JP5518025B2 - Photoelectric conversion device and imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、光電変換装置及び撮像装置に関し、特に、デジタルカメラ、デジタルスチルカメラなどの光電変換装置及び撮像装置に関するものである。 The present invention relates to a photoelectric conversion device and an imaging device, and more particularly to a photoelectric conversion device and an imaging device such as a digital camera and a digital still camera.
従来、デジタルカメラなどに搭載されている測光センサは、フォトダイオードで所定時間、光信号を電荷に変換すると共に変換した電荷を蓄積し、その電荷の蓄積量に基づいて露出を決定するために明るさを計測していた。 Conventionally, a photometric sensor mounted on a digital camera or the like uses a photodiode to convert an optical signal into electric charge for a predetermined time, accumulates the converted electric charge, and determines the exposure based on the accumulated amount of electric charge. I was measuring.
図8は、従来の測光センサの電荷の蓄積時間の説明図である。図8において、502は高輝度時における電荷の蓄積タイミングを示すパルスであり、ハイレベル時に電荷を蓄積するようにしている。503は低輝度時における電荷の蓄積タイミングを示すパルスであり、ハイレベル時に電荷を蓄積するようにしている。
FIG. 8 is an explanatory diagram of the charge accumulation time of the conventional photometric sensor. In FIG. 8,
図8に示すように、従来の測光センサは、輝度に応じてフォトダイオードで変換された電荷の蓄積時間を変えている。具体的には、低輝度時の電荷の蓄積時間T2を例えば10mSとし、高輝度時の電荷の蓄積時間T1を例えば10μSとしている。 As shown in FIG. 8, the conventional photometric sensor changes the accumulation time of the charge converted by the photodiode according to the luminance. Specifically, the charge accumulation time T2 at the time of low luminance is set to 10 mS, for example, and the charge accumulation time T1 at the time of high brightness is set to 10 μS, for example.
このように輝度に応じて電荷の蓄積時間を変えるのは、明るすぎて電荷が多いときにフォトダイオードの電荷が飽和することで明るさの計測ができなくなるのを防止するためである。 The reason for changing the charge accumulation time in accordance with the luminance in this way is to prevent the measurement of the brightness from becoming impossible due to saturation of the charge of the photodiode when the charge is too bright and the charge is large.
なお、上記の電荷の蓄積時間T1,T2は例示であり、実際には、蓄積時間T1は前回の測光で得られた輝度情報に基づいて、次回の測光の際の電荷の蓄積時間を決定していることが多い。蓄積時間T2は蛍光灯の発光波形の周期である10mSとすることが多い。 The charge accumulation times T1 and T2 described above are examples. Actually, the accumulation time T1 determines the charge accumulation time for the next photometry based on the luminance information obtained by the previous photometry. There are many. The accumulation time T2 is often set to 10 mS, which is the cycle of the light emission waveform of the fluorescent lamp.
しかし、従来の技術は、以下説明するような問題がある。 However, the conventional technique has the following problems.
図9は、図8に示す電荷の蓄積タイミングを示すパルスと蛍光灯の光量波形とを示す図である。図9において、501は蛍光灯の光量波形、504はB点で測光を行った場合の蛍光灯の光量、505はA点で測光を行った場合の蛍光灯の光量、506は蛍光灯の光量の平均値である。
FIG. 9 is a diagram illustrating a pulse indicating the charge accumulation timing illustrated in FIG. 8 and a light amount waveform of the fluorescent lamp. In FIG. 9,
ここで、低輝度時の測光での電荷の蓄積時間T1は、蛍光灯の光量波形の周期と同じ10mSとすることが多いので、どのようなタイミングで測光を行っても、蛍光灯の光量変化によって測光精度は変わらない。 Here, since the charge accumulation time T1 in photometry at low brightness is often 10 mS, which is the same as the period of the light quantity waveform of the fluorescent lamp, the light quantity change of the fluorescent lamp can be changed at any timing. Does not change the photometric accuracy.
一方、高輝度時の測光での電荷の蓄積時間T2は、例えば10μSとしているので、A点で測光を行った場合とB点でタイミングで測光を行った場合とでは、蛍光灯の発光光量が異なることになり、蛍光灯の光量変化によって測光精度が低下する。 On the other hand, since the charge accumulation time T2 in photometry at high brightness is, for example, 10 μS, the amount of light emitted from the fluorescent lamp is different between when the photometry is performed at the point A and when the photometry is performed at the timing at the point B. As a result, the photometric accuracy decreases due to the change in the light quantity of the fluorescent lamp.
このため、測光精度を低下させないようにするためには、高輝度時に、複数回の測光を行って平均値506を求めておいたり、予め最適な電荷の蓄積時間を決定しておく必要が生じる。
For this reason, in order not to lower the photometric accuracy, it is necessary to obtain an
複数回の測光を行う場合には電荷の蓄積量を平均化するための演算処理が必要になるし、予め最適な電荷の蓄積時間を決定するための複雑な演算が必要になり、いずれの手法を採用しても、測光時間が増加する。 When performing photometry multiple times, calculation processing is required to average the amount of accumulated charge, and complicated calculation is necessary to determine the optimal charge accumulation time in advance. Even if is used, the photometry time increases.
さらに、従来の技術では、前回の測光の際の輝度状態と次回の測光の際の輝度状態が急激に変化した場合には、前回の測光の際の輝度情報からは、次回の測光の際の最適な蓄積時間を決定することができず、この決定までに多大な時間を必要とする。この結果例えば閃光手段の発光時のように急激に被写界の輝度が変化した場合には正確な測光を行うことができない。 Furthermore, in the conventional technique, when the brightness state at the previous metering and the brightness state at the next metering change abruptly, from the brightness information at the previous metering, The optimum accumulation time cannot be determined, and a great deal of time is required until this determination. As a result, for example, when the brightness of the object scene changes abruptly, such as when the flash means emits light, accurate photometry cannot be performed.
そこで、本発明は、面倒な演算等を行うことなく、測光精度を低下させないようにすることを課題とする。また急激に被写界の輝度情報が変化した場合においても正確な測光を行うことを目的としている。 Therefore, an object of the present invention is to prevent a reduction in photometric accuracy without performing troublesome calculations. Another object of the present invention is to perform accurate photometry even when the luminance information of the scene changes suddenly.
本発明の1つの側面は、複数の画素を有する光電変換装置に係り、前記複数の画素の各々は、光電変換素子と、前記光電変換素子で発生した電荷に基づく信号を出力する増幅手段と、前記光電変換素子に接続された第1のトランジスタを含み、前記光電変換素子で発生した電荷を前記第1のトランジスタを通して前記増幅手段の入力ノードに転送する転送手段と、前記光電変換素子に接続された第2のトランジスタを含み、前記光電変換素子で発生した電荷を、前記第2のトランジスタによって前記光電変換素子と電源とを接続することによって、前記第2のトランジスタを通して前記光電変換素子から前記電源に排出する排出手段と、前記増幅手段の前記入力ノードの電圧をリセットするリセット手段と、を含み、前記排出手段によって前記電源に電荷が排出され、当該排出の終了によって前記光電変換素子での電荷の蓄積が始まり、前記光電変換素子で電荷が蓄積される期間は、第1の輝度のときに比べて、前記第1の輝度よりも低い第2の輝度のときのほうが長く、前記転送手段は、前記光電変換素子で発生した電荷を複数回にわたって前記入力ノードに転送し、前記転送手段によって前記複数回にわたって前記入力ノードに転送された電荷が前記入力ノードで加算され、前記転送手段による前記複数回にわたる電荷の転送における転送と転送との間に、前記排出手段によって前記光電変換素子から前記電源に電荷が排出される。 One aspect of the present invention relates to a photoelectric conversion device having a plurality of pixels, and each of the plurality of pixels includes a photoelectric conversion element, and an amplification unit that outputs a signal based on a charge generated in the photoelectric conversion element; A transfer unit that includes a first transistor connected to the photoelectric conversion element, and transfers charges generated in the photoelectric conversion element to an input node of the amplification unit through the first transistor; and is connected to the photoelectric conversion element. A charge generated in the photoelectric conversion element including the second transistor is connected to the power supply from the photoelectric conversion element through the second transistor by connecting the photoelectric conversion element and the power supply by the second transistor. Discharge means for discharging the output to the input node, and reset means for resetting the voltage of the input node of the amplification means. Charge is discharged to the power source, and accumulation of charge in the photoelectric conversion element starts when the discharge ends, and the period in which charge is accumulated in the photoelectric conversion element is longer than that in the first luminance. is rather long, the transfer means towards the case of the lower second luminance than the luminance, the charge generated in the photoelectric conversion element to transfer a plurality of times to said input node, said input across said plurality of times by said transfer means The charge transferred to the node is added at the input node, and the charge is discharged from the photoelectric conversion element to the power source by the discharge means during the transfer of the charges in the plurality of times by the transfer means. The
以上に示したように、本発明によると、光電変換素子で変換され選択的に一定周期で抽出された電荷を加算することが可能なので、面倒な演算等を行うことなく、測光精度を低下させないようにすることができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to add the charges converted by the photoelectric conversion element and selectively extracted at a constant period, so that the photometric accuracy is not lowered without performing troublesome calculations. Can be.
(実施形態1)
「原理の説明」
図1は、本発明の実施形態1の測光センサの動作原理の説明図である。図1において、100は蛍光灯の光量波形である。
(Embodiment 1)
“Description of Principle”
FIG. 1 is an explanatory diagram of the operation principle of the photometric sensor according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, 100 is a light quantity waveform of a fluorescent lamp.
また、101は低輝度時における電荷の蓄積タイミングを示すパルスであり、ハイレベル時に電荷を蓄積するようにしている。ここで、ハイレベルの期間T2は、フリッカの影響を受けないように例えば蛍光灯の周期である10mSとしている。
また、102は高輝度時における電荷の蓄積タイミングを示すパルスであり、ハイレベル時に電荷を蓄積するようにしている。ここで、ハイレベルの期間t1,t2,…t10は、例えば1μSとしており、例えば10mS内に10回ハイ/ローを切り替えるようにしている。なお、高輝度時とは低輝度時のタイミングで電荷を蓄積しようとした場合に、蓄積している電荷が飽和する時を云う。
上記のような蓄積時間にすると、高輝度時と低輝度時とで電荷の蓄積時間の比が1:1000になる。ちなみに、高輝度時に蓄積した電荷は加算の後に、測光のための演算処理を行う。 When the accumulation time is as described above, the ratio of the charge accumulation time between the high luminance and the low luminance is 1: 1000. Incidentally, the charge accumulated at the time of high luminance is subjected to arithmetic processing for photometry after addition.
ちなみに、一般的には、カメラの測光装置に要求される測光可能範囲は、EV0〜EV20、すなわちダイナミックレンジにして20EV程度であるとされている。しかし、撮像素子のほとんどのダイナミックレンジは10EV程度である。 Incidentally, it is generally assumed that the photometric range required for the photometric device of the camera is EV0 to EV20, that is, about 20 EV in the dynamic range. However, most of the dynamic range of the image sensor is about 10 EV.
そこで、蓄積時間を調整して要求される測光可能範囲を、主要被写体を含む最適レベルに調節する必要が生じる。 Therefore, it is necessary to adjust the accumulation time to adjust the required photometric range to the optimum level including the main subject.
具体的には、被写界での輝度値がEV0〜EV20であると、標準的な撮影レンズを装着した場合での光電変換素子の受光面上での照度はおよそ0.01Lx〜10000Lxとなる。 Specifically, when the luminance value in the field is EV0 to EV20, the illuminance on the light receiving surface of the photoelectric conversion element when a standard photographing lens is attached is approximately 0.01 Lx to 10000 Lx. .
光電変換素子の感度を仮に約20V/lx・S、飽和出力を約2Vとすると、電荷の蓄積時間が10μSである時には測光可能範囲は約EV10〜EV20であり、電荷の蓄積時間が10mSである時には測光可能範囲はEV0〜EV10となる。 Assuming that the sensitivity of the photoelectric conversion element is about 20 V / lx · S and the saturation output is about 2 V, when the charge accumulation time is 10 μS, the photometric range is about EV10 to EV20, and the charge accumulation time is 10 mS. Sometimes the photometric range is EV0 to EV10.
すなわち、光電変換素子の蓄積時間を10μS〜10mSの範囲で調節することにより、初めてカメラの測光装置に要求される測光可能範囲であるEV0〜EV20のダイナミックレンジが実現可能になる。 That is, by adjusting the accumulation time of the photoelectric conversion element in the range of 10 μS to 10 mS, the dynamic range of EV0 to EV20 that is a photometric range required for the photometric device of the camera can be realized for the first time.
「構成の説明」
図2は、図1に示す動作を実現する測光センサの等価回路図である。図2において、1は光を電荷に変換すると共に変換した電荷を蓄積する光電変換素子であるフォトダイオード、2,3はフォトダイオード1に蓄積されている電荷を選択的に転送する転送スイッチ、4,7は転送スイッチ2,3による電荷の転送先の電位を基準電位にリセットするリセットスイッチ、5は転送スイッチ2によって転送された電荷に基づく増幅信号を生成するためのソースフォロア、6は増幅信号の読み出しを選択する選択スイッチ、10はソースフォロア5と共に増幅信号の読み出しを行う負荷電流源、9は読み出された増幅信号を出力線22に送るスイッチ、8は転送スイッチ3によって転送された電荷を蓄積する容量、21は転送スイッチ2によって電荷が転送されるフローティングディフュージョン(以下、「FD」と称する。)である。
"Configuration Description"
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of a photometric sensor that realizes the operation shown in FIG. In FIG. 2, reference numeral 1 denotes a photodiode which is a photoelectric conversion element that converts light into electric charge and stores the converted electric charge, and
なお、リセットスイッチ7は、容量8に蓄積されている電荷がフォトダイオード1に蓄積されている電荷に影響を与えなければ、必ずしも作動させなくてもよい。
Note that the
また、容量8に代えてVCCやGNDなどの基準電圧に転送スイッチ3を接続するようにしてもよい。
The
「動作の説明」
図3は、図2のリセットスイッチ4,7、選択スイッチ6、転送スイッチ2,3及びスイッチ9の各ゲートに印加するパルス信号の高輝度時の様子を示す図である。なお、図3には、図1に示す蓄積時間t1〜t10も付している。以下、図3を用いつつ、図2の測光センサの動作について説明する。
"Description of operation"
FIG. 3 is a diagram showing a high-luminance state of the pulse signal applied to the gates of the reset switches 4 and 7, the selection switch 6, the transfer switches 2 and 3, and the switch 9 in FIG. 2. FIG. 3 also includes the accumulation times t1 to t10 shown in FIG. Hereinafter, the operation of the photometric sensor of FIG. 2 will be described with reference to FIG.
まず、高輝度時の動作について説明する。リセットスイッチ4のゲートに印加されているローレベルのパルス信号φR1が一時的にハイレベルに切り替えられ、FD21の電位がリセットされる。FD21の電位はダークレベルとなる。
First, the operation at high luminance will be described. The low level pulse signal φR1 applied to the gate of the
それから、フォトダイオード1に光が入射され、入射光が電荷に変換される。変換された電荷はフォトダイオード1の内部に蓄積される。 Then, light enters the photodiode 1 and the incident light is converted into electric charges. The converted charge is accumulated in the photodiode 1.
なお、電荷の蓄積開始時には、転送スイッチ2,3はそれぞれオフしており、フォトダイオード1とFD21及び容量7とは電気的に接続されていないので、FD21及び容量8にはフォトダイオード1で変換された電荷は転送されない。
At the start of charge accumulation, the transfer switches 2 and 3 are turned off, and the photodiode 1 is not electrically connected to the
つぎに、選択スイッチ6のゲートに印加されているローレベルのパルス信号φSELがハイレベルとされ、負荷電流源10とソースフォロア5とが作動される。
Next, the low level pulse signal φSEL applied to the gate of the selection switch 6 is set to the high level, and the load
この状態で、転送スイッチ2,3のゲートに印加されているパルス信号φTX1,φTX2が連続して交互にハイ/ローと切り替えられ、フォトダイオード1に蓄積された電荷がFD21又は容量8に転送される。
In this state, the pulse signals φTX1 and φTX2 applied to the gates of the transfer switches 2 and 3 are continuously switched to high / low alternately, and the charge accumulated in the photodiode 1 is transferred to the
この際、転送スイッチ2,3がそれぞれオンされる毎に、リセットスイッチ7に印加しているパルス信号φR2がローレベルからハイレベルに切り替えられ、容量8の電位がリセットされる。
At this time, each time the transfer switches 2 and 3 are turned on, the pulse signal φR2 applied to the
ちなみに、フォトダイオード1では、転送スイッチ2,3がローレベルに切り替えられた瞬間から電荷の蓄積が開始され、ハイレベルに切り替えられた瞬間から蓄積している電荷の転送を開始する。換言すると、パルス信号φTX2がローレベルに切り替えられた後、フォトダイオード1の電荷をFD21上に転送し、パルス信号TX1がオフするまでの時間が蓄積時間t1,t2,…となる。
Incidentally, in the photodiode 1, charge accumulation is started from the moment when the transfer switches 2 and 3 are switched to the low level, and transfer of the accumulated charge is started from the moment when the transfer switches 2 and 3 are switched to the high level. In other words, after the pulse signal φTX2 is switched to the low level, the time until the charge of the photodiode 1 is transferred to the
ここで、図3に示すように、パルス信号φR2,φTX1及びφTX2を各スイッチ7,2及び3に印加すると、FD21には図1に示すパルス102に同期したタイミングで電荷が転送される。
Here, as shown in FIG. 3, when pulse signals φR2, φTX1, and φTX2 are applied to the
また、転送スイッチ2をオフすると、転送された電荷によってFD21の電圧は保持、加算される。その後、スイッチ9のゲートに印加しているφT1をオンすると、FD21で加算された電荷に基づく増幅信号が出力線22に送られる。
When the
最後に、選択スイッチ6のゲートに印加されているパルス信号φSELがローレベルに戻され、図3に示す動作が終了する。 Finally, the pulse signal φSEL applied to the gate of the selection switch 6 is returned to the low level, and the operation shown in FIG.
つぎに、低輝度時の動作について説明する。低輝度時には、転送スイッチ3のゲートに印加しているパルス信号φTX2をローレベルのままにし、転送スイッチ3をオフした状態で、転送スイッチ2のゲートに印加しているパルス信号φTX1のハイ/ローを切り替えて、転送スイッチ2を例えば10mSオンする。他のパルス信号φR1,φR2、φSEL、φT1は図3と同様である。
Next, the operation at low luminance will be described. When the luminance is low, the pulse signal φTX2 applied to the gate of the
すると、FD21には図1に示すパルス101に同期したタイミングで電荷が転送され、その後、スイッチ9のゲートに印加しているφT1をオンすると、FD21に転送された電荷に基づく増幅信号が出力線22に送られる。
Then, charges are transferred to the
(実施形態2)
本発明の実施形態2では、例えば図2に等価回路で示したフォトダイオード1等をマトリクス状、デルタ状、ハニカム状のように2次元的に配列し、奇数行で低輝度用の電荷の蓄積を行い、偶数行で高輝度用の電荷の蓄積を行うようにしている。
(Embodiment 2)
In
図4は、本発明の実施形態2の測光センサ310の平面図である。図4における矩形は、それぞれ図2の等価回路図で示すフォトダイオード1等を示している。なお、図4には、各行301〜308における電荷の蓄積時間を付しており、奇数行301,303等の蓄積時間は図1のパルス101に相当し、偶数行302,304等の蓄積時間は図1のパルス102に相当する。
FIG. 4 is a plan view of the photometric sensor 310 according to the second embodiment of the present invention. The rectangles in FIG. 4 indicate the photodiodes 1 and the like shown in the equivalent circuit diagram of FIG. 4 shows the charge accumulation time in each
図4に示すように低輝度用と高輝度用との電荷蓄積を行えるようにすると、広いダイナミックレンジを確保することができるようになると共に、被写界の輝度状態が急に変化しても測光精度が低下しなくなる。 As shown in FIG. 4, when charge accumulation for low luminance and high luminance can be performed, a wide dynamic range can be secured, and even if the luminance state of the object scene suddenly changes. The photometric accuracy will not decrease.
なお、ここでは奇数行と偶数行とで、それぞれ低輝度用と高輝度用との電荷の蓄積を行う場合を例に説明したが、例えばこれらの中間に値する中輝度用の電荷の蓄積を行うようにしてもよい。また奇数列と偶数列とで電荷の蓄積時間を変えたり、斜め格子状に電荷の蓄積時間を変えてもよい。 Here, an example has been described in which charge accumulation for low luminance and high luminance is performed in odd rows and even rows, respectively. For example, charges for medium luminance that are intermediate between these are accumulated. You may do it. Further, the charge accumulation time may be changed between the odd-numbered column and the even-numbered column, or the charge accumulation time may be changed in an oblique lattice shape.
(実施形態3)
本発明の実施形態3の測光センサは、図2に示す測光センサに、各スイッチ2〜5等のスイッチング時に発生するノイズを除去するノイズ除去手段を備えたものである。
(Embodiment 3)
A photometric sensor according to
「構成の説明」
図5は、本発明の実施形態3の測光センサの等価回路図である。図5において、12はスイッチ9によって伝送された増幅信号に基づく信号を出力するMOSトランジスタ、11はノイズ信号電荷及びこれを含む光信号電荷を蓄積する蓄積容量、14は電源電圧VDDに接続されたMOSトランジスタ、13はMOSトランジスタ12からの信号を取り出す負荷電源、16はノイズ信号電荷を読み出すための読出用MOSトランジスタ、18はノイズ信号電荷を読み出すための容量、15はノイズ成分を含む光信号電荷を読み出すための読出用MOSトランジスタ、17はノイズ成分を含む光信号電荷を読み出すための容量、19は容量17,18の電位をリセットするリセットMOSトランジスタ、20は光信号電荷からノイズ信号電荷を差分する差動アンプである。
"Configuration Description"
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of a photometric sensor according to
なお、MOSトランジスタ12,14と、負荷電源13と、ノイズ蓄積蓄積容量11とによってノイズ成分除去手段を構成している。また、図5において図2と同様の部分には同一符号を付している。 The MOS transistors 12 and 14, the load power supply 13, and the noise storage / storage capacitor 11 constitute noise component removing means. In FIG. 5, the same reference numerals are given to the same parts as those in FIG. 2.
「動作の説明」
図6は、図5のリセットスイッチ4,7、選択スイッチ6、転送スイッチ2,3、スイッチ9、読出用MOSトランジスタ15,16及びリセットMOSトランジスタ19の各ゲートに印加するパルス信号の高輝度時の様子を示す図である。以下、図6を用いつつ、図5の測光センサの動作について説明する。
"Description of operation"
FIG. 6 shows the reset switches 4 and 7, the selection switch 6, the transfer switches 2 and 3, the switch 9, the
まず、高輝度時の動作について説明する。リセットスイッチ4及びリセットMOSトランジスタ19のゲートに印加されているパルス信号φR1,φCRがローレベルの状態から一時的にハイレベルに切り替えられ、FD21の電位、容量17,18がリセットされる。FD21の電位はダークレベルとなる。
First, the operation at high luminance will be described. The pulse signals φR1 and φCR applied to the
それから、フォトダイオード1に光が入射され、入射光が電荷に変換される。変換された電荷はフォトダイオード1の内部に蓄積される。なお、実施形態1と同様に、電荷の蓄積開始時には、転送スイッチ2,3はそれぞれオフしている。 Then, light enters the photodiode 1 and the incident light is converted into electric charges. The converted charge is accumulated in the photodiode 1. As in the first embodiment, the transfer switches 2 and 3 are turned off at the start of charge accumulation.
つぎに、選択スイッチ6のゲートに印加されているローレベルのパルス信号がハイレベルに切り替えられ、負荷電流源10とソースフォロア5とが作動される。
Next, the low level pulse signal applied to the gate of the selection switch 6 is switched to the high level, and the load
つぎに、スイッチ9のゲートに印加されているパルス信号φT1がハイレベルとされ、FD21のリセット時に発生したノイズ成分が蓄積容量11に蓄積される。
Next, the pulse signal φT1 applied to the gate of the switch 9 is set to the high level, and the noise component generated when the
それから、転送スイッチ2,3のゲートに印加されているパルス信号φTX1,φTX2が連続して交互にハイ/ローとされ、フォトダイオード1に蓄積された電荷がFD21又は容量8に転送される。
Then, the pulse signals φTX1 and φTX2 applied to the gates of the transfer switches 2 and 3 are alternately made high / low alternately, and the electric charge accumulated in the photodiode 1 is transferred to the
この際、転送スイッチ2,3がそれぞれオンされる毎に、リセットスイッチ7に印加しているパルス信号φR2がローレベルからハイレベルに切り替えられ、容量8の電位がリセットされる。
At this time, each time the transfer switches 2 and 3 are turned on, the pulse signal φR2 applied to the
ちなみに、フォトダイオード1では、転送スイッチ2,3がオフされた瞬間から電荷の蓄積が開始され、オンされた瞬間から蓄積している電荷の転送を開始する。 Incidentally, in the photodiode 1, charge accumulation is started from the moment when the transfer switches 2 and 3 are turned off, and transfer of the accumulated charge is started from the moment when it is turned on.
また、転送スイッチ2をオフすると、転送された電荷によってFD21の電圧は保持、加算される。
When the
そして、最後の電荷の蓄積が終了した後、読出用MOSトランジスタ16のゲートに印加しているパルス信号φTNをローレベルからハイレベルに切り替え、MOSトランジスタ14のゲートに印加しているパルス信号をローレベルからハイレベルに切り替えると、蓄積容量11に蓄積されていたノイズ成分が容量18に転送される。 After the final charge accumulation is completed, the pulse signal φTN applied to the gate of the read MOS transistor 16 is switched from the low level to the high level, and the pulse signal applied to the gate of the MOS transistor 14 is switched to the low level. When switching from the level to the high level, the noise component accumulated in the storage capacitor 11 is transferred to the capacitor 18.
その後、スイッチ9のゲートに印加しているφT1をオンすると、FD21で加算された電荷に基づく増幅信号が出力線22に送られ、蓄積容量11に転送される。
Thereafter, when φT1 applied to the gate of the switch 9 is turned on, an amplified signal based on the electric charge added by the
それから、読出用MOSトランジスタ17のゲートに印加しているパルス信号φTNをローレベルからハイレベルに切り替えると、蓄積容量11に蓄積されていたノイズ成分を含む光信号電荷が容量17に転送される。 Then, when the pulse signal φTN applied to the gate of the read MOS transistor 17 is switched from the low level to the high level, the optical signal charge including the noise component stored in the storage capacitor 11 is transferred to the capacitor 17.
その後、MOSトランジスタ14のゲートに印加しているパルス信号をローレベルに戻し、容量17,18と差動アンプ20との間に設けられているMOSトランジスタのゲートに印加されているパルス信号がローレベルからハイレベル切り替えられると、容量17,18にそれぞれ保持された信号成分が差動アンプ20に送られ、ノイズ除去が行われる。 Thereafter, the pulse signal applied to the gate of the MOS transistor 14 is returned to the low level, and the pulse signal applied to the gate of the MOS transistor provided between the capacitors 17 and 18 and the differential amplifier 20 is low. When the level is switched to the high level, the signal components respectively held in the capacitors 17 and 18 are sent to the differential amplifier 20 to perform noise removal.
最後に、選択スイッチ6のゲートに印加されているパルス信号がローレベルに戻され、図6に示す動作が終了する。 Finally, the pulse signal applied to the gate of the selection switch 6 is returned to the low level, and the operation shown in FIG. 6 ends.
つぎに、低輝度時の動作について説明する。低輝度時には、転送スイッチ3のゲートに印加しているパルス信号φTX2をローレベルのままにし、転送スイッチ3をオフした状態で、転送スイッチ2のゲートに印加しているパルス信号φTX1のハイ/ローを切り替えて、転送スイッチ2を例えば10mSオンする。他のパルス信号φR1,φR2、φT1、φTS、φTN、φCRは図6と同様である。
Next, the operation at low luminance will be described. When the luminance is low, the pulse signal φTX2 applied to the gate of the
すると、FD21には図1に示すパルス101に同期したタイミングで電荷が転送され、ノイズ成分が除去された光信号電荷が差動アンプ20から出力される。
Then, charges are transferred to the
(実施形態4)
図7は、本発明の実施形態4の撮像装置の構成的な構成を示すブロック図である。図7において、51はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、52は被写体の光学像を固体撮像素子54に結像させるレンズ、53はレンズ52を通った光量を可変するための絞り、54はレンズ52で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、55は固体撮像素子54から出力される画像信号に各種の補正、クランプ等の処理を行う撮像信号処理回路、56は固体撮像素子54より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うA/D変換器、57はA/D変換器56より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、58は固体撮像素子54,撮像信号処理回路55,A/D変換器56,信号処理部57,測光センサ64に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、59は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、60は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部、61は記録媒体に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部、62は画像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、63は外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース(I/F)部、64は実施形態1〜3で説明した測光センサである。
(Embodiment 4)
FIG. 7 is a block diagram showing a structural configuration of an imaging apparatus according to
つぎに、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について、説明する。バリア51がオープンされるとメイン電源がオンされ、つぎにコントロール系の電源がオンし、さらに、A/D変換器56などの撮像系回路の電源がオンされる。 Next, the operation of the still video camera at the time of shooting in the above configuration will be described. When the barrier 51 is opened, the main power supply is turned on, the control system power supply is turned on, and the power supply of the imaging system circuit such as the A / D converter 56 is turned on.
それから、露光量を制御するために、全体制御・演算部59は絞り53を開放にし、測光センサ64に被写界からの光が入射される。測光センサ64は、実施形態1〜3で説明したような手順で駆動され、全体制御・演算部59に電荷に基づく信号を出力する。 Then, in order to control the exposure amount, the overall control / calculation unit 59 opens the diaphragm 53 and light from the object scene enters the photometric sensor 64. The photometric sensor 64 is driven according to the procedure described in the first to third embodiments, and outputs a signal based on charges to the overall control / calculation unit 59.
全体制御・演算部59は、この出力信号に基づいて被写界の明るさを判断し、その結果に応じて絞り53を制御する。 The overall control / calculation unit 59 determines the brightness of the object scene based on the output signal, and controls the diaphragm 53 according to the result.
つぎに、撮像を行う。まず、被写界からの光が固体撮像素子54に入力され、固体撮像素子54から出力される電荷に基づく信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部59で行う。
Next, imaging is performed. First, light from the object scene is input to the solid-
その後、レンズ52を駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再びレンズ52を駆動し測距を行う。そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。 Thereafter, the lens 52 is driven to determine whether or not it is in focus. When it is determined that the lens is not in focus, the lens 52 is driven again to perform distance measurement. Then, after the in-focus state is confirmed, the main exposure starts.
露光が終了すると、固体撮像素子54から出力された画像信号は、撮像信号処理回路55において補正等がされ、さらにA/D変換器56でA/D変換され、信号処理部57を通り全体制御・演算59によりメモリ部60に蓄積される。
When the exposure is completed, the image signal output from the solid-
その後、メモリ部60に蓄積されたデータは、全体制御・演算部59の制御により記録媒体制御I/F部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体62に記録される。また外部I/F部63を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。 Thereafter, the data stored in the memory unit 60 is recorded on a removable recording medium 62 such as a semiconductor memory through the recording medium control I / F unit under the control of the overall control / arithmetic unit 59. Further, the image may be processed by directly entering the computer or the like through the external I / F unit 63.
1 フォトダイオード
2,3 転送スイッチ
4,7 リセットスイッチ
5 ソースフォロア
6 選択スイッチ
8 容量
9 スイッチ
10 負荷電流源
12 MOSトランジスタ
11 蓄積容量
14 MOSトランジスタ
13 負荷電源
15,16 読出用MOSトランジスタ
17,18 容量
19 リセットMOSトランジスタ
20 差動アンプ
21 フローティングディフュージョン(FD)
22 出力線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
22 Output line
Claims (5)
前記複数の画素の各々は、
光電変換素子と、
前記光電変換素子で発生した電荷に基づく信号を出力する増幅手段と、
前記光電変換素子に接続された第1のトランジスタを含み、前記光電変換素子で発生した電荷を前記第1のトランジスタを通して前記増幅手段の入力ノードに転送する転送手段と、
前記光電変換素子に接続された第2のトランジスタを含み、前記光電変換素子で発生した電荷を、前記第2のトランジスタによって前記光電変換素子と電源とを接続することによって、前記第2のトランジスタを通して前記光電変換素子から前記電源に排出する排出手段と、
前記増幅手段の前記入力ノードの電圧をリセットするリセット手段と、を含み、
前記排出手段によって前記電源に電荷が排出され、当該排出の終了によって前記光電変換素子での電荷の蓄積が始まり、前記光電変換素子で電荷が蓄積される期間は、第1の輝度のときに比べて、前記第1の輝度よりも低い第2の輝度のときのほうが長く、
前記転送手段は、前記光電変換素子で発生した電荷を複数回にわたって前記入力ノードに転送し、前記転送手段によって前記複数回にわたって前記入力ノードに転送された電荷が前記入力ノードで加算され、
前記転送手段による前記複数回にわたる電荷の転送における転送と転送との間に、前記排出手段によって前記光電変換素子から前記電源に電荷が排出される、
ことを特徴とする光電変換装置。 A photoelectric conversion device having a plurality of pixels,
Each of the plurality of pixels is
A photoelectric conversion element;
Amplifying means for outputting a signal based on the charge generated in the photoelectric conversion element;
Transfer means including a first transistor connected to the photoelectric conversion element, and transferring the charge generated in the photoelectric conversion element to the input node of the amplification means through the first transistor;
A second transistor connected to the photoelectric conversion element, and the charge generated in the photoelectric conversion element is connected to the photoelectric conversion element and a power source by the second transistor , thereby passing through the second transistor. Discharging means for discharging from the photoelectric conversion element to the power source;
Resetting means for resetting the voltage at the input node of the amplifying means,
Charge is discharged to the power source by the discharge means, and accumulation of charge in the photoelectric conversion element starts when the discharge ends, and the period in which charge is stored in the photoelectric conversion element is compared with the case of the first luminance. Te, rather long better when the first second luminance lower than the luminance,
The transfer means transfers the charge generated in the photoelectric conversion element to the input node a plurality of times, and the charge transferred to the input node by the transfer means a plurality of times is added at the input node,
Charges are discharged from the photoelectric conversion element to the power source by the discharging unit between the transfer of the plurality of times of transferring the charge by the transfer unit.
A photoelectric conversion device characterized by that.
ことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 One main node of the second transistor is connected to the photoelectric conversion element, and the other main node of the second transistor is connected to the power source.
The photoelectric conversion device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 The reset means does not reset the potential of the input node during a plurality of times of charge transfer to the input node by the transfer means.
The photoelectric conversion device according to claim 1 .
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光電変換装置。 The plurality of pixels include a first pixel and a second pixel, and the charge accumulation time of the first pixel by the photoelectric conversion element is longer than the charge accumulation time of the second pixel by the photoelectric conversion element. The first pixel and the second pixel are controlled;
The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that.
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