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JP6651720B2 - Imaging device and imaging device - Google Patents

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JP6651720B2 JP2015138569A JP2015138569A JP6651720B2 JP 6651720 B2 JP6651720 B2 JP 6651720B2 JP 2015138569 A JP2015138569 A JP 2015138569A JP 2015138569 A JP2015138569 A JP 2015138569A JP 6651720 B2 JP6651720 B2 JP 6651720B2
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Description

本発明は、撮像素子および撮像装置に関する。   The present invention relates to an imaging device and an imaging device.

変調した照明光で照明し、反射光をロックイン検出することにより撮像対象の画像を撮像する撮像素子がある(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1 特開2012−205217号公報
2. Description of the Related Art There is an imaging device that illuminates with modulated illumination light and locks in reflected light to capture an image of an imaging target (for example, see Patent Document 1).
Patent Document 1 JP 2012-205217 A

撮像素子の面積が拡大した場合に、素子内で制御信号の減衰等が生じて撮像品質が低下する場合がある。   When the area of the imaging device is enlarged, the control signal may be attenuated in the device, and the imaging quality may be degraded.

本発明の第1の態様においては、受光の強度に応じて個別に電荷を出力する複数の受光素子と、複数の受光素子の少なくとも一部の周辺に設けられ、電荷に対応した電気信号を出力する周辺回路と、周辺回路を制御する制御信号を増幅して、周辺回路に供給する増幅器とを備え、複数の受光素子は第1の基板に配され、増幅器は、第1の基板に積層された第2の基板に配される撮像素子が提供される。   According to a first aspect of the present invention, a plurality of light receiving elements for individually outputting electric charges in accordance with the intensity of light reception, and an electric signal corresponding to the electric charges are provided around at least a part of the plurality of light receiving elements. A plurality of light receiving elements are arranged on a first substrate, and the amplifier is stacked on the first substrate. An imaging element arranged on the second substrate is provided.

本発明の第2の態様においては、上記の撮像素子と、当該撮像素子に撮像対象の像を形成する光学系とを備えた撮像装置が提供される。   According to a second aspect of the present invention, there is provided an imaging apparatus including the above-described imaging element and an optical system that forms an image of an imaging target on the imaging element.

上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。   The above summary of the present invention is not an exhaustive listing of all features of the present invention. Sub-combinations of these features can also be inventions.

撮像素子101の電気的構造を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an electrical structure of an imaging element. 撮像素子101の模式的な分解斜視図である。FIG. 2 is a schematic exploded perspective view of the image sensor 101. 主に画素回路110の電気的構造を示す図である。FIG. 3 is a diagram mainly showing an electrical structure of the pixel circuit 110. 主に増幅回路230の電気的構造を示す図である。FIG. 3 is a diagram mainly showing an electrical structure of an amplifier circuit 230. 撮像素子101の部分的な断面図である。FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the image sensor 101. 撮像装置300の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of an imaging device. 撮像素子101の動作を説明するタイミングチャートである。4 is a timing chart illustrating an operation of the image sensor 101. 撮像素子101のレイアウトを示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a layout of an image sensor 101. 撮像素子102のレイアウトを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a layout of an image sensor 102. 撮像素子103のレイアウトを示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a layout of an image sensor 103. 撮像素子104のレイアウトを示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a layout of an image sensor 104. 増幅回路230のレイアウトを示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing a layout of an amplifier circuit 230. 増幅回路230のレイアウトを示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing a layout of an amplifier circuit 230. 撮像素子105のレイアウトを示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a layout of an image sensor 105. 撮像素子106のレイアウトを示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a layout of an image sensor. 画素回路400の他の構造を示す模式図である。FIG. 9 is a schematic diagram showing another structure of the pixel circuit 400. 画素回路400の電気的構造を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing an electrical structure of the pixel circuit 400. 撮像装置300の動作を説明するタイミングチャートである。6 is a timing chart illustrating an operation of the imaging device 300. 撮像装置300の他の動作を説明するタイミングチャートである。6 is a timing chart illustrating another operation of the imaging device 300. 撮像装置300のまた他の動作を説明するタイミングチャートである。13 is a timing chart illustrating still another operation of the imaging device 300.

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。下記の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。下記の実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。   Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the present invention. The following embodiments do not limit the invention according to the claims. Not all combinations of features described in the following embodiments are necessarily essential to the solution of the invention.

図1は、撮像素子101の電気的な構造を示す模式図である。撮像素子101は、互いに積層された第1の基板100および第2の基板200を備える。   FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an electrical structure of the image sensor 101. The image sensor 101 includes a first substrate 100 and a second substrate 200 stacked on each other.

第1の基板100は、マトリックス状に配列された複数の画素回路110を有し、画素アレイを形成する。画素回路110の各々は、フォトダイオード等の受光素子と、拡散領域等により形成された容量素子とを有する。これにより、画素回路110の各々は、受光した光の光強度に応じた電荷を発生して容量素子に蓄積する。   The first substrate 100 has a plurality of pixel circuits 110 arranged in a matrix and forms a pixel array. Each of the pixel circuits 110 has a light receiving element such as a photodiode and a capacitor formed by a diffusion region or the like. Accordingly, each of the pixel circuits 110 generates a charge corresponding to the light intensity of the received light and accumulates the charge in the capacitor.

第2の基板200は、上記の画素回路110に制御信号を供給する制御回路として、垂直駆動回路212、水平駆動回路214、および読み出し回路220を有する。なお、以降の説明において、垂直駆動回路212および水平駆動回路214を合わせて画素駆動回路210と記載する場合がある。   The second substrate 200 includes a vertical drive circuit 212, a horizontal drive circuit 214, and a readout circuit 220 as a control circuit that supplies a control signal to the pixel circuit 110. Note that in the following description, the vertical drive circuit 212 and the horizontal drive circuit 214 may be collectively referred to as a pixel drive circuit 210.

撮像素子101においては、画素回路110が形成する画素アレイの配列の一辺に沿って垂直駆動回路212が配される。また、垂直駆動回路212が平行に配された辺と直交する辺に沿って、水平駆動回路214および読み出し回路220が配される。   In the image sensor 101, a vertical drive circuit 212 is arranged along one side of an array of a pixel array formed by the pixel circuits 110. Further, a horizontal drive circuit 214 and a readout circuit 220 are arranged along a side orthogonal to a side where the vertical drive circuit 212 is arranged in parallel.

垂直駆動回路212は、図中水平に配された複数の信号線を通じて画素回路110の行毎に接続される。また、垂直駆動回路212は、シフトレジスタを有し、接続された複数の信号線を通じて、画素回路110の各行に対して制御信号を順次供給する。これにより、画素回路110は、行単位で順次垂直方向に選択走査される。   The vertical drive circuit 212 is connected to each row of the pixel circuits 110 through a plurality of signal lines arranged horizontally in the drawing. The vertical drive circuit 212 has a shift register, and sequentially supplies a control signal to each row of the pixel circuits 110 through a plurality of connected signal lines. Thus, the pixel circuits 110 are sequentially selectively scanned in the vertical direction on a row-by-row basis.

読み出し回路220は、負荷トランジスタ、列選択トランジスタ等を含み、画素回路110に対して列毎に接続される。水平駆動回路214は、シフトレジスタを含み、読み出し回路220における列選択トランジスタに接続される。水平駆動回路214は、読み出し回路220の列選択トランジスタに制御信号を供給して順次駆動することにより、読み出し回路220を通じて、画素回路110を列毎に順次選択走査する。   The readout circuit 220 includes a load transistor, a column selection transistor, and the like, and is connected to the pixel circuit 110 for each column. The horizontal drive circuit 214 includes a shift register and is connected to a column selection transistor in the read circuit 220. The horizontal drive circuit 214 supplies a control signal to the column selection transistor of the readout circuit 220 to sequentially drive the column selection transistors, thereby sequentially selectively scanning the pixel circuits 110 for each column through the readout circuit 220.

垂直駆動回路212により選択駆動された行において、水平駆動回路214により選択駆動された画素回路110は、各々の容量素子に蓄積された電荷に応じた電圧信号を読み出し回路220に出力する。垂直駆動回路212、水平駆動回路214、および読み出し回路220は、外部から供給されたクロック信号に従って同期して動作するので、撮像素子101が受光した光について光強度の二次元分布を検出して、画像を生成することが可能になる。   In the row selected and driven by the vertical drive circuit 212, the pixel circuit 110 selectively driven by the horizontal drive circuit 214 outputs a voltage signal corresponding to the charge stored in each capacitor to the readout circuit 220. Since the vertical drive circuit 212, the horizontal drive circuit 214, and the readout circuit 220 operate synchronously according to a clock signal supplied from the outside, the two-dimensional distribution of the light intensity of the light received by the image sensor 101 is detected. It is possible to generate an image.

図2は、撮像素子101の模式的な分解斜視図である。撮像素子101は、第1の基板100および第2の基板200を積層した構造を有する。   FIG. 2 is a schematic exploded perspective view of the image sensor 101. FIG. The imaging element 101 has a structure in which a first substrate 100 and a second substrate 200 are stacked.

第1の基板100は、図1に示した通り、画素回路110により形成された画素アレイを有する。第2の基板200は、図1に現れていた垂直駆動回路212、水平駆動回路214、および読み出し回路220に加えて、複数の増幅回路230を有する。なお、増幅回路230としては、例えば一対のインバータ素子を直列に接続した、リピータ、オペアンプ等を例示できる。   The first substrate 100 has a pixel array formed by the pixel circuits 110 as shown in FIG. The second substrate 200 includes a plurality of amplifier circuits 230 in addition to the vertical drive circuit 212, the horizontal drive circuit 214, and the readout circuit 220 that appear in FIG. In addition, as the amplifier circuit 230, for example, a repeater, an operational amplifier, or the like in which a pair of inverter elements are connected in series can be exemplified.

第2の基板200における複数の増幅回路230は、第1の基板100において画素回路110が配置された面の方向について、画素回路110が配置された領域の内側であって、第1の基板100および第2の基板200が積層された場合に画素アレイと重なる領域に配される。また、画素回路110と同様に、複数の増幅回路230は第2の基板200にマトリックス状に配置される。   The plurality of amplifier circuits 230 on the second substrate 200 are located inside the region where the pixel circuits 110 are arranged on the first substrate 100 in the direction of the surface on which the pixel circuits 110 are arranged, and And when the second substrate 200 is stacked, it is arranged in a region overlapping with the pixel array. Further, similarly to the pixel circuit 110, the plurality of amplifier circuits 230 are arranged in a matrix on the second substrate 200.

第1の基板100と第2の基板200とが積層された場合、第1の基板の画素回路110の各々は、個別に増幅回路230を経由して垂直駆動回路212および水平駆動回路214に接続される。増幅回路230の各々は、垂直駆動回路212および水平駆動回路214から供給された制御信号を個別に増幅して画素回路110に再送出する。   When the first substrate 100 and the second substrate 200 are stacked, each of the pixel circuits 110 on the first substrate is individually connected to the vertical drive circuit 212 and the horizontal drive circuit 214 via the amplifier circuit 230. Is done. Each of the amplifier circuits 230 individually amplifies the control signals supplied from the vertical drive circuit 212 and the horizontal drive circuit 214, and retransmits the control signals to the pixel circuit 110.

これにより、撮像素子101において画素回路110の各々に供給される制御信号は、垂直駆動回路212および水平駆動回路214のいずれかと差別の画素回路110との距離にかかわらず、高い信号レベルで制御信号を供給される。よって、撮像素子101が大型化あるいは高画素化した場合であっても、すべての画素回路110が確実に駆動される。   Accordingly, the control signal supplied to each of the pixel circuits 110 in the image sensor 101 has a high signal level regardless of the distance between one of the vertical drive circuit 212 and the horizontal drive circuit 214 and the discrimination pixel circuit 110. Supplied. Therefore, even if the image sensor 101 has a large size or a large number of pixels, all the pixel circuits 110 are reliably driven.

なお、図示の例では、垂直駆動回路212、水平駆動回路214、および読み出し回路220を含む周辺回路は、第1の基板100において画素回路110が配置された面の方向について、画素回路110が配置された領域の外側に配されている。しかしながら、第1の基板100と第2の基板200とは積層されているので、第2の基板200の回路要素を画素回路110と同じ領域に配しても、画素回路110に対する光の入射が妨げられることはない。   Note that in the illustrated example, the peripheral circuits including the vertical drive circuit 212, the horizontal drive circuit 214, and the readout circuit 220 are arranged on the first substrate 100 in the direction of the surface on which the pixel circuits 110 are arranged. Are arranged outside the designated area. However, since the first substrate 100 and the second substrate 200 are stacked, even if the circuit elements of the second substrate 200 are arranged in the same region as the pixel circuit 110, light is not incident on the pixel circuit 110. There is no hindrance.

また、撮像素子101においては、画素回路110以外の周辺回路が全て第2の基板200に配される。このため、第1の基板100において受光面積を広くとることができるので、受光感度の高い撮像素子101を形成できる。   In the image sensor 101, all peripheral circuits other than the pixel circuit 110 are arranged on the second substrate 200. Therefore, the light receiving area of the first substrate 100 can be increased, and thus the imaging element 101 having high light receiving sensitivity can be formed.

図3は、ひとつの画素回路110の電気的構造を示す回路図である。画素回路110の各々は、単一の受光素子111に対して、対称的に形成された一対の周辺回路120を有する。周辺回路120の各々は、容量素子113と、複数のトランジスタとを有する。周辺回路120のトランジスタは、読み出しトランジスタ112、リセットトランジスタ114、増幅トランジスタ115、および選択トランジスタ116を含む。   FIG. 3 is a circuit diagram showing an electrical structure of one pixel circuit 110. Each of the pixel circuits 110 has a pair of peripheral circuits 120 formed symmetrically with respect to a single light receiving element 111. Each of the peripheral circuits 120 includes a capacitor 113 and a plurality of transistors. The transistors of the peripheral circuit 120 include a read transistor 112, a reset transistor 114, an amplification transistor 115, and a selection transistor 116.

周辺回路120の各々において、受光素子111は、第1の基板100に形成されたフォトダイオード等の光電気変換素子により形成され、受光した光の光強度に応じて電荷を発生する。容量素子113は、第1の基板100に形成された浮遊拡散層に形成され、読み出しトランジスタ112を介して受光素子111に接続される。   In each of the peripheral circuits 120, the light receiving element 111 is formed by a photoelectric conversion element such as a photodiode formed on the first substrate 100, and generates a charge according to the light intensity of the received light. The capacitor 113 is formed in the floating diffusion layer formed on the first substrate 100 and is connected to the light receiving element 111 via the read transistor 112.

読み出しトランジスタ112が読み出し信号TX1、TX2を受けて導通した場合、受光素子111が発生した電荷は、読み出しトランジスタ112を通じて容量素子113に蓄積される。これにより容量素子113の一端に生じた電位の変化は、増幅トランジスタ115により形成されたソースフォロワで検知出力される。   When the read transistor 112 is turned on by receiving the read signals TX1 and TX2, the charge generated by the light receiving element 111 is accumulated in the capacitor 113 through the read transistor 112. The change in the potential generated at one end of the capacitor 113 is detected and output by a source follower formed by the amplification transistor 115.

増幅トランジスタ115のソースは、選択トランジスタ116が選択信号SELを受けて導通した場合に、電流源117に接続される。このように、周辺回路120においては、読み出し信号TX1、TX2、選択信号SEL等の制御信号により、受光素子111の電荷を周辺回路120に転送するタイミング、および、周辺回路120からの電気信号を外部に出力するタイミングが制御される。   The source of the amplification transistor 115 is connected to the current source 117 when the selection transistor 116 receives the selection signal SEL and becomes conductive. As described above, in the peripheral circuit 120, the timing for transferring the charge of the light receiving element 111 to the peripheral circuit 120 and the transmission of the electric signal from the peripheral circuit 120 to the external circuit are controlled by the control signals such as the read signals TX1, TX2 and the selection signal SEL. Is controlled.

なお、撮像素子101において、読み出し回路220は、リセット信号RSTを受けたリセットトランジスタ114により容量素子113がリセットされた状態のソースフォロワの検知出力と、読み出しトランジスタ112が導通して容量素子113に電位差が生じた場合のソースフォロワの検知出力との差分を出力する。よって、外部に出力される信号からは、第1の基板100において生じた固定パターンノイズが除去されている。   Note that, in the image sensor 101, the read circuit 220 detects a source follower detection output in a state where the capacitor 113 is reset by the reset transistor 114 that has received the reset signal RST, and the read transistor 112 conducts to cause a potential difference to the capacitor 113. And outputs the difference from the detection output of the source follower in the case where the error occurs. Therefore, the fixed pattern noise generated in the first substrate 100 is removed from the signal output to the outside.

図示の画素回路110は、第1の基板100に配された場合に画素アレイを形成する。ここで、図中に点線で囲って示す周辺回路120の一方を第2の基板200に配して、第1の基板100上で受光素子111に割り当てる領域を拡大することもできる。これにより、撮像素子101の受光感度およびダイナミックレンジを向上できる。   The illustrated pixel circuit 110 forms a pixel array when disposed on the first substrate 100. Here, one of the peripheral circuits 120 surrounded by a dotted line in the drawing can be arranged on the second substrate 200, and the area allocated to the light receiving element 111 on the first substrate 100 can be enlarged. Thereby, the light receiving sensitivity and the dynamic range of the image sensor 101 can be improved.

更に、図示の画素回路110において、図中に一点鎖線Aで囲って示すように、受光素子111を第1の基板100に配し、受光素子111以外の要素を全て第2の基板200に配してもよく、周辺回路120の一部を第2の基板200に配してもよい。この場合、入射した光を受光する受光素子111が他の要素から分離されるので、第1の基板100および第2の基板200の間に遮光層を設けてもよい。   Further, in the illustrated pixel circuit 110, the light receiving element 111 is disposed on the first substrate 100, and all elements other than the light receiving element 111 are disposed on the second substrate 200, as indicated by the dashed line A in the figure. Alternatively, part of the peripheral circuit 120 may be provided on the second substrate 200. In this case, since the light receiving element 111 that receives the incident light is separated from other elements, a light-blocking layer may be provided between the first substrate 100 and the second substrate 200.

これにより、撮像素子101内の迷光と素子間のクロストークとを低減でき、撮像素子101における信号品質を向上できる。また、本実施例では、第1の基板100に全ての受光素子111が配置された例を示したが、一部の受光素子111を第2の基板200に配置してもよい。この場合、第1の基板100に配置された受光素子111と第2の基板200に配置された受光素子111とに互いに異なる役割を担わせてもよい。   Accordingly, stray light in the image sensor 101 and crosstalk between the devices can be reduced, and signal quality in the image sensor 101 can be improved. Further, in this embodiment, an example in which all the light receiving elements 111 are arranged on the first substrate 100 has been described, but some light receiving elements 111 may be arranged on the second substrate 200. In this case, the light receiving element 111 disposed on the first substrate 100 and the light receiving element 111 disposed on the second substrate 200 may have different roles.

図4は、増幅回路230の一例として、リピータ回路の構造を示す図である。図示の増幅回路230は、2段構造の相補型ゲート240を有する。   FIG. 4 is a diagram illustrating a structure of a repeater circuit as an example of the amplifier circuit 230. The illustrated amplifier circuit 230 includes a complementary gate 240 having a two-stage structure.

それぞれの相補型ゲート240は、電圧源と基準電圧との間に縦列接続されたpチャネルトランジスタ231およびnチャネルトランジスタ232の各々、共通の入力ノード233に入力信号を受ける。   Each complementary gate 240 receives an input signal at a common input node 233 of each of p-channel transistor 231 and n-channel transistor 232 connected in cascade between a voltage source and a reference voltage.

入力ノード233の電位が基準電圧と等しい場合はpチャネルトランジスタ231が導通し、nチャネルトランジスタ232は非導通となる。よって、pチャネルトランジスタ231のソースとnチャネルトランジスタ232のドレインとに結合された出力ノード234の出力電圧は電圧源電圧と等しくなる。逆に、入力ノード233の電位が電圧源電圧と等しい場合、pチャネルトランジスタ231が非導通となり、nチャネルトランジスタ232が導通する。よって、出力ノード234の出力電圧は基準電位と等しくなる。   When the potential of input node 233 is equal to the reference voltage, p-channel transistor 231 is turned on and n-channel transistor 232 is turned off. Thus, the output voltage at output node 234 coupled to the source of p-channel transistor 231 and the drain of n-channel transistor 232 is equal to the voltage source voltage. Conversely, when the potential of input node 233 is equal to the voltage source voltage, p-channel transistor 231 is turned off and n-channel transistor 232 is turned on. Therefore, the output voltage of output node 234 becomes equal to the reference potential.

換言すれば、相補型ゲート240の各々においては、入力ノード233と出力ノード234は電位が反転する。よって、2段の相補型ゲート240を結合した増幅回路230は、基準電位または電圧源電圧の出力信号を、入力信号の遷移に追従して出力する。   In other words, in each of the complementary gates 240, the potential of the input node 233 and the potential of the output node 234 are inverted. Therefore, the amplifier circuit 230 to which the two-stage complementary gate 240 is coupled outputs the output signal of the reference potential or the voltage source voltage following the transition of the input signal.

なお、増幅回路230は電気信号を処理するので、第2の基板200に配すればよい。これにより、増幅回路230の存在が、第1の基板100において受光素子111の面積を圧迫することが避けられる。   Note that since the amplifier circuit 230 processes an electric signal, the amplifier circuit 230 may be provided on the second substrate 200. This prevents the presence of the amplifier circuit 230 from pressing on the area of the light receiving element 111 in the first substrate 100.

また、第1の基板100上の回路と第2の基板200上の回路とを結合している場合は、増幅回路230の一部を第1の基板100側に形成してもよい。例えば、二つの相補型ゲート240の一方、または、各相補型ゲート240のpチャネルトランジスタ231およびnチャネルトランジスタ232のそれぞれ若しくはいずれか一方を、第2の基板200に形成してもよい。これにより、第1の基板100および第2の基板200の接合部における信号損失が補償される。   In the case where a circuit on the first substrate 100 and a circuit on the second substrate 200 are coupled, a part of the amplifier circuit 230 may be formed on the first substrate 100 side. For example, one of the two complementary gates 240, or each or one of the p-channel transistor 231 and the n-channel transistor 232 of each complementary gate 240 may be formed on the second substrate 200. Thereby, signal loss at the joint between the first substrate 100 and the second substrate 200 is compensated.

図5は、撮像素子101の部分的な断面図である。図示のように、撮像素子101は、第1の基板100および第2の基板200を積層して形成される。   FIG. 5 is a partial cross-sectional view of the image sensor 101. As illustrated, the image sensor 101 is formed by stacking a first substrate 100 and a second substrate 200.

第1の基板100は、下地基板150に形成した受光素子111、読み出しトランジスタ112、容量素子113、リセットトランジスタ114、増幅トランジスタ115、および選択トランジスタ116により形成された画素回路110を有する。第2の基板200は、相補型ゲート240により形成された増幅回路230を有する。   The first substrate 100 includes a pixel circuit 110 including a light receiving element 111, a readout transistor 112, a capacitor 113, a reset transistor 114, an amplification transistor 115, and a selection transistor 116 formed over a base substrate 150. The second substrate 200 has an amplifier circuit 230 formed by the complementary gate 240.

第1の基板100および第2の基板200の各々は、下地基板150、250から最も離れた層に接続パッド160、260を有する。これにより、第1の基板100および第2の基板200は、下地基板150、250を外側にして積層されると共に、電気的に一体的な回路を形成する。   Each of the first substrate 100 and the second substrate 200 has connection pads 160 and 260 on the layer farthest from the base substrates 150 and 250. Thus, the first substrate 100 and the second substrate 200 are stacked with the base substrates 150 and 250 facing outside, and form an electrically integrated circuit.

なお、第1の基板100の下地基板150は、機械化学研磨等で薄化されており、受光素子111は、下地基板150を通じて光を受光する。このように、撮像素子101は、いわゆる裏面照射型となっている。   Note that the base substrate 150 of the first substrate 100 is thinned by mechanical chemical polishing or the like, and the light receiving element 111 receives light through the base substrate 150. Thus, the image sensor 101 is of a so-called back-illuminated type.

また、第1の基板100において、受光素子111を含む層と、その他の層との間に、入射光を遮断する遮光層130を設けてもよい。これにより、撮像素子101の内の迷光を抑制して、撮像素子101の撮像品質を向上することができる。   In the first substrate 100, a light-blocking layer 130 for blocking incident light may be provided between a layer including the light-receiving element 111 and another layer. Thereby, stray light in the image sensor 101 can be suppressed, and the image quality of the image sensor 101 can be improved.

図6は、撮像素子101を備えた撮像装置300の模式図である。撮像装置300は、光学系310、筐体320、および照射部330を備える。   FIG. 6 is a schematic diagram of an imaging device 300 including the imaging element 101. The imaging device 300 includes an optical system 310, a housing 320, and an irradiation unit 330.

光学系310は、撮像素子101を収容した筐体320において、撮像対象390に面した前面に装着される。光学系310を撮像対象390に対して合焦させた場合、撮像素子101の第1の基板100における画素アレイに撮像対象の像が形成される。よって、撮像素子101が出力する電気信号を記録することにより撮像対象390を撮像できる。   The optical system 310 is mounted on the front surface facing the imaging target 390 in the housing 320 housing the imaging device 101. When the optical system 310 is focused on the imaging target 390, an image of the imaging target is formed on the pixel array on the first substrate 100 of the imaging element 101. Therefore, an image of the imaging target 390 can be captured by recording the electric signal output by the imaging element 101.

なお、撮像とは、撮像対象390の静止画の記録動作および動画の記録動作の少なくとも一方を含む。ただし、記録される像は、可視光帯域の光像とは限らず、赤外帯域の像による熱分布の像、テラヘルツ帯域による内部構造の像等も含む。   Note that the imaging includes at least one of a still image recording operation and a moving image recording operation of the imaging target 390. However, the recorded image is not limited to a light image in the visible light band, and includes an image of a heat distribution by an image in an infrared band, an image of an internal structure in a terahertz band, and the like.

照射部330は、予め定められた変調周波数で強度変調された変調光331を撮像対象390に向かって照射する。撮像対象390に照射された変調光331は、撮像対象390により反射された後、撮像装置300の撮像素子101に反射光332として入射する。   The irradiating unit 330 irradiates the modulated light 331 whose intensity has been modulated at a predetermined modulation frequency toward the imaging target 390. The modulated light 331 applied to the imaging target 390 is reflected by the imaging target 390, and then enters the imaging device 101 of the imaging device 300 as reflected light 332.

なお、図示の撮像対象390が置かれた環境において、撮像対象390は、部屋の照明器具380から照射された照明光等により照明されている。また、撮像装置300による撮像対象390の撮像が昼間である場合は、直接または間接に、太陽光も撮像対象390に照射される。このため、撮像装置300においては、照射部330から照射された変調光331の成分とは異なる、太陽光等の自然光成分も撮像素子101に背景光381として入射する。   Note that, in the environment where the illustrated imaging target 390 is placed, the imaging target 390 is illuminated by illumination light or the like emitted from the lighting fixture 380 in the room. In addition, when the image of the imaging target 390 by the imaging device 300 is in the daytime, sunlight is also directly or indirectly applied to the imaging target 390. Therefore, in the imaging device 300, a natural light component such as sunlight, which is different from the component of the modulated light 331 emitted from the irradiation unit 330, also enters the imaging device 101 as the background light 381.

また、背景光成分に含まれ得る太陽光は、変調光成分の変調周波数よりも長い周期とはいえ、不断に変動する場合もある。また、背景光381は、交流電源の周波数に依存して周期的に変動する場合もある。更に、撮像対象390の周囲で動くものがある場合は、それが光源ではないとしても、撮像対象390に照射される光の強さに変動を生じる。このため、変調成分と背景光成分とが共に撮像素子101に入射すると、反射光332の検出精度に影響を与える場合がある。   Also, the sunlight that may be included in the background light component may fluctuate constantly, even though the period is longer than the modulation frequency of the modulated light component. The background light 381 may periodically fluctuate depending on the frequency of the AC power supply. Further, when there is a moving object around the imaging target 390, the intensity of light applied to the imaging target 390 fluctuates even if it is not a light source. For this reason, if both the modulation component and the background light component enter the image sensor 101, the detection accuracy of the reflected light 332 may be affected.

撮像装置300において、撮像素子101は、照射部330から照射した変調光331の反射光332を受光した場合、照射部330から変調光331射出されてから撮像素子101が反射光332を受光するまでの時間を測定する。これにより、撮像対象390と撮像素子101との距離を算出できる。更に、撮像装置300は、算出された距離に応じて、光学系310を合焦できる。   In the imaging device 300, when the imaging device 101 receives the reflected light 332 of the modulated light 331 emitted from the irradiation unit 330, the imaging device 101 emits the modulated light 331 from the irradiation unit 330 until the imaging device 101 receives the reflected light 332. Measure the time. Thereby, the distance between the imaging target 390 and the imaging element 101 can be calculated. Further, the imaging device 300 can focus the optical system 310 according to the calculated distance.

更に、撮像素子101は、多数の画素回路110を含む画素アレイを有し、反射光332を電気信号に変換する処理は画素毎に実行される。よって、撮像装置300は、画素毎に距離情報が得られるイメージセンサとして、また、監視カメラ、自動操縦装置のセンサ等としても使用できる。   Further, the image sensor 101 has a pixel array including a large number of pixel circuits 110, and a process of converting the reflected light 332 into an electric signal is executed for each pixel. Therefore, the imaging device 300 can be used as an image sensor that can obtain distance information for each pixel, or as a monitoring camera, a sensor of an autopilot device, or the like.

図7は、撮像装置300を用いた撮像素子101による距離の検出動作を説明するタイミングチャートである。撮像装置300を用いた場合、照射部330は、撮像対象390に向かって変調光331を照射する。撮像対象390に照射された変調光331は、撮像対象390に反射されて、反射光332として撮像素子101に受光される。   FIG. 7 is a timing chart illustrating a distance detecting operation by the image sensor 101 using the image pickup apparatus 300. When the imaging device 300 is used, the irradiation unit 330 irradiates the modulated light 331 toward the imaging target 390. The modulated light 331 applied to the imaging target 390 is reflected by the imaging target 390 and received by the imaging device 101 as reflected light 332.

図7の最上段に示すように、変調光331は、予め定めた一定の変調周波数で変調されている。撮像素子101に受光される反射光332は、図7の上から2段目に示すように、照射部330から撮像対象390までと、撮像対象390から撮像素子101までを伝播するに要した時間、当初の変調光331に対して位相がずれている。   As shown at the top of FIG. 7, the modulated light 331 is modulated at a predetermined constant modulation frequency. The reflected light 332 received by the imaging element 101 is, as shown in the second row from the top in FIG. 7, the time required to propagate from the irradiation section 330 to the imaging target 390 and from the imaging target 390 to the imaging element 101. , The phase of the modulated light 331 is shifted.

これに対して、撮像素子101においては、図7の下2段に示すように、変調光331に同期し、且つ、互いに反転した読み出し信号TX1、TX2が画素回路110に供給される。よって、反射光332の信号パルスの一部xは、一方の読み出し信号TX1がハイレベルにある期間に、画素回路の一方の出力Vout1から出力される。 On the other hand, in the image sensor 101, as shown in the lower two stages of FIG. 7, the readout signals TX1 and TX2 synchronized with the modulated light 331 and inverted with respect to each other are supplied to the pixel circuit 110. Therefore, a part x of the signal pulse of the reflected light 332 is output from the one output Vout1 of the pixel circuit while the one readout signal TX1 is at the high level.

また、反射光332の信号パルスの他の一部yは、他方の読み出し信号TX2がハイレベルにある期間に、画素回路の他方の出力Vout2から出力される。換言すれば、出力Vout1と出力Vout2とを比較することにより、反射光332の変調光331に対する位相ずれを検出できる。よって、検出された位相ずれのずれ量に基づいて、撮像装置300と撮像対象390との間の距離を算出できる。 Another part y of the signal pulse of the reflected light 332 is output from the other output Vout2 of the pixel circuit while the other readout signal TX2 is at a high level. In other words, the phase shift of the reflected light 332 with respect to the modulated light 331 can be detected by comparing the output V out1 and the output V out2 . Therefore, the distance between the imaging device 300 and the imaging target 390 can be calculated based on the detected shift amount of the phase shift.

図8は、撮像素子101のレイアウトを示す図である。図8において、実線は、第2の基板200と第2の基板200に配された読み出し回路220、画素駆動回路210、増幅回路230、および電流源117を示す。また、図8において、点線は、第1の基板100と、第1の基板100に配された画素回路110を示す。   FIG. 8 is a diagram illustrating a layout of the image sensor 101. In FIG. 8, solid lines indicate the second substrate 200 and the readout circuit 220, the pixel driving circuit 210, the amplifier circuit 230, and the current source 117 provided on the second substrate 200. In FIG. 8, dotted lines indicate the first substrate 100 and the pixel circuits 110 provided on the first substrate 100.

図示のように、撮像素子101においては、複数の画素回路110の各々に対応する増幅回路230をひとつずつ配して、複数の画素回路のいずれもが個別に制御信号を供給されるようにしてもよい。この場合、第1の基板100における画素回路110のレイアウトと第2の基板200における増幅回路230のレイアウトとを揃えて、画素回路110と増幅回路230とを接続パッド160、260で短い距離で接続できる。   As shown in the figure, in the image sensor 101, one amplifier circuit 230 corresponding to each of the plurality of pixel circuits 110 is arranged, and each of the plurality of pixel circuits is individually supplied with a control signal. Is also good. In this case, the layout of the pixel circuit 110 on the first substrate 100 and the layout of the amplifier circuit 230 on the second substrate 200 are aligned, and the pixel circuit 110 and the amplifier circuit 230 are connected at short distances by the connection pads 160 and 260. it can.

これにより、撮像素子101の画素数および面積にかかわらず、複数の画素回路110のいずれに対しても制御信号の信号レベルを増幅することができ、複数の画素回路110のいずれに対しても同じ信号レベルの制御信号を供給できる。よって、前記した変調光331の変調周波数を上げることができるので、時間分解能を上げることができ、測距精度を向上させることができる。   Thereby, regardless of the number of pixels and the area of the image sensor 101, the signal level of the control signal can be amplified for any of the plurality of pixel circuits 110, and the same for any of the plurality of pixel circuits 110. A signal level control signal can be supplied. Therefore, the modulation frequency of the modulated light 331 can be increased, so that the time resolution can be increased and the distance measurement accuracy can be improved.

図9は、撮像素子102のレイアウトを示す図である。撮像素子102において、第2の基板200は、一対の画素駆動回路210を備える。一対の画素駆動回路210は、第1の基板100の画素回路110に対応して配された増幅回路230を挟むように、第2の基板200において対称な位置に配され、第1の基板100における複数の画素回路110をそれぞれ半分ずつ駆動する。これにより、画素駆動回路210の負荷と、制御信号の伝送距離が半分に短縮され、画素回路110の駆動タイミングをより精度よく制御できる。   FIG. 9 is a diagram illustrating a layout of the image sensor 102. In the image sensor 102, the second substrate 200 includes a pair of pixel driving circuits 210. The pair of pixel driving circuits 210 are disposed at symmetric positions on the second substrate 200 so as to sandwich the amplifier circuit 230 disposed corresponding to the pixel circuit 110 of the first substrate 100. Are driven in half each. As a result, the load of the pixel driving circuit 210 and the transmission distance of the control signal are reduced by half, and the driving timing of the pixel circuit 110 can be controlled more accurately.

図10は、撮像素子103のレイアウトを示す図である。撮像素子103において、第2の基板200においては、略中央に配された単一の画素駆動回路210を挟んで2群の増幅回路230が配される。これにより、単一の画素駆動回路210により増幅回路230に制御信号を供給しつつ、制御信号の伝送距離を、図8に示したレイアウトの略半分に短縮でき、画素回路110の駆動タイミングをより精度よく制御できる。   FIG. 10 is a diagram illustrating a layout of the image sensor 103. In the image sensor 103, on the second substrate 200, two groups of amplifying circuits 230 are arranged with a single pixel driving circuit 210 arranged substantially at the center. Thereby, while the control signal is supplied to the amplifier circuit 230 by the single pixel driving circuit 210, the transmission distance of the control signal can be reduced to approximately half of the layout shown in FIG. 8, and the driving timing of the pixel circuit 110 can be further reduced. Can be controlled accurately.

なお、図においては、第1の基板100における画素回路110のレイアウトと、第2の基板200における増幅回路230のレイアウトとをそろえている。しかしながら、第2の基板200のレイアウトを図示の状態のままに、第1の基板100における画素回路110を等間隔に配置するレイアウトに変更してもよい。この場合、増幅回路230に接続する配線が、画素回路110毎に異なることになるが、増幅回路230と画素回路110の間の距離は、撮像素子101全体に比較すると短いので、配線長の違いによる信号遅延は無視できる。   In the drawing, the layout of the pixel circuit 110 on the first substrate 100 and the layout of the amplifier circuit 230 on the second substrate 200 are aligned. However, the layout of the second substrate 200 may be changed to a layout in which the pixel circuits 110 on the first substrate 100 are arranged at equal intervals, with the layout shown in the drawing. In this case, the wiring connected to the amplifying circuit 230 differs for each pixel circuit 110. However, the distance between the amplifying circuit 230 and the pixel circuit 110 is shorter than the entire image sensor 101, so that the wiring length is different. The signal delay due to is negligible.

図11は、撮像素子104のレイアウトを示す図である。撮像素子104において、第2の基板200には、第1の基板100における画素回路110の半分の数の増幅回路230が配される。すなわち、複数の画素回路110に対して一つの増幅回路230が配される。よって、増幅回路230は、それぞれ2つの画素回路110に制御信号を供給する。これにより、第2の基板200の素子数を低減することで、歩留り向上が期待でき、敷いては製造のコストを低減できる。   FIG. 11 is a diagram illustrating a layout of the image sensor 104. In the image sensor 104, the second substrate 200 is provided with half the number of the amplifier circuits 230 of the pixel circuits 110 in the first substrate 100. That is, one amplifier circuit 230 is provided for the plurality of pixel circuits 110. Therefore, the amplifier circuit 230 supplies a control signal to each of the two pixel circuits 110. As a result, by reducing the number of elements of the second substrate 200, an improvement in yield can be expected, and manufacturing costs can be reduced by laying.

図12は、増幅回路230の他のレイアウトを示す模式図である。図11に示したように、ひとつの増幅回路230により複数の画素回路110に制御信号を供給する場合、画素回路110の隣接する行または列において、増幅回路230の配置をずらして配置してもよい。これにより、第2の基板200における実装密度を低減することで歩留りの向上が期待でき、敷いては製造のコストを低減できる。   FIG. 12 is a schematic diagram showing another layout of the amplifier circuit 230. As illustrated in FIG. 11, when a single amplifier circuit 230 supplies a control signal to a plurality of pixel circuits 110, the amplifier circuits 230 may be staggered in adjacent rows or columns of the pixel circuits 110. Good. As a result, an improvement in yield can be expected by reducing the mounting density on the second substrate 200, and the production cost can be reduced by laying.

図13は、増幅回路230の他のレイアウトを示す模式図である。図11に示したように、ひとつの増幅回路230により複数の画素回路110に制御信号を供給する場合、増幅回路230の数と画素回路110の数は1:2に限らない。例えば、図示のように、増幅回路230の数と画素回路110の数は1:4にすることにより、第2の基板の実装密度を更に低減できる。   FIG. 13 is a schematic diagram showing another layout of the amplifier circuit 230. As shown in FIG. 11, when a single amplifier circuit 230 supplies a control signal to a plurality of pixel circuits 110, the number of amplifier circuits 230 and the number of pixel circuits 110 are not limited to 1: 2. For example, as shown, by setting the number of the amplifier circuits 230 and the number of the pixel circuits 110 to 1: 4, the mounting density of the second substrate can be further reduced.

図14は、撮像素子105のレイアウトを示す図である。撮像素子105において、第2の基板200は、第1の基板100における画素回路110のそれぞれに対応して設けられて周辺回路120の一部をなす複数の読み出し回路220を備える。複数の読み出し回路220は、画素駆動回路210とも共通のクロック信号により同期して動作する。これにより、撮像素子105の画素数、面積等の増加にかかわらず、画素回路110から読み出される信号の品質を一定にできる。なお、読み出し回路220は、一部を第1の基板100に、他の一部を第2の基板200に、分離して配置してもよい。   FIG. 14 is a diagram illustrating a layout of the image sensor 105. In the imaging element 105, the second substrate 200 includes a plurality of read circuits 220 provided corresponding to each of the pixel circuits 110 on the first substrate 100 and forming a part of the peripheral circuit 120. The plurality of readout circuits 220 operate in synchronization with the pixel driving circuit 210 by a common clock signal. Thus, the quality of the signal read from the pixel circuit 110 can be kept constant regardless of the increase in the number of pixels, the area, and the like of the image sensor 105. Note that the read circuit 220 may be provided so as to be partly separated from the first substrate 100 and another part separately to the second substrate 200.

また、撮像素子105においては、読み出し回路220に供給されるクロック信号の経路上にも増幅回路230が設けられる。これにより、画素数、面積等が増加した撮像素子105の読み出し回路220において、複数の読み出し回路220の同期精度が向上し、撮像素子105から出力される信号の品質を向上させることができる。   In the image sensor 105, an amplifier circuit 230 is also provided on the path of the clock signal supplied to the read circuit 220. Accordingly, in the readout circuit 220 of the imaging element 105 in which the number of pixels, the area, and the like are increased, the synchronization accuracy of the plurality of readout circuits 220 is improved, and the quality of a signal output from the imaging element 105 can be improved.

図15は、撮像素子106のレイアウトを示す図である。撮像素子106は、図14に示した撮像素子105において、画素駆動回路210の単一の出力を全ての画素回路110に共通に接続した構造を有する。これにより、すべての画素回路110が同時に制御信号を受ける。また、画素回路110は読み出し回路220を個別に備えるので、共通のクロック信号により読み出しタイミングを制御することにより、画素回路110の各々の出力を個別に処理できる。このような構造により、画素駆動回路の構造を簡素化できる。なお、読み出し回路220は、一部を第1の基板100に、他の一部を第2の基板200に、分離して配置してもよい。   FIG. 15 is a diagram illustrating a layout of the image sensor 106. The imaging element 106 has a structure in which a single output of the pixel driving circuit 210 is commonly connected to all the pixel circuits 110 in the imaging element 105 shown in FIG. Thus, all the pixel circuits 110 receive the control signal at the same time. Further, since the pixel circuit 110 includes the readout circuit 220 individually, the output of each of the pixel circuits 110 can be individually processed by controlling the readout timing with a common clock signal. With such a structure, the structure of the pixel driving circuit can be simplified. Note that the read circuit 220 may be provided so as to be partly separated from the first substrate 100 and another part separately to the second substrate 200.

更に、撮像素子106において、読み出し回路220に供給する制御信号の経路には増幅回路230が設けられる。これにより、画素数、面積等が増加した撮像素子106の読み出し回路220において、クロック信号による制御精度を向上させて、撮像素子105から出力される信号の品質を向上させることができる。   Further, in the image sensor 106, an amplifier circuit 230 is provided on a path of a control signal supplied to the readout circuit 220. Accordingly, in the readout circuit 220 of the image sensor 106 in which the number of pixels, the area, and the like are increased, control accuracy by a clock signal can be improved, and the quality of a signal output from the image sensor 105 can be improved.

なお、上記の撮像素子101〜106は、第1の基板100と第2の基板200とを積層した構造を有する。しかしながら、第1の基板100および第2の基板200の各々を、更に積層構造にして、撮像素子全体の積層数をより多くしてもよいことはもちろんである。これにより、例えば、画素駆動回路210および読み出し回路220の一部または全部を他の基板に配して、撮像素子101〜106を三層以上の構造にしてもよい。   Note that the imaging elements 101 to 106 have a structure in which the first substrate 100 and the second substrate 200 are stacked. However, it is needless to say that each of the first substrate 100 and the second substrate 200 may have a further laminated structure so that the number of layers of the entire image pickup device may be increased. Thus, for example, part or all of the pixel drive circuit 210 and the readout circuit 220 may be provided on another substrate, and the image pickup devices 101 to 106 may have a structure of three or more layers.

図16は、画素回路400の他の構造を示す模式図である。画素回路400は、単一の受光素子410に対して、周辺回路の一部を形成する5つの読み出しトランジスタ421、422、423、424、425と、5つの容量素子431、432、433、434、435とを備える。   FIG. 16 is a schematic diagram showing another structure of the pixel circuit 400. The pixel circuit 400 includes five read-out transistors 421, 422, 423, 424, and 425 that form a part of a peripheral circuit and five capacitive elements 431, 432, 433, and 434, for a single light-receiving element 410. 435.

受光素子410をフォトダイオードにより形成し、読み出しトランジスタ421〜425をCMOSトランジスタにより形成し、容量素子431〜435を浮遊拡散層として形成することにより、画素回路400を共通の基板に共通のプロセスで形成できる。   The light receiving element 410 is formed by a photodiode, the read transistors 421 to 425 are formed by CMOS transistors, and the capacitors 431 to 435 are formed as floating diffusion layers, whereby the pixel circuit 400 is formed on a common substrate by a common process. it can.

図17は、画素回路400の電気的構造を示す回路図である。容量素子431、432、433、434、435の各々は、対応する読み出しトランジスタ421、422、423、424、425が読み出し信号TX1〜TX5を受けて導通した場合に、受光素子410が受光した光の光強度に対応して発生した電荷を個別に蓄積する。よって、読み出しトランジスタ421、422、423、424、425に、タイミングの異なる読み出し信号TX1〜TX5を供給することにより、ひとつの受光素子410で5つの出力信号を得ることができる。   FIG. 17 is a circuit diagram showing an electrical structure of the pixel circuit 400. Each of the capacitors 431, 432, 433, 434, and 435 outputs light received by the light receiving element 410 when the corresponding read transistor 421, 422, 423, 424, 425 receives the read signal TX1 to TX5 and conducts. The charges generated corresponding to the light intensity are individually stored. Therefore, by supplying the read signals TX1 to TX5 at different timings to the read transistors 421, 422, 423, 424, and 425, five output signals can be obtained with one light receiving element 410.

また、読み出しトランジスタ421、422、423、424、425の各々が飽和する前に次の読み出し信号TX1〜TX5を順次供給することにより、5つの容量素子431、432、433、434、435の容量を合わせて大きな容量として用い、画素回路400のダイナミックレンジを拡大することもできる。このように、画素回路400は、小容量の複数の画素回路としても、大容量の単一の画素としても使用できる。   Further, by sequentially supplying the next read signals TX1 to TX5 before each of the read transistors 421, 422, 423, 424, and 425 is saturated, the capacitance of the five capacitive elements 431, 432, 433, 434, and 435 is reduced. In addition, the dynamic range of the pixel circuit 400 can be expanded by using the capacitor as a large capacitor. As described above, the pixel circuit 400 can be used as a plurality of small-capacity pixel circuits or a single large-capacity pixel.

図18は、画素回路400を備えた撮像装置300の動作を説明するタイミングチャートである。この画素回路は、ひとつの検出周期の間に、高精度測距期間と、広範囲測距期間と、背景光検出期間とを有する。   FIG. 18 is a timing chart illustrating the operation of the imaging device 300 including the pixel circuit 400. This pixel circuit has a high-precision distance measurement period, a wide range distance measurement period, and a background light detection period during one detection cycle.

高精度測距期間において、照射部330は、高い変調周波数により変調して短いパルスpを有する変調光331を撮像対象390に照射する。これにより、撮像装置300は、図7を参照して説明した通り、撮像装置300から撮像対象390までの距離を高精度に検出できる。   In the high-precision distance measurement period, the irradiation unit 330 irradiates the imaging target 390 with the modulated light 331 having a short pulse p modulated by a high modulation frequency. Thereby, the imaging device 300 can detect the distance from the imaging device 300 to the imaging target 390 with high accuracy as described with reference to FIG.

この場合、画素回路400は、5つの容量素子431〜435を個別に使う。これにより、読み出し回路220の読み出し速度を補って、短いパルス長pで高精度に撮像対象までの距離を測定できる。   In this case, the pixel circuit 400 uses five capacitive elements 431 to 435 individually. This makes it possible to compensate for the reading speed of the reading circuit 220 and measure the distance to the imaging target with a short pulse length p with high accuracy.

次に、広範囲測距期間において、照射部330は、パルス長pよりも長いパルス長qを有する変調光331により、撮像対象390までの距離を測定する。この場合は、受光素子410が発生した電荷を、画素回路400の5つの容量素子431〜435に順次蓄積することにより、容量素子431〜435の飽和を防止できる。これにより、測定精度は低下するものの、撮像対象390までの距離を測定することができる。   Next, in the wide range ranging period, the irradiation unit 330 measures the distance to the imaging target 390 using the modulated light 331 having the pulse length q longer than the pulse length p. In this case, the charges generated by the light receiving element 410 are sequentially accumulated in the five capacitance elements 431 to 435 of the pixel circuit 400, so that the saturation of the capacitance elements 431 to 435 can be prevented. Accordingly, the distance to the imaging target 390 can be measured although the measurement accuracy is reduced.

こうして広範囲測距期間に測定した距離を参照することにより、高精度測距期間に検出した位相ずれが、何周期目の位相ずれであるかを算出できる。よって、撮像装置300から撮像対象390までの距離が長い場合であっても、距離を高精度に検出することができる。例えば、パルス長pが3.3nsで、パルス長qが330nsである場合、高精度測距期間での精度は1cm以下であり最大測距範囲は1mであり、広範囲測距期間での制度は1m以下であり最大測距範囲は100mである。   Thus, by referring to the distance measured during the wide range ranging period, it is possible to calculate the number of cycles of the phase shift detected during the high accuracy ranging period. Therefore, even when the distance from the imaging device 300 to the imaging target 390 is long, the distance can be detected with high accuracy. For example, when the pulse length p is 3.3 ns and the pulse length q is 330 ns, the precision in the high precision ranging period is 1 cm or less, the maximum ranging range is 1 m, and the precision in the wide ranging range is 1 m or less, and the maximum distance measurement range is 100 m.

更に、撮像装置300は、背景光検出期間に、照射部330が変調光331を照射していない状態で、撮像素子101が受光する光の強度を検出する。これにより、撮像装置300は、撮像対象390に対する背景光381の強度を測定できる。背景光381の強度を測定する場合は、画素回路400の5つの容量素子431〜435に順次蓄積することにより、太陽光等の強い光が容量素子431〜435を飽和させることを防止できる。   Further, the imaging device 300 detects the intensity of light received by the imaging element 101 in a state where the irradiation unit 330 is not irradiating the modulated light 331 during the background light detection period. Thereby, the imaging device 300 can measure the intensity of the background light 381 with respect to the imaging target 390. When the intensity of the background light 381 is measured, the light is sequentially accumulated in the five capacitors 431 to 435 of the pixel circuit 400, so that strong light such as sunlight can saturate the capacitors 431 to 435.

こうして検出された背景光の光強度を、照射部330が変調光331を照射した場合に撮像素子101が受光した反射光332の光強度から差し引くことにより、背景光の影響を排除して、高精度な測距が可能になる。また、撮像素子101により撮像対象390を撮像する場合に、高品質な画像が得られる。前記したように、増幅回路230によって制御信号を増幅することにより、変調光331の変調周波数を上げることができるので、時間分解能を上げることができると共に、低周波成分に含まれる背景光の除去率を上げることができる。   By subtracting the light intensity of the background light detected in this way from the light intensity of the reflected light 332 received by the image sensor 101 when the irradiation unit 330 irradiates the modulated light 331, the effect of the background light is eliminated, and Accurate ranging becomes possible. In addition, when the imaging target 390 is imaged by the imaging element 101, a high-quality image is obtained. As described above, by amplifying the control signal by the amplifier circuit 230, the modulation frequency of the modulated light 331 can be increased, so that the time resolution can be increased and the removal rate of the background light included in the low-frequency component can be reduced. Can be raised.

図19は、画素回路400を備えた撮像装置300による他の動作を説明するタイミングチャートである。ここで用いられる撮像装置は、更にもう一組の容量素子および読み出しトランジスタを有する。よって、単一の画素回路400を用いて、6種類の反射光332を処理できる。   FIG. 19 is a timing chart illustrating another operation of the imaging device 300 including the pixel circuit 400. The imaging device used here further has another set of a capacitor and a readout transistor. Thus, six types of reflected light 332 can be processed using a single pixel circuit 400.

図示の動作においては、図18に示した動作に加えて、電荷排出期間を有する。これにより、測距または撮像に用いない6番目の容量を受光素子410に接続して、次の測定周期が開始される前に、受光素子410に蓄積された電荷を十分に放電させる。これにより、次の周期のパルスによる測定または撮像の精度を向上させることができる。   The illustrated operation has a charge discharging period in addition to the operation illustrated in FIG. As a result, the sixth capacitor not used for distance measurement or imaging is connected to the light receiving element 410, and the electric charge accumulated in the light receiving element 410 is sufficiently discharged before the next measurement cycle is started. Thereby, the accuracy of measurement or imaging using the pulse of the next cycle can be improved.

図20は、画素回路400のまた他の動作を説明するタイミングチャートである。図示の動作における広範囲測距期間においては、照射部330が発生する変調光331のパルス長pを短いままにしつつ、複数のパルスにより受光素子410に発生した電荷をまとめて容量素子に蓄積して、長いパルスの変調光331に替えている。これにより、照射部330の変調周波数を変更することなく、高精度測距期間と広範囲測距期間とを含む測距動作をしている。   FIG. 20 is a timing chart illustrating still another operation of the pixel circuit 400. In the wide range distance measurement period in the illustrated operation, while the pulse length p of the modulated light 331 generated by the irradiation unit 330 is kept short, charges generated in the light receiving element 410 by a plurality of pulses are collectively accumulated in the capacitor. , A long pulse of modulated light 331. As a result, without changing the modulation frequency of the irradiation unit 330, the distance measurement operation including the high-precision distance measurement period and the wide-range distance measurement period is performed.

なお、図中では変調光331の8パルスを長周期の変調光331として示している。しかしながら、画素回路400が有する複数の容量素子431〜435に電荷を順次蓄積することにより、より多くの、例えば、数百パルスの変調光331により発生した電荷を蓄積して、広範囲測距期間の測距を実行できる。   In the figure, eight pulses of the modulated light 331 are shown as the long-period modulated light 331. However, by sequentially accumulating charges in the plurality of capacitors 431 to 435 included in the pixel circuit 400, more charges, for example, charges generated by the modulated light 331 of several hundred pulses are accumulated, and the charge is accumulated in the wide range measurement period. Ranging can be performed.

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。   As described above, the present invention has been described using the embodiments, but the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiments. It is apparent to those skilled in the art that various changes or improvements can be made to the above embodiment. It is apparent from the description of the appended claims that embodiments with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.

上記した実施の形態において、複数の増幅回路230のうち、垂直駆動回路212または水平駆動回路214からの距離が離れるほど制御信号の増幅率を段階的に上げてもよく、垂直駆動回路212および水平駆動回路214の両方からの距離が離れるほど制御信号の増幅率を段階的に上げてもよい。また、垂直駆動回路212および水平駆動回路214からの距離に応じて第2の基板200を複数の領域に分け、この複数の領域毎に増幅率を変化させてもよい。   In the above-described embodiment, among the plurality of amplifier circuits 230, the gain of the control signal may be increased stepwise as the distance from the vertical drive circuit 212 or the horizontal drive circuit 214 increases. The amplification factor of the control signal may be increased stepwise as the distance from both of the drive circuits 214 increases. Further, the second substrate 200 may be divided into a plurality of regions according to the distance from the vertical drive circuit 212 and the horizontal drive circuit 214, and the amplification factor may be changed for each of the plurality of regions.

更に、垂直駆動回路212または水平駆動回路214からの信号の強度が所定の値よりも小さくなる画素回路110に対して増幅回路230を設け、信号強度が所定の値を示す画素回路110に対しては増幅回路230を設けなくてもよい。例えば垂直駆動回路212または水平駆動回路214に近接して配置された画素回路110に対しては増幅回路230を設けない。これにより、第2の基板200の素子数を低減することで、歩留り向上が期待でき、敷いては製造のコストを低減できる。   Further, an amplification circuit 230 is provided for the pixel circuit 110 in which the signal intensity from the vertical drive circuit 212 or the horizontal drive circuit 214 is smaller than a predetermined value, and the pixel circuit 110 for which the signal intensity indicates a predetermined value is provided. Need not be provided with the amplifier circuit 230. For example, the amplifier circuit 230 is not provided for the pixel circuit 110 arranged close to the vertical drive circuit 212 or the horizontal drive circuit 214. As a result, by reducing the number of elements of the second substrate 200, an improvement in yield can be expected, and manufacturing costs can be reduced by laying.

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。   The order of execution of processes such as operations, procedures, steps, and steps in the apparatuses, systems, programs, and methods shown in the claims, the description, and the drawings is particularly “before” or “before”. It should be noted that the output can be realized in any order as long as the output of the previous process is not used in the subsequent process. Even if the operation flow in the claims, the specification, and the drawings is described using “first”, “next”, or the like for convenience, it means that it is essential to implement in this order. Not something.

100 第1の基板、101、102、103、104、105、106 撮像素子、110、400 画素回路、111、410 受光素子、112、421、422、423、424、425 読み出しトランジスタ、113、431、432、433、434、435 容量素子、114 リセットトランジスタ、115 増幅トランジスタ、116 選択トランジスタ、117 電流源、120 周辺回路、130 遮光層、150、250 下地基板、160、260 接続パッド、200 第2の基板、210 画素駆動回路、212 垂直駆動回路、214 水平駆動回路、220 読み出し回路、230 増幅回路、231 pチャネルトランジスタ、232 nチャネルトランジスタ、233 入力ノード、234 出力ノード、240 相補型ゲート、300 撮像装置、310 光学系、320 筐体、330 照射部、331 変調光、332 反射光、380 照明器具、381 背景光、390 撮像対象 100 first substrate, 101, 102, 103, 104, 105, 106 image sensor, 110, 400 pixel circuit, 111, 410 light receiving element, 112, 421, 422, 423, 424, 425 readout transistor, 113, 431, 432, 433, 434, 435 Capacitance element, 114 reset transistor, 115 amplifying transistor, 116 selection transistor, 117 current source, 120 peripheral circuit, 130 light shielding layer, 150, 250 base substrate, 160, 260 connection pad, 200 second Substrate, 210 pixel drive circuit, 212 vertical drive circuit, 214 horizontal drive circuit, 220 readout circuit, 230 amplifier circuit, 231 p-channel transistor, 232 n-channel transistor, 233 input node, 234 output node, 240 Auxiliary gate, 300 imaging apparatus, 310 an optical system, 320 housing, 330 irradiating unit, 331 modulated light 332 reflected light 380 lighting fixture, 381 the background light, 390 imaging target

Claims (15)

受光の強度に応じて個別に電荷を出力する複数の受光素子と、
前記複数の受光素子の少なくとも一部から出力された前記電荷に対応した電気信号を出力する周辺回路と、
前記周辺回路を制御する制御信号を増幅して、前記周辺回路に供給する増幅回路と
を備え、
前記複数の受光素子は第1の基板に配され、
前記増幅回路は、順次接続された複数の相補型ゲートを有し、
前記複数の相補型ゲートはそれぞれ、電圧源と基準電圧との間に縦列接続され、制御端子に入力信号をそれぞれ受けるpチャネルトランジスタおよびnチャネルトランジスタを有し
前記複数の相補型ゲートは、前記第1の基板に配置された相補型ゲートと、前記第1の基板に積層された第2の基板に配置された相補型ゲートとを含み、若しくは、
前記複数の相補型ゲートの少なくとも一つの前記pチャネルトランジスタおよび前記nチャネルトランジスタの一方が前記第1の基板に配され、前記pチャネルトランジスタおよび前記nチャネルトランジスタの他方が前記第2の基板に配された
撮像素子。
A plurality of light-receiving elements that individually output charges according to the intensity of light reception;
A peripheral circuit that outputs an electric signal corresponding to the electric charge output from at least a part of the plurality of light receiving elements,
An amplifier circuit for amplifying a control signal for controlling the peripheral circuit and supplying the amplified signal to the peripheral circuit,
The plurality of light receiving elements are arranged on a first substrate,
The amplifier circuit has a plurality of complementary gates connected sequentially,
Each of the plurality of complementary gates has a p-channel transistor and an n-channel transistor connected in cascade between a voltage source and a reference voltage and receiving an input signal at a control terminal, respectively .
The plurality of complementary gates include a complementary gate disposed on the first substrate, and a complementary gate disposed on a second substrate stacked on the first substrate, or
One of the p-channel transistor and the n-channel transistor of the plurality of complementary gates is disposed on the first substrate, and the other of the p-channel transistor and the n-channel transistor is disposed on the second substrate. It has been <br/> imaging device.
前記周辺回路が複数設けられ、
複数の前記周辺回路の各々に対応して前記増幅回路が複数設けられる請求項1に記載の撮像素子。
A plurality of peripheral circuits are provided;
The imaging device according to claim 1, wherein a plurality of the amplifier circuits are provided corresponding to each of the plurality of peripheral circuits.
前記周辺回路が複数設けられ、
前記増幅回路は、複数の前記周辺回路のうちの2つ以上の周辺回路により形成された周辺回路群に対応して設けられる請求項1に記載の撮像素子。
A plurality of peripheral circuits are provided;
The imaging device according to claim 1, wherein the amplification circuit is provided corresponding to a peripheral circuit group formed by two or more peripheral circuits of the plurality of peripheral circuits.
前記増幅回路は、前記複数の受光素子および前記周辺回路が設けられた領域に、少なくとも一部が重なるように配される請求項2または3に記載の撮像素子。   4. The imaging device according to claim 2, wherein the amplification circuit is arranged so as to at least partially overlap a region where the plurality of light receiving elements and the peripheral circuit are provided. 5. 前記制御信号を発生して複数の前記増幅回路に供給する制御回路をさらに備え、
前記制御回路の少なくとも一部は、前記複数の受光素子および前記複数の周辺回路が配置された領域の外側の領域に配される請求項4に記載の撮像素子。
A control circuit for generating the control signal and supplying the control signal to the plurality of amplifier circuits;
The imaging device according to claim 4, wherein at least a part of the control circuit is arranged in a region outside a region where the plurality of light receiving elements and the plurality of peripheral circuits are arranged.
前記制御回路の少なくとも一部は、一の前記受光素子および一の前記周辺回路が配置された領域と、他の前記受光素子および他の前記周辺回路が配置された領域と、の間に配され、前記一の前記周辺回路および前記他の前記周辺回路に制御信号を供給する請求項5に記載の撮像素子。   At least a part of the control circuit is disposed between a region where one of the light receiving elements and one of the peripheral circuits are arranged, and a region where another of the light receiving elements and the other peripheral circuit are arranged. 6. The imaging device according to claim 5, wherein a control signal is supplied to the one peripheral circuit and the other peripheral circuit. 前記制御回路の少なくとも一部は、前記第2の基板に配される請求項5または6に記載の撮像素子。   The imaging device according to claim 5, wherein at least a part of the control circuit is provided on the second substrate. 前記制御回路の少なくとも一部は、前記第2の基板に積層された第3の基板に配される請求項5または6に記載の撮像素子。   The image sensor according to claim 5, wherein at least a part of the control circuit is provided on a third substrate stacked on the second substrate. 前記制御信号には、前記複数の受光素子の電荷を前記周辺回路に転送するタイミングを制御する制御信号が含まれる請求項1から8のいずれか一項に記載の撮像素子。   9. The imaging device according to claim 1, wherein the control signal includes a control signal for controlling timing of transferring charges of the plurality of light receiving elements to the peripheral circuit. 10. 前記制御信号には、前記周辺回路からの電気信号を出力するタイミングを制御する制御信号が含まれる請求項1から9のいずれか一項に記載の撮像素子。   The imaging device according to claim 1, wherein the control signal includes a control signal that controls a timing of outputting an electric signal from the peripheral circuit. 予め定められた変調周波数で強度変調された変調光が検出対象により反射された反射光を前記複数の受光素子が受光した場合に、前記反射光の前記変調光に対する位相ずれを検出し、検出された位相ずれのずれ量に基づいて前記検出対象までの距離を検出する検出動作をする請求項1から10のいずれか一項に記載の撮像素子。 When the plurality of light receiving elements receive the reflected light reflected by the detection target, the modulated light having been intensity-modulated at a predetermined modulation frequency, and detects a phase shift of the reflected light with respect to the modulated light, and detects the phase shift. The image sensor according to any one of claims 1 to 10, which performs a detection operation of detecting a distance to the detection target based on a shift amount of the phase shift . 前記変調光は、予め定められた第1のパルス幅を有する第1の変調光と、前記第1の変調光とは異なる時間に発生し、前記第1のパルス幅よりも広い第2のパルス幅を有する第2の変調光とを含む請求項11に記載の撮像素子。 The modulated light is first modulation light having a first pulse width set in advance, the first occurred at a different time than the modulated light, said wider than the first pulse width second pulse The imaging device according to claim 11, further comprising a second modulated light having a width. 前記周辺回路は複数の容量素子を有し、前記第1の変調光の変調周波数に基づいた前記制御信号を用いて前記複数の容量素子のいずれかに電荷を蓄積する第1の蓄積部と、前記第2の変調光の変調周波数に基づいた前記制御信号を用いて前記複数の容量素子のうちの複数の容量素子に電荷を蓄積する第2の蓄積部とを有する請求項12に記載の撮像素子。 A first accumulation unit that has a plurality of capacitance elements, and stores electric charge in any of the plurality of capacitance elements using the control signal based on a modulation frequency of the first modulation light ; The imaging apparatus according to claim 12, further comprising: a second storage unit configured to store electric charges in a plurality of capacitive elements of the plurality of capacitive elements using the control signal based on a modulation frequency of the second modulated light. element. 前記第1の基板と、前記第1の基板に積層された他の基板との間に配され、前記第1の基板から前記他の基板に伝播する光を遮断する遮光層を更に備える請求項1から13のいずれか一項に記載の撮像素子。   A light-shielding layer disposed between the first substrate and another substrate stacked on the first substrate, the light-shielding layer intercepting light propagating from the first substrate to the other substrate. 14. The imaging device according to any one of 1 to 13. 請求項1から14のいずれか一項に記載の撮像素子と、前記撮像素子に撮像対象の像を形成する光学系とを備えた撮像装置。   An imaging apparatus comprising: the imaging device according to claim 1; and an optical system that forms an image of an imaging target on the imaging device.
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