JP6688854B2 - Imaging device - Google Patents
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Description
本技術は、撮像装置に関し、特に、画質の低減を抑制することができるようにした撮像装置に関する。 The present technology relates to an image pickup apparatus, and particularly to an image pickup apparatus capable of suppressing reduction in image quality.
近年、ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像装置では、画像を撮像する撮像素子として、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)のイメージセンサ(撮像素子)が用いられている。 In recent years, image pickup devices such as video cameras and digital still cameras have used image sensors (image pickup devices) such as CCDs (Charge Coupled Devices) and CMOSs (Complementary Metal Oxide Semiconductors) as image pickup devices for picking up images.
このような撮像素子では、電荷を電圧に変換する部分において、電荷の熱的な揺らぎ等によって生じるリセットノイズであるkTCノイズが生じる。そこでkTCノイズを抑制する方法が考えられた(例えば、特許文献1参照)。 In such an image pickup device, kTC noise, which is reset noise generated due to thermal fluctuation of electric charges, is generated in a portion converting electric charges into voltage. Then, the method of suppressing kTC noise was considered (for example, refer patent document 1).
しかしながら、特許文献1に記載の方法では、kTCノイズを十分に抑制することは困難であり、除去しきれないkTCノイズが撮像素子のRNノイズに悪影響を及ぼし、その撮像素子により得られる撮像画像の画質を低減させるおそれがあった。
However, with the method described in
特に、撮像素子の画素構造が完全空乏化できない構造の場合、kTCノイズが大きく、かつ、そのkTCノイズを十分に抑制することは、より困難であり、その撮像素子により得られる撮像画像の画質をより低減させるおそれがあった。 In particular, when the pixel structure of the image sensor is a structure that cannot be completely depleted, the kTC noise is large, and it is more difficult to sufficiently suppress the kTC noise, and the image quality of the captured image obtained by the image sensor is improved. There was a risk of further reduction.
本技術は、このような状況に鑑みて提案されたものであり、画質の低減を抑制することを目的とする。 The present technology has been proposed in view of such a situation, and an object thereof is to suppress reduction in image quality.
本技術の一側面は、半導体基板内に設けられた第1の光電変換部と前記半導体基板上に設けられた第2の光電変換部とを有する単位画素と、前記単位画素と接続された比較器と、前記比較器に接続されたDAC(Digital Analog Converter)と、前記比較器に接続されたクランプ制御部と備え、前記クランプ制御部は、前記単位画素において基板垂直方向に色分離される色別に、前記単位画素に設けられたフローティングディフュージョンをリセットするシャッタ動作と、前記フローティングディフュージョンから光電変換により得られる電荷を読み出すリード動作のそれぞれのタイミングで、独立してクランプ量の調整値を設定し、設定された前記クランプ量の調整値に基づいて、各色の各タイミングごとに、クランプ制御を行い、前記DACからの基準信号をクランプする撮像装置である。 One aspect of the present technology is to compare a unit pixel including a first photoelectric conversion unit provided in a semiconductor substrate and a second photoelectric conversion unit provided on the semiconductor substrate with a unit pixel connected to the unit pixel. Unit, a DAC (Digital Analog Converter) connected to the comparator, and a clamp control unit connected to the comparator , the clamp control unit is a color separated in the unit vertical direction in the substrate vertical direction. Separately, at each timing of the shutter operation for resetting the floating diffusion provided in the unit pixel and the read operation for reading out the charges obtained by photoelectric conversion from the floating diffusion, the clamp amount adjustment value is independently set, Based on the set adjustment value of the clamp amount, clamp control is performed at each timing for each color, and the reference signal from the DAC is output. An imaging device for clamping.
本技術によれば、信号を処理することが出来る。特に、画質の低減を抑制することができる。 According to the present technology, a signal can be processed. In particular, it is possible to suppress a reduction in image quality.
以下、本開示を実施するための形態(以下実施の形態とする)について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
1.第1の実施の形態(信号処理装置・撮像素子・撮像装置)
2.第2の実施の形態(撮像素子)
3.第3の実施の形態(撮像素子)
4.第4の実施の形態(撮像素子)
5.第5の実施の形態(撮像装置)
Hereinafter, modes for carrying out the present disclosure (hereinafter referred to as embodiments) will be described. The description will be given in the following order.
1. First Embodiment (Signal Processing Device / Imaging Element / Imaging Device)
2. Second embodiment (imaging device)
3. Third embodiment (imaging device)
4. Fourth embodiment (imaging device)
5. Fifth embodiment (imaging device)
<1.第1の実施の形態>
<kTCノイズ>
<1. First Embodiment>
<KTC noise>
近年、ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像装置では、画像を撮像する撮像素子として、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサ(撮像素子)が用いられている。また、このような撮像素子の方式として単板方式が用いられる。 In recent years, in image pickup apparatuses such as video cameras and digital still cameras, CCD (Charge Coupled Device) and CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensors (image pickup elements) have been used as image pickup elements for picking up images. Further, a single plate method is used as a method of such an image pickup device.
単板方式では、1画素毎に異なった色フィルタを配置する(一般にはRGB ベイヤ(Bayer)配列が広く用いられている)撮像素子が用いられる。例えば原色カラーフィルタを用いたベイヤ配列の場合、緑カラーフィルタ下の画素では、赤と青の光はカラーフィルタを透過しないので、光を効率的に利用することができない問題が存在する。また、周辺画素から足りない色情報を補完しカラー画像を作り出す処理(デモザイク処理)が必要で偽色が生じる問題が存在する。 In the single plate method, an image pickup device in which different color filters are arranged for each pixel (generally, an RGB Bayer array is widely used) is used. For example, in the case of the Bayer array using the primary color filters, red and blue light does not pass through the color filters in the pixels under the green color filter, so that there is a problem that the light cannot be used efficiently. Further, there is a problem that false color is generated because a process (demosaic process) that complements the insufficient color information from the peripheral pixels to generate a color image is required.
これらの問題を解決するために、基板垂直方向(深さ方向)に色分離を行う撮像素子が期待されている。基板垂直方向(深さ方向)に色分離を行う撮像素子の画素構造としては、シリコンの深さ方向を用いて基板垂直方向に色分離を行う画素構造、光電変換膜を用いて基板垂直方向に色分離を行う画素構造、シリコンの深さ方向と光電変換膜の両方を用いて基板垂直方向に色分離を行う画素構造などが知られている。 In order to solve these problems, an image sensor that performs color separation in the substrate vertical direction (depth direction) is expected. The pixel structure of the image pickup device that performs color separation in the substrate vertical direction (depth direction) includes a pixel structure that performs color separation in the substrate vertical direction using the silicon depth direction, and a substrate vertical direction that uses a photoelectric conversion film. A pixel structure that performs color separation, a pixel structure that performs color separation in the substrate vertical direction using both the depth direction of silicon and the photoelectric conversion film, and the like are known.
基板垂直方向(深さ方向)に色分離を行う撮像素子を用いた撮像装置では、1画素あたり複数色(通常RGB 3色)の色情報を保持することができる。これは上記単板方式と比較し、光を効率的に利用できることから画素特性の向上と,デモザイク処理が必要ないので偽色が生じないことが見込まれる。 An image pickup apparatus using an image pickup element that performs color separation in the substrate vertical direction (depth direction) can hold color information of a plurality of colors (normally three RGB colors) per pixel. Compared with the single plate method, this is expected to improve the pixel characteristics because light can be used efficiently and to avoid false colors because demosaicing is not required.
しかしながら、光電変換膜を用いて基板垂直方向に色分離を行う画素構造では、光電変換膜とフローティングディフュージョン(FD)とを金属で結線する必要がある。そのため完全空乏化できない問題が生じる。その結果として、kTCノイズが大きくかつkTCノイズを除去できないおそれがあった。 However, in the pixel structure in which the photoelectric conversion film is used to perform color separation in the direction perpendicular to the substrate, it is necessary to connect the photoelectric conversion film and the floating diffusion (FD) with a metal. Therefore, there arises a problem that complete depletion cannot be achieved. As a result, there is a possibility that the kTC noise is large and the kTC noise cannot be removed.
なお、特許文献1に記載の方法では、大きなkTCノイズを小さなkTCノイズに抑制することができるが、kTCノイズを十分に抑制することは困難であり、除去しきれないkTCノイズが撮像素子のRNノイズに悪影響を及ぼし、その撮像素子により得られる撮像画像の画質を低減させるおそれがあった。
In the method described in
<kTCノイズ対策>
そこで、信号処理装置において、入射光を光電変換する、完全空乏化されない単位画素のフローティングディフュージョンをリセットするシャッタ動作として単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態において単位画素から読み出される第1の信号、シャッタ動作として単位画素のリセット信号がロー(Low)の状態において単位画素から読み出される第2の信号、単位画素のフローティングディフュージョンから光電変換により得られた電荷を読み出すリード動作として単位画素のリセット信号がロー(Low)の状態において単位画素から読み出される第3の信号、並びに、リード動作として単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態において単位画素から読み出される第4の信号を、それぞれA/D変換するA/D変換部と、A/D変換部により第1の信号がA/D変換されて得られた第1のデジタルデータと、A/D変換部により第2の信号がA/D変換されて得られた第2のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第1の出力信号を生成し、A/D変換部により第3の信号がA/D変換されて得られた第3のデジタルデータと、A/D変換部により第4の信号がA/D変換されて得られた第4のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第2の出力信号を生成し、第1の出力信号および第2の出力信号を用いて相関二重サンプリングを行って第3の出力信号を生成する相関二重サンプリング処理部とを備えるようにする。
<Countermeasure against kTC noise>
Therefore, in the signal processing device, as a shutter operation of photoelectrically converting incident light and resetting a floating diffusion of a unit pixel which is not completely depleted, a first read-out signal from the unit pixel in a high state of a reset signal of the unit pixel is used. Signal, a second signal read from the unit pixel when the reset signal of the unit pixel is in a low state as a shutter operation, and resetting the unit pixel as a read operation in which charges obtained by photoelectric conversion from the floating diffusion of the unit pixel are read The third signal read out from the unit pixel when the signal is low (Low) and the fourth signal read out from the unit pixel when the reset signal of the unit pixel is high in the read operation are respectively A The A / D converter that performs A / D conversion and the A / D converter Correlation signal using the first digital data obtained by A / D conversion of the signal of No. 2 and the second digital data obtained by A / D conversion of the second signal by the A / D conversion unit. Double sampling is performed to generate the first output signal, and the third digital data obtained by A / D converting the third signal by the A / D conversion unit and the fourth digital data by the A / D conversion unit. Correlated double sampling is performed using the fourth digital data obtained by A / D conversion of the signal to generate the second output signal, and the first output signal and the second output signal are used. And a correlated double sampling processing unit that performs correlated double sampling to generate a third output signal.
つまり、入射光を光電変換する、完全空乏化されない単位画素のフローティングディフュージョンをリセットするシャッタ動作として単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態において単位画素から読み出される第1の信号をA/D変換し、シャッタ動作として単位画素のリセット信号がロー(Low)の状態において単位画素から読み出される第2の信号をA/D変換し、第1の信号がA/D変換されて得られた第1のデジタルデータと、第2の信号がA/D変換されて得られた第2のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第1の出力信号を生成し、単位画素のフローティングディフュージョンから光電変換により得られた電荷を読み出すリード動作として単位画素のリセット信号がロー(Low)の状態において単位画素から読み出される第3の信号をA/D変換し、リード動作として単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態において単位画素から読み出される第4の信号をA/D変換し、第3の信号がA/D変換されて得られた第3のデジタルデータと、第4の信号がA/D変換されて得られた第4のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第2の出力信号を生成し、第1の出力信号および第2の出力信号を用いて相関二重サンプリングを行って第3の出力信号を生成するようにする。 In other words, the first signal read out from the unit pixel when the reset signal of the unit pixel is high (A / D) is used as the shutter operation for photoelectrically converting incident light and resetting the floating diffusion of the unit pixel that is not completely depleted. The second signal obtained by converting and performing A / D conversion of the second signal read from the unit pixel in the state where the reset signal of the unit pixel is low as a shutter operation is obtained. Floating diffusion of the unit pixel by performing correlated double sampling using the first digital data and the second digital data obtained by A / D converting the second signal to generate the first output signal. As a read operation for reading out the charges obtained by photoelectric conversion from the unit pixel, the reset signal of the unit pixel is read out from the unit pixel in a low state. The signal of 3 is A / D converted, and the fourth signal read from the unit pixel is A / D converted in the read operation when the reset signal of the unit pixel is high (High), and the third signal is A / D converted. Correlated double sampling is performed using the third digital data obtained by conversion and the fourth digital data obtained by A / D conversion of the fourth signal to generate a second output signal. Then, correlated double sampling is performed using the first output signal and the second output signal to generate the third output signal.
このようにすることにより、画素信号に含まれるkTCノイズを十分に抑制することができる。したがって、信号処理装置は、画像データの画像の画質の低減を抑制することができる。 By doing so, kTC noise included in the pixel signal can be sufficiently suppressed. Therefore, the signal processing device can suppress the reduction in the image quality of the image of the image data.
なお、この信号処理装置が、A/D変換部において得られた第1のデジタルデータ乃至第4のデジタルデータを記憶する記憶部をさらに備え、相関二重サンプリング処理部は、記憶部から読み出した第1のデジタルデータおよび第2のデジタルデータ、または、第3のデジタルデータおよび第4のデジタルデータを用いて相関二重サンプリングを行うようにしてもよい。このようにすることにより、信号処理装置は、シャッタ動作やリード動作のタイミングの間隔に対応することができるようになり、より任意のタイミングで相関二重サンプリングを行うことができるようになる。 Note that this signal processing device further includes a storage unit that stores the first to fourth digital data obtained in the A / D conversion unit, and the correlated double sampling processing unit reads from the storage unit. Correlated double sampling may be performed using the first digital data and the second digital data, or the third digital data and the fourth digital data. By doing so, the signal processing device can cope with the timing intervals of the shutter operation and the read operation, and can perform the correlated double sampling at more arbitrary timing.
また、この記憶部が、さらに、相関二重サンプリング処理部により生成された第1の出力信号を記憶し、相関二重サンプリング処理部は、生成した第2の出力信号と、記憶部から読み出した第1の出力信号とを用いて相関二重サンプリングを行うようにしてもよい。このようにすることにより、信号処理装置は、より任意のタイミングで相関二重サンプリングを行うことができるようになる。 The storage unit further stores the first output signal generated by the correlated double sampling processing unit, and the correlated double sampling processing unit reads out the generated second output signal from the storage unit. Correlated double sampling may be performed using the first output signal. By doing so, the signal processing device can perform correlated double sampling at more arbitrary timing.
なお、撮像素子において、入射光を光電変換する、完全空乏化されない単位画素と、単位画素のフローティングディフュージョンをリセットするシャッタ動作として単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態において単位画素から読み出される第1の信号、シャッタ動作として単位画素のリセット信号がロー(Low)の状態において単位画素から読み出される第2の信号、単位画素のフローティングディフュージョンから光電変換により得られた電荷を読み出すリード動作として単位画素のリセット信号がロー(Low)の状態において単位画素から読み出される第3の信号、並びに、リード動作として単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態において単位画素から読み出される第4の信号を、それぞれA/D変換するA/D変換部と、A/D変換部により第1の信号がA/D変換されて得られた第1のデジタルデータと、A/D変換部により第2の信号がA/D変換されて得られた第2のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第1の出力信号を生成し、A/D変換部により第3の信号がA/D変換されて得られた第3のデジタルデータと、A/D変換部により第4の信号がA/D変換されて得られた第4のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第2の出力信号を生成し、第1の出力信号および第2の出力信号を用いて相関二重サンプリングを行って第3の出力信号を生成する相関二重サンプリング処理部とを備えるようにしてもよい。 In the image sensor, a unit pixel that photoelectrically converts incident light and is not completely depleted and a shutter operation that resets the floating diffusion of the unit pixel are read out from the unit pixel in a high state as a reset signal of the unit pixel. The first signal is the shutter operation, the second signal is read from the unit pixel when the reset signal of the unit pixel is in a low state, and the read operation is a unit of the read operation in which charges obtained by photoelectric conversion from the floating diffusion of the unit pixel are read. The third signal read from the unit pixel when the reset signal of the pixel is low (Low) and the fourth signal read from the unit pixel when the reset signal of the unit pixel is high (High) in the read operation , A / D conversion section for A / D conversion and A / D conversion section respectively The first digital data obtained by A / D conversion of the first signal and the second digital data obtained by A / D conversion of the second signal by the A / D conversion unit are used. Correlated double sampling is performed to generate the first output signal, and the third digital data obtained by A / D converting the third signal by the A / D conversion unit and the A / D conversion unit Correlated double sampling is performed using the fourth digital data obtained by A / D conversion of the fourth signal to generate the second output signal, and the first output signal and the second output signal May be used to perform correlated double sampling to generate a third output signal.
このようにすることにより、画素信号に含まれるkTCノイズを十分に抑制することができる。したがって、撮像素子は、画像データの画像の画質の低減を抑制することができる。 By doing so, kTC noise included in the pixel signal can be sufficiently suppressed. Therefore, the image sensor can suppress the reduction in the image quality of the image of the image data.
また、単位画素が、入射光を光電変換する光電変換部と、フローティングディフュージョンとが金属で結線されているようにしてもよい。このような場合、kTCノイズを十分に低減させることがより困難であるが、この場合も、本技術を適用することにより、画素信号に含まれるkTCノイズを十分に抑制することができる。 Further, in the unit pixel, a photoelectric conversion unit that photoelectrically converts incident light and a floating diffusion may be connected by metal. In such a case, it is more difficult to sufficiently reduce the kTC noise, but even in this case, by applying the present technology, the kTC noise included in the pixel signal can be sufficiently suppressed.
また、単位画素は、基板垂直方向に色分離を行う画素構造を有するようにしてもよい。その際、緑色を、有機光電変換膜を用いて色分離し、赤色および青色を、それぞれ、シリコンの深さによって色分離するようにしてもよいし、緑色、赤色、および青色を、それぞれ、シリコンの深さによって色分離するようにしてもよい。 Further, the unit pixel may have a pixel structure that performs color separation in the substrate vertical direction. At that time, green may be color-separated by using an organic photoelectric conversion film, and red and blue may be color-separated according to the depth of silicon, or green, red, and blue may be silicon-respectively. You may make it color-separate according to the depth of.
なお、撮像装置において、被写体を撮像する撮像部と、撮像部による撮像により得られた画像データを画像処理する画像処理部とを備え、撮像部は、入射光を光電変換する、完全空乏化されない単位画素と、単位画素のフローティングディフュージョンをリセットするシャッタ動作として単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態において単位画素から読み出される第1の信号、シャッタ動作として単位画素のリセット信号がロー(Low)の状態において単位画素から読み出される第2の信号、単位画素のフローティングディフュージョンから光電変換により得られた電荷を読み出すリード動作として単位画素のリセット信号がロー(Low)の状態において単位画素から読み出される第3の信号、並びに、リード動作として単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態において単位画素から読み出される第4の信号を、それぞれA/D変換するA/D変換部と、A/D変換部により第1の信号がA/D変換されて得られた第1のデジタルデータと、A/D変換部により第2の信号がA/D変換されて得られた第2のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第1の出力信号を生成し、A/D変換部により第3の信号がA/D変換されて得られた第3のデジタルデータと、A/D変換部により第4の信号がA/D変換されて得られた第4のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第2の出力信号を生成し、第1の出力信号および第2の出力信号を用いて相関二重サンプリングを行って第3の出力信号を生成する相関二重サンプリング処理部とを備えるようにしてもよい。 The image pickup apparatus includes an image pickup unit that picks up an image of a subject and an image processing unit that processes the image data obtained by the image pickup by the image pickup unit. The image pickup unit photoelectrically converts incident light and is not completely depleted. The unit pixel and the first signal read from the unit pixel when the reset signal of the unit pixel is in a high state as a shutter operation for resetting the floating diffusion of the unit pixel, and the reset signal of the unit pixel is low (Low) as a shutter operation. ) State, the second signal read from the unit pixel, and the read operation of reading the electric charge obtained by photoelectric conversion from the floating diffusion of the unit pixel, the reset signal of the unit pixel is read from the unit pixel in the low state as a read operation. Third signal and reset of unit pixel as read operation When the fourth signal read from the unit pixel in the high state of the signal is A / D converted by the A / D converter, and the first signal is A / D converted by the A / D converter. Correlated double sampling is performed using the obtained first digital data and the second digital data obtained by A / D converting the second signal by the A / D conversion unit, and then the first output A signal is generated, and the third digital data obtained by A / D converting the third signal by the A / D converter and the fourth digital signal obtained by A / D converting by the A / D converter are obtained. Correlated double sampling is performed using the obtained fourth digital data to generate a second output signal, and correlated double sampling is performed using the first output signal and the second output signal, and a third output is performed. May be provided.
このようにすることにより、画素信号に含まれるkTCノイズを十分に抑制することができる。したがって、撮像装置は、画像データの画像の画質の低減を抑制することができる。 By doing so, kTC noise included in the pixel signal can be sufficiently suppressed. Therefore, the imaging device can suppress the reduction in the image quality of the image of the image data.
<2.第2の実施の形態>
<撮像素子>
図1は、本技術を適用した撮像素子の主な構成例を示す図である。図1に示される撮像素子100は、例えば、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)のイメージセンサであり、被写体を撮像し、光電変換等を行って、被写体の撮像画像を画像データ(撮像画像データ)として外部に出力する素子である。
<2. Second Embodiment>
<Imaging device>
FIG. 1 is a diagram illustrating a main configuration example of an image sensor to which the present technology is applied. The
図1に示されるように、撮像素子100は、画素領域111、A/D変換部112、CDS(Correlated Double Sampling)処理部113、記憶部114、およびデータ出力部115を有する。
As illustrated in FIG. 1, the
画素領域111は、外部からの光を受光し、光電変換して電気信号として出力する画素が設けられる領域である。画素領域111には、光電変換素子等を含む単位画素が、例えば行列状(アレイ状)等、所定のパターンで複数配置される。画素領域111に配置される単位画素の数(すなわち画素数)および配置のパターンは任意である。例えば、単位画素が行列状に配置される場合、その行数および列数も任意である。単位画素の構成については後述する。画素領域111の単位画素から読み出された電気信号は、A/D変換部112に供給される。
The
A/D変換部112は、画素領域111の単位画素から読み出された信号(アナログ信号)をA/D変換する。A/D変換部112は、複数のADC(Analog Digital Converter)(ADC112−1乃至ADC112−N(Nは任意の自然数))を有する。
The A /
ADC112−1乃至ADC112−Nのそれぞれには、画素領域111の互いに異なる単位画素が割り当てられている。例えば、画素領域111において単位画素が行列状に配置されている場合、ADC112−1乃至ADC112−Nのそれぞれに、互いに異なる列の単位画素が割り当てられるようにしてもよい。また、ADC112−1乃至ADC112−Nのそれぞれに、互いに異なる部分領域(エリア)の単位画素が割り当てられるようにしてもよい。
Different unit pixels in the
ADC112−1乃至ADC112−Nは、それぞれ、自身に割り当てられた単位画素から供給されるアナログ信号をA/D変換する。例えば、画素領域111にN列の単位画素が配置され、ADC112−1乃至ADC112−Nが、それぞれ、互いに異なる列の単位画素が割り当てられている場合、ADC112−1乃至ADC112−Nが、各列の単位画素から供給される信号をA/D変換することにより、A/D変換部112は、画素領域111の全ての単位画素から供給される信号をA/D変換することができる(つまり、1ピクチャ分の信号をA/D変換することができる)。
Each of the ADCs 112-1 to 112-N performs A / D conversion on the analog signal supplied from the unit pixel assigned to itself. For example, when N columns of unit pixels are arranged in the
A/D変換部112(ADC112−1乃至ADC112−N)は、このようにA/D変換して得られた各単位画素に対応するデジタルデータを、順次、CDS処理部113に供給する。
The A / D conversion unit 112 (ADC112-1 to ADC112-N) sequentially supplies the digital data corresponding to each unit pixel obtained by the A / D conversion to the
CDS(Correlated Double Sampling)処理部113は、供給されるデジタルデータを用いて、相関二重サンプリング(CDS(Correlated Double Sampling)とも称する)を行う。CDS処理部113は、記憶部114を利用することにより、互いに異なるタイミングで供給される複数のデジタルデータを用いて相関二重サンプリング(CDS)を行う。例えば、CDS処理部113は、供給されるデジタルデータを記憶部114に記憶させ、所定のタイミングにおいてその記憶部114からデジタルデータを読み出して相関二重サンプリング(CDS)を行う。また、例えば、CDS処理部113は、相関二重サンプリング(CDS)の処理結果(出力信号)を記憶部114に記憶させ、所定のタイミングにおいて記憶部114からその処理結果(出力信号)を読み出して、再度相関二重サンプリング(CDS)を行い、新たな処理結果(出力信号)を得ることもできる。
A CDS (Correlated Double Sampling)
CDS処理部113は、このようにして得られた相関二重サンプリング(CDS)の処理結果を、出力信号としてデータ出力部115に供給する。
The
記憶部114は、例えば、フラッシュメモリ、RAM(Random Access Memory)、SSD(Solid State Drive)等の半導体メモリやハードディスク等の、任意の記憶媒体を有し、CDS処理部113から供給されるデータを記憶する。また、記憶部114は、CDS処理部113からの要求に基づいて、記憶しているデータをCDS処理部113に供給する。
The
データ出力部115は、外部端子等を有し、CDS処理部113から供給される出力信号を、撮像素子100の外部に出力する。なお、その際、データ出力部115は、出力信号を所定の符号化方式で符号化してから出力するようにしてもよい。
The
また、撮像素子100は、センサ制御部121、垂直走査部122、および水平走査部123を有する。
The
センサ制御部121は、例えば、垂直走査部122、水平走査部123、およびCDS処理部113等の、撮像素子100内の各部の動作を制御する。
The
垂直走査部122は、センサ制御部121の制御に基づいて、画素領域111の各単位画素の動作を制御する。例えば、垂直走査部122は、各単位画素からの信号(例えば各単位画素において入射光が光電変換されて蓄積された電荷に相当する画素信号)の読み出しを制御する。
The
水平走査部123は、センサ制御部121の制御に基づいて、ADC112−1乃至ADC112−Nの動作(A/D変換や変換後のデータ転送等)を制御する。
The
つまり、センサ制御部121により制御される垂直走査部122および水平走査部123の制御によって、画素領域111の各単位画素から信号が読み出され、A/D変換される。
That is, by the control of the
CDS処理部113は、センサ制御部121の制御に基づくタイミングで動作することにより、上述したようにA/D変換部112から順次供給される、各単位画素から読み出された信号に相当するデジタルデータに対して相関二重サンプリングを行う。
The
<単位画素構成>
図2は、図1の画素領域111に形成される単位画素の主な構成例を示す図である。図2に示されるように、単位画素130は、フォトダイオード(PD)131、フローティングディフュージョン(FD)、リセットトランジスタ132、増幅トランジスタ133、およびセレクトトランジスタ134を有する。
<Unit pixel configuration>
FIG. 2 is a diagram showing a main configuration example of a unit pixel formed in the
フォトダイオード(PD)131は、単位画素130に入射した光を受光し、その受光した光をその光量に応じた電荷量の光電荷(ここでは、光電子)に光電変換してその光電荷を蓄積する。フォトダイオード(PD)131のアノード電極は画素領域のグランド(GND)に接続され、カソード電極はフローティングディフュージョン(FD)に接続される。
The photodiode (PD) 131 receives light that has entered the
リセットトランジスタ132は、フローティングディフュージョン(FD)の電位をリセットする。リセットトランジスタ132は、ドレイン電極が電源電位(VDD)に接続され、ソース電極がフローティングディフュージョン(FD)に接続される。また、リセットトランジスタ132のゲート電極には、リセットパルス(RST)が垂直走査部122(図1)からリセット線(図示せず)を介して与えられる。
The
増幅トランジスタ(AMP)133は、フローティングディフュージョン(FD)の電位変化を増幅し、電気信号(アナログ信号)として出力する。増幅トランジスタ133は、ゲート電極がフローティングディフュージョン(FD)に接続され、ドレイン電極が電源電位(VDD)に接続され、ソース電極がセレクトトランジスタ134のドレイン電極に接続されている。
The amplification transistor (AMP) 133 amplifies a potential change of the floating diffusion (FD) and outputs it as an electric signal (analog signal). The
セレクトトランジスタ134は、増幅トランジスタ133から供給される電気信号の垂直信号線(VSL)への出力を制御する。セレクトトランジスタ134は、ドレイン電極が増幅トランジスタ133のソース電極に接続され、ソース電極が垂直信号線(VSL)に接続されている。また、セレクトトランジスタ134のゲート電極には、選択パルス(SEL)が垂直走査部122(図1)から選択線(図示せず)を介して与えられる。
The
<画素配列>
画素領域111には、図2のような構成の単位画素130が、図3に示される例のように、行列状(アレイ状)に配置されている。
<Pixel array>
In the
<画素構造>
また、単位画素130(フォトダイオード131)は、図4に示されるように、基板垂直方向(深さ方向)に色分離可能な、所謂、縦型分光構造を有する。なお、図4の例の構造において、単位画素130(フォトダイオード131)が、緑色を、有機光電変換膜を用いて色分離し、赤色および青色を、それぞれ、シリコンの深さによって色分離するようにしてもよい。また、単位画素130(フォトダイオード131)が、緑色、赤色、および青色を、それぞれ、シリコンの深さによって色分離するようにしてもよい。
<Pixel structure>
Further, as shown in FIG. 4, the unit pixel 130 (photodiode 131) has a so-called vertical spectral structure capable of color separation in the substrate vertical direction (depth direction). In the structure of the example of FIG. 4, the unit pixel 130 (photodiode 131) color-separates green using an organic photoelectric conversion film, and red and blue are color-separated according to the depth of silicon. You may In addition, the unit pixel 130 (photodiode 131) may color-separate green, red, and blue, respectively, according to the depth of silicon.
<完全空乏化>
また、図2に示されるように、以上のような構造を有するフォトダイオード131(その有機光電変換膜)は、フローティングディフュージョン(FD)と金属で結線されており、そのため完全空乏化されない。したがって、その結果として、kTCノイズが大きく、かつ、従来の方法ではkTCノイズを十分に低減させることが困難であった。
<Complete depletion>
Further, as shown in FIG. 2, the photodiode 131 (the organic photoelectric conversion film thereof) having the above structure is connected to the floating diffusion (FD) by a metal, and therefore is not completely depleted. Therefore, as a result, the kTC noise is large, and it is difficult to sufficiently reduce the kTC noise by the conventional method.
<読み出し>
図5は、以上のような単位画素130からの信号読み出しの様子の例を説明するタイミングチャートである。
<Read>
FIG. 5 is a timing chart for explaining an example of how signals are read from the
図5に示されるように、撮像素子100においては、各単位画素から、シャッタ動作およびリード動作において読み出しが行われる。シャッタ動作は、フローティングディフュージョン(FD)をリセットする動作であり、リード動作は、フローティングディフュージョン(FD)から光電変換により得られた電荷を読み出す動作である。図5に示されるように、各単位画素130において、シャッタ動作とリード動作は交互に行われる。つまり、シャッタ動作によりフローティングディフュージョンをリセットした後に光電変換されて蓄積された電荷に相当する信号が、リード動作によって読み出される。
As shown in FIG. 5, in the
<読み出し制御処理>
以上のような構成を有する単位画素130から、以上のような手順で信号を読み出す撮像素子100において、センサ制御部121は、以下のように読み出し制御処理を実行して各部を制御し、各単位画素から信号を読み出させる。図6のフローチャートを参照して、読み出し制御処理の流れの例を説明する。必要に応じて図7を参照して説明する。
<Read control processing>
In the
読み出し制御処理が開始されると、センサ制御部121は、ステップS101において、シャッタ動作として、垂直走査部122を制御してリセット信号をH(High(ハイ))に設定させ、単位画素130を制御して、その状態でAZ(AutoZero:ランプ波とVSLの基準をあわせる)動作を行わせる。つまり、ステップS101において、垂直走査部122は、シャッタ動作対象の行であるシャッタ行の単位画素130に対して、リセット信号をHに設定する。また、そのシャッタ行の単位画素130の各部は、リセット信号がHの状態においてAZ動作を行い、信号の読み出しを行う。
When the read control process is started, in step S101, the
ステップS102において、センサ制御部121は、水平走査部123を介してA/D変換部112を制御し、ステップS101の処理により各列の単位画素から読み出された信号をA/D変換させる。つまり、ステップS102において、A/D変換部112は、各列の単位画素から読み出された信号をA/D変換する。
In step S102, the
これにより、図7の”A/D1(図7においては丸囲み数字で表されている)”の部分のA/D変換結果が得られる。 As a result, the A / D conversion result of the "A / D1 (represented by circled numbers in FIG. 7)" portion in FIG. 7 is obtained.
ステップS103において、センサ制御部121は、CDS処理部113を介して記憶部114を制御し、ステップS102の処理により得られたA/D変換結果のデジタルデータを記憶させる。つまり、ステップS103において、記憶部114は、供給されるデジタルデータ(ステップS102の処理により得られたA/D変換結果)を記憶する。
In step S103, the
ステップS104において、センサ制御部121は、シャッタ動作として、垂直走査部122を制御してリセット信号をL(Low(ロー))に設定させ、単位画素130を制御して、その状態で信号の読み出しを行わせる。つまり、ステップS104において、垂直走査部122は、シャッタ行の単位画素130に対して、リセット信号をLに切り替える。また、そのシャッタ行の単位画素130の各部は、リセット信号がLの状態において信号の読み出しを行う。
In step S104, the
ステップS105において、センサ制御部121は、水平走査部123を介してA/D変換部112を制御し、ステップS104の処理により各列の単位画素から読み出された信号をA/D変換させる。つまり、ステップS105において、A/D変換部112は、各列の単位画素から読み出された信号をA/D変換する。
In step S105, the
これにより、図7の”A/D2(図7においては丸囲み数字で表されている)”の部分のA/D変換結果が得られる。 As a result, the A / D conversion result of the portion "A / D2 (represented by circled numbers in FIG. 7)" in FIG. 7 is obtained.
ステップS106において、センサ制御部121は、CDS処理部113を介して記憶部114を制御し、ステップS105の処理により得られたA/D変換結果のデジタルデータを記憶させる。つまり、ステップS106において、記憶部114は、供給されるデジタルデータ(ステップS105の処理により得られたA/D変換結果)を記憶する。
In step S106, the
ステップS107において、センサ制御部121は、CDS処理部113を制御し、ステップS103およびステップS106において記憶部114に記憶させたA/D変換結果のデジタルデータを読み出させ、それらを用いて、シャッタ行についての相関二重サンプリング(CDS)を実行させる。つまり、ステップS107において、CDS処理部113は、ステップS103およびステップS106において記憶部114に記憶させたA/D変換結果のデジタルデータを読み出し、それらを用いて、シャッタ行についての相関二重サンプリング(CDS)を行う。この処理により、kTCノイズに相当するA/D変換結果(第1の出力信号)が得られる。
In step S107, the
ステップS108において、センサ制御部121は、CDS処理部113を介して記憶部114を制御し、ステップS107の処理により得られたCDS結果(すなわち、kTCノイズに相当するA/D変換結果(第1の出力信号))を記憶させる。つまり、ステップS108において、記憶部114は、供給されたCDS結果(ステップS107の処理により得られた、kTCノイズに相当するA/D変換結果(第1の出力信号))を記憶する。
In step S108, the
次に、ステップS109において、センサ制御部121は、リード動作として、垂直走査部122を制御してリセット信号をLに設定させ、単位画素130を制御して、その状態でAZ動作を行わせる。つまり、ステップS109において、垂直走査部122は、リード動作対象の行であるリード行の単位画素130に対して、リセット信号をLに設定する。また、そのリード行の単位画素130の各部は、リセット信号がLの状態においてAZ動作を行い、信号の読み出しを行う。
Next, in step S109, as the read operation, the
ステップS110において、センサ制御部121は、水平走査部123を介してA/D変換部112を制御し、ステップS109の処理により各列の単位画素から読み出された信号をA/D変換させる。つまり、ステップS110において、A/D変換部112は、各列の単位画素から読み出された信号をA/D変換する。
In step S110, the
これにより、図7の”A/D3(図7においては丸囲み数字で表されている)”の部分のA/D変換結果が得られる。 As a result, the A / D conversion result of the "A / D3 (represented by circled numbers in FIG. 7)" portion in FIG. 7 is obtained.
ステップS111において、センサ制御部121は、CDS処理部113を介して記憶部114を制御し、ステップS110の処理により得られたA/D変換結果のデジタルデータを記憶させる。つまり、ステップS111において、記憶部114は、供給されるデジタルデータ(ステップS110の処理により得られたA/D変換結果)を記憶する。
In step S111, the
ステップS112において、センサ制御部121は、リード動作として、垂直走査部122を制御してリセット信号をHに設定させ、単位画素130を制御して、その状態で信号の読み出しを行わせる。つまり、ステップS112において、垂直走査部122は、リード行の単位画素130に対して、リセット信号をHに切り替える。また、そのリード行の単位画素130の各部は、リセット信号がHの状態において信号の読み出しを行う。
In step S112, as the read operation, the
ステップS113において、センサ制御部121は、水平走査部123を介してA/D変換部112を制御し、ステップS112の処理により各列の単位画素から読み出された信号をA/D変換させる。つまり、ステップS113において、A/D変換部112は、各列の単位画素から読み出された信号をA/D変換する。
In step S113, the
これにより、図7の”A/D4(図7においては丸囲み数字で表されている)”の部分のA/D変換結果が得られる。 As a result, the A / D conversion result of the portion "A / D4 (represented by circled numbers in FIG. 7)" in FIG. 7 is obtained.
ステップS114において、センサ制御部121は、CDS処理部113を介して記憶部114を制御し、ステップS113の処理により得られたA/D変換結果のデジタルデータを記憶させる。つまり、ステップS114において、記憶部114は、供給されるデジタルデータ(ステップS113の処理により得られたA/D変換結果)を記憶する。
In step S114, the
ステップS115において、センサ制御部121は、CDS処理部113を制御し、ステップS111およびステップS114において記憶部114に記憶させたA/D変換結果のデジタルデータを読み出させ、それらを用いて、リード行についての相関二重サンプリング(CDS)を実行させる。つまり、ステップS115において、CDS処理部113は、ステップS111およびステップS114において記憶部114に記憶させたA/D変換結果のデジタルデータを読み出し、それらを用いて、リード行についての相関二重サンプリング(CDS)を行う。この処理により、kTCノイズと所定の蓄積時間に応じて光電変換した電荷量に相当するA/D変換結果(第2の出力信号)が得られる。
In step S115, the
ステップS116において、センサ制御部121は、CDS処理部113を介して記憶部114を制御し、ステップS108において記憶部114に記憶させたCDS結果(すなわち、kTCノイズに相当するA/D変換結果(第1の出力信号))を読み出し、そのCDS結果と、ステップS115の処理により得られたCDS結果(すなわち、kTCノイズと所定の蓄積時間に応じて光電変換した電荷量に相当するA/D変換結果(第2の出力信号))とを用いて、相関二重サンプリング(CDS)を実行させる。つまり、ステップS116において、CDS処理部113は、第1の出力信号を記憶部114から読み出し、第1の出力信号と第2の出力信号とを用いて相関二重サンプリング(CDS)を行う。例えば、CDS処理部113は、第2の出力信号から第1の出力信号を減算する。この処理により、kTCノイズが十分に抑制された、所定の蓄積時間に応じて光電変換した電荷量に相当するA/D変換結果(第3の出力信号)が得られる。
In step S116, the
ステップS117において、センサ制御部121は、CDS制御部113を制御し、ステップS116において得られた第3の出力信号をデータ出力部115に供給し、撮像素子100の外部に出力させる。つまり、ステップS117において、データ出力部115は、CDS処理部113から供給される第3の出力信号を外部に出力する。
In step S117, the
ステップS117の処理が終了すると、読み出し制御処理が終了する。 When the process of step S117 ends, the read control process ends.
以上のように処理を実行することにより、撮像素子100(CDS処理部113)は、kTCノイズが十分に抑制された、所定の蓄積時間に応じて光電変換した電荷量に相当するA/D変換結果(第3の出力信号)を撮像画像データとして外部に出力することができる。したがって、撮像素子100は、kTCノイズ等による撮像画像の画質の低減を抑制することができる。
By performing the processing as described above, the image pickup device 100 (CDS processing unit 113) can perform A / D conversion corresponding to the amount of charge photoelectrically converted according to a predetermined accumulation time in which kTC noise is sufficiently suppressed. The result (third output signal) can be output to the outside as captured image data. Therefore, the
なお、以上においては、図2乃至図4等を参照して単位画素の構成、単位画素の配列、および画素構造等について説明したが、本技術は、任意の構成や構造を有し、任意のパターンで配列された単位画素から読み出された信号を処理する信号処理装置に適用することができる。つまり、本技術は、任意の構成や構造を有し、任意のパターンで配列された単位画素を有する撮像素子に適用することができる。したがって、本技術を適用する単位画素の構成、単位画素の配列、および画素構造等は、上述した例(図2乃至図4の例)に限定されない。 Although the configuration of the unit pixels, the arrangement of the unit pixels, the pixel structure, and the like have been described above with reference to FIGS. 2 to 4 and the like, the present technology has an arbitrary configuration and structure, and an arbitrary configuration. It can be applied to a signal processing device that processes a signal read from unit pixels arranged in a pattern. That is, the present technology can be applied to an image sensor having unit pixels arranged in an arbitrary pattern and having an arbitrary configuration or structure. Therefore, the configuration of the unit pixel to which the present technology is applied, the arrangement of the unit pixels, the pixel structure, and the like are not limited to the above-described examples (examples of FIGS. 2 to 4).
ただし、上述したように、完全空乏化することができない単位画素の場合、特にkTCノイズを十分に抑制することがより困難である。しかしながら、この場合であっても本技術を適用することにより、画素信号に含まれるkTCノイズを十分に抑制することができる。したがって、この場合、本技術を適用することにより、撮像素子は、画像データの画像の画質の低減を抑制することができ、より大きな効果を得ることができる。 However, as described above, in the case of a unit pixel that cannot be completely depleted, it is more difficult to sufficiently suppress kTC noise. However, even in this case, by applying the present technology, the kTC noise included in the pixel signal can be sufficiently suppressed. Therefore, in this case, by applying the present technology, the imaging element can suppress the reduction in the image quality of the image of the image data, and can obtain a greater effect.
<3.第3の実施の形態>
ところで、上述した第2の実施の形態における読み出し制御処理(図6、図7)では、フィードスルー(FT:Feed Through)による電圧変動を相関二重サンプリング(CDS)して、kTCノイズを取り出すため、読み出し時のフィードスルーの変化分も含めての読み出しが必要となる。そのため、Data相(D相)よりもReset相(R相)のほうが、フィードスルー分だけ電圧が上昇して、従来のA/D変換器を用いると、ランプ波形の基準信号(ランプ波)が、単位画素130から読み出された信号(VSL)から外れてしまい、正常にA/D変換することができないという現象が発生する場合がある。
<3. Third Embodiment>
By the way, in the read control processing (FIGS. 6 and 7) in the above-described second embodiment, in order to extract the kTC noise by performing correlated double sampling (CDS) on the voltage fluctuation due to the feed through (FT). It is necessary to read out the change in feedthrough at the time of reading. Therefore, the voltage of the Reset phase (R phase) is higher than that of the Data phase (D phase) by the amount of feedthrough, and when the conventional A / D converter is used, the reference signal (ramp wave) of the ramp waveform is In some cases, the signal (VSL) read from the
この現象を回避するためには、緑色、赤色、および青色の色別にA/D変換器を用意するか、あるいは、有機光電変換膜の画素とフォトダイオードの画素の2系統にクランプ回路を搭載する必要があり、このような構成を採用した場合には、回路規模の増大と制御の複雑化を招くことになる。そのため、回路規模の増大と制御の複雑化を抑制しつつ、フィードスルーによる電圧変動の影響を回避できるようなA/D変換器が求められている。 In order to avoid this phenomenon, A / D converters are prepared for each of green, red, and blue colors, or a clamp circuit is mounted in two systems of a pixel of an organic photoelectric conversion film and a pixel of a photodiode. However, if such a configuration is adopted, the circuit scale increases and the control becomes complicated. Therefore, there is a demand for an A / D converter capable of avoiding the influence of voltage fluctuation due to feedthrough while suppressing an increase in circuit scale and complication of control.
このような要求を満たすために、上述した説明ではその詳細な内容の説明を省略していたが、第2の実施の形態における読み出し制御処理(図6、図7)においては、回路規模の増大と制御の複雑化を抑制しつつ、フィードスルーによる電圧変動の影響を抑えることで、A/D変換部112において、単位画素130から垂直信号線(VSL)を介して読み出される信号と、ランプ波形の基準信号(ランプ波)とを比較することで行われるA/D変換が正常に行われるようにしている。
In order to satisfy such a requirement, the detailed description is omitted in the above description, but in the read control processing (FIGS. 6 and 7) in the second embodiment, the circuit scale is increased. By suppressing the influence of the voltage fluctuation due to the feedthrough while suppressing the complication of the control, the signal read from the
そこで、以下、第3の実施の形態として、第2の実施の形態における読み出し制御処理(図6、図7)のより詳細な内容について説明する。 Therefore, as the third embodiment, more detailed contents of the read control processing (FIGS. 6 and 7) in the second embodiment will be described below.
<撮像素子>
図8は、本技術を適用した撮像素子の主な構成例を示す図である。図8に示される撮像素子100は、CMOSイメージセンサ等であって、図1に示される撮像素子100と対応する部分については同一の符号が付してあり、その説明は適宜省略するものとする。すなわち、図8に示される撮像素子100においては、画素領域111と、A/D変換部112のより詳細な構成を示している。
<Imaging device>
FIG. 8 is a diagram showing a main configuration example of an image sensor to which the present technology is applied. The
画素領域111には、M×Nの行列状(M,Nは任意の自然数)に、単位画素130(M,N)が配置されている。画素領域111においては、行列状の画素配列に対して、行ごとに行制御線141−1乃至141−Mが画素行の画素の配列方向(図中の左右方向)に沿って形成され、列ごとに垂直信号線(VSL)142−1乃至142−Nが画素列の画素の配列方向(図中の上下方向)に沿って形成されている。
In the
A/D変換部112は、画素領域111に行列状に配置された単位画素130から読み出されたアナログ信号をA/D変換する。A/D変換部112には、ADC112−1乃至ADC112−N(Nは任意の自然数)と、ランプ波形の基準信号(ランプ波(RAMP))を生成するためのDAC(Digital Analog Converter)151、クランプ制御部152、および、加算器153が設けられている。
The A /
DAC151は、センサ制御部121の制御に基づいて、ランプ波を生成し、出力信号として加算器153に供給する。クランプ制御部152は、センサ制御部121の制御に基づいて、DCレベル制御用の出力信号を生成し、加算器153に供給する。加算器153は、DAC151からの出力信号と、クランプ制御部152からの出力信号とを加算し、ランプ波形の基準信号(ランプ波(RAMP))として、ADC112−1乃至ADC112−Nに供給する。
The
ADC112−1においては、比較器161−1によって、1列目の単位画素130からVSL142−1を介して読み出されるアナログ信号(画素信号)の電圧レベルと、加算器153からの基準信号(所定の傾きで上昇または下降するランプ波(RAMP))の電圧レベルと比較される。このとき、カウンタ162−1では、カウンタラッチが動作している。そして、ADC112−1では、加算器153からの基準信号と、カウンタ162−1でのカウンタ値が一対一の対応を取りながら変化することで、VSL142−1を介して入力されたアナログ信号(画素信号)をデジタルデータに変換する。
In the ADC 112-1, the voltage level of the analog signal (pixel signal) read from the
すなわち、ADC112−1は、基準信号の電圧レベルの変化を、時間の変化に変換するものであり、その時間をある周期(クロック)でカウントすることで、デジタル値に変換している。ここでは、VSL142−1を介して入力されたアナログ信号(画素信号)と、加算器153からの基準信号が交わったとき、比較器161−1の出力が反転し、カウンタ162−1の入力クロックを停止して、A/D変換を完了させる。
That is, the ADC 112-1 converts a change in the voltage level of the reference signal into a change in time, and counts the time in a certain cycle (clock) to convert it into a digital value. Here, when the analog signal (pixel signal) input via the VSL 142-1 and the reference signal from the
ADC112−2乃至ADC112−Nにおいては、ADC112−1と同様に、比較器161−2乃至161−Nによって、VSL142−2乃至142−Nを介して入力されたアナログ信号(画素信号)と、加算器153からの基準信号とが比較され、カウンタ162−2乃至162−Nがカウンタラッチ動作をすることで、A/D変換が行われる。
Similar to the ADC 112-1, the ADCs 112-2 to 112-N add the analog signals (pixel signals) input via the VSLs 142-2 to 142-N by the comparators 161-2 to 161-N and the addition. The reference signal from the
ここで、クランプ制御部152は、センサ制御部121からのクランプ信号(CLPEN)に基づいて、DCレベル制御用の出力信号を生成し、加算器153に供給する。すなわち、クランプ制御部152は、シャッタ動作として単位画素130のリセット信号がハイ(High)の状態、および、リード動作として単位画素130のリセット信号がハイ(High)の状態において、DCレベル制御用の出力信号を生成する。そして、加算器153において、DAC151からの出力信号と、クランプ制御部152からの出力信号とが加算され、ランプ波形の基準信号(ランプ波(RAMP))が得られる。
Here, the
このランプ波形の基準信号は、クランプしない場合と比べて、ダイナミックレンジが拡大されたものとなる。したがって、リセット信号がハイ(High)の状態、すなわち、フィードスルーによる電圧変動の影響が生じるR相(Reset相)のタイミングで、基準信号にクランプをかけるように制御して、基準信号のダイナミックレンジが拡大されるようにすることで、単位画素130からVSL142を介して読み出されるアナログ信号(画素信号)が、基準信号から外れることを抑制して、正常にA/D変換を行うことができる。
The reference signal of the ramp waveform has an expanded dynamic range as compared with the case where it is not clamped. Therefore, when the reset signal is in a high state, that is, at the timing of the R phase (Reset phase) in which the influence of the voltage fluctuation due to the feedthrough occurs, the reference signal is controlled to be clamped, and the dynamic range of the reference signal is controlled. Is enlarged, the analog signal (pixel signal) read from the
なお、クランプ制御部152には、クランプ量の調整値(クランプコード)を設定可能なレジスタが設けられている。センサ制御部121は、クランプ信号(CLPEN)を、クランプ制御部152に供給して、当該レジスタに、緑色、赤色、および青色の色別に、シャッタ行とリード行のそれぞれのタイミングで、独立してクランプ量の調整値を設定することができる。クランプ制御部152は、レジスタに設定されたクランプ量の調整値に基づいて、各色の各タイミングごとに、クランプ制御を行い、基準信号をクランプすることができる。その結果、色別のA/D変換器を用意したり、あるいは、クランプ回路を2系統搭載したりするなど、新たな回路を追加することなく、正確な読み出し制御処理を行うことができる。
The
<読み出し制御処理>
以上のような構成を有する撮像素子100(図8)において、単位画素130から信号を読み出すに際して、センサ制御部121は、以下のように読み出し制御処理を実行して各部を制御し、各単位画素130から信号を読み出させる。次に、図9のフローチャートを参照して、読み出し制御処理の流れの例を説明する。必要に応じて図10を参照して説明する。
<Read control processing>
In the image sensor 100 (FIG. 8) having the above-described configuration, when reading a signal from the
読み出し制御処理が開始されると、ステップS201乃至S204においては、図6のステップS101乃至S103と同様に、シャッタ動作として、垂直走査部122を制御してリセット信号がH(High(ハイ))に設定され、そのシャッタ行の単位画素130の各部が、リセット信号がHの状態においてAZ動作を行い、信号の読み出しを行う。そして、A/D変換部112によって、ステップS201の処理により各列の単位画素130から読み出された信号のA/D変換が行われるが、リセット信号がハイ(High)の状態、すなわち、フィードスルーによる電圧変動の影響が生じるR相のタイミングとなるので、クランプ制御部152によるクランプ制御が行われ(S202)、DAC151からの出力信号にクランプがかけられる。
When the read control process is started, in steps S201 to S204, as in steps S101 to S103 in FIG. 6, as the shutter operation, the
その結果、図10の点線A内に示すように、加算器153からの基準信号のダイナミックレンジが拡大され、各列の単位画素130から読み出された信号が、ランプ波形の基準信号から外れることなく、正常にA/D変換を行うことができる(S203)。これにより、図10の”A/D1(図10においては丸囲み数字で表されている)”の部分のA/D変換結果が得られる。そして、ステップS203の処理により得られたA/D変換結果のデジタルデータは、記憶部114に記憶される(S204)。
As a result, as shown by the dotted line A in FIG. 10, the dynamic range of the reference signal from the
ステップS205乃至S207においては、図6のステップS104乃至S106と同様に、シャッタ動作として、垂直走査部122を制御してリセット信号がL(Low(ロー))に設定され、そのシャッタ行の単位画素130の各部が、リセット信号がLの状態において信号の読み出しを行う。そして、A/D変換部112が、ステップS205の処理により各列の単位画素130から読み出された信号をA/D変換する。
In steps S205 to S207, as in steps S104 to S106 in FIG. 6, as the shutter operation, the
これにより、図10の”A/D2(図10においては丸囲み数字で表されている)”の部分のA/D変換結果が得られる。そして、ステップS206の処理により得られたA/D変換結果のデジタルデータは、記憶部114に記憶される(S207)。 As a result, the A / D conversion result of the "A / D2 (represented by circled numbers in FIG. 10)" portion in FIG. 10 is obtained. Then, the digital data of the A / D conversion result obtained by the process of step S206 is stored in the storage unit 114 (S207).
ステップS208,S209においては、図6のステップS107,108と同様に、CDS処理部113が、ステップS204およびステップS207において記憶部114に記憶させたA/D変換結果のデジタルデータを読み出し、それらを用いて、シャッタ行についての相関二重サンプリング(CDS)を行う。この処理により、kTCノイズと、フィードスルー電圧に相当するA/D変換結果(第1の出力信号)が得られる。そして、ステップS208の処理により得られたCDS結果は、記憶部114に記憶される(S209)。
In steps S208 and S209, as in steps S107 and 108 in FIG. 6, the
次に、ステップS210乃至S212においては、図6のステップS109乃至S111と同様に、リード動作として、垂直走査部122を制御してリセット信号がLに設定され、そのリード行の単位画素130の各部が、リセット信号がLの状態においてAZ動作を行い、信号の読み出しを行う。そして、A/D変換部112が、ステップS210の処理により各列の単位画素130から読み出された信号をA/D変換する。
Next, in steps S210 to S212, as in steps S109 to S111 of FIG. 6, as the read operation, the
これにより、図10の”A/D3(図10においては丸囲み数字で表されている)”の部分のA/D変換結果が得られる。そして、ステップS211の処理により得られたA/D変換結果のデジタルデータは、記憶部114に記憶させる(S212)。 As a result, the A / D conversion result of the portion "A / D3 (represented by circled numbers in FIG. 10)" in FIG. 10 is obtained. Then, the digital data of the A / D conversion result obtained by the process of step S211 is stored in the storage unit 114 (S212).
ステップS213乃至S216においては、図6のステップS112乃至S114と同様に、リード動作として、垂直走査部122を制御してリセット信号がHに設定され、そのリード行の単位画素130の各部が、リセット信号がHの状態において信号の読み出しを行う。そして、A/D変換部112によって、ステップS213の処理により各列の単位画素130から読み出された信号のA/D変換が行われるが、リセット信号がハイ(High)の状態、すなわち、フィードスルーによる電圧変動の影響が生じるR相のタイミングとなるので、クランプ制御部152によるクランプ制御が行われ(S214)、DAC151からの出力信号にクランプがかけられる。
In steps S213 to S216, as in steps S112 to S114 of FIG. 6, as the read operation, the
その結果、図10の点線B内に示すように、加算器153からの基準信号のダイナミックレンジが拡大され、各列の単位画素130から読み出された信号が、ランプ波形の基準信号から外れることなく、正常にA/D変換を行うことができる(S215)。これにより、図10の”A/D4(図10においては丸囲み数字で表されている)”の部分のA/D変換結果が得られる。そして、ステップS215の処理により得られたA/D変換結果のデジタルデータは、記憶部114に記憶される(S216)。
As a result, as shown by the dotted line B in FIG. 10, the dynamic range of the reference signal from the
ステップS217においては、図6のステップS115と同様に、CDS処理部113が、ステップS212およびステップS216において記憶部114に記憶させたA/D変換結果のデジタルデータを読み出し、それらを用いて、リード行についての相関二重サンプリング(CDS)を行う。この処理により、kTCノイズと、フィードスルー電圧と、所定の蓄積時間に応じて光電変換した電荷量に相当するA/D変換結果(第2の出力信号)が得られる。
In step S217, as in step S115 of FIG. 6, the
ステップS218,219においては、図6のステップS116,117と同様に、CDS処理部113が、ステップS209において記憶部114に記憶させたCDS結果(すなわち、kTCノイズとフィードスルー電圧に相当するA/D変換結果(第1の出力信号))を記憶部114から読み出し、そのCDS結果と、ステップS217の処理により得られたCDS結果(すなわち、kTCノイズと、フィードスルー電圧と、所定の蓄積時間に応じて光電変換した電荷量に相当するA/D変換結果(第2の出力信号))とを用いて、相関二重サンプリング(CDS)を行う。
In steps S218 and 219, as in steps S116 and 117 in FIG. 6, the
例えば、CDS処理部113は、第2の出力信号から第1の出力信号を減算する。この処理により、kTCノイズが十分に抑制された、所定の蓄積時間に応じて光電変換した電荷量に相当するA/D変換結果(第3の出力信号)が得られる。ステップS218において得られた第3の出力信号は、データ出力部115に供給され、撮像素子100の外部に出力される(S219)。
For example, the
ステップS219の処理が終了すると、図9の読み出し制御処理が終了する。 When the process of step S219 ends, the read control process of FIG. 9 ends.
以上のように処理を実行することにより、撮像素子100(CDS処理部113)は、kTCノイズが十分に抑制された、所定の蓄積時間に応じて光電変換した電荷量に相当するA/D変換結果(第3の出力信号)を撮像画像データとして外部に出力することができる。したがって、撮像素子100は、kTCノイズ等による撮像画像の画質の低減を抑制することができる。
By performing the processing as described above, the image pickup device 100 (CDS processing unit 113) can perform A / D conversion corresponding to the amount of charge photoelectrically converted according to a predetermined accumulation time in which kTC noise is sufficiently suppressed. The result (third output signal) can be output to the outside as captured image data. Therefore, the
また、シャッタ動作として単位画素130のリセット信号がハイ(High)の状態、および、リード動作として単位画素130のリセット信号がハイ(High)の状態、すなわち、フィードスルーによる電圧変動の影響が生じるR相のタイミングにおいて、ランプ波形の基準信号(ランプ波(RAMP))にクランプをかけるように制御して、基準信号のダイナミックレンジが拡大(振幅が拡大)されるようにすることで、単位画素130からVSL142を介して読み出されるアナログ信号(画素信号)が、ランプ波形の基準信号から外れることを抑制して、正常にA/D変換を行うことができる。
Further, the reset signal of the
なお、第3の実施の形態における読み出し制御処理(図9、図10)においては、縦型分光構造を有する単位画素130において色分離される緑色、赤色、および青色のうち、緑色が、有機光電変換膜を用いて色分離される場合における、緑色の画素の読み出し制御処理を例示している。
In the read control process (FIGS. 9 and 10) according to the third embodiment, of the green, red, and blue that are color-separated in the
ただし、上述したように、クランプ制御部152には、緑色、赤色、および青色の色別(例えば、図10の緑色)に、シャッタ行とリード行のそれぞれのタイミング(例えば、図10の”A/D1”と”A/D3”のタイミング)で、独立してクランプ量の調整値を設定可能なレジスタが設けられているので、クランプ制御部152は、当該レジスタに設定されたクランプ量の調整値に基づいて、各色ごとに任意のタイミングで、クランプ制御を行い、基準信号をクランプすることができる。
However, as described above, the
その結果、例えば、緑色、赤色、および青色の色別のA/D変換器を用意してクランプ回路を搭載することなく、色別に、任意のタイミングで、クランプ制御を行うことができる。また、例えば、有機光電変換膜の画素とフォトダイオードの画素の2系統にクランプ回路を搭載することなく、特性の異なる画素についてのクランプ制御を行うことができる。 As a result, for example, clamp control can be performed for each color at an arbitrary timing without preparing A / D converters for each of green, red, and blue colors and mounting a clamp circuit. Further, for example, clamp control can be performed on pixels having different characteristics without mounting a clamp circuit on the two systems of the pixel of the organic photoelectric conversion film and the pixel of the photodiode.
このように、クランプ制御部152に、クランプ量の調整値を設定可能なレジスタが設けられることで、色別のA/D変換器を用意してクランプ回路を搭載したり、有機光電変換膜の画素とフォトダイオードの画素の2系統にクランプ回路を搭載したりする必要がなくなるので、回路規模の増大を抑制するとともに、制御の複雑化を回避することができる。
As described above, the
<4.第4の実施の形態>
<撮像素子>
なお、本技術を適用する撮像素子が、互いに重畳される複数の半導体基板を有するようにしてもよい。
<4. Fourth Embodiment>
<Imaging device>
The image sensor to which the present technology is applied may have a plurality of semiconductor substrates that are superposed on each other.
図11は、本技術を適用した撮像素子の一例の主な構成例を示す図である。図11に示される撮像素子300は、撮像素子100と同様に、被写体を撮像し、撮像画像のデジタルデータを得る素子である。図11に示されるように、撮像素子300は、互いに重畳される2枚の半導体基板(積層チップ(画素チップ301および回路チップ302))を有する。なお、この半導体基板(積層チップ)の数(層数)は、複数であればよく、例えば、3層以上であってもよい。
FIG. 11 is a diagram showing a main configuration example of an example of an image sensor to which the present technology is applied. The
画素チップ301には、入射光を光電変換する光電変換素子を含む単位画素が複数並べられた画素領域311が形成されている。また、回路チップ302には、画素領域311から読み出された画素信号を処理する周辺回路が形成される周辺回路領域312が形成されている。
In the
撮像素子300の回路構成は、撮像素子100(図1,図8)と同様である。すなわち、画素領域311は、画素領域111と同様の領域であり、画素領域111と同様に複数の単位画素130(図2)が形成される。また、周辺回路領域312には、周辺回路として、A/D変換部112、CDS処理部113、記憶部114、データ出力部115、センサ制御部121、垂直走査部122、および水平走査部123等が形成される。
The circuit configuration of the
上述したように画素チップ301および回路チップ302は、互いに重畳され、多層構造(積層構造)を形成する。画素チップ301に形成される画素領域311の各画素と回路チップ302に形成される周辺回路領域312の周辺回路は、ビア領域(VIA)313およびビア領域(VIA)314に形成される貫通ビア(VIA)等を介して互いに電気的に接続されている。
As described above, the
この撮像素子300のように、本技術を適用したA/D変換部112やCDS処理部113等の周辺回路は、画素領域311(画素領域111)と異なるチップに形成されるようにしてもよい。つまり、図1を参照して説明した撮像素子100の構成と実質的に同様の構成を形成することができるのであれば、それらがどのように形成されていてもよく、例えば、撮像素子100の全ての構成が一体として形成されていなくてもよい。すなわち、例えば、A/D変換部112やCDS処理部113等の周辺回路の一部若しくは全部が、画素領域111(の単位画素130)と異なるLSIとして形成されるようにしてもよい。さらに、周辺回路が複数のLSIに分散して形成されるようにしてもよい。
Like this
<5.第5の実施の形態>
<撮像装置>
なお、本技術は、撮像素子以外にも適用することができる。例えば、撮像装置のような、撮像素子を有する装置(電子機器等)に本技術を適用するようにしてもよい。図12は、本技術を適用した電子機器の一例としての撮像装置の主な構成例を示すブロック図である。図12に示される撮像装置600は、被写体を撮像し、その被写体の画像を電気信号として出力する装置である。
<5. Fifth Embodiment>
<Imaging device>
Note that the present technology can be applied to other than the image sensor. For example, the present technology may be applied to a device (an electronic device or the like) having an image pickup device, such as an image pickup device. FIG. 12 is a block diagram illustrating a main configuration example of an imaging device as an example of an electronic device to which the present technology is applied. The imaging device 600 illustrated in FIG. 12 is a device that images a subject and outputs an image of the subject as an electric signal.
図12に示されるように撮像装置600は、光学部611、CMOSセンサ612、操作部614、制御部615、画像処理部616、表示部617、コーデック処理部618、および記録部619を有する。
As illustrated in FIG. 12, the imaging device 600 includes an
光学部611は、被写体までの焦点を調整し、焦点が合った位置からの光を集光するレンズ、露出を調整する絞り、および、撮像のタイミングを制御するシャッタ等よりなる。光学部611は、被写体からの光(入射光)を透過し、CMOSセンサ612に供給する。
The
CMOSセンサ612は、入射光を光電変換して画素毎の信号(画素信号)をA/D変換し、CDS等の信号処理を行い、処理後の撮像画像データを画像処理部616に供給する。
The
操作部614は、例えば、ジョグダイヤル(商標)、キー、ボタン、またはタッチパネル等により構成され、ユーザによる操作入力を受け、その操作入力に対応する信号を制御部615に供給する。 The operation unit 614 includes, for example, a jog dial (trademark), a key, a button, a touch panel, or the like, receives an operation input by the user, and supplies a signal corresponding to the operation input to the control unit 615.
制御部615は、操作部614により入力されたユーザの操作入力に対応する信号に基づいて、光学部611、CMOSセンサ612、画像処理部616、表示部617、コーデック処理部618、および記録部619の駆動を制御し、各部に撮像に関する処理を行わせる。
The control unit 615, based on the signal corresponding to the user's operation input input by the operation unit 614, the
画像処理部616は、CMOSセンサ612により得られた撮像画像データを画像処理する。より具体的には、画像処理部616は、CMOSセンサ612から供給された撮像画像データに対して、例えば、混色補正や、黒レベル補正、ホワイトバランス調整、マトリックス処理、ガンマ補正、およびYC変換等の各種画像処理を施す。画像処理部616は、画像処理を施した撮像画像データを表示部617およびコーデック処理部618に供給する。
The
表示部617は、例えば、液晶ディスプレイ等として構成され、画像処理部616から供給された撮像画像データに基づいて、被写体の画像を表示する。
The
コーデック処理部618は、画像処理部616から供給された撮像画像データに対して、所定の方式の符号化処理を施し、得られた符号化データを記録部619に供給する。
The
記録部619は、コーデック処理部618からの符号化データを記録する。記録部619に記録された符号化データは、必要に応じて画像処理部616に読み出されて復号される。復号処理により得られた撮像画像データは、表示部617に供給され、その撮像画像データに対応する撮像画像が表示される。
The
以上のような撮像装置600のCMOSセンサ612として、上述した本技術を適用する。すなわち、CMOSセンサ612として、上述した実施の形態の撮像素子が用いられる。これにより、CMOSセンサ612は、画質の低減を抑制することができる。したがって撮像装置600は、被写体を撮像することにより、高画質な画像を得ることができる。
The present technology described above is applied as the
なお、本技術を適用した撮像装置は、上述した構成に限らず、他の構成であってもよい。例えば、デジタルスチルカメラやビデオカメラだけでなく、携帯電話機、スマートホン、タブレット型デバイス、パーソナルコンピュータ等の、撮像機能を有する情報処理装置であってもよい。また、他の情報処理装置に装着して使用される(若しくは組み込みデバイスとして搭載される)カメラモジュールであってもよい。 The image pickup apparatus to which the present technology is applied is not limited to the above-described configuration and may have another configuration. For example, not only a digital still camera or a video camera, but also an information processing apparatus having an imaging function such as a mobile phone, a smart phone, a tablet device, a personal computer, or the like may be used. Further, it may be a camera module mounted on another information processing device for use (or mounted as an embedded device).
また、以上において、1つの装置(または処理部)として説明した構成を分割し、複数の装置(または処理部)として構成するようにしてもよい。逆に、以上において複数の装置(または処理部)として説明した構成をまとめて1つの装置(または処理部)として構成されるようにしてもよい。また、各装置(または各処理部)の構成に上述した以外の構成を付加するようにしてももちろんよい。さらに、システム全体としての構成や動作が実質的に同じであれば、ある装置(または処理部)の構成の一部を他の装置(または他の処理部)の構成に含めるようにしてもよい。 Further, in the above, the configuration described as one device (or processing unit) may be divided and configured as a plurality of devices (or processing units). Conversely, the configurations described above as a plurality of devices (or processing units) may be integrated into one device (or processing unit). Further, it is of course possible to add a configuration other than the above to the configuration of each device (or each processing unit). Furthermore, if the configuration and operation of the entire system are substantially the same, part of the configuration of a certain device (or processing unit) may be included in the configuration of another device (or another processing unit). .
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。 Although the preferred embodiments of the present disclosure have been described above in detail with reference to the accompanying drawings, the technical scope of the present disclosure is not limited to such examples. It is obvious that a person having ordinary knowledge in the technical field of the present disclosure can conceive various changes or modifications within the scope of the technical idea described in the claims. It is understood that the above also naturally belongs to the technical scope of the present disclosure.
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
(1) 入射光を光電変換する、完全空乏化されない単位画素のフローティングディフュージョンをリセットするシャッタ動作として前記単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態において前記単位画素から読み出される第1の信号、前記シャッタ動作として前記単位画素の前記リセット信号がロー(Low)の状態において前記単位画素から読み出される第2の信号、前記単位画素の前記フローティングディフュージョンから光電変換により得られた電荷を読み出すリード動作として前記単位画素のリセット信号がロー(Low)の状態において前記単位画素から読み出される第3の信号、並びに、前記リード動作として前記単位画素の前記リセット信号がハイ(High)の状態において前記単位画素から読み出される第4の信号を、それぞれA/D変換するA/D変換部と、
前記A/D変換部により前記第1の信号がA/D変換されて得られた第1のデジタルデータと、前記A/D変換部により前記第2の信号がA/D変換されて得られた第2のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第1の出力信号を生成し、前記A/D変換部により前記第3の信号がA/D変換されて得られた第3のデジタルデータと、前記A/D変換部により前記第4の信号がA/D変換されて得られた第4のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第2の出力信号を生成し、前記第1の出力信号および前記第2の出力信号を用いて相関二重サンプリングを行って第3の出力信号を生成する相関二重サンプリング処理部と
を備える信号処理装置。
(2) 前記A/D変換部において得られた前記第1のデジタルデータ乃至前記第4のデジタルデータを記憶する記憶部をさらに備え、
前記相関二重サンプリング処理部は、前記記憶部から読み出した前記第1のデジタルデータおよび前記第2のデジタルデータ、または、前記第3のデジタルデータおよび前記第4のデジタルデータを用いて相関二重サンプリングを行う
(1)に記載の信号処理装置。
(3) 前記記憶部は、さらに、前記相関二重サンプリング処理部により生成された前記第1の出力信号を記憶し、
前記相関二重サンプリング処理部は、生成した前記第2の出力信号と、前記記憶部から読み出した前記第1の出力信号とを用いて相関二重サンプリングを行う
(1)または(2)に記載の信号処理装置。
(4)
前記シャッタ動作として前記単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態、および、前記リード動作として前記単位画素の前記リセット信号がハイ(High)の状態において、前記A/D変換部における、前記単位画素から読み出される信号とランプ波形の基準信号とを比較することで行われるA/D変換が正常に行われるように、前記基準信号をクランプするクランプ制御部をさらに備える
(1)乃至(3)のいずれかに記載の信号処理装置。
(5) 入射光を光電変換する、完全空乏化されない単位画素のフローティングディフュージョンをリセットするシャッタ動作として前記単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態において前記単位画素から読み出される第1の信号をA/D変換し、
前記シャッタ動作として前記単位画素の前記リセット信号がロー(Low)の状態において前記単位画素から読み出される第2の信号をA/D変換し、
前記第1の信号がA/D変換されて得られた第1のデジタルデータと、前記第2の信号がA/D変換されて得られた第2のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第1の出力信号を生成し、
前記単位画素の前記フローティングディフュージョンから光電変換により得られた電荷を読み出すリード動作として前記単位画素のリセット信号がロー(Low)の状態において前記単位画素から読み出される第3の信号をA/D変換し、
前記リード動作として前記単位画素の前記リセット信号がハイ(High)の状態において前記単位画素から読み出される第4の信号をA/D変換し、
前記第3の信号がA/D変換されて得られた第3のデジタルデータと、前記第4の信号がA/D変換されて得られた第4のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第2の出力信号を生成し、
前記第1の出力信号および前記第2の出力信号を用いて相関二重サンプリングを行って第3の出力信号を生成する
信号処理方法。
(6) 入射光を光電変換する、完全空乏化されない単位画素と、
前記単位画素のフローティングディフュージョンをリセットするシャッタ動作として前記単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態において前記単位画素から読み出される第1の信号、前記シャッタ動作として前記単位画素の前記リセット信号がロー(Low)の状態において前記単位画素から読み出される第2の信号、前記単位画素の前記フローティングディフュージョンから光電変換により得られた電荷を読み出すリード動作として前記単位画素のリセット信号がロー(Low)の状態において前記単位画素から読み出される第3の信号、並びに、前記リード動作として前記単位画素の前記リセット信号がハイ(High)の状態において前記単位画素から読み出される第4の信号を、それぞれA/D変換するA/D変換部と、
前記A/D変換部により前記第1の信号がA/D変換されて得られた第1のデジタルデータと、前記A/D変換部により前記第2の信号がA/D変換されて得られた第2のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第1の出力信号を生成し、前記A/D変換部により前記第3の信号がA/D変換されて得られた第3のデジタルデータと、前記A/D変換部により前記第4の信号がA/D変換されて得られた第4のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第2の出力信号を生成し、前記第1の出力信号および前記第2の出力信号を用いて相関二重サンプリングを行って第3の出力信号を生成する相関二重サンプリング処理部と
を備える撮像素子。
(7) 前記単位画素は、前記入射光を光電変換する光電変換部と、前記フローティングディフュージョンとが金属で結線されている
(6)、(8)乃至(10)のいずれかに記載の撮像素子。
(8) 前記単位画素は、基板垂直方向に色分離を行う画素構造を有する
(6)、(7)、(9)(10)のいずれかに記載の撮像素子。
(9) 前記単位画素は、緑色を、有機光電変換膜を用いて色分離し、赤色および青色を、それぞれ、シリコンの深さによって色分離する
(6)乃至(8)、(10)のいずれかに記載の撮像素子。
(10) 前記単位画素は、緑色、赤色、および青色を、それぞれ、シリコンの深さによって色分離する
(6)乃至(9)のいずれかに記載の撮像素子。
(11) 被写体を撮像する撮像部と、
前記撮像部による撮像により得られた画像データを画像処理する画像処理部と
を備え、
前記撮像部は、
入射光を光電変換する、完全空乏化されない単位画素と、
前記単位画素のフローティングディフュージョンをリセットするシャッタ動作として前記単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態において前記単位画素から読み出される第1の信号、前記シャッタ動作として前記単位画素の前記リセット信号がロー(Low)の状態において前記単位画素から読み出される第2の信号、前記単位画素の前記フローティングディフュージョンから光電変換により得られた電荷を読み出すリード動作として前記単位画素のリセット信号がロー(Low)の状態において前記単位画素から読み出される第3の信号、並びに、前記リード動作として前記単位画素の前記リセット信号がハイ(High)の状態において前記単位画素から読み出される第4の信号を、それぞれA/D変換するA/D変換部と、
前記A/D変換部により前記第1の信号がA/D変換されて得られた第1のデジタルデータと、前記A/D変換部により前記第2の信号がA/D変換されて得られた第2のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第1の出力信号を生成し、前記A/D変換部により前記第3の信号がA/D変換されて得られた第3のデジタルデータと、前記A/D変換部により前記第4の信号がA/D変換されて得られた第4のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第2の出力信号を生成し、前記第1の出力信号および前記第2の出力信号を用いて相関二重サンプリングを行って第3の出力信号を生成する相関二重サンプリング処理部と
を備える撮像装置。
Note that the present technology may also be configured as below.
(1) A first signal read from the unit pixel when the reset signal of the unit pixel is in a high state as a shutter operation for photoelectrically converting incident light and resetting a floating diffusion of the unit pixel that is not completely depleted, As the shutter operation, as a read operation for reading a second signal read from the unit pixel in a state where the reset signal of the unit pixel is low, and a charge obtained by photoelectric conversion from the floating diffusion of the unit pixel A third signal read from the unit pixel when the reset signal of the unit pixel is low, and from the unit pixel when the reset signal of the unit pixel is high as the read operation. A / D conversion of the read fourth signal And A / D conversion unit that,
First digital data obtained by A / D conversion of the first signal by the A / D conversion unit, and obtained by A / D conversion of the second signal by the A / D conversion unit Correlated double sampling is performed using the second digital data to generate a first output signal, and the third signal obtained by A / D converting the third signal by the A / D conversion unit. Correlated digital double sampling is performed using the digital data of 4 and the fourth digital data obtained by A / D converting the fourth signal by the A / D converter to generate a second output signal. And a correlated double sampling processing unit that performs correlated double sampling using the first output signal and the second output signal to generate a third output signal.
(2) A storage unit that stores the first digital data to the fourth digital data obtained by the A / D conversion unit is further included.
The correlated double sampling processing unit uses the correlated double sampling using the first digital data and the second digital data or the third digital data and the fourth digital data read from the storage unit. Sampling The signal processing device according to (1).
(3) The storage unit further stores the first output signal generated by the correlated double sampling processing unit,
The correlated double sampling processing unit performs correlated double sampling using the generated second output signal and the first output signal read from the storage unit. (1) or (2) Signal processing equipment.
(4)
In the state where the reset signal of the unit pixel is high as the shutter operation, and in the state where the reset signal of the unit pixel is high as the read operation, the unit in the A / D converter is A clamp controller is further provided for clamping the reference signal so that the A / D conversion performed by comparing the signal read from the pixel with the reference signal of the ramp waveform is normally performed (1) to (3) The signal processing device according to any one of 1.
(5) As a shutter operation for photoelectrically converting incident light and resetting a floating diffusion of a unit pixel that is not completely depleted, a first signal read from the unit pixel when the reset signal of the unit pixel is high (High) is used. A / D conversion,
As the shutter operation, the second signal read from the unit pixel is A / D converted in a state where the reset signal of the unit pixel is low (Low),
Correlated double sampling using first digital data obtained by A / D conversion of the first signal and second digital data obtained by A / D conversion of the second signal To generate a first output signal,
As a read operation for reading charges obtained by photoelectric conversion from the floating diffusion of the unit pixel, A / D conversion is performed on the third signal read from the unit pixel when the reset signal of the unit pixel is low. ,
As the read operation, A / D conversion is performed on the fourth signal read from the unit pixel when the reset signal of the unit pixel is in a high state.
Correlated double sampling using third digital data obtained by A / D conversion of the third signal and fourth digital data obtained by A / D conversion of the fourth signal To generate a second output signal,
A signal processing method, wherein correlated double sampling is performed using the first output signal and the second output signal to generate a third output signal.
(6) A unit pixel that photoelectrically converts incident light and is not completely depleted,
As a shutter operation for resetting the floating diffusion of the unit pixel, a first signal read from the unit pixel when the reset signal of the unit pixel is high, and as the shutter operation, the reset signal of the unit pixel is low. In the (Low) state, the reset signal of the unit pixel is in a Low state as a read operation for reading the second signal read from the unit pixel and the charge obtained by photoelectric conversion from the floating diffusion of the unit pixel. In the A / D conversion, the third signal read from the unit pixel and the fourth signal read from the unit pixel when the reset signal of the unit pixel is in a high state as the read operation are performed. A / D converter that
First digital data obtained by A / D conversion of the first signal by the A / D conversion unit, and obtained by A / D conversion of the second signal by the A / D conversion unit Correlated double sampling is performed using the second digital data to generate a first output signal, and the third signal obtained by A / D converting the third signal by the A / D conversion unit. Correlated digital double sampling is performed using the digital data of 4 and the fourth digital data obtained by A / D converting the fourth signal by the A / D converter to generate a second output signal. And a correlated double sampling processing unit that performs correlated double sampling using the first output signal and the second output signal to generate a third output signal.
(7) In the unit pixel, a photoelectric conversion unit that photoelectrically converts the incident light and the floating diffusion are connected by a metal. (6), (8) to (10) .
(8) The image sensor according to any one of (6), (7), (9), and (10), in which the unit pixel has a pixel structure that performs color separation in a substrate vertical direction.
(9) In the unit pixel, green is color-separated using an organic photoelectric conversion film, and red and blue are color-separated according to the depth of silicon. (6) to (8), (10) An image sensor according to
(10) The image sensor according to any one of (6) to (9), wherein the unit pixel separates green, red, and blue from each other according to the depth of silicon.
(11) An imaging unit that images a subject,
An image processing unit that performs image processing on the image data obtained by the image pickup by the image pickup unit,
The imaging unit is
A unit pixel that photoelectrically converts incident light and is not completely depleted,
As a shutter operation for resetting the floating diffusion of the unit pixel, a first signal read from the unit pixel when the reset signal of the unit pixel is high, and as the shutter operation, the reset signal of the unit pixel is low. In the (Low) state, the reset signal of the unit pixel is in a Low state as a read operation for reading the second signal read from the unit pixel and the charge obtained by photoelectric conversion from the floating diffusion of the unit pixel. In the A / D conversion, the third signal read from the unit pixel and the fourth signal read from the unit pixel when the reset signal of the unit pixel is in a high state as the read operation are performed. A / D converter that
First digital data obtained by A / D conversion of the first signal by the A / D conversion unit, and obtained by A / D conversion of the second signal by the A / D conversion unit Correlated double sampling is performed using the second digital data to generate a first output signal, and the third signal obtained by A / D converting the third signal by the A / D conversion unit. Correlated digital double sampling is performed using the digital data of 4 and the fourth digital data obtained by A / D converting the fourth signal by the A / D converter to generate a second output signal. And a correlated double sampling processing unit that performs correlated double sampling using the first output signal and the second output signal to generate a third output signal.
100 撮像素子, 111 画素領域, 112 A/D変換部, 113 CDS処理部, 114 記憶部, 115 データ出力部, 121 センサ制御部, 122 垂直走査部, 123 水平走査部, 130 単位画素, 131 フォトダイオード, 132 リセットトランジスタ, 133 増幅トランジスタ, 134 セレクトトランジスタ, 141 行制御線, 142 垂直信号線(VSL), 151 DAC, 152 クランプ制御部, 153 加算器, 161 比較器, 162 カウンタ, 300 撮像素子, 301 画素チップ, 302 回路チップ, 311 画素領域, 312 周辺回路領域, 313および314 ビア領域, 600 撮像装置, 612 CMOSセンサ, 616 画像処理部 100 image sensor, 111 pixel area, 112 A / D conversion section, 113 CDS processing section, 114 storage section, 115 data output section, 121 sensor control section, 122 vertical scanning section, 123 horizontal scanning section, 130 unit pixel, 131 photo Diode, 132 reset transistor, 133 amplification transistor, 134 select transistor, 141 row control line, 142 vertical signal line (VSL), 151 DAC, 152 clamp control unit, 153 adder, 161 comparator, 162 counter, 300 image sensor, 301 pixel chip, 302 circuit chip, 311 pixel area, 312 peripheral circuit area, 313 and 314 via area, 600 imaging device, 612 CMOS sensor, 616 image processing unit
Claims (8)
前記単位画素と接続された比較器と、
前記比較器に接続されたDAC(Digital Analog Converter)と、
前記比較器に接続されたクランプ制御部と
備え、
前記クランプ制御部は、
前記単位画素において基板垂直方向に色分離される色別に、前記単位画素に設けられたフローティングディフュージョンをリセットするシャッタ動作と、前記フローティングディフュージョンから光電変換により得られる電荷を読み出すリード動作のそれぞれのタイミングで、独立してクランプ量の調整値を設定し、
設定された前記クランプ量の調整値に基づいて、各色の各タイミングごとに、クランプ制御を行い、前記DACからの基準信号をクランプする
撮像装置。 A unit pixel having a first photoelectric conversion unit provided in the semiconductor substrate and a second photoelectric conversion unit provided on the semiconductor substrate;
A comparator connected to the unit pixel,
A DAC (Digital Analog Converter) connected to the comparator,
A clamp controller connected to the comparator ,
The clamp control unit,
At each timing of a shutter operation for resetting a floating diffusion provided in the unit pixel and a read operation for reading out charges obtained by photoelectric conversion from the floating diffusion for each color separated in the substrate vertical direction in the unit pixel. , Set the clamp amount adjustment value independently,
Clamp control is performed for each timing of each color based on the set adjustment value of the clamp amount, and the reference signal from the DAC is clamped.
Imaging device.
請求項1に記載の撮像装置。 The imaging device according to claim 1, wherein the second photoelectric conversion unit includes a first electrode, a second electrode, and an organic photoelectric conversion film.
請求項2に記載の撮像装置。 The first electrode, the imaging apparatus according to claim 2 connected in the floating diffusion and the metal.
請求項3に記載の撮像装置。 The imaging device according to claim 3, wherein the floating diffusion is connected to a gate of an amplification transistor.
請求項4に記載の撮像装置。 The imaging device according to claim 4, wherein the amplification transistor is connected to a selection transistor.
請求項5に記載の撮像装置。 The imaging device according to claim 5, wherein the selection transistor is connected to the comparator.
請求項1に記載の撮像装置。 The imaging device according to claim 1, wherein a third photoelectric conversion unit is provided in the semiconductor substrate.
前記第2の光電変換部は、緑色を色分離し、
前記第3の光電変換部は、青色を色分離する
請求項7に記載の撮像装置。 The first photoelectric conversion unit color-separates red,
The second photoelectric conversion unit color-separates green,
The imaging device according to claim 7, wherein the third photoelectric conversion unit color-separates blue.
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