JP5570628B2 - Solid-state imaging device - Google Patents
Solid-state imaging device Download PDFInfo
- Publication number
- JP5570628B2 JP5570628B2 JP2013039442A JP2013039442A JP5570628B2 JP 5570628 B2 JP5570628 B2 JP 5570628B2 JP 2013039442 A JP2013039442 A JP 2013039442A JP 2013039442 A JP2013039442 A JP 2013039442A JP 5570628 B2 JP5570628 B2 JP 5570628B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- unit
- signal
- charge
- photoelectric conversion
- solid
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Description
本発明は固体撮像装置に関し、具体的にはダイナミックレンジ拡大技術に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device, and more specifically to a dynamic range expansion technique.
CMOSイメージセンサなどの名前で知られる、増幅型の撮像装置において、機械的な遮光手段を用いずに面内同時に蓄積の開始および終了を制御可能な、電子シャッタ技術が様々存在している。 In an amplification type imaging apparatus known by a name such as a CMOS image sensor, there are various electronic shutter technologies capable of controlling the start and end of accumulation simultaneously in the plane without using a mechanical light shielding means.
特許文献1に記載の電子シャッタを有する構成においては、信号電荷生成期間中に光電変換部で生成した電荷が保持部に移送され、露光終了後に光電変換部をリセット状態にして光電変換部で生成した電荷を排出することで電子シャッタ機能を実現している。
In the configuration having the electronic shutter described in
本技術は、光電変換部は基本的に光電変換に特化し、従来の露光中の電荷蓄積という機能は隣接した電荷保持部に持たせることで機能を分離した点が特徴である。この電荷保持部はFD領域とは別に設けられるものである。光電変換部の飽和電荷数が少ないために、光電変換部から電荷保持部への転送が低電圧で済み、CCDなどに比べて、一般的なCMOS製造プロセスもしくはその派生の製造プロセスなどの簡易なプロセスで製造できる。 The feature of the present technology is that the photoelectric conversion unit is basically specialized in photoelectric conversion, and the function of charge accumulation during exposure is separated by providing the adjacent charge holding unit with the function. This charge holding portion is provided separately from the FD region. Since the number of saturated charges in the photoelectric conversion unit is small, transfer from the photoelectric conversion unit to the charge holding unit can be performed at a low voltage. Compared with a CCD or the like, a simple CMOS manufacturing process or a derivative manufacturing process thereof can be simplified. Can be manufactured in a process.
特許文献1においては、画素に電荷保持部を設けることで飽和電荷量を増大させることが可能となるが、飽和電荷量が増大するために、光電変換部、電荷保持部の後段に設けられた読み出し回路のダイナミックレンジにより信号のレンジの制限を受ける場合がある。これは上述したように光電変換の機能を有する構成と、信号電荷を蓄積する構成とを別構成として設け、それぞれに適した構成として蓄積可能な電荷量が増えたことにより顕著となる課題である。
In
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、後段の読み出し回路のダイナミックレンジに制限を受けず、別途設けた電荷保持部により増大した信号電荷を有効に画像信号として用いることを目的としたものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and is intended to effectively use a signal charge increased by a separately provided charge holding unit as an image signal without being limited by the dynamic range of a readout circuit in the subsequent stage. It is.
本発明は上記課題に鑑み、光電変換部と、前記光電変換部で生じた信号電荷を保持する電荷保持部と、前記光電変換部から前記電荷保持部へ信号電荷を転送する第1転送部と、前記電荷保持部で保持された信号電荷を転送する第2転送部と、を有する複数の画素と、前記第2転送部により転送された信号電荷に基づく信号を増幅する増幅部と、前記増幅部に転送された信号電荷をリセットするリセット部と、を有する固体撮像装置であって、前記電荷保持部は、前記光電変換部と前記増幅部との間の電気経路に配され、前記光電変換部に信号電荷を保持した状態で、前記第2転送部に導通パルスを供給して前記電荷保持部に保持された信号電荷を前記増幅部へ転送し、前記リセット部に導通パルスを供給して前記増幅部に転送された信号電荷をリセットした後、前記第1及び第2転送部に導通パルスを供給することにより前記光電変換部に保持された信号電荷を前記増幅部へ転送することを特徴とする。 In view of the above problems, the present invention provides a photoelectric conversion unit, a charge holding unit that holds signal charges generated in the photoelectric conversion unit, and a first transfer unit that transfers signal charges from the photoelectric conversion unit to the charge holding unit. A second transfer unit that transfers a signal charge held by the charge holding unit, an amplification unit that amplifies a signal based on the signal charge transferred by the second transfer unit, and the amplification A reset unit that resets the signal charge transferred to the unit, wherein the charge holding unit is arranged in an electrical path between the photoelectric conversion unit and the amplification unit, and the photoelectric conversion With the signal charge held in the unit, a conduction pulse is supplied to the second transfer unit to transfer the signal charge held in the charge holding unit to the amplification unit, and a conduction pulse is supplied to the reset unit. Signal charge transferred to the amplifier After resetting, characterized by transferring the signal charges held in the photoelectric conversion unit by supplying the turning-on pulse to the first and second transfer unit to the amplifying unit.
本発明によれば、光電変換部とは別に、画素に電荷保持部を設けた構成において、後段の読み出し回路のダイナミックレンジに制限を受けず、別途設けた電荷保持部により増大した信号電荷を有効に画像信号として用いることが可能となる。 According to the present invention, in the configuration in which the charge holding unit is provided in the pixel separately from the photoelectric conversion unit, the signal charge increased by the charge holding unit provided separately is effective without being limited by the dynamic range of the readout circuit in the subsequent stage. It can be used as an image signal.
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
まず以下の実施形態に共通に適用可能な固体撮像装置のブロック図及び画素の等価回路図に関して図1、2を用いて説明する。 First, a block diagram of a solid-state imaging device and an equivalent circuit diagram of a pixel that can be commonly applied to the following embodiments will be described with reference to FIGS.
図1において、101は画素領域である。画素が行列状に複数配置されている。102は垂直走査部である。画素領域の画素を画素行ごともしくは複数の画素行ごとに走査する。シフトレジスタもしくはデコーダを用いて構成することができる。
In FIG. 1, reference numeral 101 denotes a pixel region. A plurality of pixels are arranged in a matrix.
103は列回路である。画素領域101から垂直走査部の走査によって読み出された信号に対して所望の処理を行なう。例えば、画素のノイズ等を抑制するCDS回路や、画素からの信号を増幅する増幅部、画素からのアナログ信号をディジタル変換するAD変換部等を含んで構成され得る。
104は水平走査部である。列回路で所望の処理を施された信号を外部に読み出すために画素列毎もしくは複数の画素列毎に順次走査する。垂直走査部と同様に、シフトレジスタもしくはデコーダを用いて構成される。
105は信号処理部である。固体撮像装置から出力された信号に対して所定の処理を行なう。
各構成部間には光信号もしくは駆動信号等を伝達する配線が存在するがここでは省略している。 Wiring for transmitting an optical signal, a drive signal, or the like exists between the components, but is omitted here.
図2は画素領域に配された画素の等価回路図である。説明の簡略化のために画素領域101に含まれる画素は3行×3列の計9画素としているが、これに限定するものではない。2は光電変換部として機能するフォトダイオード(PD)である。PDのアノードは固定電位(例えば接地)に接続され、カソードは第1転送部として機能する第1転送トランジスタ8を介して電荷保持部3の一方の端子に接続される。電荷保持部3の他方の端子は固定電位(例えば接地)に接続されている。電荷保持部3の一方の端子はさらに第2転送部である第2転送トランジスタ9を介してFD領域4と接続されている。FD領域は増幅部の一部として機能する増幅トランジスタ12のゲート端子に接続される。増幅トランジスタのゲートは増幅部の入力部として機能する。増幅トランジスタ12のゲートはリセット部として機能するリセットトランジスタ10を介して画素電源線に接続される。各転送トランジスタとしてはMOSトランジスタを用いることができる。
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of pixels arranged in the pixel region. For simplification of description, the pixels included in the pixel region 101 are 9 pixels of 3 rows × 3 columns, but the present invention is not limited to this.
選択部として機能する選択トランジスタ11は一方の主電極であるドレイン端子が画素電源線に、他方の主電極であるソース端子が増幅トランジスタ12の一方の主電極であるドレインと接続されている。アクティブな信号SELが入力されると選択トランジスタの両主電極は導通状態となる。これにより増幅トランジスタ12は垂直信号線OUTに設けられた不図示の定電流源とでソースフォロワ回路を形成し、増幅トランジスタ12の制御電極であるゲート端子の電位に応じた信号が垂直信号線OUTに現われる。垂直信号線OUTに現われた信号に基づいて固体撮像装置から信号が出力され、信号処理回路部などを経て画像信号を形成する。
In the
図2では各画素にリセット部、増幅部、選択部を設けたが、複数の画素でこれらの構成を共有することも可能である。また選択部を設けずに、増幅部の入力部の電位により画素を選択するような構成とすることも可能である。 In FIG. 2, a reset unit, an amplification unit, and a selection unit are provided for each pixel. However, a plurality of pixels can share these configurations. It is also possible to adopt a configuration in which a pixel is selected by the potential of the input portion of the amplifying unit without providing the selecting unit.
本発明は、以上述べたような構成を一例とする、光電変換部とFD領域との間に電荷保持部を有する構成に適用するものである。 The present invention is applied to a configuration having a charge holding portion between a photoelectric conversion portion and an FD region, taking the configuration as described above as an example.
特に好ましくは光電変換部と電荷保持部との間の電荷経路の構造に下記特徴を有する構成、つまり、第1転送部が非導通状態となるローレベルパルスが供給されている状態で、光電変換部から電荷保持部へ電荷を転送可能な構造を用いることが望ましい。 Particularly preferably, the photoelectric conversion is performed in a configuration having the following characteristics in the structure of the charge path between the photoelectric conversion unit and the charge holding unit, that is, in a state where a low-level pulse is supplied that makes the first transfer unit non-conductive. It is desirable to use a structure capable of transferring charge from the portion to the charge holding portion.
例えば具体的な構成としては、第1転送部をMOSトランジスタであるとすると、このMOSトランジスタが埋め込みチャネル構造である。そして、非導通状態であっても表面よりも深い部位にポテンシャル障壁がその部位だけが一部低くなっている部分が存在している構成である。この場合には電荷転送部は、信号電荷を蓄積中に積極的な制御を行なわずに一定の電圧が供給された状態とすることもできる。つまり転送部としての機能を有さずとも固定のポテンシャル障壁を設けても良い。そして、蓄積終了直前に、そのポテンシャル障壁の高さを低くする制御を行い、光電変換部に残った信号電荷を電荷保持部に転送する。 For example, as a specific configuration, if the first transfer unit is a MOS transistor, the MOS transistor has a buried channel structure. And even if it is a non-conduction state, it is the structure where the potential barrier has a part where only the part is lowered in a part deeper than the surface. In this case, the charge transfer unit can be in a state in which a constant voltage is supplied without performing active control during accumulation of signal charges. That is, a fixed potential barrier may be provided without having a function as a transfer unit. Then, immediately before the end of accumulation, control is performed to lower the height of the potential barrier, and the signal charge remaining in the photoelectric conversion unit is transferred to the charge holding unit.
このような構成によれば、光電変換部に光が入射した際に光電変換により生成した信号電荷のほぼすべてが光電変換部で蓄積されることなく電荷保持部へ転送可能となる。したがって、全ての画素に含まれる光電変換部において電荷の蓄積時間を揃えることが可能となる。また、MOSトランジスタが非導通時においてはチャネル表面にホールが蓄積されており、かつ電荷が転送されるチャネルが表面よりも所定深さの部分に存在するため、絶縁膜界面における暗電流の影響を低減することが可能となる。 According to such a configuration, almost all signal charges generated by photoelectric conversion when light enters the photoelectric conversion unit can be transferred to the charge holding unit without being accumulated in the photoelectric conversion unit. Therefore, it is possible to align the charge accumulation time in the photoelectric conversion units included in all the pixels. In addition, when the MOS transistor is non-conductive, holes are accumulated on the channel surface, and the channel to which charges are transferred exists at a predetermined depth from the surface. It becomes possible to reduce.
別の観点でいうと、光電変換部及び電荷保持部で信号電荷を蓄積している期間において、光電変換部と電荷保持部の間の電荷経路のポテンシャル障壁が光電変換部と他の領域との間の電荷経路のポテンシャル障壁よりも低いともいえる。ここでのポテンシャルとは信号電荷に対してのポテンシャルである。例えばOFD領域を設けたときはOFD領域との間のポテンシャルよりも低くすればよい。 From another viewpoint, in the period in which the signal charge is accumulated in the photoelectric conversion unit and the charge holding unit, the potential barrier of the charge path between the photoelectric conversion unit and the charge holding unit is between the photoelectric conversion unit and other regions. It can be said that it is lower than the potential barrier of the charge path between them. The potential here is a potential with respect to a signal charge. For example, when the OFD region is provided, the potential may be lower than that between the OFD region.
また、特に好ましくは、電荷保持部が電荷結合素子で形成され、電荷保持部で信号電荷を蓄積している期間において、絶縁膜を介した対向電極に電位を与えて電荷保持部の表面に信号電荷と逆極性の電荷を蓄積させる。これにより、電荷保持部が形成される半導体表面での暗電荷の生成を抑制することが望ましい。 In addition, it is particularly preferable that a signal is applied to the surface of the charge holding portion by applying a potential to the counter electrode through the insulating film during the period in which the charge holding portion is formed of a charge coupled device and the signal charge is accumulated in the charge holding portion. Accumulate charges of opposite polarity to the charge. Thus, it is desirable to suppress the generation of dark charges on the semiconductor surface where the charge holding portion is formed.
このような構成によれば、電荷保持部起因の暗電流をさらに低減することが可能となる。なおかつ、電荷保持部の表面に暗電流対策のための反対導電型の不純物注入を行う必要が無いことから、フォトダイオードと比較して、電荷保持を担当する部位を表面近くに浅く形成できる。それゆえに単位体積あたりの電荷保持能力を高めることができ、従来のフォトダイオードが電荷保持を兼用する構成と比べて数倍の保持能力を持たせることが可能になる。 According to such a configuration, it is possible to further reduce the dark current caused by the charge holding unit. In addition, since there is no need to perform impurity implantation of the opposite conductivity type as a countermeasure against dark current on the surface of the charge holding portion, the portion in charge of charge holding can be formed shallower near the surface than the photodiode. Therefore, the charge holding capacity per unit volume can be increased, and it becomes possible to have a holding capacity several times that of a configuration in which a conventional photodiode also serves as charge holding.
さらに駆動の観点では、1信号電荷生成期間中に光電変換部から電荷保持部に移動した信号電荷を電荷保持部において保持し、画像信号として用いる。つまり、光電変換部での1信号電荷生成期間を開始後、電荷保持部のリセット動作を介することなく画素外部へ信号を読み出しているともいえる。なお1信号電荷生成期間とは1フレームの画像を撮影する際に、各光電変換部で共通に決定されるものである。 Further, from the viewpoint of driving, the signal charge moved from the photoelectric conversion unit to the charge holding unit during one signal charge generation period is held in the charge holding unit and used as an image signal. That is, it can be said that after starting the one-signal charge generation period in the photoelectric conversion unit, a signal is read out of the pixel without going through the reset operation of the charge holding unit. Note that one signal charge generation period is determined in common by each photoelectric conversion unit when an image of one frame is taken.
以下、本発明の具体的構成、駆動方法に関して説明する。なお、その際の画素構成の例は、第1転送部が埋め込みチャネル型のMOSトランジスタの場合であり、かつ、電荷保持部が電荷結合素子で形成された構成を元にする。また第1、第2転送部としてトランジスタを用いる構成を例にして説明する。 Hereinafter, the specific configuration and driving method of the present invention will be described. An example of the pixel configuration at that time is based on a configuration in which the first transfer unit is a buried channel type MOS transistor and the charge holding unit is formed of a charge coupled device. Further, a configuration using transistors as the first and second transfer units will be described as an example.
(第一の実施形態)
第一の実施形態の駆動パルスを図3に、各構成部におけるポテンシャル状態を示す図を図4に示す。本実施形態においては、一信号電荷生成期間中に生じた信号電荷を増幅部へ転送する際に、まず、第2転送部のみに導通パルスを供給して電荷保持部に保持された信号電荷を増幅部へ転送する。そして、前記リセット部に導通パルスを供給して該増幅部に転送された信号電荷をリセットする。その後、第1及び第2転送部に導通パルスを供給することにより光電変換部に保持された信号電荷を増幅部へ転送する。これらの動作を行なわせるために各素子に駆動パルスを供給するのは、垂直走査部102である。したがって垂直走査部を各駆動パルスを供給する制御部とよぶことができる。もしくは垂直走査部102を制御するタイミングジェネレータなどを含めて制御部としてもよい。
(First embodiment)
FIG. 3 shows the drive pulse of the first embodiment, and FIG. 4 shows the potential state in each component. In this embodiment, when transferring the signal charge generated during one signal charge generation period to the amplification unit, first, a conduction pulse is supplied only to the second transfer unit, and the signal charge held in the charge holding unit is changed. Transfer to the amplifier. Then, a conduction pulse is supplied to the reset unit to reset the signal charge transferred to the amplification unit. After that, by supplying a conduction pulse to the first and second transfer units, the signal charge held in the photoelectric conversion unit is transferred to the amplification unit. The
図3においてPTX1は第1転送トランジスタに供給される駆動パルス、PTX2は第2転送トランジスタに供給される駆動パルス、PRESはリセットトランジスタに供給される駆動パルス、PSELは選択トランジスタに供給される駆動パルスをそれぞれ示す。括弧書きで示した数字は画素行番号を示す。また本実施形態の撮像装置はメカシャッタを有しており、メカシャッタが開状態で光電変換部に光が入射し、メカシャッタが閉状態で光電変換部に光が入射しない状態となっている。メカシャッタによって光電変換部での露光状態を制御し、信号電荷生成期間を規定することが可能である。図3において、黒塗りの部分はメカシャッタが閉状態であり、白塗りの部分は開状態である。 In FIG. 3, PTX1 is a drive pulse supplied to the first transfer transistor, PTX2 is a drive pulse supplied to the second transfer transistor, PRES is a drive pulse supplied to the reset transistor, and PSEL is a drive pulse supplied to the selection transistor. Respectively. The numbers shown in parentheses indicate pixel row numbers. The imaging apparatus of the present embodiment has a mechanical shutter. Light is incident on the photoelectric conversion unit when the mechanical shutter is open, and light is not incident on the photoelectric conversion unit when the mechanical shutter is closed. The exposure state of the photoelectric conversion unit can be controlled by the mechanical shutter, and the signal charge generation period can be defined. In FIG. 3, the black-painted portion is in the closed state of the mechanical shutter, and the white-painted portion is in the open state.
PTSは列回路に含まれる光信号保持用の保持部に信号を取り込むためのサンプリングパルスであり、PTNは列回路に含まれるノイズ信号保持用の保持部に信号を取り込むためのサンプリングパルスである。ノイズ信号とは画素のリセットトランジスタ、及び増幅トランジスタのオフセット、ランダムノイズ、もしくは列回路に増幅部を含む場合にはこの列増幅部のオフセットなどである。 PTS is a sampling pulse for capturing a signal in a holding unit for holding an optical signal included in the column circuit, and PTN is a sampling pulse for capturing a signal in a holding unit for holding a noise signal included in the column circuit. The noise signal is an offset of the reset transistor and amplification transistor of the pixel, random noise, or an offset of the column amplification unit when the column circuit includes an amplification unit.
またハイレベルパルスにより各トランジスタが導通、もしくはサンプリングを行なうものとする。 It is assumed that each transistor conducts or samples by a high level pulse.
本実施形態においては、電荷保持部に保持された信号電荷を増幅部に転送した後に、増幅部に転送された信号電荷をリセットし、その後、光電変換部で保持されていた電荷を電荷保持部を介してFD領域へ転送することを特徴としている。 In this embodiment, after transferring the signal charge held in the charge holding unit to the amplification unit, the signal charge transferred to the amplification unit is reset, and then the charge held in the photoelectric conversion unit is changed to the charge holding unit. It is characterized by transferring to the FD area via
まずT1では、リセットトランジスタおよび第1〜第3転送トランジスタにハイレベルパルスが供給されて導通状態となり、光電変換部、電荷保持部及びFD領域の電荷をリセットする。この時メカシャッタは閉状態ある。 First, at T1, a high level pulse is supplied to the reset transistor and the first to third transfer transistors to be in a conductive state, and the charges in the photoelectric conversion unit, the charge holding unit, and the FD region are reset. At this time, the mechanical shutter is closed.
T2では、メカシャッタを開状態とし光電変換部に光を入射させる。このとき各転送トランジスタに供給されるパルスは各転送トランジスタを非導通状態とするローレベルパルスである。 At T2, the mechanical shutter is opened and light is incident on the photoelectric conversion unit. At this time, the pulse supplied to each transfer transistor is a low-level pulse that makes each transfer transistor non-conductive.
T3において、メカシャッタを閉状態とする。 At T3, the mechanical shutter is closed.
T4において、1行目の画素行のPRESにローレベルパルスを供給し、PSELにハイレベルパルスを供給する。ここでは同時に行なっているが異なる時刻に行なってもよい。ただし、リセット部のkTCノイズを抑制したい場合には、少なくともノイズ信号をサンプリングするPTNにハイレベルパルスが供給される期間においてPRESにローレベルパルスが供給されている必要がある。 At T4, a low level pulse is supplied to PRES in the first pixel row, and a high level pulse is supplied to PSEL. Here, they are performed simultaneously, but may be performed at different times. However, in order to suppress kTC noise in the reset unit, it is necessary that a low level pulse is supplied to PRES at least during a period in which a high level pulse is supplied to a PTN that samples a noise signal.
T5において、PTNにハイレベルパルスを供給し、その後一定時間経過後にローレベルパルスを供給することで、1行目の画素のノイズ信号を列回路にて保持する。 At T5, a high level pulse is supplied to PTN, and then a low level pulse is supplied after a predetermined time has elapsed, whereby the noise signal of the pixels in the first row is held in the column circuit.
T6aにおいて、1行目の画素行の第2転送トランジスタにハイレベルパルスを供給する。これにより電荷保持部の電荷と、光電変換部と電荷保持部の間のポテンシャル障壁を超える電荷のみが増幅部に転送される(第1のステップ)。 At T6a, a high level pulse is supplied to the second transfer transistors in the first pixel row. Thereby, only the charge of the charge holding unit and the charge exceeding the potential barrier between the photoelectric conversion unit and the charge holding unit are transferred to the amplifying unit (first step).
T6bにおいて、1行目の画素行の第2転送トランジスタに非導通状態となるローレベルパルスを供給する。 At T6b, a low-level pulse that is turned off is supplied to the second transfer transistor in the first pixel row.
T7において、PTSにハイレベルパルスを供給し、第1のステップにより読み出された信号電荷に基づく信号を列回路にて保持する。 At T7, a high level pulse is supplied to the PTS, and a signal based on the signal charge read out in the first step is held in the column circuit.
T8において、1行目の画素行のPSELにローレベルパルスを供給し、PRESにハイレベルパルスを供給する。この動作によって、第1のステップにより増幅部に転送された電荷がリセットされる。 At T8, a low level pulse is supplied to PSEL in the first pixel row, and a high level pulse is supplied to PRES. By this operation, the charge transferred to the amplification unit in the first step is reset.
T9において、再度同一行を読み出すために、1行目の画素行のPRESにローレベルパルスを供給し、PSELにハイレベルパルスを供給する。 At T9, in order to read out the same row again, a low level pulse is supplied to PRES of the first pixel row, and a high level pulse is supplied to PSEL.
T10において、PTNにハイレベルパルスを供給し、その後一定時間経過後にローレベルパルスを供給することで、1行目の画素のノイズ信号を列回路にて保持する。 At T10, a high level pulse is supplied to PTN, and then a low level pulse is supplied after a predetermined time has elapsed, whereby the noise signal of the pixels in the first row is held in the column circuit.
T11aにおいて、1行目の画素行の第1転送トランジスタ及び第2転送トランジスタに導通状態となるハイレベルパルスを供給する(第2のステップ)。これにより光電変換部に蓄積されていた信号電荷が電荷保持部を介してFD領域に転送される。 In T11a, a high-level pulse that is turned on is supplied to the first transfer transistor and the second transfer transistor in the first pixel row (second step). As a result, the signal charge accumulated in the photoelectric conversion unit is transferred to the FD region via the charge holding unit.
T11bにおいて、1行目の画素行の第2転送トランジスタに非導通状態となるローレベルパルスを供給する。 At T11b, a low-level pulse that is turned off is supplied to the second transfer transistor in the first pixel row.
T12において、PTSにハイレベルパルスを供給し、その後一定時間経過後にローレベルパルスを供給することで、第2のステップにより転送される電荷に基づく信号を列回路にて保持する。 At T12, a high-level pulse is supplied to the PTS, and then a low-level pulse is supplied after a predetermined time has elapsed, whereby a signal based on the charge transferred in the second step is held in the column circuit.
T13において、1行目のPSELにローレベルパルスを供給し、PRESにハイレベルパルスを供給する。 At T13, a low level pulse is supplied to PSEL in the first row, and a high level pulse is supplied to PRES.
そしてその後、上述の第1、第2のステップにより得られる信号を信号処理部105において加算する。これにより光電変換部にて光電変換により生じた電荷の大部分を光電変換部、電荷保持部よりも後段に配された読み出し回路のダイナミックレンジに関わらず画像形成用の信号として取り扱うことが可能となる。
Thereafter, the
そしてT4〜T13までの動作を各画素行ごとに繰り返すことによって、1フレームの信号を読み出すことが可能である。 Then, by repeating the operations from T4 to T13 for each pixel row, it is possible to read out a signal of one frame.
なお、ここでは、各行毎に第1のステップ、第2のステップを繰り返した。しかし、たとえば全行にわたって第1のステップを経たあと、第2のステップを経るような駆動でもよい。つまりは一度全画面にわたって電荷保持部からFD領域へ転送した後、先頭行に戻って光電変換部からFD領域に読み出すような駆動を行っても良い。 Here, the first step and the second step are repeated for each row. However, for example, the driving may be performed so that the second step is performed after the first step is performed for all rows. In other words, the driving may be performed so that the data is transferred from the charge holding unit to the FD region once over the entire screen and then returned to the first row and read from the photoelectric conversion unit to the FD region.
次に図4において、図3にて説明した時刻におけるポテンシャル状態を示す。なおポテンシャル図上部に黒塗りの四角が表示されているのはメカシャッタにより光電変換部等が遮光されている状態であることを示している。 Next, FIG. 4 shows the potential state at the time described in FIG. A black square is displayed at the top of the potential diagram to indicate that the photoelectric conversion unit and the like are shielded from light by the mechanical shutter.
図4(a)は、光電変換部、電荷保持部での信号電荷の蓄積前に、光電変換部及び電荷保持部の電荷をリセットする動作を示す。また図4(a)では図示していないが、FD領域に転送された電荷はリセットトランジスタにより排出される。この時、メカシャッタは閉状態であり光電変換部に光は入射しない。 FIG. 4A shows an operation of resetting the charges of the photoelectric conversion unit and the charge holding unit before the signal charge is accumulated in the photoelectric conversion unit and the charge holding unit. Although not shown in FIG. 4A, the charge transferred to the FD region is discharged by the reset transistor. At this time, the mechanical shutter is in a closed state, and light does not enter the photoelectric conversion unit.
図4(b)〜図4(d)はメカシャッタが開状態となり光電変換部に光が入射し光電変換を行なう信号電荷生成期間のポテンシャル状態を示している。 4B to 4D show potential states during a signal charge generation period in which the mechanical shutter is opened and light enters the photoelectric conversion unit to perform photoelectric conversion.
図4(b)はメカシャッタが開いた直後の状態を示しており、光電変換部に信号電荷が生じていない状態を示している。 FIG. 4B shows a state immediately after the mechanical shutter is opened, and shows a state where no signal charge is generated in the photoelectric conversion unit.
図4(c)は少量の光が入射した状態であり、第1転送トランジスタに供給されるパルスの波高値によって決まる光電変換部と電荷保持部との間のポテンシャル障壁を越えずに光電変換部において信号電荷が保持されている状態である。ここで第1転送トランジスタにはローレベルパルスが供給されているわけであるが、光電変換部で生じた電荷が直ちに電荷保持部へ移動するようにそのポテンシャル障壁は比較的低く制御されている。このような状態を実現するためには上述したように第1転送トランジスタを埋め込みチャネル型のMOSトランジスタとすることなどにより実現可能である。 FIG. 4C shows a state in which a small amount of light is incident, and the photoelectric conversion unit without exceeding the potential barrier between the photoelectric conversion unit and the charge holding unit determined by the peak value of the pulse supplied to the first transfer transistor. In this state, the signal charge is held. Here, although the low level pulse is supplied to the first transfer transistor, the potential barrier is controlled to be relatively low so that the charge generated in the photoelectric conversion unit immediately moves to the charge holding unit. In order to realize such a state, as described above, the first transfer transistor can be realized as a buried channel type MOS transistor.
図4(d)は、光電変換部で発生した信号電荷が第1転送トランジスタにより形成されるポテンシャル障壁を超えて電荷保持部へ移動し電荷保持部においても信号電荷が保持されている状態である。ここで説明のために図4(d)の光電変換部の点線部よりも下の領域に存在する電荷の数をQ1=10000個、電荷保持部の点線部よりも下の領域に存在する電荷の数をQ2=60000個、点線部よりも上に存在する電荷の数をQ3=40000個とする。ここで点線は第1転送トランジスタにローレベルパルスが供給されている状態のポテンシャル障壁の高さを示している。 FIG. 4D shows a state in which the signal charge generated in the photoelectric conversion unit moves to the charge holding unit beyond the potential barrier formed by the first transfer transistor, and the signal charge is also held in the charge holding unit. . Here, for the purpose of explanation, the number of charges existing in the region below the dotted line portion of the photoelectric conversion unit in FIG. 4D is Q1 = 10000, and the charge existing in the region below the dotted line portion of the charge holding unit. Is Q2 = 60000 and the number of charges existing above the dotted line is Q3 = 40000. Here, the dotted line indicates the height of the potential barrier in a state where a low level pulse is supplied to the first transfer transistor.
図4(e)は、図3のT6a〜T6bにおけるポテンシャル図を示すものであり、第1転送トランジスタにローレベルパルスが、第2転送トランジスタにハイレベルパルスが供給された状態である(第1のステップ)。この動作によりFD領域には図4(d)における電荷Q3とQ2が転送される。 FIG. 4E shows a potential diagram at T6a to T6b in FIG. 3, in which a low level pulse is supplied to the first transfer transistor and a high level pulse is supplied to the second transfer transistor (first level). Step). By this operation, the charges Q3 and Q2 in FIG. 4D are transferred to the FD region.
図4(f)は、図3のT11a〜T11bにおけるポテンシャル図を示すものであり、第1及び第2転送トランジスタにハイレベルパルスが供給された状態である(第2のステップ)。この動作によりFD領域には光電変換部に保持されていた信号電荷が転送される。 FIG. 4F shows a potential diagram at T11a to T11b in FIG. 3, and shows a state in which a high level pulse is supplied to the first and second transfer transistors (second step). By this operation, the signal charge held in the photoelectric conversion unit is transferred to the FD region.
なお、前述のQ2とQ3の電荷数がFD領域の保持能力を上回ると、T6a〜T6bのタイミングで全ての電荷をFD領域に転送できない場合がある。その場合を図4(g)で説明する。図中の一点鎖線で示すように、電荷を全てFD領域に転送できないので、転送できない一部の電荷が、電荷保持部に残ってしまう。その場合でも図4(h)に示すように残った電荷が光電変換部の電荷と共に次の転送で完全にFD領域に読み出されるように設計されていればよい。そのような条件は、FD領域に一度で完全転送できる電子数をQFDMAXとすると、
Q2+Q3―QFDMAX+Q1<QFDMAX ・・・(条件式1)
という式で表される。
Note that if the number of charges in Q2 and Q3 described above exceeds the retention capacity of the FD region, there is a case where all charges cannot be transferred to the FD region at the timing of T6a to T6b. Such a case will be described with reference to FIG. As indicated by the alternate long and short dash line in the figure, since all charges cannot be transferred to the FD region, some charges that cannot be transferred remain in the charge holding portion. Even in such a case, it is sufficient that the remaining charge is designed to be completely read out to the FD region in the next transfer together with the charge of the photoelectric conversion unit as shown in FIG. Such a condition is that if the number of electrons that can be completely transferred to the FD area at once is QFDMAX,
Q2 + Q3-QFDMAX + Q1 <QFDMAX (Condition 1)
It is expressed by the formula.
また、Q1がQFDMAXを超えてしまうと、残った電荷を読み出さずに画素の駆動が終了してしまうことから、
QFDMAX>Q1 ・・・(条件式2)
も必要な条件となる。
If Q1 exceeds QFDMAX, driving of the pixel ends without reading out the remaining charge.
QFDMAX> Q1 (Condition 2)
Is also a necessary condition.
なお、FD領域にQFDMAXの電荷を読み出したときに、ソースフォロア、もしくは後段の読み出し回路部でその転送された電荷に基づく信号を正しく読み出せない場合がある。つまり読み出し回路部のダイナミックレンジがFD領域のダイナミックレンジよりも低い場合には、光信号が一部欠落してしまう場合がある。 Note that when the QFDMAX charge is read out to the FD region, a signal based on the transferred charge may not be correctly read out by the source follower or the readout circuit unit in the subsequent stage. That is, when the dynamic range of the readout circuit unit is lower than the dynamic range of the FD region, a part of the optical signal may be lost.
制限を受ける読み出し回路の例としては、画素の増幅部、さらには列回路に設けられた列増幅部、列AD変換部、および出力チャンネル毎に設けられた最終アナログ増幅部、AD変換器などが考えられる。 Examples of readout circuits subject to restrictions include pixel amplification units, column amplification units provided in column circuits, column AD conversion units, final analog amplification units provided for each output channel, AD converters, and the like. Conceivable.
一例として画素の増幅部のダイナミックレンジに関して説明する。ここでは増幅部が増幅トランジスタ及び定電流源によりソースフォロワ回路を構成している場合に関して説明する。 As an example, the dynamic range of the amplifying unit of the pixel will be described. Here, a case where the amplification unit forms a source follower circuit with an amplification transistor and a constant current source will be described.
光電変換部及び電荷保持部からFD領域へ多くの信号電荷が転送された場合にはFD領域の電位が低下する。FD領域の電位の低下により、FD領域つまり増幅トランジスタのゲートの電位と増幅トランジスタのソースの電位差が増幅トランジスタの閾値電圧(Vth)よりも低くなるとソースフォロワ動作しなくなる。そうすると信号が読み出せない。また、たとえソースフォロア回路のダイナミックレンジよりも少ない電荷を読み出したとしても、列増幅部で高いゲインをかける場合は、列増幅回路の入力ダイナミックレンジが制限されることで読み出し回路での飽和が決定される。 When many signal charges are transferred from the photoelectric conversion unit and the charge holding unit to the FD region, the potential of the FD region decreases. When the potential difference of the FD region, that is, the gate of the amplification transistor and the potential of the source of the amplification transistor becomes lower than the threshold voltage (Vth) of the amplification transistor due to a decrease in the potential of the FD region, the source follower operation is stopped. Then, the signal cannot be read out. Even if a charge smaller than the dynamic range of the source follower circuit is read, if a high gain is applied in the column amplifier, the input dynamic range of the column amplifier circuit is limited to determine saturation in the read circuit. Is done.
したがってQFDMAXは、これら読み出し回路のダイナミックレンジを越えない量の電荷を転送可能な値に設定するのが好ましい。 Therefore, QFDMAX is preferably set to a value that can transfer an amount of charge that does not exceed the dynamic range of these readout circuits.
ここで比較として、例えば、光電変換部及び電荷保持部の電荷を同時に転送動作でFD領域へ転送する場合、及び光電変換部の電荷を電荷保持部に転送した後に、光電変換部と電荷保持部との電荷を合わせてFD領域へ転送する場合を考える。これらの場合には、電荷保持部を設けて飽和電荷量が増加しているため、FD領域や後段の読み出し回路のダイナミックレンジを越えてしまう場合が多くなる。つまり、電荷保持部を設けて飽和電荷量を増やしても増やした電荷を有効活用できないこととなってしまう。これに対して、本実施形態のように、電荷保持部の電荷をFD領域へ転送した後に、光電変換部の電荷を電荷保持部を介してFD領域へ転送することにより、電荷保持部により増加した電荷量を有効に活用することが可能となる。 As a comparison, for example, when the charges of the photoelectric conversion unit and the charge holding unit are simultaneously transferred to the FD region by the transfer operation, and after the charge of the photoelectric conversion unit is transferred to the charge holding unit, the photoelectric conversion unit and the charge holding unit Let us consider a case where the charges are transferred to the FD region together. In these cases, the charge holding portion is provided and the saturation charge amount is increased, so that the dynamic range of the FD region and the readout circuit in the subsequent stage is often exceeded. That is, even if the charge holding unit is provided to increase the saturation charge amount, the increased charge cannot be effectively used. On the other hand, as in the present embodiment, after the charge of the charge holding unit is transferred to the FD region, the charge of the photoelectric conversion unit is transferred to the FD region via the charge holding unit, thereby increasing the charge holding unit. It is possible to effectively use the amount of charge.
本実施形態によれば、電荷保持部を設けることによりダイナミックレンジを拡大しつつ、光電変換部及び電荷保持部の後段に設けられた読み出し回路のダイナミックレンジに制限を受けない読出しが可能となる。 According to the present embodiment, it is possible to perform reading without being limited by the dynamic range of the readout circuit provided at the subsequent stage of the photoelectric conversion unit and the charge holding unit while expanding the dynamic range by providing the charge holding unit.
本実施形態は、光電変換部及び電荷保持部をあわせたダイナミックレンジが光電変換部の後段の読み出し回路のダイナミックレンジよりも大きい場合に特に有効となる。 This embodiment is particularly effective when the dynamic range including the photoelectric conversion unit and the charge holding unit is larger than the dynamic range of the readout circuit subsequent to the photoelectric conversion unit.
(第二の実施形態)
第二の実施形態の駆動パルスを図5に示す。本実施形態では、T14〜T18に示すように、電荷保持部からFD領域への第2転送トランジスタによる転送回数を増やしたことが新たな点である。第2転送トランジスタのみに複数回の導通パルスを供給している。
(Second embodiment)
FIG. 5 shows drive pulses according to the second embodiment. In this embodiment, as shown in T14 to T18, the number of transfers by the second transfer transistor from the charge holding unit to the FD region is a new point. A plurality of conduction pulses are supplied only to the second transfer transistor.
第一の実施形態で示した条件式(1)が成り立たない場合、光電変換部からFD領域への転送後に電荷保持部に電荷が残ってしまい、信号電荷を有効に活用できないこととなる。たとえばQFDMAXが小さい場合、もしくは、Q1,Q2,Q3の和が2×QFDMAXよりも大きいときにこのようなことが起こりうる。 When the conditional expression (1) shown in the first embodiment does not hold, the charge remains in the charge holding unit after transfer from the photoelectric conversion unit to the FD region, and the signal charge cannot be effectively used. For example, this can happen when QFDMAX is small or when the sum of Q1, Q2, and Q3 is larger than 2 × QFDMAX.
そのような場合、電荷保持部で保持された信号電荷のみの転送と、光電変換部で保持された信号電荷の転送との間に電荷保持部からの読み出しを更に行う。つまり、電荷保持部に残った信号電荷のみを再度読み出すというステップを追加する。これにより、最後の転送が終了した後に電荷保持部に電荷が残ることを抑制できる。 In such a case, reading from the charge holding unit is further performed between the transfer of only the signal charge held by the charge holding unit and the transfer of the signal charge held by the photoelectric conversion unit. That is, a step of reading again only the signal charge remaining in the charge holding unit is added. Thereby, it is possible to suppress the charge from remaining in the charge holding unit after the last transfer is completed.
本実施形態は、特にQ2+Q3の和が、QFDMAXに比べて非常に大きいときに有効である。 This embodiment is particularly effective when the sum of Q2 + Q3 is much larger than QFDMAX.
第2転送トランジスタに、追加して供給する導通パルスは1回でもよいし更に複数回供給してもよい。Q2+Q3の値に応じて適宜決定すればよい。 The conduction pulse that is additionally supplied to the second transfer transistor may be supplied once or may be supplied a plurality of times. What is necessary is just to determine suitably according to the value of Q2 + Q3.
(第三の実施形態)
第三の実施形態の駆動パルス、及びタイミングを図6に示す。本実施形態では、画素から出力された信号を処理するゲイン可変の増幅回路を有する読み出し回路を有する。601に示すように、第2のステップ(光電変換部と電荷保持部の電荷を読み出すステップ)時の増幅回路のゲインを、第1のステップ時のゲインのG(G>1)倍に切り換えることが特徴である。つまり第2のステップ時に読み出される信号に対するゲインを第1のステップ時に読み出される信号に対するゲインよりも高くしている。
(Third embodiment)
FIG. 6 shows drive pulses and timings according to the third embodiment. The present embodiment includes a readout circuit having a gain variable amplifier circuit that processes a signal output from a pixel. As indicated by 601, the gain of the amplifier circuit at the second step (the step of reading out charges from the photoelectric conversion unit and the charge holding unit) is switched to G (G> 1) times the gain at the first step. Is a feature. That is, the gain for the signal read at the second step is set higher than the gain for the signal read at the first step.
本実施形態の動作を図7を用いて説明する。 The operation of this embodiment will be described with reference to FIG.
図7(a)は、入射光により各画素の光電変換部に生じた電荷の分布である。光電変換部での飽和と電荷保持部で保持している信号電荷の境界を点線で示している。 FIG. 7A shows a distribution of charges generated in the photoelectric conversion unit of each pixel by incident light. A dotted line indicates a boundary between saturation in the photoelectric conversion unit and signal charge held in the charge holding unit.
図7(b)は図7(a)のAの部分、つまり、第1のステップにより、電荷保持部から転送された信号電荷に基づく信号である。ここで本ステップにおけるランダムノイズはN1=VRN1(mVrms)と表すことができる。 FIG. 7B shows a signal based on the signal charge transferred from the charge holding portion in the portion A of FIG. 7A, that is, in the first step. Here, the random noise in this step can be expressed as N1 = V RN1 (mVrms).
図7(c)は図7(a)のBの部分、つまり、第2のステップにより、主に光電変換部から転送された信号電荷に基づく信号に関して抜き出した図である。ここでは後段の読み出し回路でのゲインをGとする。この場合のランダムノイズはN2=VRN2(mVrms)と表すことができる。 FIG. 7C is a diagram extracted from a portion B in FIG. 7A, that is, a signal based on the signal charge mainly transferred from the photoelectric conversion unit by the second step. Here, G is a gain in the readout circuit in the subsequent stage. The random noise in this case can be expressed as N2 = V RN2 (mVrms).
その後、図7(b)と図7(c)の信号を合成して一枚の画像を生成するが、光量に対する出力の傾き、つまり信号感度を一定にするために、高いゲインで読み出した図7(c)の信号をゲインGで除算処理を行なう必要がある。 Thereafter, the signals shown in FIGS. 7B and 7C are combined to generate a single image. In order to make the output gradient with respect to the amount of light, that is, the signal sensitivity constant, the image is read with a high gain. It is necessary to divide the signal 7 (c) by the gain G.
図7(d)は、図7(c)の信号をゲインGで除算した後の値である。信号のレベルは減少するが、それに併せてノイズレベルも1/Gになる。 FIG. 7D shows values after the signal shown in FIG. Although the signal level decreases, the noise level also becomes 1 / G.
この場合のランダムノイズはN3=VRN2/G(mVrms)と表すことができる。 The random noise in this case can be expressed as N3 = V RN2 / G (mVrms).
それら二つの信号を合成した後のランダムノイズは、
((VRN1)2+(VRN2/G)2)0.5となり、ゲインをかけなかった場合のノイズ((VRN1)2+(VRN2)2)0.5にくらべ、低ノイズでの読み出しが可能となる。
The random noise after combining these two signals is
((V RN1 ) 2 + (V RN2 / G) 2 ) 0.5 , noise when gain is not applied ((V RN1 ) 2 + (V RN2 ) 2 ) Low noise compared to 0.5 Can be read out.
このように、第2のステップで読み出された信号に対する増幅回路のゲインを上げることで、画素信号に対するノイズの比、つまりSN比を高め、結果として低輝度被写体の高感度撮影が可能となる。この増幅回路としては例えば列増幅回路などを用いることができる。 In this way, by increasing the gain of the amplification circuit with respect to the signal read in the second step, the ratio of noise to the pixel signal, that is, the SN ratio is increased, and as a result, high-sensitivity shooting of a low-luminance subject becomes possible. . As this amplifier circuit, for example, a column amplifier circuit can be used.
本実施形態の固有の効果を説明する。低輝度の被写体の場合には、光電変換部で生じた信号電荷は、光電変換部と電荷保持部との間のポテンシャル障壁を越えずに大部分が光電変換部にて保持される。つまり低輝度の被写体の場合には、信号電荷の光電変換部で保持される割合が高いため、第2のステップで読み出される信号の全体の信号に対する割合が高い。したがって第2のステップで転送される信号電荷に基づく信号に対する読み出し回路のゲインを高くすることで、画素信号に対するノイズの比、つまりSN比を高め、結果として低輝度被写体の高感度撮影が可能となる。 The unique effects of this embodiment will be described. In the case of a low-luminance subject, most of the signal charge generated in the photoelectric conversion unit is held in the photoelectric conversion unit without exceeding the potential barrier between the photoelectric conversion unit and the charge holding unit. That is, in the case of a low-luminance subject, the ratio of the signal charge held by the photoelectric conversion unit is high, and thus the ratio of the signal read in the second step to the entire signal is high. Therefore, by increasing the gain of the readout circuit with respect to the signal based on the signal charge transferred in the second step, the ratio of noise to the pixel signal, that is, the SN ratio is increased, and as a result, high-sensitivity imaging of a low-luminance subject is possible. Become.
ここで読み出し回路のゲインを上げると入力ダイナミックレンジを狭める。つまりゲインを高くした時には前述のQFDMAXの値が減少してしまう。具体的にゲインをGとすると、入力ダイナミックレンジはQFDMAX/Gとなる。したがって、読み出し回路のゲインを高くするためには、少ない電荷数を制御性良く、分散幅を狭く読み出すことが重要となる。これに対して第2のステップによる読み出しにおいては、光電変換部と電荷保持部との間の比較的低いポテンシャル障壁を越えずに光電変換部に蓄積された信号電荷であるため、この分散幅も比較的狭くすることが可能となる。 Here, increasing the gain of the readout circuit narrows the input dynamic range. That is, when the gain is increased, the QFDMAX value described above decreases. When the gain is specifically G, the input dynamic range is QFDMAX / G. Therefore, in order to increase the gain of the readout circuit, it is important to read out a small number of charges with good controllability and a narrow dispersion width. On the other hand, in the readout by the second step, since the signal charge is accumulated in the photoelectric conversion unit without exceeding the relatively low potential barrier between the photoelectric conversion unit and the charge holding unit, the dispersion width is also It becomes possible to make it relatively narrow.
本実施形態によれば、複数回に分けて電荷保持部、光電変換部を、それぞれの間にあるポテンシャル障壁を用いて分割して転送することで、一回目、および二回目の信号出力の分散を小さくすることができる。これにより一度で転送する電荷を多くすることができ、かつ、読み出し回路のゲインを高く設定できるようになる。 According to the present embodiment, the charge holding unit and the photoelectric conversion unit are divided into a plurality of times and transferred using the potential barrier between them, thereby distributing the first and second signal outputs. Can be reduced. As a result, the charge transferred at one time can be increased, and the gain of the readout circuit can be set high.
なお、好ましくは、光電変換部の飽和電荷量Q1は、
Q1<QFDMAX/G
の条件を満たすように設計されることが望ましい。
Preferably, the saturation charge amount Q1 of the photoelectric conversion unit is
Q1 <QFDMAX / G
It is desirable to be designed to satisfy the following conditions.
(第四の実施形態)
本実施形態は、電荷保持部で保持された信号電荷のみをFD領域へ転送した際に得られる信号を、画像形成用の信号として用いる場合と用いない場合とを切り換えることを特徴としている。電荷保持部で保持された信号電荷による信号出力が、あるしきい値以下の場合は、その信号を画像形成用の信号として用いないようにすることで、ランダムノイズの加算を防ぐことが可能となる。なお、ここでのしきい値と比較を行なう信号は、電荷保持部で保持された信号電荷のみをFD領域へ転送した際に得られる信号、主に光電変換部で保持された信号電荷をFD領域へ転送した際に得られる信号のいずれでもよい。更には、別途設けられたAEセンサにより入射光量に関する情報を取得し、この入射光量情報から、信号の加算、非加算を切り換えてもよい。いずれの方法で行なうにせよ、各画素、もしくは複数の画素を含む領域における入射光量により加算、非加算を切り換えればよい。
(Fourth embodiment)
The present embodiment is characterized in that the signal obtained when only the signal charge held in the charge holding unit is transferred to the FD region is switched between the case where it is used as the image forming signal and the case where it is not used. When the signal output by the signal charge held by the charge holding unit is below a certain threshold, it is possible to prevent the addition of random noise by not using the signal as a signal for image formation Become. The signal to be compared with the threshold value here is a signal obtained when only the signal charge held in the charge holding unit is transferred to the FD region, mainly the signal charge held in the photoelectric conversion unit. Any of the signals obtained when transferred to the area may be used. Furthermore, information regarding the incident light amount may be acquired by an AE sensor provided separately, and addition or non-addition of a signal may be switched based on the incident light amount information. Regardless of which method is used, addition or non-addition may be switched depending on the amount of incident light in each pixel or a region including a plurality of pixels.
更に詳しく図8を用いて説明する。図8(a)は電荷保持部で保持された信号電荷のみをFD領域へ転送した際に得られる信号を示し、図8(b)は主に光電変換部で保持された信号電荷をFD領域へ転送した際に得られる信号を示している。図8(a)において、白四角で示されている領域の信号はランダムノイズの成分が大半を占めており、加算を行なうとS/N比が悪化する。これに対して図8(b)では灰色で示すように、画像形成用の信号として使うべきレベルの信号となっている。例えば低輝度の被写体の場合には、光電変換部と電荷保持部との間のポテンシャル障壁を越えずに光電変換部にのみ信号電荷が蓄積される。つまり電荷保持部には信号電荷がほとんど存在していない。したがってこのような状態で電荷保持部の電荷の転送動作を行なってもノイズ量が増えるのみである。 This will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 8A shows a signal obtained when only the signal charge held in the charge holding unit is transferred to the FD region, and FIG. 8B mainly shows the signal charge held in the photoelectric conversion unit in the FD region. The signal obtained when transferring to is shown. In FIG. 8A, random noise components occupy most of the signal in the region indicated by the white square, and the S / N ratio deteriorates when addition is performed. On the other hand, as shown in gray in FIG. 8B, the signal has a level to be used as a signal for image formation. For example, in the case of a low-luminance subject, signal charges are accumulated only in the photoelectric conversion unit without exceeding the potential barrier between the photoelectric conversion unit and the charge holding unit. That is, there is almost no signal charge in the charge holding portion. Therefore, even if the charge transfer operation of the charge holding unit is performed in such a state, the amount of noise only increases.
これを抑制するために、電荷保持部からの信号が所定のしきい値以下の場合には、電荷保持部で保持された信号電荷のみをFD領域へ転送した際に得られる信号は画像形成用の信号としては用いない。もしくは、光電変換部からの信号が所定のしきい値以上の場合には、電荷保持部からの信号が存在するという判定をおこない、画像形成用の信号として用いる、としても良い。 In order to suppress this, when the signal from the charge holding unit is equal to or lower than a predetermined threshold value, the signal obtained when only the signal charge held in the charge holding unit is transferred to the FD region is used for image formation. This signal is not used. Alternatively, when the signal from the photoelectric conversion unit is equal to or greater than a predetermined threshold value, it may be determined that the signal from the charge holding unit is present and used as a signal for image formation.
本実施形態を他の実施形態に適用することにより、各実施形態で得られる効果に加えて、比較的低入射光量の場合に、S/N比を悪化させること無く画像を形成することが可能となる。 By applying this embodiment to other embodiments, in addition to the effects obtained in each embodiment, it is possible to form an image without deteriorating the S / N ratio when the amount of incident light is relatively low. It becomes.
具体的には、図9にしめすように、低照度側ではランダムノイズの信号に占める割合が大きくなるが、本実施形態によればランダムノイズVRN1の影響を受けない低ノイズ特性が実現可能となる。 Specifically, as shown in FIG. 9, the proportion of random noise in the low illuminance side increases, but according to the present embodiment, low noise characteristics that are not affected by the random noise VRN1 can be realized. Become.
(第五の実施形態)
第五の実施形態の駆動パルスを図10に示す。本実施形態では、電荷保持部からFD領域への転送に、一部中間レベルパルスを用いて分割転送することが新たな点である。この中間レベルパルスとは導通パルスと非導通パルスとの間の波高値を有するパルスである。この中間レベルパルスは、制御部102を中間レベルパルスを供給可能な構成とすることにより実現できる。
(Fifth embodiment)
FIG. 10 shows drive pulses according to the fifth embodiment. In this embodiment, it is a new point that partial transfer is performed using a partial intermediate level pulse for transfer from the charge holding unit to the FD region. The intermediate level pulse is a pulse having a peak value between a conduction pulse and a non-conduction pulse. This intermediate level pulse can be realized by configuring the
まずT1では、リセットトランジスタおよび第1、第2転送トランジスタにハイレベルパルスが供給されて導通状態となり、光電変換部、電荷保持部及びFD領域の電荷をリセットする。この時メカシャッタは閉状態である。 First, at T1, a high level pulse is supplied to the reset transistor and the first and second transfer transistors to be in a conductive state, and the charges in the photoelectric conversion unit, the charge holding unit, and the FD region are reset. At this time, the mechanical shutter is closed.
T2では、メカシャッタを開状態とし光電変換部に光を入射させる。このとき各転送トランジスタに供給されるパルスは各転送トランジスタを非導通状態とするローレベルパルスである。 At T2, the mechanical shutter is opened and light is incident on the photoelectric conversion unit. At this time, the pulse supplied to each transfer transistor is a low-level pulse that makes each transfer transistor non-conductive.
T3において、メカシャッタを閉状態とする。 At T3, the mechanical shutter is closed.
T4において、1行目の画素行のPRESにローレベルパルスを供給し、PSELにハイレベルパルスを供給する。ここでは同時に行なっているが異なる時刻に行なってもよい。ただし、リセット部のkTCノイズを抑制したい場合には、少なくともノイズ信号をサンプリングするPTNにハイレベルパルスが供給される期間においてPRESにローレベルパルスが供給されている必要がある。 At T4, a low level pulse is supplied to PRES in the first pixel row, and a high level pulse is supplied to PSEL. Here, they are performed simultaneously, but may be performed at different times. However, in order to suppress kTC noise in the reset unit, it is necessary that a low level pulse is supplied to PRES at least during a period in which a high level pulse is supplied to a PTN that samples a noise signal.
T5において、PTNにハイレベルパルスを供給し、1行目の画素のノイズ信号を列回路にて保持する。 At T5, a high level pulse is supplied to PTN, and the noise signal of the pixels in the first row is held in the column circuit.
T6aにおいて、1行目の画素行の第2転送トランジスタに中間レベルパルスを供給し、光電変換部及び電荷保持部で保持された信号電荷のうち、この中間レベルパルスが供給されることにより生じるポテンシャル障壁を越える部分の信号電荷のみがFD領域に転送される(第1のステップ)。 At T6a, an intermediate level pulse is supplied to the second transfer transistor in the first pixel row, and a potential generated by supplying the intermediate level pulse among the signal charges held in the photoelectric conversion unit and the charge holding unit. Only the signal charge of the part exceeding the barrier is transferred to the FD region (first step).
T6bにおいて、1行目の画素行の第2転送トランジスタに非導通状態となるローレベルパルスを供給する。 At T6b, a low-level pulse that is turned off is supplied to the second transfer transistor in the first pixel row.
T7において、PTSにハイレベルパルスを供給し、第1のステップにより読み出された電荷に基づく信号を列回路にて保持する。 At T7, a high level pulse is supplied to the PTS, and a signal based on the electric charge read out in the first step is held in the column circuit.
T8において、1行目の画素行のPSELにローレベルパルスを供給し、PRESにハイレベルパルスを供給する。この動作によって、第1のステップによりFD領域に転送された電荷がリセットされる。 At T8, a low level pulse is supplied to PSEL in the first pixel row, and a high level pulse is supplied to PRES. With this operation, the charge transferred to the FD region in the first step is reset.
T9において、PTNにハイレベルパルスを供給し、1行目の画素のノイズ信号を列回路にて保持する。 At T9, a high level pulse is supplied to PTN, and the noise signal of the pixels in the first row is held in the column circuit.
T10aにおいて、1行目の画素行の第2転送トランジスタに導通状態となるハイレベルパルスを供給する(第2のステップ)。好ましくは電荷保持部の電荷がFD領域に完全転送されるに充分な波高値のパルスが供給される。この時1行目の画素行の第1転送トランジスタはローレベルパルスが供給された状態となっている。 At T10a, a high-level pulse that is turned on is supplied to the second transfer transistor in the first pixel row (second step). Preferably, a pulse having a peak value sufficient to completely transfer the charges in the charge holding portion to the FD region is supplied. At this time, the first transfer transistor in the first pixel row is in a state where a low level pulse is supplied.
T10bにおいて、1行目の画素行の第2転送トランジスタに非導通状態となるローレベルパルスを供給する。 At T10b, a low-level pulse that is turned off is supplied to the second transfer transistor in the first pixel row.
T11において、PTSにハイレベルパルスを供給し、第2のステップにより転送される電荷に基づく信号を列回路にて保持する。 At T11, a high level pulse is supplied to the PTS, and a signal based on the charge transferred in the second step is held in the column circuit.
T12において、1行目のPSELにローレベルパルスを供給し、PRESにハイレベルパルスを供給する。 At T12, a low level pulse is supplied to PSEL in the first row, and a high level pulse is supplied to PRES.
T13において、PTNにハイレベルパルスを供給し、1行目の画素のノイズ信号を列回路にて保持する。 At T13, a high level pulse is supplied to PTN, and the noise signal of the pixels in the first row is held in the column circuit.
T14aにおいて、1行目の画素行の第1転送トランジスタ及び第2転送トランジスタに導通状態となるハイレベルパルスを供給する(第3のステップ)。これにより光電変換部に保持されていた信号電荷がFD領域に転送される。 At T14a, a high-level pulse that is turned on is supplied to the first transfer transistor and the second transfer transistor in the first pixel row (third step). As a result, the signal charge held in the photoelectric conversion unit is transferred to the FD region.
T14bにおいて、1行目の画素行の第1転送トランジスタ及び第2転送トランジスタに非導通状態となるローレベルパルスを供給する。 At T14b, a low-level pulse that is turned off is supplied to the first transfer transistor and the second transfer transistor in the first pixel row.
T15において、第3のステップにより転送された信号電荷に基づく信号を列回路にて保持する。 At T15, a signal based on the signal charge transferred in the third step is held in the column circuit.
そしてその後、上述の第1〜第3のステップにより得られる信号を信号処理部105において加算する。これにより光電変換部にて光電変換により生じた電荷の大部分を光電変換部、電荷保持部よりも後段に配された読み出し回路のダイナミックレンジに関わらず画像形成用の信号として取り扱うことが可能となる。
Thereafter, the
そしてT4〜T15までの動作を各画素行ごとに繰り返すことによって、1フレームの信号を読み出すことが可能である。 By repeating the operations from T4 to T15 for each pixel row, it is possible to read out one frame of signal.
またT6a〜T6bの中間レベルパルスでの転送(第2のステップ)を1度のみ行なったがこれを複数回繰り返し行なってもよい。 Further, the transfer (second step) with the intermediate level pulse of T6a to T6b is performed only once, but this may be repeated a plurality of times.
次に図11において、図10にて説明した時刻におけるポテンシャル状態を示す。なおポテンシャル図上部に黒塗りの四角が表示されているのはメカシャッタにより光電変換部等が遮光されている状態であることを示している。 Next, FIG. 11 shows the potential state at the time described in FIG. A black square is displayed at the top of the potential diagram to indicate that the photoelectric conversion unit and the like are shielded from light by the mechanical shutter.
図11(a)は、信号電荷生成期間前に、光電変換部及び電荷保持部の電荷をリセットする動作を示す。図10のT1からT2の期間のポテンシャル状態を示している。また図11(a)では図示していないが、FD領域に転送された電荷はリセットトランジスタにより排出される。この時、メカシャッタは閉状態であり光電変換部には光は入射しない。 FIG. 11A shows an operation of resetting the charges of the photoelectric conversion unit and the charge holding unit before the signal charge generation period. The potential state in the period from T1 to T2 in FIG. 10 is shown. Although not shown in FIG. 11A, the charges transferred to the FD region are discharged by the reset transistor. At this time, the mechanical shutter is in a closed state, and no light enters the photoelectric conversion unit.
図11(b)〜図11(d)はメカシャッタが開状態となり光電変換部に光が入射し光電変換を行なう信号電荷生成期間のポテンシャル状態を示している。 FIG. 11B to FIG. 11D show potential states during a signal charge generation period in which the mechanical shutter is opened and light enters the photoelectric conversion unit to perform photoelectric conversion.
図11(b)はメカシャッタが開いた直後の状態を示しており、光電変換部に信号電荷が生じていない状態を示している。 FIG. 11B shows a state immediately after the mechanical shutter is opened, and shows a state where no signal charge is generated in the photoelectric conversion unit.
図11(c)は少量の光が入射した状態であり、第1転送トランジスタに供給されるパルスの波高値によって決まる光電変換部と電荷保持部との間のポテンシャル障壁を越えずに光電変換部において信号電荷が保持されている状態である。ここで第1転送トランジスタにはローレベルパルスが供給されているわけであるが、光電変換部で生じた電荷が直ちに電荷保持部へ移動するようにそのポテンシャル障壁は比較的低く制御されている。このような状態を実現するためには上述したように第1転送トランジスタを埋め込みチャネル型のMOSトランジスタとすることなどにより実現可能である。 FIG. 11C shows a state in which a small amount of light is incident, and the photoelectric conversion unit without exceeding the potential barrier between the photoelectric conversion unit and the charge holding unit determined by the peak value of the pulse supplied to the first transfer transistor. In this state, the signal charge is held. Here, although the low level pulse is supplied to the first transfer transistor, the potential barrier is controlled to be relatively low so that the charge generated in the photoelectric conversion unit immediately moves to the charge holding unit. In order to realize such a state, as described above, the first transfer transistor can be realized as a buried channel type MOS transistor.
図11(d)は、光電変換部で発生した信号電荷が第1転送トランジスタにより形成されるポテンシャル障壁を超えて電荷保持部へ移動し電荷保持部においても信号電荷が保持されている状態である。ここで説明のために図11(d)の光電変換部の点線部よりも下の領域に存在する電荷の数をQ1=10000個、電荷保持部の点線部よりも下の領域に存在する電荷の数をQ2=60000個、点線部よりも上に存在する電荷の数をQ3=40000個とする。 FIG. 11D shows a state in which the signal charge generated in the photoelectric conversion unit moves to the charge holding unit beyond the potential barrier formed by the first transfer transistor, and the signal charge is also held in the charge holding unit. . Here, for the purpose of explanation, the number of charges existing in the region below the dotted line portion of the photoelectric conversion unit in FIG. 11D is Q1 = 10000, and the charge existing in the region below the dotted line portion of the charge holding unit. Is Q2 = 60000 and the number of charges existing above the dotted line is Q3 = 40000.
図11(e)は、図10のT6a〜T6bにおけるポテンシャル図を示すものであり、第1転送トランジスタにローレベルパルスが、第2転送トランジスタに中間レベルパルスが供給された状態である(第2のステップ)。この動作によりFD領域には図11(d)における電荷Q3の全てとQ2の電荷の一部が転送される。FD領域に転送される電荷量は第2転送トランジスタに供給される中間レベルパルスの波高値により任意に設定可能である。 FIG. 11E shows a potential diagram at T6a to T6b in FIG. 10, in which a low level pulse is supplied to the first transfer transistor and an intermediate level pulse is supplied to the second transfer transistor (second phase). Step). By this operation, all of the charge Q3 in FIG. 11D and a part of the charge of Q2 are transferred to the FD region. The amount of charge transferred to the FD region can be arbitrarily set by the peak value of the intermediate level pulse supplied to the second transfer transistor.
図11(f)は、図10のT10a〜T10bにおけるポテンシャル図を示すものであり、第1転送トランジスタにローレベルパルスが、第2転送トランジスタにハイレベルパルスが供給された状態である(第3のステップ)。この動作によりFD領域には電荷保持部に保持されていた信号電荷のうち第2のステップにより転送された信号電荷の残りの電荷が転送される。ここでは例えば50000個の信号電荷が転送される。 FIG. 11 (f) shows a potential diagram at T10a to T10b of FIG. 10, where a low level pulse is supplied to the first transfer transistor and a high level pulse is supplied to the second transfer transistor (third). Step). By this operation, the remaining charges of the signal charges transferred in the second step among the signal charges held in the charge holding portion are transferred to the FD region. Here, for example, 50000 signal charges are transferred.
図11(g)は、図10のT14a〜T14bにおけるポテンシャル図を示すものであり、第1及び第2転送トランジスタにハイレベルパルスが供給された状態である(第4のステップ)。この動作によりFD領域には光電変換部に保持されていた信号電荷が転送される。ここでは2000個の電荷が転送される。 FIG. 11G shows a potential diagram at T14a to T14b in FIG. 10, where a high level pulse is supplied to the first and second transfer transistors (fourth step). By this operation, the signal charge held in the photoelectric conversion unit is transferred to the FD region. Here, 2000 charges are transferred.
本実施形態固有の効果を説明する。第一の実施形態においては、FD領域後段のソースフォロア、および読み出し回路で、QFDMAXの信号電荷を全て取り扱えるという前提だった。つまり、QFDMAXの信号がFD領域に転送された場合、その値が回路飽和することなく正しく外部に出力されるという場合である。 The effects unique to this embodiment will be described. In the first embodiment, it is assumed that all the signal charges of QFDMAX can be handled by the source follower and the readout circuit at the latter stage of the FD region. In other words, when the QFDMAX signal is transferred to the FD area, the value is correctly output to the outside without circuit saturation.
しかし、実際には、増幅回路に用いる電源電圧の制限などから、回路で取り扱える電荷がQFDMAX以下(以下、QFDMAX2)の場合があり得る。そのような場合に、FD領域への電荷の転送量を制限しなくてはならない。 However, in reality, the charge that can be handled by the circuit may be QFDMAX or lower (hereinafter referred to as QFDMAX2) due to limitations on the power supply voltage used in the amplifier circuit. In such a case, the amount of charge transferred to the FD region must be limited.
その際に、中間レベルパルスを用いた転送を行なうことで、FD領域への電荷の転送量をQFDMAX2以下に制限し、全ての電荷が正しく読み出されるようにすることができる。つまり中間レベルパルスの波高値は、中間レベルパルスで転送される信号電荷数が、読み出し回路の読み出し可能な最大値を下回るように設定される。 At that time, by performing transfer using an intermediate level pulse, the transfer amount of charges to the FD region can be limited to QFDMAX2 or less, and all charges can be read correctly. That is, the peak value of the intermediate level pulse is set so that the number of signal charges transferred by the intermediate level pulse is less than the maximum value that can be read by the reading circuit.
なお、その際に、フォトダイオードの飽和電荷量Q1は
Q1<QFDMAX2
となるように設計されることが望ましい。もちろん、Q1をQFDMAX2に比べ十分低く設定することで、光電変換部からの信号にのみ高いゲインをかけて、暗部のノイズを低減することも可能である。
At that time, the saturation charge amount Q1 of the photodiode is Q1 <QFDMAX2.
It is desirable to be designed so that Of course, by setting Q1 sufficiently lower than QFDMAX2, it is possible to apply a high gain only to the signal from the photoelectric conversion unit and reduce noise in the dark part.
本実施形態は、FD領域のダイナミックレンジが光電変換部の後段の読み出し回路のダイナミックレンジよりも大きい場合に特に有効となる。 This embodiment is particularly effective when the dynamic range of the FD region is larger than the dynamic range of the readout circuit at the subsequent stage of the photoelectric conversion unit.
本実施形態によれば、電荷保持部を設けることによりダイナミックレンジを拡大しつつ、光電変換部及び電荷保持部の後段に設けられた読み出し回路のダイナミックレンジに制限を受けない読出しが可能となる。 According to the present embodiment, it is possible to perform reading without being limited by the dynamic range of the readout circuit provided at the subsequent stage of the photoelectric conversion unit and the charge holding unit while expanding the dynamic range by providing the charge holding unit.
(第六の実施形態)
本実施形態において第五の実施形態と異なるのは、各画素行に対して一回のみ中間レベルパルスを供給していたものを複数回供給することとした点である。
(Sixth embodiment)
This embodiment is different from the fifth embodiment in that an intermediate level pulse that has been supplied only once to each pixel row is supplied a plurality of times.
駆動パルス図に関しては、図10の駆動パルスに対して、中間レベルパルスと導通状態となるハイレベルパルスとの間に更に第2の中間レベルパルスを設ければよい。またそれに応じて、FD領域のリセットのためのパルス、列回路でのノイズ信号、光信号のサンプリングパルスもそれぞれ追加される。また波高値に関しては、転送トランジスタを導通とするハイレベルパルス、非導通状態とするローレベルパルスの間の任意の値を選択可能である。同じ波高値のパルスを供給してもよいし、異なる波高値のパルスを供給することもできる。 With respect to the drive pulse diagram, a second intermediate level pulse may be further provided between the intermediate level pulse and the high level pulse in the conductive state with respect to the drive pulse of FIG. Correspondingly, a pulse for resetting the FD region, a noise signal in the column circuit, and a sampling pulse of the optical signal are also added. As for the crest value, an arbitrary value can be selected between a high level pulse for turning on the transfer transistor and a low level pulse for turning off the transfer transistor. Pulses having the same peak value may be supplied, or pulses having different peak values may be supplied.
本実施形態によれば他の実施形態に適用することにより、光電変換部からFD領域への転送条件を細かく設定することが可能となり、光電変換部よりも後段の読み出し回路のダイナミックレンジに細かく対応することが可能となる。 According to this embodiment, the transfer conditions from the photoelectric conversion unit to the FD region can be set finely by applying to other embodiments, and the dynamic range of the readout circuit at the subsequent stage than the photoelectric conversion unit is finely supported. It becomes possible to do.
(第七の実施形態)
本実施形態は、第五、第六の実施形態で供給した中間レベルパルスを温度に応じて変化させる例である。図12に本実施形態の固体撮像装置を含む撮像システムのブロック図を示す。
(Seventh embodiment)
The present embodiment is an example in which the intermediate level pulse supplied in the fifth and sixth embodiments is changed according to the temperature. FIG. 12 shows a block diagram of an imaging system including the solid-state imaging device of the present embodiment.
1201は固体撮像装置である。1202は温度検出部である。ここでは固体撮像装置内に配されているが、固体撮像装置外部の近傍に配置してもよい。1203はCPUである。1204は制御部である。温度検出部1202からの温度情報及びCPU1203からの制御信号に応じて固体撮像装置等の制御を行なう。1205は可変電圧供給源である。制御部1204からの制御信号に応じて、固体撮像装置に対して温度に応じた電圧を供給する。この電圧を図1の垂直走査回路に供給することにより、温度に応じて中間レベルパルスの波高値、もしくは供給時間を異ならせることが可能となる。
本実施形態の動作フローを説明する。まず信号電荷生成期間において、光電変換部において信号電荷の蓄積を行なう。所定時間が経過後、信号電荷生成期間が終了する。その後、温度検出部により固体撮像装置自身もしくはその近傍の温度情報を取得する。そして、取得した温度情報に対応した電圧情報が記録されているルックアップテーブルにアクセスし、可変電圧供給源から温度に対応した電圧が供給されるように制御する。その後、上述の各読み出し動作を行なう。 The operation flow of this embodiment will be described. First, in the signal charge generation period, signal charges are accumulated in the photoelectric conversion unit. After a predetermined time has elapsed, the signal charge generation period ends. Thereafter, the temperature detection unit acquires temperature information of the solid-state imaging device itself or in the vicinity thereof. Then, a lookup table in which voltage information corresponding to the acquired temperature information is recorded is accessed, and control is performed so that a voltage corresponding to the temperature is supplied from the variable voltage supply source. Thereafter, the above read operations are performed.
信号電荷の有するエネルギーは、温度によって異なり、温度が変化しても中間レベルパルスによって生じさせるポテンシャル障壁が同じ高さの場合にはFD領域に転送される電荷の数が異なってしまう。これに対して本実施形態においては、温度検出部を設け、この温度検出部からの信号に応じて中間レベルパルスの波高値、もしくは供給時間を異ならせるもしくは切り換えるようにする。 The energy of the signal charge varies depending on the temperature, and the number of charges transferred to the FD region differs when the potential barrier generated by the intermediate level pulse is the same height even if the temperature changes. On the other hand, in the present embodiment, a temperature detection unit is provided, and the peak value of the intermediate level pulse or the supply time is changed or switched according to the signal from the temperature detection unit.
本実施形態を第五、第六の実施形態に適応すれば、第五、第六の実施形態で得られる効果に加えて、固体撮像装置及び固体撮像装置近傍で温度変化が生じたときにも、中間レベルパルスを供給することにより転送される電荷数の変化を抑制することが可能となる。 If this embodiment is applied to the fifth and sixth embodiments, in addition to the effects obtained in the fifth and sixth embodiments, also when a temperature change occurs in the vicinity of the solid-state imaging device and the solid-state imaging device. By supplying the intermediate level pulse, it is possible to suppress a change in the number of charges transferred.
(第八の実施形態)
本実施形態は、上述の実施形態で述べた中間レベルパルスを光電変換部の後段に設けられた読み出し回路のゲインに応じて変化させる例である。ここで光電変換部の後段に設けられる読み出し回路としては、画素に設けられた増幅部、列回路に設けられた列増幅回路、列回路からの並列信号を直列信号に変換した後に外部へ出力するための出力増幅部などがある。
(Eighth embodiment)
This embodiment is an example in which the intermediate level pulse described in the above-described embodiment is changed according to the gain of a readout circuit provided in the subsequent stage of the photoelectric conversion unit. Here, as a readout circuit provided in the subsequent stage of the photoelectric conversion unit, an amplification unit provided in the pixel, a column amplification circuit provided in the column circuit, a parallel signal from the column circuit is converted into a serial signal, and then output to the outside. There is an output amplifying section for the purpose.
図13に本実施形態の固体撮像装置を含む撮像システムのブロック図を示す。 FIG. 13 shows a block diagram of an imaging system including the solid-state imaging device of the present embodiment.
1301が固体撮像装置である。1302が制御部である。1303がCPUである。1304が可変電圧供給源である。光電変換部の後段に設けられた読み出し回路のゲインの切り換えは制御部1302、CPU1303によって行なわれる。このゲイン制御は例えば、感度切り換え、読み出し速度の変更等に応じて適宜行なわれるものである。
本実施形態の動作フローを説明する。まず信号電荷生成期間において、光電変換部において信号電荷の蓄積を行なう。所定時間の経過後蓄積を終了する。その後、光電変換部の後段に設けられた読み出し回路のゲインに対応した電圧情報が記録されているルックアップテーブルにアクセスし、可変電圧供給源からゲインに対応した電圧が供給されるように制御する。その後、上述の各読み出し動作を行なう。合わせて温度検出部を設けて第4の実施形態で述べた温度補正を同時に行なってもよい。 The operation flow of this embodiment will be described. First, in the signal charge generation period, signal charges are accumulated in the photoelectric conversion unit. The accumulation ends after a predetermined time has elapsed. Thereafter, a look-up table in which voltage information corresponding to the gain of the readout circuit provided at the subsequent stage of the photoelectric conversion unit is accessed, and control is performed so that a voltage corresponding to the gain is supplied from the variable voltage supply source. . Thereafter, the above read operations are performed. In addition, a temperature detection unit may be provided to perform the temperature correction described in the fourth embodiment at the same time.
図14において、読み出し回路ゲインが可変の際に中間レベルパルスの波高値、もしくは供給時間を変更することの効果を説明する。 The effect of changing the peak value of the intermediate level pulse or the supply time when the readout circuit gain is variable will be described with reference to FIG.
図14(a)は第1の中間レベルパルスを供給した時の出力電圧の入射光量依存性(光電変換特性)、図14(b)は第2の中間レベルパルスを供給した時の光電変換特性、図14(c)はハイレベルパルスを供給した時の光電変換特性である。図14(d)は各読み出しパルスによりFD領域に電荷を転送した後の加算後の出力信号特性である。また図14(e)〜(h)は読み出し回路のゲインに応じてパルスの波高値を変化させた際の光電変換特性、出力信号特性を示すものである。具体的には読み出し回路のゲインが第1のゲインから第1のゲインよりも高い第2のゲインに変化した際に、図14(a)〜(c)に比べてパルスの波高値を低くした例である。 FIG. 14A shows the incident light quantity dependency (photoelectric conversion characteristics) of the output voltage when the first intermediate level pulse is supplied, and FIG. 14B shows the photoelectric conversion characteristics when the second intermediate level pulse is supplied. FIG. 14C shows photoelectric conversion characteristics when a high level pulse is supplied. FIG. 14D shows output signal characteristics after addition after the charge is transferred to the FD region by each readout pulse. FIGS. 14E to 14H show photoelectric conversion characteristics and output signal characteristics when the pulse peak value is changed in accordance with the gain of the readout circuit. Specifically, when the gain of the readout circuit is changed from the first gain to the second gain that is higher than the first gain, the pulse peak value is made lower than in FIGS. 14 (a) to 14 (c). It is an example.
読み出し回路ゲインが可変の際、回路飽和に至るまでの入射光量(飽和光量)が読み出し回路のゲイン毎に異なる。904a、b、cは読み出し回路のゲインが低い場合であり、906a、b、cは読み出し回路のゲインが高い場合を示している。読み出し回路のゲインが低い場合には飽和光量が905a、b、cと高いので、FD領域に転送された電荷は全て画像形成用の信号として用いることができる。しかし、読み出し回路のゲインが高い場合には、飽和光量が907a、b、cと低下するので、FD領域に転送された電荷の一部が読み出し回路の入力ダイナミックレンジを超えてしまい情報として欠落してしまう。結果として、図14(d)に示すように合成後の光電変換特性として、図14(a)〜図14(c)で得られるA、B、Cの領域の信号を合成した後の特性が、909で示すような階段状の特性となり、不感帯を有する光電変換特性になってしまう。参考までに、欠落の無い場合には908のような直線状の特性が得られるのが好ましい。 When the read circuit gain is variable, the incident light amount (saturated light amount) until the circuit is saturated differs for each gain of the read circuit. Reference numerals 904a, b, and c denote cases where the gain of the readout circuit is low, and reference numerals 906a, b, and c denote cases where the gain of the readout circuit is high. When the gain of the readout circuit is low, the saturation light amount is as high as 905a, b, and c, so that all the charges transferred to the FD region can be used as signals for image formation. However, when the gain of the readout circuit is high, the saturation light amount decreases to 907a, b, and c, so that a part of the charge transferred to the FD region exceeds the input dynamic range of the readout circuit and is lost as information. End up. As a result, as shown in FIG. 14D, as the combined photoelectric conversion characteristics, the characteristics after combining the signals of the regions A, B, and C obtained in FIGS. 14A to 14C are as follows. , 909, and a photoelectric conversion characteristic having a dead zone. For reference, it is preferable to obtain a linear characteristic such as 908 when there is no omission.
このような場合に、図14(e)〜(g)に示すように中間レベルパルスの波高値を図14(a)〜(c)にくらべて低いレベルに制限する。もしくはパルスの供給時間を短くして過渡的な電荷の移動を制限し、中間レベルパルスを用いたときに転送される電荷数を減少させる。これにより、図14(a)〜(c)と同様にパルスを3回供給して読み出したとしても図14(e)〜(g)に示すような光電変換特性を得ることができる。これらの信号を合成した後の光電変換特性が、図14(h)である。図14(d)と比べて情報の欠落がないので、A、B、Cの領域を合成した後も、好ましくない不感帯が存在しない。 In such a case, as shown in FIGS. 14E to 14G, the peak value of the intermediate level pulse is limited to a lower level than in FIGS. 14A to 14C. Alternatively, the pulse supply time is shortened to limit transient charge movement, and the number of charges transferred when the intermediate level pulse is used is reduced. As a result, photoelectric conversion characteristics as shown in FIGS. 14E to 14G can be obtained even if the pulse is supplied and read out three times in the same manner as FIGS. 14A to 14C. The photoelectric conversion characteristics after combining these signals are shown in FIG. Since there is no missing information as compared with FIG. 14 (d), there is no undesirable dead zone even after the regions A, B, and C are combined.
なお、一度に読み出せる電子数に制限が生じるので、合成後の飽和光量は低下する。その際は、必要に応じて中間レベルパルスで読み出す回数と、印加する中間レベル電圧を増加させることで、飽和光量の低下を抑制することができる。 Since the number of electrons that can be read at one time is limited, the amount of saturated light after synthesis is reduced. In that case, the decrease in the amount of saturated light can be suppressed by increasing the number of times of reading with an intermediate level pulse as needed and the applied intermediate level voltage.
本実施形態を他の実施形態に適用すれば、各実施形態により得られる効果に加えて、光電変換部よりも後段に設けられた読み出し回路のゲインが変化した際にも、不感帯を生じさせること無く、合成後も連続的な光電変換特性をもった信号を得ることが可能となる。 If this embodiment is applied to other embodiments, in addition to the effects obtained by each embodiment, a dead zone is also generated when the gain of a readout circuit provided at a stage subsequent to the photoelectric conversion unit changes. It is possible to obtain a signal having continuous photoelectric conversion characteristics even after synthesis.
2 光電変換部
3 電荷保持部
8 第1転送部
9 第2転送部
10 リセット部
12 増幅部
102、1204 制御部
2
Claims (15)
前記第2転送部により転送された信号電荷に基づく信号を増幅する増幅部と、
前記増幅部に転送された信号電荷をリセットするリセット部と、
を有する固体撮像装置であって、
前記電荷保持部は、前記光電変換部と前記増幅部との間の電気経路に配され、
メカシャッタが開いて前記光電変換部に光が入射した後、前記メカシャッタが閉じた状態で、前記第2転送部に導通パルスを供給して前記電荷保持部に保持された信号電荷を前記増幅部へ転送し、前記リセット部に導通パルスを供給して前記増幅部に転送された信号電荷をリセットした後、前記第1及び第2転送部に導通パルスを供給することにより前記光電変換部に保持された信号電荷を前記増幅部へ転送することを特徴とする固体撮像装置。 A photoelectric conversion unit, a charge holding unit that holds signal charges generated in the photoelectric conversion unit, a first transfer unit that transfers signal charges from the photoelectric conversion unit to the charge holding unit, and held by the charge holding unit. A plurality of pixels having a second transfer unit that transfers the signal charges,
An amplifier for amplifying a signal based on the signal charge transferred by the second transfer unit;
A reset unit for resetting the signal charges transferred to the amplification unit;
A solid-state imaging device comprising:
The charge holding unit is disposed in an electrical path between the photoelectric conversion unit and the amplification unit,
After the mechanical shutter is opened and light is incident on the photoelectric conversion unit, with the mechanical shutter closed, a conduction pulse is supplied to the second transfer unit and the signal charge held in the charge holding unit is supplied to the amplification unit. After transferring and supplying a conduction pulse to the reset unit to reset the signal charge transferred to the amplification unit, the conduction pulse is supplied to the first and second transfer units to be held in the photoelectric conversion unit. A solid-state imaging device, wherein the signal charge transferred to the amplifying unit is transferred.
前記中間レベルパルスで転送される信号電荷数が、前記読み出し回路の読み出し可能な最大値を下回るように、前記中間レベルパルスの波高値を設定することを特徴とする請求項7に記載の固体撮像装置。 Furthermore, it has a readout circuit for processing the signal output from the amplification unit,
8. The solid-state imaging according to claim 7, wherein the peak value of the intermediate level pulse is set so that the number of signal charges transferred by the intermediate level pulse is less than a maximum value readable by the readout circuit. apparatus.
前記中間レベルパルスの波高値を前記温度検出部からの温度情報に応じて変化させることを特徴とする請求項7又は8のいずれかに記載の固体撮像装置。 Furthermore, it has a temperature detector,
The solid-state imaging device according to claim 7, wherein a peak value of the intermediate level pulse is changed according to temperature information from the temperature detection unit.
該増幅回路のゲインは、前記第1及び第2転送部に導通パルスを供給することにより前記光電変換部に保持された信号電荷を前記増幅部へ転送することにより得られる信号に対するゲインよりも、前記第2転送部に導通パルスを供給して前記電荷保持部に保持された信号電荷を前記増幅部へ転送することにより得られる信号に対するゲインの方が高いことを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 Furthermore, it has a gain variable amplification circuit for processing the signal output from the amplification unit,
The gain of the amplifier circuit is more than the gain for the signal obtained by transferring the signal charge held in the photoelectric conversion unit to the amplification unit by supplying a conduction pulse to the first and second transfer units. 10. The gain for a signal obtained by supplying a conduction pulse to the second transfer unit and transferring the signal charge held in the charge holding unit to the amplifying unit is higher. The solid-state imaging device according to any one of the above.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013039442A JP5570628B2 (en) | 2013-02-28 | 2013-02-28 | Solid-state imaging device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013039442A JP5570628B2 (en) | 2013-02-28 | 2013-02-28 | Solid-state imaging device |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008262997A Division JP5219724B2 (en) | 2008-10-09 | 2008-10-09 | Solid-state imaging device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013118694A JP2013118694A (en) | 2013-06-13 |
JP5570628B2 true JP5570628B2 (en) | 2014-08-13 |
Family
ID=48712882
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013039442A Expired - Fee Related JP5570628B2 (en) | 2013-02-28 | 2013-02-28 | Solid-state imaging device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5570628B2 (en) |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS63219278A (en) * | 1987-03-09 | 1988-09-12 | Olympus Optical Co Ltd | Focal point detector |
JP2006196742A (en) * | 2005-01-14 | 2006-07-27 | Canon Inc | Imaging apparatus and drive method thereof |
JP4273124B2 (en) * | 2005-02-04 | 2009-06-03 | キヤノン株式会社 | Imaging apparatus and imaging system |
JP2006311515A (en) * | 2005-03-29 | 2006-11-09 | Konica Minolta Holdings Inc | Solid-state imaging device |
JP4973115B2 (en) * | 2006-10-16 | 2012-07-11 | ソニー株式会社 | Solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, and imaging device |
-
2013
- 2013-02-28 JP JP2013039442A patent/JP5570628B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2013118694A (en) | 2013-06-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5219724B2 (en) | Solid-state imaging device | |
US9819884B2 (en) | Imaging device | |
CN102547166B (en) | Image sensor having supplemental capacitive coupling node | |
CN101562707B (en) | A solid image pick-up device, a driving method thereof and an electronic device | |
JP6226254B2 (en) | Solid-state imaging device and switching circuit | |
CN101902585B (en) | Solid-state imaging device | |
US8294798B2 (en) | Solid-state imaging apparatus | |
JP5213632B2 (en) | Imaging device | |
JP2011199781A (en) | Solid-state imaging apparatus | |
JP5570628B2 (en) | Solid-state imaging device | |
JP5523598B2 (en) | Imaging device | |
JP4345145B2 (en) | Solid-state imaging device | |
JP2011142434A (en) | Solid-state imaging device | |
JP2017130728A (en) | Imaging apparatus | |
JP2013153319A (en) | Solid-state imaging device, method of driving solid-state imaging device, and electronic apparatus | |
JP2011040482A (en) | Solid-state imaging apparatus | |
HK1171592B (en) | Image sensor having supplemental capacitive coupling node | |
HK1202006B (en) | Image sensor having supplemental capacitive coupling node and operation method thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20131029 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20131105 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20140106 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20140311 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20140502 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20140527 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20140624 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 5570628 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |