Trfでオン状態となる。このとき、先述したように、転送トランジスタ22のゲート下のポテンシャルがVmレベルに依存したある一定レベルの深さとなるために、図5(B)に示すように、フォトダイオード21に蓄積された信号電荷のうち、ある一定レベル以上蓄積された信号電荷分のみの掃き捨てが行われる。   Next, half shutter pulses (reset pulse HS_Rst and transfer pulse HS_Trf) are supplied from the vertical scanning circuit 12 to the pixels 20 as a half shutter row. As a result, the reset transistor 23 is turned on by the reset pulse HS_Rst at the Vh level, and the transfer transistor 22 is turned on by the transfer pulse HS_Trf at the Vm level. At this time, as described above, since the potential under the gate of the transfer transistor 22 has a certain level of depth depending on the Vm level, as shown in FIG. Of the charge, only the signal charge accumulated over a certain level is swept away.

リセットパルスHS_Rstおよび転送パルスHS_Trfが共にVlレベルに遷移することで、リセットトランジスタ23および転送トランジスタ22がオフ状態となり、その後フォトダイオード21では信号電荷の再々蓄積が始まる。   Since both the reset pulse HS_Rst and the transfer pulse HS_Trf transition to the Vl level, the reset transistor 23 and the transfer transistor 22 are turned off, and then the signal charge of the photodiode 21 starts to be accumulated again.

次に、読み出し行として画素20に垂直走査回路12からVhレベルの読み出しパルス(リセットパルスR_Rstおよび転送パルスR_Trf)が供給される。すると、画素セル駆動で述べたのと同様に、リセットトランジスタ23がVhレベルのリセットパルスR_Rstでオン状態になることによって1度FD部25がリセットされ、リセットパルスR_RstがVlレベルに遷移することで、リセットトランジスタ23がオフ状態となる。また、転送トランジスタ22がVhレベルの転送パルスR_Trfでオン状態となることにより、図5(C)に示すように、フォトダイオード21に蓄積されていた信号電荷の完全転送が行われる。   Next, Vh level readout pulses (reset pulse R_Rst and transfer pulse R_Trf) are supplied from the vertical scanning circuit 12 to the pixels 20 as readout rows. Then, as described in the pixel cell driving, when the reset transistor 23 is turned on by the reset pulse R_Rst at the Vh level, the FD unit 25 is reset once, and the reset pulse R_Rst transitions to the Vl level. The reset transistor 23 is turned off. Further, when the transfer transistor 22 is turned on by the transfer pulse R_Trf at the Vh level, the signal charge accumulated in the photodiode 21 is completely transferred as shown in FIG.

ここで、被写体が高照度と低照度を持つような場合を考えてみる。被写体の低照度部を撮像している画素では、図4において、露光期間1(t1)内にフォトダイオード21に蓄積される電荷量が少ないために、ハーフシャッタのタイミングで電荷掃き捨ての影響を受けず(蓄積電荷が全く掃き捨てられず)、そのまま読み出しのタイミングまで電荷を蓄積し、最終的に信号として読み出される。   Here, consider the case where the subject has high and low illuminance. In the pixel that captures the low illuminance part of the subject, the amount of charge accumulated in the photodiode 21 in the exposure period 1 (t1) is small in FIG. Without being received (accumulated charge is not swept away at all), the charge is accumulated until the read timing, and finally read out as a signal.

一方、被写体の高照度部を撮像している画素では、露光期間1(t1)内にフォトダイオード21に蓄積される電荷量が多いために、ハーフシャッタのタイミングである一定レベル以上の電荷が掃き捨てられ、その後再度露光期間2(t2)で蓄積し、再蓄積された電荷が信号として読み出される。つまり、入射光量−信号電荷量依存として、ある入射光量から傾きが小さくなるような依存を示す特性になる。   On the other hand, in a pixel that captures a high illuminance part of a subject, a large amount of charge is accumulated in the photodiode 21 within the exposure period 1 (t1), so that a charge of a certain level or more, which is a half shutter timing, is swept. Then, it is accumulated again in the exposure period 2 (t2), and the re-accumulated charge is read out as a signal. In other words, the dependence light quantity is dependent on the signal charge quantity so that the inclination becomes smaller from a certain incident light quantity.

ここで、信号電荷量−時間依存と、信号電荷量−入射光依存について、図4を用いて説明する。図4において、t1[露光期間1]がシャッタタイミングからハーフシャッタタイミングまでの期間、t2[露光期間2]がハーフシャッタタイミングから読み出しタイミングまでの期間となる。   Here, the signal charge amount-time dependency and the signal charge amount-incident light dependency will be described with reference to FIG. In FIG. 4, t1 [exposure period 1] is a period from shutter timing to half shutter timing, and t2 [exposure period 2] is a period from half shutter timing to readout timing.

ハーフシャッタ、読み出しタイミングとフォトダイオード21に蓄積される信号電荷量の関係(信号電荷量−時間依存)を図6に示す。縦軸に信号電荷量Q、横軸に時間tを取っている。また、信号電荷量とフォトダイオード21に入射する光電流密度との関係(信号電荷量−入射光量依存)を図7に示す。縦軸に信号電荷量Q、横軸に光電流密度Iを取っている。   FIG. 6 shows the relationship between the half shutter and readout timing and the signal charge amount accumulated in the photodiode 21 (signal charge amount-time dependency). The vertical axis represents the signal charge amount Q, and the horizontal axis represents time t. FIG. 7 shows the relationship between the signal charge amount and the photocurrent density incident on the photodiode 21 (signal charge amount-incident light amount dependency). The vertical axis represents the signal charge amount Q, and the horizontal axis represents the photocurrent density I.

図6において、ある低照度の被写体を撮像している場合がIaの傾きを持つ特性(ライン)であり、当該低照度と比較して高照度の被写体を撮像している場合がIbの傾きを持つ特性であるとする。また、tr は読み出しタイミング、th1はハーフシャッタタイミングである。このハーフシャッタタイミングth1で、フォトダイオード21にある一定レベル以上蓄積された信号電荷分の掃き捨てを行う。そのレベルをQlag とする。 In FIG. 6, a characteristic (line) having a slope of Ia is obtained when a certain low-illuminance subject is imaged, and a slope of Ib is obtained when a high-illuminance subject is imaged compared to the low illumination. Suppose that it is a characteristic. Further, tr is a read timing, and th1 is a half shutter timing. This half shutter timing th1, performs sweep signal charges content accumulated in the predetermined level or higher in the photodiode 21. Let that level be Qlag.

Iaの場合のフォトダイオード21の信号電荷は、タイミングth1でハーフシャッタが動作するが、一定レベルQlag まで信号電荷が蓄積されておらずその影響は受けない。そのまま読み出しタイミングtr まで蓄積して、当該読み出しタイミングtrでFD部25へ出力する。   The signal charge of the photodiode 21 in the case of Ia is not affected by the fact that the signal charge is not accumulated up to a certain level Qlag, although the half shutter operates at timing th1. The data is stored as it is until the read timing tr, and is output to the FD unit 25 at the read timing tr.

Ibの場合のフォトダイオード21の信号電荷は、ハーフシャッタタイミングth1で一定レベルQlag 以上まで電荷が蓄積されており、ハーフシャッタが動作することで一定レベルQlag 以上の蓄積電荷が掃き捨てられる(フォトダイオード21には一定レベルQlag 分の電荷は残る)。その後、読み出しタイミングtr までさらに蓄積し、当該読み出しタイミングtrでFD部25へ出力する。 The signal charge of the photodiode 21 in the case of Ib is accumulated up to a certain level Qlag or more at the half shutter timing th1, and the accumulated charge above the certain level Qlag is swept away by the operation of the half shutter (photodiode). The charge of a certain level Qlag remains in 21). Thereafter, the data is further accumulated until the read timing tr and output to the FD unit 25 at the read timing tr.

図7において、ハーフシャッタのタイミングでフォトダイオード21の蓄積電荷量が一定レベルQlag 以上になる場合の光電流密度をIh1とすると、そのポイントを変化点として露光期間t2の傾きとなる。本来ならば、フォトダイオード21の蓄積電荷量が飽和電荷量Qmax に達すると、信号電荷量が光信号に対して依存を示さなくなるのだが、この変化点を持つことによりさらに大きな光信号まで信号電荷量が依存を示す。つまり、ダイナミックレンジを拡大できる。露光期間t2の信号については、後段の信号処理回路(図10のカメラ信号処理回路33に相当)において適当なゲインで増幅することで、入射光強度に対応した信号レベルを得ることができる。   In FIG. 7, when the photocurrent density when the accumulated charge amount of the photodiode 21 is equal to or higher than a certain level Qlag at the half shutter timing is Ih1, the slope of the exposure period t2 is obtained with that point as a change point. Originally, when the accumulated charge amount of the photodiode 21 reaches the saturation charge amount Qmax, the signal charge amount no longer shows dependence on the optical signal. Amount indicates dependency. That is, the dynamic range can be expanded. A signal level corresponding to the incident light intensity can be obtained by amplifying the signal in the exposure period t2 with an appropriate gain in a subsequent signal processing circuit (corresponding to the camera signal processing circuit 33 in FIG. 10).

このように、電子シャッタ行の走査タイミングから読み出し行の走査タイミングまでの期間(露光期間)内にハーフシャッタ行を設け、このハーフシャッタ行の転送トランジスタ22のゲートにVmレベルの転送パルスHS_Trfを与え、フォトダイオード21にある一定レベル以上蓄積された信号電荷分のみを掃き捨てる動作を行うことで、本来依存を示さなくなる大きな光信号まで信号電荷量が依存を示すことになるために、広ダイナミックレンジ化を図ることができる。特に、露光期間t1と露光期間t2とを任意に設定することで、所望の信号電荷量−時間依存および信号電荷量−入射光量依存の特性を得ることができる。   In this way, a half shutter row is provided within the period (exposure period) from the scanning timing of the electronic shutter row to the scanning timing of the readout row, and the transfer pulse HS_Trf at the Vm level is applied to the gate of the transfer transistor 22 of this half shutter row. By performing the operation of sweeping out only the signal charge accumulated in a certain level or more in the photodiode 21, the signal charge amount shows dependency to a large optical signal that does not show dependency originally, so that a wide dynamic range is obtained. Can be achieved. In particular, desired signal charge amount-time dependency and signal charge amount-incident light amount dependency characteristics can be obtained by arbitrarily setting the exposure period t1 and the exposure period t2.

以上では、電子シャッタ行の走査タイミングから読み出し行の走査タイミングまでの期間(露光期間)内にハーフシャッタ行を1行設ける場合を例に挙げて説明したが、ハーフシャッタ行は1行に限定されるものではなく、複数行設けることも可能である。   In the above, the case where one half shutter row is provided within the period (exposure period) from the scanning timing of the electronic shutter row to the scanning timing of the readout row has been described as an example, but the half shutter row is limited to one row. It is possible to provide a plurality of lines instead of the one.

ここでは、ハーフシャッタ行を2行設けた場合について説明する。この場合のハーフシャッタ、読み出しタイミングとフォトダイオード21に蓄積される信号電荷の関係を図8に、信号電荷量とフォトダイオード21に入射する光電流密度の関係を図9にそれぞれ示す。   Here, a case where two half shutter rows are provided will be described. FIG. 8 shows the relationship between the half shutter and readout timing in this case and the signal charge accumulated in the photodiode 21, and FIG. 9 shows the relationship between the signal charge amount and the photocurrent density incident on the photodiode 21.

図8において、読み出しタイミングtr の前にハーフシャッタパルスが2回供給されるそれぞれのタイミングをth1,th2とする。ハーフシャッタパルスが1回供給される場合の動作説明と同様、ハーフシャッタのタイミングth1,th2でフォトダイオード21の信号電荷量が一定レベルQlag になる。   In FIG. 8, the timings at which the half shutter pulse is supplied twice before the readout timing tr are denoted by th1 and th2. Similar to the explanation of the operation when the half shutter pulse is supplied once, the signal charge amount of the photodiode 21 becomes the constant level Qlag at the half shutter timings th1 and th2.

また、信号電荷量と光電流密度の関係としては、図9において、タイミングth1でハーフシャッタの影響を受ける光電流密度をIh1,タイミングth2でハーフシャッタの影響を受ける光電流密度をIh2としたときに、その光電流密度Ih1,Ih2で変化点となって傾きが変化するために、ハーフシャッタ動作が1回の場合に比べて、さらなる広ダイナミックレンジ化が可能になる。   As for the relationship between the signal charge amount and the photocurrent density, in FIG. 9, when the photocurrent density affected by the half shutter at timing th1 is Ih1, and the photocurrent density affected by the half shutter at timing th2 is Ih2. In addition, since the inclination changes at the photocurrent densities Ih1 and Ih2, the dynamic range can be further increased as compared with the case where the half shutter operation is performed once.

続いて、先述した画素20の動作の中のハーフシャッタパルス(リセットパルスHS_Rstと転送パルスHS_Trf)の駆動タイミングについてより具体的に説明する。   Next, the driving timing of the half shutter pulse (reset pulse HS_Rst and transfer pulse HS_Trf) in the operation of the pixel 20 described above will be described more specifically.

ハーフシャッタ行として選択された行にこのハーフシャッタパルスが供給される訳であるが、先ず、リセットトランジスタ23のゲートにVhレベルのリセットパルスHS_Rstが供給される。これにより、リセットトランジスタ23がオン状態となり、リセットトランジスタ23のソースとなるFD部25がドレインと接続されるため、FD部25の電位がドレイン電圧Drain(電源レベル)となる。   The half shutter pulse is supplied to the row selected as the half shutter row. First, the Vh level reset pulse HS_Rst is supplied to the gate of the reset transistor 23. As a result, the reset transistor 23 is turned on, and the FD portion 25 serving as the source of the reset transistor 23 is connected to the drain, so that the potential of the FD portion 25 becomes the drain voltage Drain (power supply level).

その状態のまま、ハーフシャッタ動作として転送トランジスタ22のゲートにVmレベルの転送パルスHS_Trfが供給されることで、フォトダイオード21に蓄積されているある一定レベル以上の電荷が掃き捨てられる(図5(B)参照)。その後、転送トランジスタ22がオフ状態となり、ドレイン電圧DrainがLowレベルになることで、FD部25の電位もLowレベルになる。FD部25の電位がLowレベルになることで、増幅トランジスタ24がオフ状態となるために、垂直信号線111と画素20が非接続の状態となる。その後、リセットトランジスタ23がオフ状態となる。   In this state, the Vm level transfer pulse HS_Trf is supplied to the gate of the transfer transistor 22 as a half shutter operation, so that charges of a certain level or more accumulated in the photodiode 21 are swept away (FIG. 5 ( B)). Thereafter, the transfer transistor 22 is turned off, and the drain voltage Drain becomes a low level, so that the potential of the FD section 25 also becomes a low level. When the potential of the FD unit 25 becomes the low level, the amplification transistor 24 is turned off, so that the vertical signal line 111 and the pixel 20 are disconnected. Thereafter, the reset transistor 23 is turned off.

ここで、リセットトランジスタ23がオンした状態でハーフシャッタ行の信号電荷の掃き捨てを行うメリットについて述べる。   Here, the merit of sweeping out signal charges in the half shutter row with the reset transistor 23 turned on will be described.

ある1行に注目すると、図4の撮像領域の走査タイミングにおいて、その注目行はハーフシャッタ行として選択される前に電子シャッタ行として選択される。電子シャッタ行でのフォトダイオード21の信号電荷の完全掃き捨てを行った後、FD部25の電位は、垂直信号線111と画素20を非接続にするために、Lowレベルのドレイン電圧Drainになっている。   When attention is paid to a certain row, the attention row is selected as an electronic shutter row before being selected as a half shutter row at the scanning timing of the imaging region in FIG. After the signal charges of the photodiodes 21 in the electronic shutter row are completely swept away, the potential of the FD section 25 becomes a low level drain voltage Drain in order to disconnect the vertical signal line 111 from the pixel 20. ing.

その後、その行はハーフシャッタ行として選択される。ここで、リセットトランジスタ23がオン状態となり、FD部25の電位をHighレベルのドレイン電圧Drainにする。本発明では、その状態のまま、即ちリセットトランジスタ23がオン状態のまま、転送トランジスタ22をオン状態にし、ハーフシャッタの掃き捨て動作を行う。このように動作を行うことで、リセットトランジスタ23をオフ状態にしてから転送トランジスタ22をオン状態にする動作に比べて次のような効果を得ることができる。   Thereafter, the row is selected as a half shutter row. Here, the reset transistor 23 is turned on, and the potential of the FD unit 25 is set to the high level drain voltage Drain. In the present invention, the transfer transistor 22 is turned on in that state, that is, the reset transistor 23 is turned on, and the half shutter sweep-out operation is performed. By performing the operation in this way, the following effects can be obtained as compared with the operation in which the transfer transistor 22 is turned on after the reset transistor 23 is turned off.

(1)ハーフシャッタ動作の影響を受ける画素のフォトダイオード21は、飽和電荷量近く蓄積されているか、もしくはそれ以上の信号電荷が発生した状態にあり、FD部25へオーバーフローしてしまうような状態の画素も存在する。ハーフシャッタの掃き捨て動作を行う前にリセットトランジスタ23をオフしてしまうと、FD部25はフローティング状態になり、フォトダイオード21からリークしてきた信号電荷によってFD部25の電位が下がり始める。FD部25の電位が下がることにより、転送トランジスタ22のソース・ドレインの電位差が減少することになる。これに対し、上述した動作を行うことにより、FD部25の電位がHighレベルのドレイン電圧Drainに固定となるために、このような問題は発生しない。 (1) A state in which the photodiode 21 of the pixel affected by the half shutter operation is accumulated near the saturation charge amount or in a state where a signal charge higher than that is generated and overflows to the FD section 25 There are also pixels. If the reset transistor 23 is turned off before the half shutter sweep-out operation is performed, the FD portion 25 enters a floating state, and the potential of the FD portion 25 starts to drop due to the signal charge leaking from the photodiode 21. As the potential of the FD portion 25 decreases, the potential difference between the source and drain of the transfer transistor 22 decreases. On the other hand, since the potential of the FD unit 25 is fixed to the high level drain voltage Drain by performing the above-described operation, such a problem does not occur.

(2)リセットトランジスタ23を1度オフ状態にするために、転送トランジスタ22のゲートと拡散層との静電的容量結合が存在し、FD部25の電位が下がる。これに対し、上述した動作を行うことにより、FD部25の電位がHighレベルのドレイン電圧Drainに固定となるために、このような問題は発生しない。 (2) In order to turn off the reset transistor 23 once, there is an electrostatic capacitive coupling between the gate of the transfer transistor 22 and the diffusion layer, and the potential of the FD section 25 is lowered. On the other hand, since the potential of the FD unit 25 is fixed to the high level drain voltage Drain by performing the above-described operation, such a problem does not occur.

上述したように、本実施形態に係るCMOS型固体撮像装置10では、転送トランジスタ22のゲートレベルをコントロールする技術を採用することにより、特許文献1記載の従来技術のように、画素20からカラム回路14へ画素信号を伝送する垂直信号線を画素列ごとに2本配線したり、カラム回路14内に2系統の回路を設けたりする必要がないために、チップ面積の微細化、画素セルの極微細化に対応可能になる。   As described above, in the CMOS-type solid-state imaging device 10 according to the present embodiment, by adopting a technique for controlling the gate level of the transfer transistor 22, the column circuit is changed from the pixel 20 as in the conventional technique described in Patent Document 1. Since there is no need to provide two vertical signal lines for transmitting pixel signals to each pixel column or to provide two circuits in the column circuit 14, the chip area can be reduced and the pixel cell poles can be reduced. It becomes possible to cope with miniaturization.

また、転送トランジスタ22のゲートレベルをコントロールするに当たって、リセットトランジスタ23がオン状態のまま、転送トランジスタ22をオン状態にし、ハーフシャッタの掃き捨て動作を行うことにより、信号検出部であるFD部25の電位が、電荷掃き捨て先の電位、即ちHighレベルのドレイン電圧Drainに固定となるために、FD部25の電位変動を抑えることができる。   Further, in controlling the gate level of the transfer transistor 22, the transfer transistor 22 is turned on while the reset transistor 23 is in the on state, and the half-shutter sweeping operation is performed. Since the potential is fixed to the potential of the charge sweep-out destination, that is, the high-level drain voltage Drain, fluctuations in the potential of the FD unit 25 can be suppressed.

このように、FD部25の電位変動を抑えることができることで、当該電位変動に起因する不具合を解消しつつダイナミックレンジの拡大を図ることができる。FD部25の電位変動に起因する不具合としては、例えば、フォトダイオード21から電荷を掃き捨てる際に、ある掃き捨て期間に完全に掃き捨てることができない状態や、最悪FD部25からフォトダイオード21側に電荷が流れ込む状態が発生したり、電荷を掃き捨てる際の掃き捨て量にもバラツキが生じたりすることが挙げられる。   As described above, since the potential fluctuation of the FD unit 25 can be suppressed, the dynamic range can be expanded while solving the problems caused by the potential fluctuation. Problems caused by potential fluctuations in the FD unit 25 include, for example, a state in which when the charge is swept away from the photodiode 21, it cannot be completely swept away in a certain sweeping period, or from the worst FD unit 25 to the photodiode 21 side. For example, a state in which electric charge flows into the substrate occurs, and the amount of sweeping away when the charge is swept away also varies.

ところで、CMOS型固体撮像装置の画素では、電源電圧の制限があるために信号電荷をSi結晶表面近くで読み出す。しかしながら、Si結晶表面は、Si−SiO2界面でのダングリングボンド等の格子欠陥による表面準位が存在する。この表面まで空乏層等による電界が存在すると、表面準位を介して励起した電子が入射光に関わらずどんどんフォトダイオード21に蓄積されることになる。このような現象は、“白キズ”“暗電流”と呼ばれる撮像欠陥となる。   By the way, in the pixel of the CMOS type solid-state imaging device, the signal charge is read near the surface of the Si crystal because of the limitation of the power supply voltage. However, the Si crystal surface has surface levels due to lattice defects such as dangling bonds at the Si-SiO2 interface. When an electric field due to a depletion layer or the like exists up to this surface, electrons excited through the surface level are accumulated in the photodiode 21 more and more regardless of incident light. Such a phenomenon results in an imaging defect called “white scratch” or “dark current”.

フォトダイオード21上Si表面だけでなく、フォトダイオード21のすぐそばに存在する転送トランジスタ22のゲート下でももちろんこの現象が生じる。特に、本発明で採用している、転送トランジスタ22のゲートレベルをコントロールする技術では、掃き捨てる電荷量と再蓄積後の読み出しまでのタイミング調整によって広ダイナミックレンジ化を実現しているが、上記“白キズ”“暗電流”と言った光信号とは関係のない部分で発生する電荷が存在すると、低照度にも関わらず電荷掃き捨ての影響を受ける画素が存在し、撮像画像の大きなノイズの発生原因となり、最悪、被写体とは全く異なる画像となる場合がある。   Of course, this phenomenon occurs not only on the surface of the Si on the photodiode 21 but also under the gate of the transfer transistor 22 existing in the immediate vicinity of the photodiode 21. In particular, in the technique for controlling the gate level of the transfer transistor 22 employed in the present invention, a wide dynamic range is realized by adjusting the amount of charge to be swept away and the timing until reading after re-accumulation. If there is a charge generated in a part that is not related to the optical signal, such as white scratches or “dark current”, there are pixels that are affected by charge sweeping despite the low illuminance. In some cases, the image may be a completely different image from the subject.

そこで、本発明においては、ハーフシャッタ動作時に転送トランジスタ22のゲートに供給する転送パルスHS_TrfのLowレベル(Vl)を、ウェル電位(GNDレベル/接地電位)に対して負電位に設定した構成を採るようにしている。かかる構成を採ることにより、転送トランジスタ22のゲート下のポテンシャルがピニングされ、正孔の存在している状態となり、不要な電子が発生しなくなるために、上記“白キズ”“暗電流”の発生を防ぐことができる。これにより、次のような大きなメリットが発生する。   Therefore, the present invention employs a configuration in which the low level (Vl) of the transfer pulse HS_Trf supplied to the gate of the transfer transistor 22 during the half shutter operation is set to a negative potential with respect to the well potential (GND level / ground potential). I am doing so. By adopting such a configuration, the potential under the gate of the transfer transistor 22 is pinned to enter a state where holes exist, and unnecessary electrons are not generated. Therefore, the occurrence of the “white scratch” and “dark current” is generated. Can be prevented. As a result, the following great merits occur.

先ず、広ダイナミックレンジ技術にとって大きな特性バラツキを引き起こす暗電流を改善するためには、Si表面に対して特殊な不純物プロファイルを形成する必要性がある。特に、“画素”という周辺回路のMOS構造に対してもともと特殊である不純物プロファイルに、前記プロファイルを形成するためには新たなプロセス工程の追加等、製造コストの増加につながる。特に、CMOSプロセスの微細化技術革新に伴いプロセス工程に対するコストの割合は大きい。   First, in order to improve the dark current that causes a large characteristic variation for the wide dynamic range technology, it is necessary to form a special impurity profile on the Si surface. In particular, the manufacturing cost increases, such as addition of a new process step, in order to form the profile in the impurity profile which is originally special with respect to the MOS structure of the peripheral circuit called “pixel”. In particular, the cost ratio with respect to the process steps is large with the technological refinement of the CMOS process.

これに対して、転送トランジスタ22のゲートに供給する転送パルスHS_TrfのLowレベルを負電位にする技術を採用することで、本発明のような、転送トランジスタ22のゲートレベルをコントロールすることによって広ダイナミックレンジ化を図る技術に必須な暗電流の抑制を、チャージポンプ回路等を用いた簡単な負電位回路を追加するだけで実現できる。   On the other hand, by adopting a technique in which the low level of the transfer pulse HS_Trf supplied to the gate of the transfer transistor 22 is set to a negative potential, the gate level of the transfer transistor 22 as in the present invention is controlled to achieve wide dynamics. It is possible to suppress dark current, which is essential for a technology for achieving a range, by simply adding a simple negative potential circuit using a charge pump circuit or the like.

また、転送トランジスタ22のゲートレベルをコントロールすることによって広ダイナミックレンジ化を図る上で、転送トランジスタ22のゲートに供給する転送パルスR_Trf,HS_Trf,S_TrfのLowレベルを負電位にする技術を使用することで、フォトダイオード21のダイナミックレンジ(取り扱い飽和電荷量)の増加を可能にするとともに、ハーフシャッタの掃き捨て動作の際に転送トランジスタ22のVmレベルにGNDレベルを使用することが可能となる。   In order to widen the dynamic range by controlling the gate level of the transfer transistor 22, a technique for setting the low level of the transfer pulses R_Trf, HS_Trf, S_Trf supplied to the gate of the transfer transistor 22 to a negative potential is used. Thus, the dynamic range (handled saturated charge amount) of the photodiode 21 can be increased, and the GND level can be used as the Vm level of the transfer transistor 22 during the half-shutter sweep-out operation.

また、転送トランジスタ22のゲートに供給する転送パルスHS_TrfのLowレベル(Vl)を負電位に設定したときに、そのHighレベル(Vm)を接地電位に設定することで、ハーフシャッタ動作時に転送トランジスタ22のゲートレベルを設定するための中間電位Vmを生成する回路が必要なくなるために、その分だけ回路構成を簡略化できるメリットもある。   Further, when the low level (Vl) of the transfer pulse HS_Trf supplied to the gate of the transfer transistor 22 is set to a negative potential, the transfer transistor 22 is set to the ground potential by setting the high level (Vm) to the ground potential. This eliminates the need for a circuit for generating the intermediate potential Vm for setting the gate level, and there is also an advantage that the circuit configuration can be simplified accordingly.

なお、上記実施形態では、図3から明らかなように、ハーフシャッタ動作時に、リセットトランジスタ23をリセット動作させるリセットパルスHS_Rstのアクティブ期間(Vhレベルの期間)内において転送パルスHS_Trfをアクティブ状態(Vmレベルの状態)にするとしたが、リセットパルスHS_Rstが少なくともアクティブ状態にあるときに転送パルスHS_Trfをアクティブ状態にする、即ちリセットパルスHS_Rstアクティブ期間に対して転送パルスHS_Trfのアクティブ期間を少なくともオーバーラップさせる(リセットパルスHS_Rstが非アクティブ状態になった後も転送パルスHS_Trfがアクティブ状態にある)ようにしても、ハーフシャッタ動作時のFD部25の電位変動を抑えることができる。
In the above embodiment, as is apparent from FIG. 3, the transfer pulse HS_Trf is in the active state (Vm level) within the active period (Vh level period) of the reset pulse HS_Rst that resets the reset transistor 23 during the half shutter operation. However, when the reset pulse HS_Rst is at least in the active state, the transfer pulse HS_Trf is set in the active state, that is, the active period of the transfer pulse HS_Trf is at least overlapped with the active period of the reset pulse HS_Rst (see FIG. Even if the transfer pulse HS_Trf is in an active state even after the reset pulse HS_Rst is in an inactive state, the potential fluctuation of the FD section 25 during the half shutter operation can be suppressed. wear.

[適用例]
上記実施形態に係るCMOS型固体撮像装置10は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置において、その撮像デバイスとして用いて好適なものである。
[Application example]
The CMOS solid-state imaging device 10 according to the above-described embodiment is suitable for use as an imaging device in an imaging device such as a digital still camera or a video camera.

ここに、撮像装置とは、撮像デバイスとしての固体撮像装置、当該固体撮像装置の撮像面(受光面)上に被写体の像光を結像させる光学系および当該固体撮像装置の信号処理回路を含むカメラモジュール(例えば、携帯電話等の電子機器に搭載されて用いられる)、当該カメラモジュールを搭載したデジタルスチルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムを言うものとする。   Here, the imaging device includes a solid-state imaging device as an imaging device, an optical system that forms image light of a subject on an imaging surface (light-receiving surface) of the solid-state imaging device, and a signal processing circuit of the solid-state imaging device. A camera module (for example, used by being mounted on an electronic device such as a mobile phone) and a camera system such as a digital still camera or a video camera equipped with the camera module.

図10は、本発明に係る撮像装置の構成の一例を示すブロック図である。図10に示すように、本例に係る撮像装置は、レンズ31を含む光学系、撮像デバイス32、カメラ信号処理回路33等によって構成されている。   FIG. 10 is a block diagram showing an example of the configuration of the imaging apparatus according to the present invention. As shown in FIG. 10, the imaging apparatus according to the present example includes an optical system including a lens 31, an imaging device 32, a camera signal processing circuit 33, and the like.

レンズ31は、被写体からの像光を撮像デバイス32の撮像面に結像する。撮像デバイス32は、レンズ31によって撮像面に結像された像光を画素単位で電気信号に変換して得られる画像信号を出力する。この撮像デバイス32として、先述した実施形態に係るCMOS型固体撮像装置10が用いられる。カメラ信号処理部33は、撮像デバイス32から出力される画像信号に対して種々の信号処理を行う。   The lens 31 forms image light from the subject on the imaging surface of the imaging device 32. The imaging device 32 outputs an image signal obtained by converting the image light imaged on the imaging surface by the lens 31 into an electrical signal for each pixel. As the imaging device 32, the CMOS solid-state imaging device 10 according to the above-described embodiment is used. The camera signal processing unit 33 performs various signal processing on the image signal output from the imaging device 32.

上述したように、ビデオカメラや電子スチルカメラ、さらには携帯電話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において、その撮像デバイス32として先述した実施形態に係るCMOS型固体撮像装置10を用いることで、当該固体撮像装置10ではFD部の電位変動に起因する先述した不具合を解消しつつダイナミックレンジの拡大を図ることができるために、撮像画像の画質をより向上できる利点がある。   As described above, in the imaging device such as a video camera, an electronic still camera, and a camera module for mobile devices such as a mobile phone, the CMOS solid-state imaging device 10 according to the above-described embodiment is used as the imaging device 32. The solid-state imaging device 10 has an advantage that the image quality of the captured image can be further improved because the dynamic range can be expanded while solving the above-described problems caused by the potential fluctuation of the FD section.

本発明の一実施形態に係る固体撮像装置、例えばMOS型固体撮像装置の構成を示すシステム構成図である。1 is a system configuration diagram showing a configuration of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention, for example, a MOS solid-state imaging device. 画素の回路構成の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the circuit structure of a pixel. 画素の動作を説明するためのタイミングチャートである。It is a timing chart for demonstrating operation | movement of a pixel. 画素アレイ部(撮像領域)の走査タイミングのタイミング関係を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the timing relationship of the scanning timing of a pixel array part (imaging area). 蓄積・読み出し・ハーフシャッタ・シャッタ時のフォトダイオードでの信号電荷の簡易モデルを示す図である。It is a figure which shows the simple model of the signal charge in the photodiode at the time of accumulation | storage / reading | reading / half shutter / shutter. ハーフシャッタ行が1行の場合のハーフシャッタ、読み出しタイミングとフォトダイオードに蓄積される信号電荷の関係を示す特性図である。FIG. 10 is a characteristic diagram showing a relationship between a half shutter when one half shutter row is one row, readout timing, and signal charges accumulated in a photodiode. ハーフシャッタ行が1行の場合の信号電荷量とフォトダイオードに入射する光電流密度の関係を示す特性図である。It is a characteristic view showing the relationship between the signal charge amount and the photocurrent density incident on the photodiode when the number of half shutter rows is one. ハーフシャッタ行が2行の場合のハーフシャッタ、読み出しタイミングとフォトダイオードに蓄積される信号電荷の関係を示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing a relationship between a half shutter when there are two half shutter rows, readout timing, and signal charges accumulated in a photodiode. ハーフシャッタ行が2行の場合の信号電荷量とフォトダイオードに入射する光電流密度の関係を示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the signal charge amount and the photocurrent density incident on a photodiode when there are two half shutter rows. 本発明に係る撮像装置の構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of a structure of the imaging device which concerns on this invention. CMOS型固体撮像装置の基本構成を示すシステム構成図である。1 is a system configuration diagram showing a basic configuration of a CMOS type solid-state imaging device. 従来例に係る画素アレイ部の走査タイミングを示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the scanning timing of the pixel array part which concerns on a prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

10…MOS型固体撮像装置、11…画素アレイ部、12…垂直走査回路、13…電流源、14…カラム回路(列並列信号処理回路)、15…水平走査回路、16…出力回路、17…制御回路、20…画素、21…フォトダイオード、22…転送トランジスタ、23…リセットトランジスタ、24…増幅トランジスタ、25…FD(フローティングディフュージョン)部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... MOS type solid-state imaging device, 11 ... Pixel array part, 12 ... Vertical scanning circuit, 13 ... Current source, 14 ... Column circuit (column parallel signal processing circuit), 15 ... Horizontal scanning circuit, 16 ... Output circuit, 17 ... Control circuit, 20 ... pixel, 21 ... photodiode, 22 ... transfer transistor, 23 ... reset transistor, 24 ... amplification transistor, 25 ... FD (floating diffusion) section

Claims (7)

光電変換素子、当該光電変換素子に蓄積された電荷を信号検出部に転送する転送トランジスタおよび前記信号検出部をリセットするリセットトランジスタを有する画素が行列状に2次元配置されてなる画素アレイ部と、
前記画素アレイ部の各画素を走査しつつ、前記光電変換素子に蓄積された電荷を掃き捨てる電子シャッタ動作、前記光電変換素子に蓄積された電荷を読み出す読み出し動作および前記光電変換素子に蓄積された電荷の一部を、前記電子シャッタ動作から前記読み出し動作までの露光期間内のハーフシャッタ行の走査タイミングで前記信号検出部に溢れさせることによって掃き捨てるハーフシャッタ動作を行う走査手段と、
前記リセットトランジスタをリセット動作させるリセットパルスが少なくともアクティブ状態にあり、前記信号検出部の電位を固定した状態にあるときに前記転送トランジスタを転送動作させる転送パルスをアクティブ状態にして前記ハーフシャッタ動作を行う制御手段と
を備えた固体撮像装置。
A pixel array unit in which pixels having a photoelectric conversion element, a transfer transistor that transfers charges accumulated in the photoelectric conversion element to a signal detection unit, and a reset transistor that resets the signal detection unit are two-dimensionally arranged in a matrix;
While scanning the pixels of the pixel array section, the electronic shutter operation sweeping the charges accumulated in the photoelectric conversion element, the read operation and before Symbol photoelectric conversion element reading out the charges stored in the photoelectric conversion element Scanning means for performing a half shutter operation for sweeping away a part of the accumulated charge by overflowing the signal detection unit at a scanning timing of a half shutter row within an exposure period from the electronic shutter operation to the reading operation ;
When the reset pulse for resetting the reset transistor is at least in an active state and the potential of the signal detection unit is fixed, the transfer pulse for transferring the transfer transistor is activated to perform the half shutter operation. And a solid-state imaging device.
前記転送パルスは、Highレベルが接地電位で、Lowレベルが接地電位に対して負電位である
請求項1記載の固体撮像装置。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the transfer pulse has a high level as a ground potential and a low level as a negative potential with respect to the ground potential.
前記制御手段は、前記リセットパルスのアクティブ期間内において前記転送パルスをアクティブ状態にする
請求項1記載の固体撮像装置。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the control unit activates the transfer pulse within an active period of the reset pulse.
前記電子シャッタ動作から前記ハーフシャッタ動作までの期間と、前記ハーフシャッタ動作から前記読み出し動作までの期間とを任意に設定可能である
請求項1記載の固体撮像装置。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a period from the electronic shutter operation to the half shutter operation and a period from the half shutter operation to the readout operation can be arbitrarily set.
前記走査手段は、前記露光期間内に前記ハーフシャッタ動作を2回以上行う
請求項1記載の固体撮像装置。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the scanning unit performs the half shutter operation twice or more within the exposure period.
光電変換素子、当該光電変換素子に蓄積された電荷を信号検出部に転送する転送トランジスタおよび前記信号検出部をリセットするリセットトランジスタを有する画素が行列状に2次元配置されてなる画素アレイ部と、
前記画素アレイ部の各画素を走査しつつ、前記光電変換素子に蓄積された電荷を掃き捨てる電子シャッタ動作、前記光電変換素子に蓄積された電荷を読み出す読み出し動作および前記光電変換素子に蓄積された電荷の一部を、前記電子シャッタ動作から前記読み出し動作までの露光期間内のハーフシャッタ行の走査タイミングで前記信号検出部に溢れさせることによって掃き捨てるハーフシャッタ動作を行う走査手段とを備えた固体撮像装置の駆動にあたって、
前記リセットトランジスタをリセット動作させるリセットパルスが少なくともアクティブ状態にあり、前記信号検出部の電位を固定した状態にあるときに前記転送トランジスタを転送動作させる転送パルスをアクティブ状態にして前記ハーフシャッタ動作を行う
固体撮像装置の駆動方法。
A pixel array unit in which pixels having a photoelectric conversion element, a transfer transistor that transfers charges accumulated in the photoelectric conversion element to a signal detection unit, and a reset transistor that resets the signal detection unit are two-dimensionally arranged in a matrix;
While scanning the pixels of the pixel array section, the electronic shutter operation sweeping the charges accumulated in the photoelectric conversion element, the read operation and before Symbol photoelectric conversion element reading out the charges stored in the photoelectric conversion element Scanning means for performing a half shutter operation for sweeping away a part of the accumulated charges by overflowing the signal detection unit at a scanning timing of a half shutter row within an exposure period from the electronic shutter operation to the read operation ; In driving the solid-state imaging device provided,
When the reset pulse for resetting the reset transistor is at least in an active state and the potential of the signal detection unit is fixed, the transfer pulse for transferring the transfer transistor is activated to perform the half shutter operation. A driving method of a solid-state imaging device.
光電変換素子、当該光電変換素子に蓄積された電荷を信号検出部に転送する転送トランジスタおよび前記信号検出部をリセットするリセットトランジスタを有する画素が行列状に2次元配置されてなる画素アレイ部を有する固体撮像装置と、
被写体からの光を前記固体撮像装置の撮像面上に導く光学系とを具備し、
前記固体撮像装置は、
前記画素アレイ部の各画素を走査しつつ、前記光電変換素子に蓄積された電荷を掃き捨てる電子シャッタ動作、前記光電変換素子に蓄積された電荷を読み出す読み出し動作および前記光電変換素子に蓄積された電荷の一部を、前記電子シャッタ動作から前記読み出し動作までの露光期間内のハーフシャッタ行の走査タイミングで前記信号検出部に溢れさせることによって掃き捨てるハーフシャッタ動作を行う走査手段と、
前記リセットトランジスタをリセット動作させるリセットパルスが少なくともアクティブ状態にあり、前記信号検出部の電位を固定した状態にあるときに前記転送トランジスタを転送動作させる転送パルスをアクティブ状態にして前記ハーフシャッタ動作を行う制御手段とを備えた
撮像装置。
A pixel array unit in which pixels having a photoelectric conversion element, a transfer transistor that transfers charges accumulated in the photoelectric conversion element to a signal detection unit, and a reset transistor that resets the signal detection unit are two-dimensionally arranged in a matrix A solid-state imaging device;
An optical system for guiding light from a subject onto the imaging surface of the solid-state imaging device,
The solid-state imaging device
While scanning the pixels of the pixel array section, the electronic shutter operation sweeping the charges accumulated in the photoelectric conversion element, the read operation and before Symbol photoelectric conversion element reading out the charges stored in the photoelectric conversion element Scanning means for performing a half shutter operation for sweeping away a part of the accumulated charge by overflowing the signal detection unit at a scanning timing of a half shutter row within an exposure period from the electronic shutter operation to the reading operation ;
When the reset pulse for resetting the reset transistor is at least in an active state and the potential of the signal detection unit is fixed, the transfer pulse for transferring the transfer transistor is activated to perform the half shutter operation. An imaging apparatus comprising a control means.
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