JP2007166238A - Cmos sensor with shutter function per pixel - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は画素別シャッタ機能付CMOSセンサに係り、特に撮像部の複数の画素のそれぞれにシャッタ機能を付加したCMOSセンサに関する。 The present invention relates to a CMOS sensor with a pixel-by-pixel shutter function, and more particularly to a CMOS sensor in which a shutter function is added to each of a plurality of pixels in an imaging unit.
従来のCMOSセンサは、被写体からの入射光を各画素のフォトダイオードで光電変換して得た電荷の蓄積時間は一定であるが、シャッタタイミングが少しずつずれるローリングシャッタ型のものと、画素別にシャッタ時間が変えられないグローバルシャッタ型のものとが主に知られている(例えば、非特許文献1参照)。 In the conventional CMOS sensor, the charge accumulation time obtained by photoelectrically converting incident light from a subject with a photodiode of each pixel is constant, but a rolling shutter type in which the shutter timing is slightly shifted, and a shutter for each pixel. A global shutter type whose time cannot be changed is mainly known (for example, see Non-Patent Document 1).
図10は従来のCMOSセンサの一例の構成図を示す。同図に示すように、従来のCMOSセンサは、2次元マトリクス状に配列された複数の画素1と、複数の画素1を各行単位で選択するための垂直選択信号を出力する垂直選択回路2と、複数の画素1を各列単位で選択するための水平選択信号を出力し、選択した画素1からの信号をセンサの外へ出力する水平選択回路3とからなる。
FIG. 10 shows a configuration diagram of an example of a conventional CMOS sensor. As shown in the figure, the conventional CMOS sensor includes a plurality of
また、各画素1は、図11に示すように、被写体からの入射光を光電変換するフォトダイオードPD1、PD1をリセットするためのリセットトランジスタTr1、PD1から光電変換して得られた電圧を読み出すソースフォロワを構成するトランジスタTr2、トランジスタTr2のソース出力信号を垂直の行単位で選択して外部へ出力するためのトランジスタTr3とからなる構成であることが多い。画素1が図11に示す回路構成の場合は、ローリングシャッタと呼ばれるシャッタ形式となっているため、一度に全てのフォトダイオードをリセットすることができずに画素別にシャッタ時間(露光時間)を変えることができない。
In addition, as shown in FIG. 11, each
また、従来のCMOSセンサでは、非常に明るい被写体に対しては、外部シャッタを調節するか、絞りを調節して、各画素のフォトダイオードの飽和による絵のつぶれを抑えている。また、被写体に非常に明るい部分と暗い部分がある場合、明るい部分を飽和させないようにすると、暗い部分が黒つぶれにより見えないという現象が発生することが多い。 Further, in a conventional CMOS sensor, for a very bright subject, an external shutter is adjusted or an aperture is adjusted to suppress a collapse of a picture due to saturation of a photodiode of each pixel. In addition, when a subject has a very bright part and a dark part, if the bright part is not saturated, a phenomenon that the dark part cannot be seen due to the blackout often occurs.
そのため、従来はフォトダイオードの感度を対数的に圧縮して飽和を抑える撮像装置(例えば、特許文献1参照)や、露光時間を変えた絵を2回読み出して高輝度補正信号として用い、演算するなどでダイナミックレンジの拡大を図る撮像装置が知られている(例えば、特許文献2参照)。更に、各画素回路で検出された入射光量と、その画素回路に隣接する画素回路で検出された入射光量との平均値を演算し、その平均値に基づいて受光感度範囲を変化させて入射光量を検出することで、入射光量に応じて最適な受光感度範囲に設定することが可能な固体撮像素子も従来知られている(例えば、特許文献3参照)。 For this reason, conventionally, an image pickup apparatus that suppresses saturation by logarithmically compressing the sensitivity of a photodiode (see, for example, Patent Document 1), or a picture with a changed exposure time is read twice and used as a high-intensity correction signal. An imaging device that increases the dynamic range is known (for example, see Patent Document 2). Further, the average value of the incident light amount detected by each pixel circuit and the incident light amount detected by the pixel circuit adjacent to the pixel circuit is calculated, and the light receiving sensitivity range is changed based on the average value to change the incident light amount. A solid-state imaging device that can be set to an optimum light receiving sensitivity range according to the amount of incident light by detecting the above is also known in the art (see, for example, Patent Document 3).
しかしながら、特許文献1記載の従来の撮像装置で行っていたフォトダイオードにおける対数圧縮では、非常に明るい被写体に対して、飽和はしないが、全画素にて白つぶれ状態になり、暗い部分での視認性が悪いという問題がある。また、特許文献2記載の従来の撮像装置では、シャッタ時間を変えて信号を取り出す場合は、画素別に高輝度補正信号を用いた処理を行うことが難しい。
However, the logarithmic compression in the photodiode performed by the conventional imaging device described in
更に、特許文献3記載の従来の撮像装置では、画素回路毎にフォトダイオードの飽和を検知してフォトダイオードのリセットを行うための初期設定スイッチを有するため、画素回路が複雑になり、小チップサイズで多画素化が難しい等の課題がある。
Furthermore, the conventional imaging device described in
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、画素別にシャッタ機能を付加し、前フレームの映像信号をデジタル的に処理して、その信号からフォトダイオードの飽和状態を判定し、次のフレームでの露光時間を変える(つまり、CMOSイメージセンサのシャッタ時間を変える)ことにより、広ダイナミックレンジを持つ画素別シャッタ機能付CMOSセンサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points. A shutter function is added for each pixel, the video signal of the previous frame is digitally processed, the saturation state of the photodiode is determined from the signal, and in the next frame. An object of the present invention is to provide a CMOS sensor with a pixel-by-pixel shutter function having a wide dynamic range by changing the exposure time of (i.e., changing the shutter time of the CMOS image sensor).
上記の目的を達成するため、第1の発明は、撮像部に複数の画素が規則的に配列されたCMOSセンサにおいて、画素の各々は、
入射光を光電変換して電荷を蓄積する光電変換素子と、光電変換素子をリセットするために、ドレイン端子及びソース端子の一方が光電変換素子に接続され、ゲート端子に第1のリセット信号が印加される第1のトランジスタと、ドレイン端子及びソース端子の一方が電源端子に接続され、ゲート端子に印加される電荷に応じた画素信号をドレイン端子及びソース端子の他方から出力する信号増幅用の第2のトランジスタと、ゲート端子に選択信号線を介して画素別に印加される選択信号により選択された時に、第2のトランジスタから出力された画素信号を、ソース端子及びドレイン端子の一方から出力信号線に出力する選択用の第3のトランジスタと、光電変換素子と第1のトランジスタとの接続点にソース端子及びドレイン端子の一方が接続された電荷転送用の第4のトランジスタと、ゲート端子が第1の信号線に接続され、ドレイン端子及びソース端子の一方が、第4のトランジスタのゲート端子に接続され、他方の端子が第2の信号線に接続されて第4のトランジスタのゲート電位をコントロールする第5のトランジスタと、ゲート端子が第3の信号線に接続され、ドレイン端子及びソース端子の一方が、第4のトランジスタのソース端子及びドレイン端子の他方に接続され、他方の端子が第2のトランジスタのゲート端子に接続された転送用の第6のトランジスタと、ドレイン端子及びソース端子の一方が、第2のトランジスタと第6のトランジスタとの接続点に接続され、他方の端子が電源端子に接続され、ゲート端子に第2のリセット信号が印加されるリセット用の第7のトランジスタとより構成され、
全画素の第1のトランジスタのゲート端子に第1のリセット信号を同時に印加して、全画素の光電変換素子を同時にリセットするリセット手段と、リセット手段によるリセット後の光電変換素子の光電変換による電荷蓄積動作中において、第1及び第2の信号線の信号の論理積により選択した画素の第4及び第5のトランジスタをそれぞれオン状態とし、光電変換素子の電荷を第4のトランジスタを介して、第4及び第6のトランジスタの接続点へ転送する第1の転送手段と、第1の転送手段による電荷転送後に、第6のトランジスタを第3の信号線の信号によりオン状態として、第2、第6及び第7のトランジスタの共通接続点の蓄積部に、第4及び第6のトランジスタの接続点に蓄積されている電荷を転送して、その蓄積部に全画素読み出し期間、電荷を保持させる第2の転送手段と、第1の転送手段による第4及び第5のトランジスタをそれぞれオン状態とするタイミング位置を、その画素の光電変換素子への入射光量に応じて可変することにより、光電変換素子のリセット後の電荷蓄積開始時点から第1の転送手段による電荷転送時点までの露光時間を可変する画素別露光時間可変手段とを有することを特徴とする。
In order to achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, there is provided a CMOS sensor in which a plurality of pixels are regularly arranged in an imaging unit.
One of the drain terminal and the source terminal is connected to the photoelectric conversion element and the first reset signal is applied to the gate terminal to reset the photoelectric conversion element that photoelectrically converts incident light and accumulates charges. And a first transistor for signal amplification, wherein one of a drain terminal and a source terminal is connected to a power supply terminal, and a pixel signal corresponding to the charge applied to the gate terminal is output from the other of the drain terminal and the source terminal. 2 and the pixel signal output from the second transistor when selected by the selection signal applied to each pixel through the selection signal line to the gate terminal, the output signal line from one of the source terminal and the drain terminal One of a source terminal and a drain terminal at a connection point between the third transistor for selection to be output to and the photoelectric conversion element and the first transistor The connected fourth transistor for charge transfer and the gate terminal are connected to the first signal line, one of the drain terminal and the source terminal is connected to the gate terminal of the fourth transistor, and the other terminal is the first terminal. A fifth transistor connected to the second signal line for controlling the gate potential of the fourth transistor, a gate terminal connected to the third signal line, and one of the drain terminal and the source terminal connected to the fourth transistor A sixth transistor for transfer connected to the other of the source terminal and the drain terminal, the other terminal connected to the gate terminal of the second transistor, and one of the drain terminal and the source terminal connected to the second transistor and the second transistor 6 is connected to the connection point with the transistor 6, the other terminal is connected to the power supply terminal, and the second reset signal is applied to the gate terminal. It is more configuration and seventh transistor,
A reset unit that simultaneously applies the first reset signal to the gate terminals of the first transistors of all the pixels to simultaneously reset the photoelectric conversion elements of all the pixels, and a charge generated by photoelectric conversion of the photoelectric conversion elements after the reset by the reset unit During the accumulation operation, the fourth and fifth transistors of the pixel selected by the logical product of the signals of the first and second signal lines are turned on, and the charge of the photoelectric conversion element is passed through the fourth transistor. First transfer means for transferring to the connection point of the fourth and sixth transistors, and after the charge transfer by the first transfer means, the sixth transistor is turned on by the signal of the third signal line, The charge accumulated at the connection point of the fourth and sixth transistors is transferred to the storage part at the common connection point of the sixth and seventh transistors, and all pixel readings are transferred to the storage part. During this period, the second transfer means for holding the charge and the timing positions at which the fourth and fifth transistors are turned on by the first transfer means are determined according to the amount of light incident on the photoelectric conversion element of the pixel. And a pixel-specific exposure time variable unit that varies the exposure time from the start of charge accumulation after resetting the photoelectric conversion element to the time of charge transfer by the first transfer unit.
この発明では、第1の転送手段による第4及び第5のトランジスタをそれぞれオン状態とするタイミング位置を、その画素の光電変換素子への入射光量に応じて可変することにより、光電変換素子のリセット後の電荷蓄積開始時点から第1の転送手段による電荷転送時点までの露光時間を可変することができる。 In this invention, the timing position at which the fourth and fifth transistors are turned on by the first transfer means is changed according to the amount of light incident on the photoelectric conversion element of the pixel, thereby resetting the photoelectric conversion element. The exposure time from the subsequent charge accumulation start time to the charge transfer time by the first transfer means can be varied.
また、上記の目的を達成するため、第2の発明は、撮像部に複数の画素が規則的に配列されたCMOSセンサにおいて、画素の各々は、
入射光を光電変換して電荷を蓄積する光電変換素子と、光電変換素子をリセットするために、ドレイン端子及びソース端子の一方が光電変換素子に接続された第1のトランジスタと、ドレイン端子及びソース端子の一方が電源端子に接続され、ゲート端子に印加される電荷に応じた画素信号をドレイン端子及びソース端子の他方から出力する信号増幅用の第2のトランジスタと、ゲート端子に選択信号線を介して画素別に印加される選択信号により選択された時に、第2のトランジスタから出力された画素信号を、ソース端子及びドレイン端子の一方から出力信号線に出力する選択用の第3のトランジスタと、ゲート端子が第1の信号線に接続され、ドレイン端子及びソース端子の一方が、第1のトランジスタのゲート端子に接続され、他方の端子が第2の信号線に接続されて第1のトランジスタのゲート電位をコントロールする第4のトランジスタと、ゲート端子が第3の信号線に接続され、ドレイン端子及びソース端子の一方が、第1のトランジスタと光電変換素子との接続点に接続され、他方の端子が第2のトランジスタのゲート端子に接続された転送用の第5のトランジスタと、ドレイン端子及びソース端子の一方が、第2のトランジスタと第5のトランジスタとの接続点に接続され、他方の端子が電源端子に接続され、ゲート端子にリセット信号が印加されるリセット用の第6のトランジスタとより構成され、
第1及び第2の信号線の信号の論理積により選択した画素の第1及び第4のトランジスタをそれぞれオン状態とし、光電変換素子を1回リセットした後、再度第1及び第2の信号線の信号の論理積により選択した画素の第1及び第4のトランジスタをそれぞれオン状態とし、光電変換素子の2回目のリセットを行うリセット手段と、リセット手段による2回目のリセット後に、全画素の第5のトランジスタを、第3の信号線の信号によりオン状態として、第2、第5及び第6のトランジスタの共通接続点の蓄積部に、光電変換素子に蓄積されている電荷を全画素一斉に転送して、その蓄積部に電荷を保持させる電荷転送手段と、リセット手段による光電変換素子の2回目のリセット時間位置を、その画素の光電変換素子への入射光量に応じて設定するように、第1及び第2の信号線に送出する信号を生成して出力することにより、光電変換素子の2回目のリセット後の電荷蓄積開始時点から電荷転送手段による電荷転送時点までの露光時間を可変する画素別露光時間可変手段とを有することを特徴とする。
In order to achieve the above object, according to a second aspect of the present invention, there is provided a CMOS sensor in which a plurality of pixels are regularly arranged in an imaging unit.
A photoelectric conversion element that photoelectrically converts incident light to accumulate charges, a first transistor in which one of a drain terminal and a source terminal is connected to the photoelectric conversion element, and a drain terminal and a source in order to reset the photoelectric conversion element One of the terminals is connected to the power supply terminal, a second transistor for signal amplification that outputs a pixel signal corresponding to the charge applied to the gate terminal from the other of the drain terminal and the source terminal, and a selection signal line to the gate terminal A third transistor for selection that outputs a pixel signal output from the second transistor to the output signal line from one of the source terminal and the drain terminal when selected by a selection signal applied to each pixel via The gate terminal is connected to the first signal line, one of the drain terminal and the source terminal is connected to the gate terminal of the first transistor, and the other A fourth transistor whose terminal is connected to the second signal line and controls the gate potential of the first transistor, a gate terminal is connected to the third signal line, and one of the drain terminal and the source terminal is the first transistor A fifth transistor for transfer in which the other terminal is connected to the gate terminal of the second transistor and one of the drain terminal and the source terminal is connected to the connection point between the transistor and the photoelectric conversion element. A sixth transistor for reset connected to a connection point between the transistor and the fifth transistor, the other terminal connected to the power supply terminal, and a reset signal applied to the gate terminal;
The first and fourth transistors of the pixel selected by the logical product of the signals of the first and second signal lines are turned on, the photoelectric conversion element is reset once, and then the first and second signal lines again. Each of the first and fourth transistors of the pixel selected by the logical product of the above signals is turned on to reset the photoelectric conversion element for the second time, and after the second reset by the reset means, 5 transistors are turned on by the signal of the third signal line, and the charges accumulated in the photoelectric conversion elements are accumulated in the accumulation portion at the common connection point of the second, fifth and sixth transistors all at once. The charge transfer means for transferring and holding the charge in the storage section, and the second reset time position of the photoelectric conversion element by the reset means in accordance with the amount of incident light on the photoelectric conversion element of the pixel As described above, by generating and outputting signals to be sent to the first and second signal lines, the time from the start of charge accumulation after the second reset of the photoelectric conversion element to the time of charge transfer by the charge transfer means And a pixel-specific exposure time variable means for varying the exposure time.
この発明では、リセット手段による光電変換素子の2回目のリセット時間位置を、その画素の光電変換素子への入射光量に応じて設定するように、第1及び第2の信号線に送出する信号を生成して出力することにより、各画素別に行われる光電変換素子の2回目のリセット後の電荷蓄積開始時点から電荷転送手段により全画素一斉に行われる電荷転送時点までの露光時間を入射光量に応じて可変することができる。 In the present invention, signals to be sent to the first and second signal lines are set so that the reset time position of the photoelectric conversion element for the second time by the reset means is set according to the amount of light incident on the photoelectric conversion element of the pixel. By generating and outputting, the exposure time from the charge accumulation start time after the second reset of the photoelectric conversion element performed for each pixel to the charge transfer time performed simultaneously for all the pixels by the charge transfer means according to the incident light amount Variable.
ここで、上記の画素別露光時間可変手段は、画素毎の信号レベルと複数の閾値とを比較して、その画素の入射光量を判断し、画素毎に露光時間を計算し、その計算結果を設定値として保持する演算手段と、演算手段で演算及び保持された設定値に基づいて、画素別に第1及び第2信号線の一方に出力する水平選択信号と、他方に出力する垂直選択信号とを発生させる水平・垂直選択信号生成手段とを有することを特徴とする。 Here, the pixel-specific exposure time variable means compares the signal level for each pixel with a plurality of threshold values, determines the incident light amount of the pixel, calculates the exposure time for each pixel, and calculates the calculation result. An arithmetic means that holds as a set value, a horizontal selection signal that is output to one of the first and second signal lines for each pixel, and a vertical selection signal that is output to the other, based on the setting value calculated and held by the arithmetic means And a horizontal / vertical selection signal generating means for generating.
本発明によれば、以下の効果を得ることができる。 According to the present invention, the following effects can be obtained.
(1)画素別に露光時間を入射光量に応じて可変するようにしたため、あらゆる被写体に対して光電変換素子の飽和を抑圧でき、暗い部分での視認性も良好にでき、広ダイナミックレンジを実現できる。 (1) Since the exposure time for each pixel can be varied according to the amount of incident light, saturation of the photoelectric conversion element can be suppressed for any subject, visibility in dark areas can be improved, and a wide dynamic range can be realized. .
(2)前フレームの映像信号レベルにより露光時間を決定するため、被写体の明るいところから暗いところまで均一の明るさの画面を生成できる。 (2) Since the exposure time is determined based on the video signal level of the previous frame, it is possible to generate a screen with uniform brightness from a bright place to a dark place on the subject.
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は本発明になる画素別シャッタ機能付CMOSセンサの一実施の形態の構成図を示す。同図に示すように、本実施の形態は、2次元マトリクス状に配列された複数の画素5と、垂直方向の複数の画素5のシャッタ時間を画素別に変えるための垂直シャッタ選択回路6と、垂直シャッタ選択回路6の出力信号に基づいて、複数の画素5を各行単位で選択するための垂直選択信号を出力する垂直選択回路7と、画素5から読み出された信号に対して公知の相関二重サンプリング(CDS:Correlated Double Sampling:CDS)処理を行って固定パターンノイズを抑圧するCDS回路8と、複数の画素5を各列単位で選択するための水平選択信号を出力する水平選択回路9と、水平方向の複数の画素5のシャッタ時間を画素別に変えるための水平シャッタ選択回路10とからなる。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a block diagram of an embodiment of a CMOS sensor with a pixel-by-pixel shutter function according to the present invention. As shown in the figure, the present embodiment includes a plurality of
本実施の形態の画素5、垂直選択回路7、水平選択回路9、CDS回路8は従来と同様の機能を有するが、画素5に関しては、図10に示した従来の画素1とは異なり、シャッタ時間を画素別に変えることができるようになっているため、後述するように素子数と回路構成が異なっている。また、その画素5をコントロールするために垂直シャッタ選択回路6と水平シャッタ選択回路10とが新たに付加されている。
The
本実施の形態は、これらの垂直シャッタ選択回路6と水平シャッタ選択回路10とを用いて、画素別に入射光量に応じてシャッタ時間を変える点に特徴がある。このシャッタ時間は、各画素5のフォトダイオードの露光期間に相当し、入射光量が飽和レベルに達するような大きな時には、露光期間を標準の値より短くして画素内のフォトダイオードが飽和するのを防止し、また、入射光量が非常に小さい時には、露光期間を標準の値より長くすることにより、結果的に、あらゆる被写体で広ダイナミックレンジを実現することができる。また、本実施の形態では、前フレームの映像信号レベルにより露光時間を決定するため、明るいところから暗いところまで均一の明るさの画面を生成できる。
The present embodiment is characterized in that the shutter time is changed according to the amount of incident light for each pixel by using the vertical shutter selection circuit 6 and the horizontal
次に、本発明の実施の形態を、より具体化した実施例1について、図2及び図3と共に説明する。図2は本発明になる画素別シャッタ機能付CMOSセンサの実施例1の一画素の回路図、図3は本発明になる画素別シャッタ機能付CMOSセンサの実施例1の構成図を示す。図2中、図11と同一構成部分には同一符号を付してある。 Next, a more specific example 1 of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a circuit diagram of one pixel of the first embodiment of the CMOS sensor with a pixel-by-pixel shutter function according to the present invention, and FIG. 3 is a block diagram of the first embodiment of the CMOS sensor with a pixel-by-pixel shutter function according to the present invention. 2, the same components as those in FIG. 11 are denoted by the same reference numerals.
図2において、画素5は被写体からの入射光を光電変換するフォトダイオードPD1と、フォトダイオードPD1をリセットするためのトランジスタTr1と、読み出し用のソースフォロワを構成するトランジスタTr2と、複数の画素を行単位に選択するためのトランジスタTr3とに加えて、転送用のトランジスタTr5及びTr6と、その後の寄生容量による蓄積部Aと、トランジスタTr5のゲートに印加する電圧をコントロールするための回路を構成するトランジスタTr4と、トランジスタTr4のゲートに接続された信号線HSELと、Tr4のドレインに接続された信号線VSELと、リセット用トランジスタTr7とが追加された構成とされている。ここでは、すべてのトランジスタTr1〜Tr7は、NチャネルMOS型電界効果トランジスタ(FET)としている。
In FIG. 2, a
フォトダイオードPD1のアノードは接地され、またカソードにはリセット用トランジスタTr1のソースと、転送用トランジスタTr5のドレインとが接続されている。トランジスタTr5のソースは蓄積部Aを介して転送用トランジスタTr6のソースに接続され、Tr6のドレインは読み出し増幅用のソースフォロワを構成するトランジスタTr2のゲートと、リセット用トランジスタTr7のドレインとにそれぞれ接続されている。これらトランジスタTr6、Tr7、Tr2の共通接続点にある寄生容量が蓄積部Bを構成している。 The anode of the photodiode PD1 is grounded, and the source of the reset transistor Tr1 and the drain of the transfer transistor Tr5 are connected to the cathode. The source of the transistor Tr5 is connected to the source of the transfer transistor Tr6 via the storage section A, and the drain of the Tr6 is connected to the gate of the transistor Tr2 constituting the source follower for read amplification and the drain of the reset transistor Tr7, respectively. Has been. The parasitic capacitance at the common connection point of these transistors Tr6, Tr7, Tr2 constitutes the storage part B.
また、トランジスタTr2のソースはトランジスタTr3のドレインに接続され、Tr3のソースから出力信号Soutが外部へ出力される。トランジスタTr1、Tr2のドレインとTr7のソースには電源電圧Vddが印加され、トランジスタTr6のゲートは信号線TG2に接続されている。 The source of the transistor Tr2 is connected to the drain of the transistor Tr3, and the output signal Sout is output from the source of Tr3 to the outside. The power supply voltage Vdd is applied to the drains of the transistors Tr1 and Tr2 and the source of Tr7, and the gate of the transistor Tr6 is connected to the signal line TG2.
上記の信号線HSEL、VSEL、TG2などは図3に示す実施例1のCMOSセンサの所定の回路部と接続されている。すなわち、図3において、画素5aは図1の画素5に相当し、垂直選択シフトレジスタ及びゲート11は、図1の垂直選択回路7に相当し、これより、各行毎の画素5aへ信号TG2、RST、ROWS1をそれぞれ出力する。また、図3のシャッタ用VSELデコーダ12は、図1の垂直シャッタ選択回路6に相当し、各行毎の画素5aと信号線VSELで接続されている。
The signal lines HSEL, VSEL, TG2, etc. are connected to predetermined circuit portions of the CMOS sensor of the first embodiment shown in FIG. That is, in FIG. 3, the
また、図3において、シャッタ用HSELデコーダ13は、図1の水平シャッタ選択回路10に相当し、信号線HSELが各列毎の画素5aに接続されている。また、図3の水平選択用シフトレジスタ及びゲート14は、図1の水平選択回路9に相当する。シャッタ用HSELデコーダ13と水平選択用シフトレジスタ及びゲート14とは、リセットの位置を示す信号(外部から入力される設定値からデコードされる値とシフトレジスタのシフトしてきた値とが一致したところ)を出力する動作を行う。また、水平選択用シフトレジスタ及びゲート14から出力される信号により、CDS回路8が列毎に動作する。更に、各画素5aからの読み出し信号SoutはCDS回路8に入力される。信号PDRST1は全ての画素5aに同時に供給される。
In FIG. 3, the
次に、図2の構成の画素5(図3の画素5a)の動作について、図4のタイミングチャートを併せ参照して説明する。まず、全画素5のトランジスタTr1のゲートに印加される図4(A)に示す信号PDRST1が、時刻t1でハイレベルになると、トランジスタTr1がオン状態になり、フォトダイオードPD1のカソードの電位を固定電圧V1にするリセット動作が全画素一斉に行われる。ここで、上記のリセット時の固定電圧V1は次式で表される。
Next, the operation of the
V1=Vdd−Von_tr1 (1)
Vdd:Tr1のドレイン電圧
Von_tr1:Tr1のオン電圧
次に、時刻t2で信号PDRST1がローレベルになると、トランジスタTr1がオフ状態になり、フォトダイオードPD1により入射光が光電変換されて得られた電荷の蓄積が始まり、PD1のカソードの電位は上記のV1からV2方向に変化していく。ここで、ある一つの画素5に接続されている信号線HSELの電位が、図4(C)に示すように時刻t3でハイレベルになっても、同図(B)に示すように信号線VSELの電位がローレベルであるので、このときにはトランジスタTr5はオン状態とはならない。
V1 = Vdd−Von_tr1 (1)
Vdd: drain voltage of Tr1
Von_tr1: On-voltage of Tr1 Next, when the signal PDRST1 becomes low level at time t2, the transistor Tr1 is turned off, and accumulation of charges obtained by photoelectrically converting incident light by the photodiode PD1 starts. The cathode potential changes from V1 to V2. Here, even if the potential of the signal line HSEL connected to one
その後、ある一つの画素5に接続されている信号線VSELの電位が、図4(B)に示すように時刻t4でハイレベルになり、その状態で、時刻t5で、その一つの画素に接続されている信号線HSELの電位が再びハイレベルとなると、図2のトランジスタTr4及びTr5がそれぞれオン状態となり、その時のフォトダイオードPD1のカソードの電位V2の時の電荷が、トランジスタTr5のドレイン、ソースを通して蓄積部Aに転送され、その転送された電荷によりトランジスタTr5とTr6の接続部にある寄生容量による蓄積部Aの電位がV3となる。
After that, the potential of the signal line VSEL connected to a
この電荷を転送したタイミングがシャッタ時間を決める。ここで、この画素5のシャッタ時間、すなわち、露光時間T1は、次式で表される。
The timing at which this charge is transferred determines the shutter time. Here, the shutter time of the
T1=t5−t2 (2)
この転送をコントロールするトランジスタTr5のゲート電圧は、トランジスタTr4と信号線VSEL及びHSELから作られる。
T1 = t5-t2 (2)
The gate voltage of the transistor Tr5 that controls this transfer is generated from the transistor Tr4 and the signal lines VSEL and HSEL.
続いて、露光時間(シャッタ時間)と読み出しの時間を無関係にするために、トランジスタTr5をオフとした後、トランジスタTr6のゲートに印加される信号TG2をハイレベルとして、トランジスタTr6をオンとし、これにより蓄積部Aに蓄積されている電圧V3の時の電荷をトランジスタTr6のソース、ドレインを通して蓄積部Bへ転送し、その蓄積部Bで電荷を全画素読み出し終わるまで保持する。 Subsequently, in order to make the exposure time (shutter time) independent of the readout time, after turning off the transistor Tr5, the signal TG2 applied to the gate of the transistor Tr6 is set to high level, and the transistor Tr6 is turned on. Thus, the charge at the voltage V3 stored in the storage part A is transferred to the storage part B through the source and drain of the transistor Tr6, and the charge is held in the storage part B until all pixels are read out.
全画素の信号読み出しは従来のCMOSセンサと同様であり、蓄積部Bに蓄積された信号は、ソースフォロワを構成するトランジスタTr2のゲート、ソースを介して、更にこの画素5が読み出し行となった時にハイレベルとなる信号ROWS1によりオンとされる、スイッチ用トランジスタTr3のドレイン、ソースを通して出力信号Soutとして出力される。また、信号Soutを読み出した後で、リセット用トランジスタTr7が、そのゲートに印加されるリセット信号RSTによりオンとされることにより、蓄積部Bに蓄積されていた電荷をリセットする。
The signal readout of all pixels is the same as that of the conventional CMOS sensor, and the signal accumulated in the accumulation unit B is further read out by the
ここで、本実施例は、入射光量に応じて画素別に上記の露光時間(シャッタ時間)T1を可変制御する点に特徴があり、そのため図3のシャッタ用VSELデコーダ12に対して信号線VSELに出力する信号のタイミングと、シャッタ用HSELデコーダ13に対して信号線HSELに出力する信号のタイミングとを、入射光量に応じて可変制御する。
Here, the present embodiment is characterized in that the exposure time (shutter time) T1 is variably controlled for each pixel in accordance with the amount of incident light. Therefore, the signal line VSEL is connected to the
図5は外部回路によりCMOSセンサのシャッタ時間を制御する構成図を示す。同図において、CMOSセンサ21は本実施例1のCMOSセンサであり、図3のCDS回路8からCMOSセンサ21の出力信号として出力された映像信号が、AD変換器(ADC)22で例えば量子化ビット数12ビットのデジタル信号に変換された後、フレームメモリ・デジタル信号処理回路23に供給されて、所定の信号処理を行われた後、画素別シャッタ時間計算・設定値保持回路24に供給される。
FIG. 5 is a configuration diagram for controlling the shutter time of the CMOS sensor by an external circuit. In the figure, a
画素別シャッタ時間計算・設定値保持回路24は、中央処理装置(CPU)を有しており、入力されたデジタル映像信号を、例えば各画素毎の信号レベルと複数の閾値とを比較して、その画素の入射光量を判断し、画素毎にシャッタ時間(露光時間)を計算し、その計算結果を設定値として保持する。
The pixel-by-pixel shutter time calculation / setting
パラレルデータ出力インターフェース25は、画素別シャッタ時間計算・設定値保持回路24から入力された画素別の設定値に基づいて、画素別に前記信号線VSEL及びHSELに出力するデータに変換して、4〜8ビットのパラレルデータでCMOSセンサ21の、図3に示したシャッタ用VSELデコーダ12とシャッタ用HSELデコーダ13にそれぞれ設定する。上記のシャッタ時間の計算及びデータの設定は、高速に行い垂直ブランクの期間内等に処理する必要がある。
The parallel
これにより、入射光量がフォトダイオードの出力の飽和レベル又は飽和レベルに達するような非常に大きい時には、次の露光時におけるシャッタ時間(露光時間)を短くし、信号レベルが非常に低くて入射光量が非常に小さい時には、次の露光時におけるシャッタ時間(露光時間)を長くする。ただし、上記のシャッタ時間(露光時間)を大幅に変えると、元の被写体画像と変わってしまう可能性があるので、実用上差し支えない程度にシャッタ時間を変える必要がある。シャッタ時間(露光時間)を可変するには、その画素の蓄積電荷の転送のタイミングを可変する。 As a result, when the incident light quantity is very large such that it reaches the saturation level or saturation level of the photodiode output, the shutter time (exposure time) in the next exposure is shortened, the signal level is very low, and the incident light quantity is low. When it is very small, the shutter time (exposure time) in the next exposure is lengthened. However, if the shutter time (exposure time) is significantly changed, the original subject image may be changed. Therefore, it is necessary to change the shutter time to such an extent that it can be practically used. In order to vary the shutter time (exposure time), the transfer timing of the accumulated charge of the pixel is varied.
図6はCMOSセンサ内の内部回路によりCMOSセンサのシャッタ時間を制御する制御回路の構成図を示す。同図に示すように、この制御回路は、図3のシャッタ用VSELデコーダ12とシャッタ用HSELデコーダ13にそれぞれ設けられる。図6において、パラレル入力・シフトレジスタ・ラッチ部27は、外部から入力された、4〜8ビットのパラレル値のHSEL選択設定値(シャッタ用HSELデコーダ13の場合)又はVSEL選択設定値(シャッタ用VSELデコーダ12の場合)を取り込んだ後、シフトしながらラッチする。
FIG. 6 shows a configuration diagram of a control circuit for controlling the shutter time of the CMOS sensor by an internal circuit in the CMOS sensor. As shown in the figure, this control circuit is provided in each of the
デコーダ28はパラレル入力・シフトレジスタ・ラッチ部27から入力された、各ラインのHSEL選択設定値と、内部回路から入力された水平の選択用アドレスとが一致するかどうか比較し(シャッタ用HSELデコーダ13の場合)、又は各ラインのVSEL選択設定値と、内部回路から入力された垂直の選択用アドレスとが一致するかどうか比較し(シャッタ用VSELデコーダ12の場合)、両者の一致でデコードを行い、各ラインのHSEL信号、VSEL信号を生成して、信号線HSEL、VSELへ出力する。
The
以上の実施例1によれば、デジタル的に処理してシャッタ時間を決めるため、光信号のレベルと飽和の関係を自由に決められる。また、CDS回路8によるノイズ抑圧後に飽和レベルを検知できるため、実際の出力信号に対して飽和抑圧ができる。
According to the first embodiment, since the shutter time is determined by digital processing, the relationship between the level of the optical signal and the saturation can be freely determined. Further, since the saturation level can be detected after noise suppression by the
次に、本発明の実施の形態を、より具体化した実施例2について、図7及び図8と共に説明する。図7は本発明になる画素別シャッタ機能付CMOSセンサの実施例1の一画素の回路図、図8は本発明になる画素別シャッタ機能付CMOSセンサの実施例1の構成図を示す。図7中、図2、図11と同一構成部分には同一符号を付してある。 Next, a more specific example 2 of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a circuit diagram of one pixel of the first embodiment of the CMOS sensor with a pixel-by-pixel shutter function according to the present invention, and FIG. 8 is a block diagram of the first embodiment of the CMOS sensor with a pixel-by-pixel shutter function according to the present invention. In FIG. 7, the same components as those in FIGS. 2 and 11 are denoted by the same reference numerals.
図7において、画素5は被写体からの入射光を光電変換するフォトダイオードPD1と、フォトダイオードPD1をリセットするためのトランジスタTr1と、読み出し用のソースフォロワを構成するトランジスタTr2と、複数の画素を行単位に選択するためのトランジスタTr3とに加えて、転送用のトランジスタTr6と、その後の寄生容量による蓄積部Cと、トランジスタTr8と、トランジスタTr8のゲートに接続された信号線HSELと、Tr8のドレインに接続された信号線VSELと、リセット用トランジスタTr7とが追加された構成とされている。ここでは、すべてのトランジスタTr1〜Tr3、Tr6〜Tr8は、NチャネルMOS型電界効果トランジスタ(FET)としている。
In FIG. 7, a
フォトダイオードPD1のカソードにはリセット用トランジスタTr1のソースと、転送用トランジスタTr6のソースとが接続されている。トランジスタTr6のドレインは、読み出し用のソースフォロワを構成するトランジスタTr2のゲートと、リセット用トランジスタTr7のドレインとにそれぞれ接続されている。これらトランジスタTr6、Tr7、Tr2の共通接続点にある寄生容量が蓄積部Cを構成している。また、トランジスタTr8のソースはトランジスタTr1のゲートに接続されている。 The source of the reset transistor Tr1 and the source of the transfer transistor Tr6 are connected to the cathode of the photodiode PD1. The drain of the transistor Tr6 is connected to the gate of the transistor Tr2 constituting the source follower for reading and the drain of the reset transistor Tr7. The parasitic capacitance at the common connection point of these transistors Tr6, Tr7, Tr2 constitutes the storage section C. The source of the transistor Tr8 is connected to the gate of the transistor Tr1.
また、トランジスタTr2のソースはトランジスタTr3のドレインに接続され、Tr3のソースから出力信号Soutが外部へ出力される。トランジスタTr1、Tr2のドレインとTr7のソースには電源電圧Vddが印加され、トランジスタTr6のゲートは信号線TGに接続されている。 The source of the transistor Tr2 is connected to the drain of the transistor Tr3, and the output signal Sout is output from the source of Tr3 to the outside. A power supply voltage Vdd is applied to the drains of the transistors Tr1 and Tr2 and the source of Tr7, and the gate of the transistor Tr6 is connected to the signal line TG.
上記の信号線HSEL、VSEL、TGなどは図8に示す実施例2のCMOSセンサの所定の回路部と接続されている。すなわち、図8において、画素5bは図1の画素5に相当し、垂直選択シフトレジスタ及びゲート15は、図1の垂直シャッタ選択回路6に相当し、これより、各行毎の画素5bへ信号TG、RST、ROWS1をそれぞれ出力する。また、図8のシャッタ用VSELデコーダ16は、図1の垂直選択回路7に相当し、各行毎の画素5bと信号線VSELで接続されている。
The signal lines HSEL, VSEL, TG, etc. are connected to predetermined circuit portions of the CMOS sensor of the second embodiment shown in FIG. 8, the
また、図8において、シャッタ用HSELデコーダ17は、図1の水平選択回路9に相当し、信号線HSELが各列毎の画素5bに接続されている。また、図8の水平選択用シフトレジスタ及びゲート18は、図1の水平シャッタ選択回路10に相当する。シャッタ用HSELデコーダ17と水平選択用シフトレジスタ及びゲート18とは、リセットの位置を示す信号(外部から入力される設定値からデコードされる値とシフトレジスタのシフトしてきた値とが一致したところ)を出力する動作を行う。また、水平選択用シフトレジスタ及びゲート18から出力される信号により、CDS回路8が列毎に動作する。更に、各画素5bからの読み出し信号SoutはCDS回路8に入力される。
In FIG. 8, the
次に、図7の構成の画素5(図8の画素5b)の動作について、図9のタイミングチャートを併せ参照して説明する。まず、時刻t11で図9(A)に示す信号線VSELの信号がハイレベルとなり、かつ、同図(B)に示す信号線HSELの信号がハイレベルとなると、トランジスタTr8がオン状態となり、これによりトランジスタTr1もオン状態となるため、フォトダイオードPD1のカソードには、電源電圧VddがトランジスタTr1を介して固定電圧V4が印加され、リセットされる。このリセット時の固定電圧V4は次式で表される。
Next, the operation of the
V4=HSEL−Vt_tr8−Vt_tr1 (3)
HSEL:信号線HSELのTr8のゲート電圧
Vt_tr1:Tr1の閾値電圧
Vt_tr8:Tr8の閾値電圧
その後、フォトダイオードPD1により入射光の光電変換による電荷が蓄積されていき、PD1のカソードの電位はV4から下降していく。そして、時刻t12で再び図9(A)に示す信号線VSELの信号がハイレベルとなり、この画素5(5b)を含む1行が選択された状態で、この画素5(5b)のトランジスタTr8のゲートに印加される信号線HSELの信号がハイレベルになり、この画素5(5b)が選択されると、トランジスタTr8及びTr1がオン状態となり、その時点直前までフォトダイオードPD1に蓄積されていた電荷は捨てられて、PD1に対して2回目のリセットが行われる。このときのリセット電位は、前記(3)式で表されるV4である。
V4 = HSEL−Vt_tr8−Vt_tr1 (3)
HSEL: Tr8 gate voltage of the signal line HSEL
Vt_tr1: threshold voltage of Tr1
Vt_tr8: Threshold voltage of Tr8 Thereafter, charges due to photoelectric conversion of incident light are accumulated by the photodiode PD1, and the cathode potential of PD1 falls from V4. At time t12, the signal on the signal line VSEL shown in FIG. 9A again becomes a high level, and one row including the pixel 5 (5b) is selected, and the transistor Tr8 of the pixel 5 (5b) is selected. When the signal of the signal line HSEL applied to the gate becomes high level and this pixel 5 (5b) is selected, the transistors Tr8 and Tr1 are turned on, and the charge accumulated in the photodiode PD1 until just before that point is turned on. Is discarded and the second reset is performed on PD1. The reset potential at this time is V4 expressed by the above equation (3).
上記のリセット直後の時刻t13で図9(C)に示すように、信号線HSELの信号がハイレベルからローレベルに変化すると、トランジスタTr8及びTr1がそれぞれオフ状態となり、フォトダイオードPD1により入射光の光電変換による電荷が再び蓄積されていき、PD1のカソードの電位はV4からV5に向かって下降していく。そして、図9(D)に示すように、時刻t14でトランジスタTr6のゲートに印加される信号線TGの信号がハイレベルになると、トランジスタTr6がオン状態となり、その時点でフォトダイオードPD1に蓄積されていた光電変換による電荷が、トランジスタTr6のソース、ドレインを介して蓄積部Cに転送される。なお、上記の時刻t14で行われるPD1の電荷の転送は、全画素一斉に行われる。 As shown in FIG. 9C at time t13 immediately after the reset, when the signal on the signal line HSEL changes from the high level to the low level, the transistors Tr8 and Tr1 are turned off, and the photodiode PD1 transmits the incident light. Charges due to photoelectric conversion are accumulated again, and the potential of the cathode of PD1 falls from V4 toward V5. Then, as shown in FIG. 9D, when the signal on the signal line TG applied to the gate of the transistor Tr6 becomes high level at time t14, the transistor Tr6 is turned on, and is stored in the photodiode PD1 at that time. The charge generated by the photoelectric conversion is transferred to the storage portion C via the source and drain of the transistor Tr6. Note that the charge transfer of PD1 performed at time t14 is performed all at once.
上記の電荷を転送したタイミングがシャッタ時間を決める。ここで、この画素5のシャッタ時間、すなわち、露光時間T2は、次式で表される。
The timing at which the charges are transferred determines the shutter time. Here, the shutter time of the
T2=t14−t13 (4)
この実施例2では転送タイミングは全ての画素で一緒であり、露光時間T2をコントロールするために、フォトダイオードPD1のリセットを画素別に行っている。このリセットをコントロールするトランジスタTr1のゲート電圧は、トランジスタTr8と信号線VSEL及びHSELの各信号から作る。
T2 = t14-t13 (4)
In the second embodiment, the transfer timing is the same for all the pixels, and the photodiode PD1 is reset for each pixel in order to control the exposure time T2. The gate voltage of the transistor Tr1 that controls this reset is generated from the signals of the transistor Tr8 and the signal lines VSEL and HSEL.
蓄積部Cへ電荷を転送した後は、全画素読み出し終わるまで保持する。画素の信号読み出しは従来のCMOSセンサと同様であり蓄積部Cに蓄積された信号は、ソースフォロワを構成するトランジスタTr2と、列毎に選択するスイッチ用トランジスタTr3を通して出力信号Soutとしてセンサの外へ出力される。また、信号を読み出した後でリセット用トランジスタTr7により蓄積部Cに蓄積されていた電荷をリセットする。図7のRSTはそのリセット用トランジスタTr7をオンさせるための信号である。 After the charge is transferred to the storage unit C, it is held until all pixels are read. The pixel signal readout is the same as in the conventional CMOS sensor, and the signal accumulated in the accumulation unit C is output from the sensor as an output signal Sout through the transistor Tr2 constituting the source follower and the switching transistor Tr3 selected for each column. Is output. Further, after the signal is read, the charge accumulated in the accumulating portion C is reset by the resetting transistor Tr7. RST in FIG. 7 is a signal for turning on the reset transistor Tr7.
このように、本実施例によれば、信号線VSEL及びHSELの各信号の論理積にてフォトダイオードPD1の1回目のリセットが行われる。次に、信号線VSEL及びHSELの各信号の論理積にてフォトダイオードPD1の2回目のリセットが行われ、そこから実際に転送されるフォトダイオードPD1の電荷の蓄積が始まる。その後、信号線TGの信号にて全ての画素内の転送トランジスタTr6が同一のタイミングでオンとなり、PD1に蓄積されていた電荷が蓄積部Cに転送され、露光が終了する。 Thus, according to the present embodiment, the first reset of the photodiode PD1 is performed by the logical product of the signals of the signal lines VSEL and HSEL. Next, the second reset of the photodiode PD1 is performed by the logical product of the signals of the signal lines VSEL and HSEL, and the accumulation of the charge of the photodiode PD1 actually transferred from there is started. Thereafter, the transfer transistors Tr6 in all the pixels are turned on at the same timing by the signal of the signal line TG, the charges accumulated in the PD1 are transferred to the accumulation unit C, and the exposure ends.
(4)式で表される2回目のリセット時点から転送時点までの時間T2が露光時間となる。これがシャッタ時間である。この時間T2を画素別にしかも被写体の明るさにより可変し、フォトダイオードPD1で飽和しないようにコントロールする。これにより、本実施例によれば、広ダイナミックレンジのグローバルシャッタ型のCMOSセンサを実現でき、例えば、セキュリティ関連の監視カメラ等に適用できる。 The time T2 from the second reset time point to the transfer time point expressed by the equation (4) is the exposure time. This is the shutter time. This time T2 is varied for each pixel and according to the brightness of the subject, and is controlled so as not to be saturated by the photodiode PD1. Thereby, according to the present embodiment, a global shutter type CMOS sensor with a wide dynamic range can be realized, and can be applied to, for example, a security-related monitoring camera.
なお、本実施例の場合も、実施例1と同様に、CMOSセンサのシャッタ時間を制御する制御回路が外部回路の場合は、図5のブロック図に示す構成とされ、内部回路の場合は図6のブロック図に示す構成とされる。また、本実施例2によれば、デジタル的に処理してシャッタ時間を決めるため、光信号のレベルと飽和の関係を自由に決められる。また、CDS回路8によるノイズ抑圧後に飽和レベルを検知できるため、実際の出力信号に対して飽和抑圧ができる。
In the case of this embodiment, as in the first embodiment, when the control circuit for controlling the shutter time of the CMOS sensor is an external circuit, the configuration shown in the block diagram of FIG. 6 is a configuration shown in the block diagram. Further, according to the second embodiment, since the shutter time is determined by digital processing, the relationship between the optical signal level and the saturation can be freely determined. Further, since the saturation level can be detected after noise suppression by the
なお、本発明は以上の実施の形態及び実施例に限定されるものではなく、例えば、トランジスタTr1〜Tr8のドレインとソースとを実施例とは逆に接続してもよく、また、トランジスタTr1〜Tr8は実施例と電源の正負(大小関係)を逆にしてPチャネルMOS型電界効果トランジスタで構成してもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples. For example, the drains and sources of the transistors Tr1 to Tr8 may be connected in reverse to the examples. Tr8 may be configured by a P-channel MOS field effect transistor by reversing the positive and negative (magnitude relationship) between the power source and the embodiment.
5、5a、5b 画素
6 垂直シャッタ選択回路
7 垂直選択回路
8 CDS回路
9 水平選択回路
10 水平シャッタ選択回路
11、15 垂直選択シフトレジスタ及びゲート
12、16 シャッタ用VSELデコーダ
13、17 シャッタ用HSELデコーダ
14、18 水平選択用シフトレジスタ及びゲート
21 本発明のCMOSセンサ
22 AD変換器(ADC)
23 フレームメモリ・デジタル信号処理回路
24 画素別シャッタ時間計算・設定値保持回路
25 パラレルデータ出力・インターフェース
27 パラレル入力・シフトレジスタ・ラッチ部
28 デコーダ
5, 5a, 5b Pixel 6 Vertical shutter selection circuit
7
23 Frame Memory / Digital
Claims (3)
前記画素の各々は、
入射光を光電変換して電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子をリセットするために、ドレイン端子及びソース端子の一方が前記光電変換素子に接続され、ゲート端子に第1のリセット信号が印加される第1のトランジスタと、
ドレイン端子及びソース端子の一方が電源端子に接続され、ゲート端子に印加される電荷に応じた画素信号をドレイン端子及びソース端子の他方から出力する信号増幅用の第2のトランジスタと、
ゲート端子に選択信号線を介して画素別に印加される選択信号により選択された時に、前記第2のトランジスタから出力された画素信号を、ソース端子及びドレイン端子の一方から出力信号線に出力する選択用の第3のトランジスタと、
前記光電変換素子と前記第1のトランジスタとの接続点にソース端子及びドレイン端子の一方が接続された電荷転送用の第4のトランジスタと、
ゲート端子が第1の信号線に接続され、ドレイン端子及びソース端子の一方が、前記第4のトランジスタのゲート端子に接続され、他方の端子が第2の信号線に接続されて該第4のトランジスタのゲート電位をコントロールする第5のトランジスタと、
ゲート端子が第3の信号線に接続され、ドレイン端子及びソース端子の一方が、前記第4のトランジスタのソース端子及びドレイン端子の他方に接続され、他方の端子が前記第2のトランジスタのゲート端子に接続された転送用の第6のトランジスタと、
ドレイン端子及びソース端子の一方が、前記第2のトランジスタと前記第6のトランジスタとの接続点に接続され、他方の端子が電源端子に接続され、ゲート端子に第2のリセット信号が印加されるリセット用の第7のトランジスタと
より構成され、
全画素の前記第1のトランジスタのゲート端子に前記第1のリセット信号を同時に印加して、全画素の前記光電変換素子を同時にリセットするリセット手段と、
前記リセット手段によるリセット後の前記光電変換素子の光電変換による電荷蓄積動作中において、前記第1及び第2の信号線の信号の論理積により選択した画素の前記第4及び第5のトランジスタをそれぞれオン状態とし、前記光電変換素子の電荷を前記第4のトランジスタを介して、前記第4及び第6のトランジスタの接続点へ転送する第1の転送手段と、
前記第1の転送手段による電荷転送後に、前記第6のトランジスタを前記第3の信号線の信号によりオン状態として、前記第2、第6及び第7のトランジスタの共通接続点の蓄積部に、前記第4及び第6のトランジスタの接続点に蓄積されている電荷を転送して、その蓄積部に全画素読み出し期間、電荷を保持させる第2の転送手段と、
前記第1の転送手段による前記第4及び第5のトランジスタをそれぞれオン状態とするタイミング位置を、その画素の前記光電変換素子への入射光量に応じて可変することにより、前記光電変換素子のリセット後の電荷蓄積開始時点から前記第1の転送手段による電荷転送時点までの露光時間を可変する画素別露光時間可変手段と
を有することを特徴とする画素別シャッタ機能付CMOSセンサ。 In a CMOS sensor in which a plurality of pixels are regularly arranged in the imaging unit,
Each of the pixels
A photoelectric conversion element that photoelectrically converts incident light and accumulates charges;
In order to reset the photoelectric conversion element, a first transistor in which one of a drain terminal and a source terminal is connected to the photoelectric conversion element, and a first reset signal is applied to a gate terminal;
A second transistor for signal amplification in which one of the drain terminal and the source terminal is connected to the power supply terminal, and a pixel signal corresponding to the charge applied to the gate terminal is output from the other of the drain terminal and the source terminal;
A selection of outputting a pixel signal output from the second transistor from one of the source terminal and the drain terminal to the output signal line when selected by a selection signal applied to each pixel via the selection signal line to the gate terminal. A third transistor for
A fourth transistor for charge transfer in which one of a source terminal and a drain terminal is connected to a connection point between the photoelectric conversion element and the first transistor;
The gate terminal is connected to the first signal line, one of the drain terminal and the source terminal is connected to the gate terminal of the fourth transistor, and the other terminal is connected to the second signal line. A fifth transistor for controlling the gate potential of the transistor;
The gate terminal is connected to the third signal line, one of the drain terminal and the source terminal is connected to the other of the source terminal and the drain terminal of the fourth transistor, and the other terminal is the gate terminal of the second transistor. A sixth transistor for transfer connected to
One of a drain terminal and a source terminal is connected to a connection point between the second transistor and the sixth transistor, the other terminal is connected to a power supply terminal, and a second reset signal is applied to the gate terminal. A seventh transistor for resetting,
Reset means for simultaneously applying the first reset signal to the gate terminals of the first transistors of all pixels to simultaneously reset the photoelectric conversion elements of all pixels;
During the charge accumulation operation by photoelectric conversion of the photoelectric conversion element after reset by the reset means, the fourth and fifth transistors of the pixel selected by the logical product of the signals of the first and second signal lines are respectively set. A first transfer means for turning on and transferring the charge of the photoelectric conversion element to the connection point of the fourth and sixth transistors via the fourth transistor;
After the charge transfer by the first transfer means, the sixth transistor is turned on by the signal of the third signal line, and in the storage portion at the common connection point of the second, sixth, and seventh transistors, A second transfer means for transferring the charge accumulated at the connection point of the fourth and sixth transistors and holding the charge in the accumulation portion for the entire pixel readout period;
The photoelectric conversion element is reset by changing the timing positions at which the fourth and fifth transistors are turned on by the first transfer unit according to the amount of light incident on the photoelectric conversion element of the pixel. A CMOS sensor with a pixel-by-pixel shutter function, comprising: a pixel-by-pixel exposure time varying unit that varies an exposure time from a subsequent charge accumulation start point to a charge transfer point by the first transfer unit.
前記画素の各々は、
入射光を光電変換して電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子をリセットするために、ドレイン端子及びソース端子の一方が前記光電変換素子に接続された第1のトランジスタと、
ドレイン端子及びソース端子の一方が電源端子に接続され、ゲート端子に印加される電荷に応じた画素信号をドレイン端子及びソース端子の他方から出力する信号増幅用の第2のトランジスタと、
ゲート端子に選択信号線を介して画素別に印加される選択信号により選択された時に、前記第2のトランジスタから出力された画素信号を、ソース端子及びドレイン端子の一方から出力信号線に出力する選択用の第3のトランジスタと、
ゲート端子が第1の信号線に接続され、ドレイン端子及びソース端子の一方が、前記第1のトランジスタのゲート端子に接続され、他方の端子が第2の信号線に接続されて前記第1のトランジスタのゲート電位をコントロールする第4のトランジスタと、
ゲート端子が第3の信号線に接続され、ドレイン端子及びソース端子の一方が、前記第1のトランジスタと前記光電変換素子との接続点に接続され、他方の端子が前記第2のトランジスタのゲート端子に接続された転送用の第5のトランジスタと、
ドレイン端子及びソース端子の一方が、前記第2のトランジスタと前記第5のトランジスタとの接続点に接続され、他方の端子が電源端子に接続され、ゲート端子にリセット信号が印加されるリセット用の第6のトランジスタと
より構成され、
前記第1及び第2の信号線の信号の論理積により選択した画素の前記第1及び第4のトランジスタをそれぞれオン状態とし、前記光電変換素子を1回リセットした後、再度前記第1及び第2の信号線の信号の論理積により選択した画素の前記第1及び第4のトランジスタをそれぞれオン状態とし、前記光電変換素子の2回目のリセットを行うリセット手段と、
前記リセット手段による前記2回目のリセット後に、全画素の前記第5のトランジスタを、前記第3の信号線の信号によりオン状態として、前記第2、第5及び第6のトランジスタの共通接続点の蓄積部に、前記光電変換素子に蓄積されている電荷を全画素一斉に転送して、その蓄積部に電荷を保持させる電荷転送手段と、
前記リセット手段による前記光電変換素子の2回目のリセット時間位置を、その画素の前記光電変換素子への入射光量に応じて設定するように、前記第1及び第2の信号線に送出する信号を生成して出力することにより、前記光電変換素子の2回目のリセット後の電荷蓄積開始時点から前記電荷転送手段による電荷転送時点までの露光時間を可変する画素別露光時間可変手段と
を有することを特徴とする画素別シャッタ機能付CMOSセンサ。 In a CMOS sensor in which a plurality of pixels are regularly arranged in the imaging unit,
Each of the pixels
A photoelectric conversion element that photoelectrically converts incident light and accumulates charges;
In order to reset the photoelectric conversion element, a first transistor in which one of a drain terminal and a source terminal is connected to the photoelectric conversion element;
A second transistor for signal amplification in which one of the drain terminal and the source terminal is connected to the power supply terminal, and a pixel signal corresponding to the charge applied to the gate terminal is output from the other of the drain terminal and the source terminal;
A selection of outputting a pixel signal output from the second transistor from one of the source terminal and the drain terminal to the output signal line when selected by a selection signal applied to each pixel via the selection signal line to the gate terminal. A third transistor for
The gate terminal is connected to the first signal line, one of the drain terminal and the source terminal is connected to the gate terminal of the first transistor, and the other terminal is connected to the second signal line. A fourth transistor for controlling the gate potential of the transistor;
A gate terminal is connected to a third signal line, one of a drain terminal and a source terminal is connected to a connection point between the first transistor and the photoelectric conversion element, and the other terminal is a gate of the second transistor. A fifth transistor for transfer connected to the terminal;
One of the drain terminal and the source terminal is connected to a connection point between the second transistor and the fifth transistor, the other terminal is connected to the power supply terminal, and a reset signal is applied to the gate terminal. A sixth transistor,
Each of the first and fourth transistors of the pixel selected by the logical product of the signals of the first and second signal lines is turned on, the photoelectric conversion element is reset once, and then the first and second transistors again. Reset means for turning on the first and fourth transistors of the pixel selected by the logical product of the signals of the two signal lines and resetting the photoelectric conversion element for the second time;
After the second reset by the reset means, the fifth transistors of all the pixels are turned on by the signal of the third signal line, and the common connection point of the second, fifth, and sixth transistors is set. A charge transfer means for transferring the charges accumulated in the photoelectric conversion element to all the pixels at the same time, and holding the charges in the accumulation unit;
A signal to be sent to the first and second signal lines so that a reset time position of the photoelectric conversion element for the second time by the reset means is set according to the amount of light incident on the photoelectric conversion element of the pixel. A pixel-specific exposure time variable unit that varies an exposure time from a charge accumulation start time after a second reset of the photoelectric conversion element to a charge transfer time by the charge transfer means by generating and outputting the photoelectric conversion element. A CMOS sensor with a pixel-specific shutter function.
画素毎の信号レベルと複数の閾値とを比較して、その画素の入射光量を判断し、画素毎に露光時間を計算し、その計算結果を設定値として保持する演算手段と、
前記演算手段で演算及び保持された設定値に基づいて、画素別に前記第1及び第2信号線の一方に出力する水平選択信号と、他方に出力する垂直選択信号とを発生させる水平・垂直選択信号生成手段とを有することを特徴とする請求項1又は2記載の画素別シャッタ機能付CMOSセンサ。
The exposure time varying means for each pixel is
Comparing a signal level for each pixel and a plurality of threshold values, determining an incident light amount of the pixel, calculating an exposure time for each pixel, and holding the calculation result as a set value;
Horizontal / vertical selection for generating a horizontal selection signal output to one of the first and second signal lines and a vertical selection signal output to the other for each pixel based on the set value calculated and held by the calculation means 3. A CMOS sensor with a pixel-by-pixel shutter function according to claim 1, further comprising a signal generation unit.
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2005
- 2005-12-14 JP JP2005359754A patent/JP2007166238A/en active Pending
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