JP4704153B2 - Solid-state imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードを各々有し2次元配列された画素部を含む受光部を備える固体撮像装置に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device including a light-receiving unit that includes two-dimensionally arranged pixel units each having a photodiode that generates an amount of electric charge according to the amount of incident light.
固体撮像装置は、2次元配列された複数の画素部を含む受光部を備えており、各画素部は、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードを有している。このような固体撮像装置ではダイナミックレンジの向上が求められており、そのことを意図した発明が例えば特許文献1に開示されている。
The solid-state imaging device includes a light receiving unit including a plurality of pixel units that are two-dimensionally arranged, and each pixel unit includes a photodiode that generates an amount of charge corresponding to the amount of incident light. Such a solid-state imaging device is required to have an improved dynamic range. For example,
この特許文献1に記載された固体撮像装置では、或る期間に亘る光入射に応じて受光部に含まれる全ての画素部それぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値が得られ、その電圧値(アナログ値)がデジタル値に変換されて、そのデジタル値がフレームメモリに記憶される。次に、上記期間を含む更に長い期間に亘る光入射に応じて受光部に含まれる全ての画素部それぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値が得られる。そして、複数の画素部それぞれについて、入射光量が比較的小さく後者の電圧値が飽和していなければ、この後者の電圧値が選択され、一方、入射光量が比較的大きく後者の電圧値が飽和していれば、フレームメモリに記憶されている前者の値が選択される。このようにして複数の画素部それぞれについてダイナミックレンジが拡大される。
しかしながら、上記文献に記載された固体撮像装置は、フレームメモリが必要であることから、装置が大型化し、高価なものとなる。本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、複数の画素部それぞれについてダイナミックレンジを拡大することができ小型化が可能で安価な固体撮像装置を提供することを目的とする。 However, since the solid-state imaging device described in the above document requires a frame memory, the device becomes large and expensive. The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device that can expand the dynamic range of each of a plurality of pixel portions and can be downsized. .
本発明に係る固体撮像装置は、(1) 入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードを各々有しM行N列に2次元配列された画素部P1,1〜PM,Nを含む受光部と、(2) 受光部における何れかの第m行のN個の画素部Pm,1〜Pm,Nそれぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値V1m,1〜V1m,Nとして保持し出力する第1ホールド部と、(3) 受光部における何れかの第m行のN個の画素部Pm,1〜Pm,Nそれぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値V2m,1〜V2m,Nとして保持し出力する第2ホールド部と、(4) 受光部における何れかの第m行のN個の画素部Pm,1〜Pm,Nそれぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値V3m,1〜V3m,Nとして保持し出力する第3ホールド部と、(5) 第1ホールド部または第2ホールド部から出力されるN個の電圧値V1m,1〜V1m,NまたはN個の電圧値V2m,1〜V2m,Nと、第3ホールド部から出力されるN個の電圧値V3m,1〜V3m,Nとを入力し、電圧値V1m,nまたは電圧値V2m,nと基準電圧値Vsatとを大小比較して、その比較結果を示す信号を出力するとともに、電圧値V1m,nまたは電圧値V2m,nが基準電圧値Vsat未満であるときには電圧値V1m,nまたは電圧値V2m,nを選択的に出力し、そうでないときには電圧値V3m,nを選択的に出力する出力選択部と、(6) 受光部,第1ホールド部,第2ホールド部,第3ホールド部および出力選択部それぞれの動作を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。なお、これら受光部,第1ホールド部,第2ホールド部,第3ホールド部および出力選択部は、共通の基板上にモノリシックに形成されているのが好適である。
The solid-state imaging device according to the present invention includes: (1) pixel units P 1,1 to P M, N each having two-dimensionally arranged in M rows and N columns, each having a photodiode that generates an amount of charge corresponding to the amount of incident light. And (2) a voltage value corresponding to the amount of charge generated in each of the N pixel units P m, 1 to P m, N in any m-th row in the light receiving unit. A first hold unit that holds and outputs values V1 m, 1 to V1 m, N , and (3) each of the N pixel units P m, 1 to P m, N in any m-th row in the light receiving unit. A second hold unit that holds and outputs a voltage value corresponding to the amount of charge generated in the photodiode as a voltage value V2 m, 1 to V2 m, N ; and (4) N in any m-th row in the light receiving unit. pixel units P m, 1 ~P m, N voltage value V3 m a voltage value corresponding to the amount of charges generated in the respective photodiodes, To V3 m, and a third holding portion for holding the N output, (5) the N voltage values output from the first holding portion or the second
さらに、この発明に係る固体撮像装置に含まれる制御部は、受光部における第1行〜第M行それぞれについて順次に、(a) 第1期間に亘る光入射に応じて第m行の各画素部Pm,nのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を、m値が奇数のときには電圧値V1 m,n として第1ホールド部により保持させ、m値が偶数のときには電圧値V2 m,n として第2ホールド部により保持させ、(b) この第1期間の後に第m行の各画素部Pm,nを初期化し、(c) この初期化の後に第1期間より短い第2期間に亘る光入射に応じて第m行の各画素部Pm,nのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値V3m,nとして第3ホールド部により保持させ、(d) m値が奇数のときには、第1ホールド部により保持された電圧値V1 m,n および第3ホールド部により保持された電圧値V3 m,n を出力選択部に入力させて、電圧値V1 m,n または電圧値V3 m,n を出力選択部から選択的に出力させ、m値が偶数のときには、第2ホールド部により保持された電圧値V2 m,n および第3ホールド部により保持された電圧値V3 m,n を出力選択部に入力させて、電圧値V2 m,n または電圧値V3 m,n を出力選択部から選択的に出力させることを特徴とする。 Further, the control unit included in the solid-state imaging device according to the present invention is configured so that each of the first row to the M-th row in the light-receiving unit is sequentially (a) each pixel in the m-th row according to the light incidence over the first period The voltage value corresponding to the amount of charge generated in the photodiode of the part P m, n is held by the first holding part as the voltage value V1 m, n when the m value is odd, and the voltage value when the m value is even V2 m, n is held by the second hold unit, (b) each pixel unit P m, n in the m-th row is initialized after the first period, and (c) shorter than the first period after the initialization. A voltage value corresponding to the amount of charge generated in the photodiode of each pixel unit P m, n in the m-th row in response to light incidence over the second period is held as a voltage value V3 m, n by the third hold unit. (D) When the m value is an odd number, the voltage value V1 held by the first hold unit m, n and the voltage value V3 m, n held by the third hold unit are input to the output selection unit, and the voltage value V1 m, n or the voltage value V3 m, n is selectively output from the output selection unit. When the m value is an even number, the voltage value V2 m, n held by the second hold unit and the voltage value V3 m, n held by the third hold unit are input to the output selection unit, and the voltage value V2 m , n or voltage value V3 m, n is selectively output from the output selection unit .
この発明に係る固体撮像装置では、受光部における第1行〜第M行それぞれについて順次に、以下のように動作する。第1期間に亘る光入射に応じて第m行の各画素部Pm,nのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値は、電圧値V1m,nまたは電圧値V2m,nとして第1ホールド部または第2ホールド部により交互に保持される。この第1期間の後に第m行の各画素部Pm,nは初期化される。この初期化の後に、第1期間より短い第2期間に亘る光入射に応じて第m行の各画素部Pm,nのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値は、電圧値V3m,nとして第3ホールド部により保持される。そして、第1ホールド部または第2ホールド部により保持された電圧値V1m,nまたは電圧値V2m,n、および、第3ホールド部により保持された電圧値V3m,nは、出力選択部に入力されて、電圧値V1m,nもしくは電圧値V2m,nまたは電圧値V3m,nが出力選択部から選択的に出力される。この出力選択部においては、電圧値V1m,nまたは電圧値V2m,nと基準電圧値Vsatとが大小比較されて、その比較結果を示す信号が出力されるとともに、電圧値V1m,nまたは電圧値V2m,nが基準電圧値Vsat未満であるときには電圧値V1m,nまたは電圧値V2m,nが選択的に出力され、そうでないときには電圧値V3m,nが選択的に出力される。 The solid-state imaging device according to the present invention sequentially operates as follows for each of the first to Mth rows in the light receiving unit. The voltage value corresponding to the amount of charge generated in the photodiode of each pixel unit P m, n in the m-th row in response to light incidence over the first period is the voltage value V1 m, n or the voltage value V2 m, n Are alternately held by the first hold unit or the second hold unit. After the first period, each pixel unit P m, n in the m-th row is initialized. After this initialization, the voltage value corresponding to the amount of charge generated in the photodiode of each pixel unit P m, n in the m-th row in response to the light incidence over the second period shorter than the first period is the voltage value V3 m, n is held by the third hold unit. The voltage value V1 m, n or the voltage value V2 m, n held by the first hold unit or the second hold unit and the voltage value V3 m, n held by the third hold unit are the output selection unit The voltage value V1 m, n or the voltage value V2 m, n or the voltage value V3 m, n is selectively output from the output selection unit. In this output selection unit, the voltage value V1 m, n or the voltage value V2 m, n is compared with the reference voltage value Vsat, a signal indicating the comparison result is output, and the voltage value V1 m, n Alternatively, when the voltage value V2 m, n is less than the reference voltage value Vsat, the voltage value V1 m, n or the voltage value V2 m, n is selectively output, otherwise the voltage value V3 m, n is selectively output. Is done.
なお、本発明に係る固体撮像装置の動作において、或る行についての第1期間と他の或る行についての第1期間とは互いに一部が重複していてもよい。また、或る行についての第1期間と他の或る行についての第2期間とは互いに一部が重複していてもよい。更に、或る行についての第2期間は、他の或る行についての第1期間の一部になっていてもよい。寧ろ、フレームレート高速化の為には、これらは互いに一部または全てが重複しているのが好ましい。また、本発明は、APS(Active Pixel Sensor)方式およびPPS(Passive Pixel Sensor)方式の何れの場合にも適用可能である。 In the operation of the solid-state imaging device according to the present invention, the first period for a certain row and the first period for another certain row may partially overlap each other. In addition, a first period for a certain row and a second period for another certain row may partially overlap each other. Further, the second period for a certain row may be part of the first period for another certain row. Rather, in order to increase the frame rate, it is preferable that some or all of these overlap each other. Further, the present invention can be applied to any of an APS (Active Pixel Sensor) system and a PPS (Passive Pixel Sensor) system.
本発明に係る固体撮像装置は、小型化が可能で、安価なものとすることができる。 The solid-state imaging device according to the present invention can be downsized and inexpensive.
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
(第1実施形態)
先ず、本発明に係る固体撮像装置の第1実施形態について説明する。図1は、第1実施形態に係る固体撮像装置1の概略構成図である。この図に示される固体撮像装置1は、APS方式のものであって、受光部11、第1ホールド部21、第2ホールド部22、出力選択部31、AD変換部40、バイアス部50および制御部61を備える。これらは共通の基板上にモノリシックに形成されているのが好適であり、その場合の基板上の配置の一例は図示のとおりである。
(First embodiment)
First, a first embodiment of a solid-state imaging device according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a solid-
受光部11は、M行N列に2次元配列されたAPS方式の画素部P1,1〜PM,Nを含む。各画素部Pm,nは、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードを有している。ここで、M,Nは2以上の整数であり、mは1以上M以下の任意の整数であり、nは1以上N以下の任意の整数である。
The
第1ホールド部21は、受光部11における何れかの第m行のN個の画素部Pm,1〜Pm,Nそれぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を入力し、これらを電圧値V1m,1〜V1m,Nとして保持し出力する。同様に、第2ホールド部22は、受光部11における何れかの第m行のN個の画素部Pm,1〜Pm,Nそれぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を入力し、これらを電圧値V2m,1〜V2m,Nとして保持し出力する。
The
出力選択部31は、第1ホールド部21から出力されるN個の電圧値V1m,1〜V1m,Nを入力するとともに、第2ホールド部22から出力されるN個の電圧値V2m,1〜V2m,Nをも入力する。そして、出力選択部31は、電圧値V1m,nと基準電圧値Vsatとを大小比較して、その比較結果を示すmode_out信号を出力するとともに、電圧値V1m,nが基準電圧値Vsat未満であるときには電圧値V1m,nを選択的に出力し、そうでないときには電圧値V2m,nを選択的に出力する。
The
AD変換部40は、出力選択部31から出力された電圧値を入力し、この電圧値(アナログ値)をデジタル値に変換して、このデジタル値video_dataを出力する。バイアス部50は、受光部11、出力選択部31およびAD変換部40それぞれに対して、基準電圧を供給する。制御部61は、外部から入力されるCLK信号およびST信号に基づいて、受光部11,第1ホールド部21,第2ホールド部22,出力選択部31およびAD変換部40それぞれの動作を制御するための制御信号を生成して出力するものであり、シフトレジスタ等の論理回路を含む。
The
図2は、第1実施形態に係る固体撮像装置1に含まれる受光部11,第1ホールド部21および第2ホールド部22の構成図である。受光部11には、共通の構成を有するM×N個の画素部P1,1〜PM,Nが2次元配列されており、第m行第n列に画素部Pm,nが位置している。第1ホールド部21はN個のホールド回路H1,1〜H1,Nを含む。また、第2ホールド部22はN個のホールド回路H2,1〜H2,Nを含む。N個のホールド回路H1,1〜H1,NおよびN個のホールド回路H2,1〜H2,Nは共通の構成を有する。
FIG. 2 is a configuration diagram of the
受光部11に含まれる第n列のM個の画素部P1,n〜PM,nそれぞれの出力端、第1ホールド部21に含まれるホールド回路H1,nの入力端、および、第2ホールド部22に含まれるホールド回路H2,nの入力端は、共通の配線Vline(n)により接続されている。第1ホールド部21に含まれるN個のホールド回路H1,1〜H1,Nそれぞれの出力端は共通の配線により接続されている。また、第2ホールド部22に含まれるN個のホールド回路H2,1〜H2,Nそれぞれの出力端は共通の配線により接続されている。
The output ends of the M pixel units P 1, n to P M, n in the n-th column included in the
図3は、第1実施形態に係る固体撮像装置1に含まれる画素部Pm,n,ホールド回路H1,nおよびホールド回路H2,nの回路図である。APS方式の各画素部Pm,nは、フォトダイオードPDおよび4つのトランジスタT1〜T4を含む。この図に示されるように、トランジスタT1,トランジスタT2およびフォトダイオードPDは順に直列的に接続されていて、バイアス部50から供給される基準電圧Vb1がトランジスタT1のドレイン端子に入力され、フォトダイオードPDのアノ−ド端子が接地されている。トランジスタT3およびトランジスタT4は直列的に接続されていて、バイアス部50から供給される基準電圧Vb2がトランジスタT3のドレイン端子に入力され、トランジスタT4のソース端子が配線Vline(n)に接続されている。トランジスタT1とトランジスタT2との接続点がトランジスタT3のゲート端子に接続されている。また、配線Vline(n)には定電流源が接続されている。
FIG. 3 is a circuit diagram of the pixel unit P m, n , the hold circuit H 1, n and the hold circuit H 2, n included in the solid-
制御部61から供給されるVreset(m)信号がトランジスタT1のゲート端子に入力され、制御部61から供給されるVtrans(m)信号がトランジスタT2のゲート端子に入力され、制御部61から供給されるVaddress(m)信号がトランジスタT4のゲート端子に入力される。これらVreset(m)信号,Vtrans(m)信号およびVaddress(m)信号は、第m行のN個の画素部Pm,1〜Pm,Nに対して共通に入力される。Vreset(m)信号およびVtrans(m)信号がハイレベルであるとき、フォトダイオードPDの接合容量部が放電される。放電された状態において、更にVaddress(m)信号をハイレベルにすると、画素部Pm,nから配線Vline(n)へノイズ成分が出力される。Vreset(m)信号がローレベルであって、Vtrans(m)信号およびVaddress(m)信号がハイレベルであるとき、フォトダイオードPDの接合容量部に蓄積されている電荷の量に応じた電圧値が配線Vline(n)へ信号成分として出力される。
The Vreset (m) signal supplied from the
第1ホールド部21に含まれる各ホールド回路H1,nは、2つの容量素子C1,C2、および、4つのスイッチSW11,SW12,SW21,SW22、を含む。このホールド回路H1,nでは、スイッチSW11およびスイッチSW12は、直列的に接続されて配線Vline(n)と配線Hline_s1との間に設けられ、容量素子C1の一端は、スイッチSW11とスイッチSW12との間の接続点に接続され、容量素子C1の他端は接地されている。また、スイッチSW21およびスイッチSW22は、直列的に接続されて配線Vline(n)と配線Hline_n1との間に設けられ、容量素子C2の一端は、スイッチSW21とスイッチSW22との間の接続点に接続され、容量素子C2の他端は接地されている。
Each hold circuit H1 , n included in the
このホールド回路H1,nでは、スイッチSW11は、制御部61から供給されるset_s1信号のレベルに応じて開閉する。スイッチSW21は、制御部61から供給されるset_n1信号のレベルに応じて開閉する。set_s1信号およびset_n1信号は、第1ホールド部21に含まれるN個のホールド回路H1,1〜H1,Nに対して共通に入力される。スイッチSW12,SW22は、制御部61から供給されるhshiht(n)信号のレベルに応じて開閉する。
In the hold circuit H1 , n , the switch SW11 opens and closes according to the level of the set_s1 signal supplied from the
このホールド回路H1,nでは、set_n1信号がハイレベルからローレベルに転じるときに画素部Pm,nから配線Vline(n)へ出力されていたノイズ成分が、それ以降、容量素子C2により電圧値out_n1(n)として保持される。set_s1信号がハイレベルからローレベルに転じるときに画素部Pm,nから配線Vline(n)へ出力されていた信号成分が、それ以降、容量素子C1により電圧値out_s1(n)として保持される。そして、hshiht(n)信号がハイレベルになると、容量素子C1により保持されていた電圧値out_s1(n)が配線Hline_s1へ出力され、容量素子C2により保持されていた電圧値out_n1(n)が配線Hline_n1へ出力される。これら電圧値out_s1(n)と電圧値out_n1(n)との差が、画素部Pm,nのフォトダイオードPDで発生した電荷の量に応じた電圧値V1m,nを表す。 In the hold circuit H1 , n , the noise component output from the pixel unit Pm , n to the wiring Vline (n) when the set_n1 signal changes from the high level to the low level is subsequently applied to the voltage by the capacitive element C2. Stored as value out_n1 (n). The signal component output from the pixel unit P m, n to the wiring Vline (n) when the set_s1 signal changes from the high level to the low level is thereafter held as the voltage value out_s1 (n) by the capacitive element C1. . When the hshiht (n) signal becomes high level, the voltage value out_s1 (n) held by the capacitive element C1 is output to the wiring Hline_s1, and the voltage value out_n1 (n) held by the capacitive element C2 is wired. Output to Hline_n1. The difference between the voltage value out_s1 (n) and the voltage value out_n1 (n) represents the voltage value V1m , n corresponding to the amount of charge generated in the photodiode PD of the pixel portion Pm , n .
第2ホールド部22に含まれる各ホールド回路H2,nは、2つの容量素子C1,C2、および、4つのスイッチSW11,SW12,SW21,SW22、を含む。このホールド回路H2,nでは、スイッチSW11およびスイッチSW12は、直列的に接続されて配線Vline(n)と配線Hline_s2との間に設けられ、容量素子C1の一端は、スイッチSW11とスイッチSW12との間の接続点に接続され、容量素子C1の他端は接地されている。また、スイッチSW21およびスイッチSW22は、直列的に接続されて配線Vline(n)と配線Hline_n2との間に設けられ、容量素子C2の一端は、スイッチSW21とスイッチSW22との間の接続点に接続され、容量素子C2の他端は接地されている。
Each hold circuit H2 , n included in the
このホールド回路H2,nでは、スイッチSW11は、制御部61から供給されるset_s2信号のレベルに応じて開閉する。スイッチSW21は、制御部61から供給されるset_n2信号のレベルに応じて開閉する。set_s2信号およびset_n2信号は、第2ホールド部22に含まれるN個のホールド回路H2,1〜H2,Nに対して共通に入力される。スイッチSW12,SW22は、制御部61から供給されるhshiht(n)信号のレベルに応じて開閉する。
In the hold circuit H2 , n , the switch SW11 opens and closes according to the level of the set_s2 signal supplied from the
このホールド回路H2,nでは、set_n2信号がハイレベルからローレベルに転じるときに画素部Pm,nから配線Vline(n)へ出力されていたノイズ成分が、それ以降、容量素子C2により電圧値out_n2(n)として保持される。set_s2信号がハイレベルからローレベルに転じるときに画素部Pm,nから配線Vline(n)へ出力されていた信号成分が、それ以降、容量素子C1により電圧値out_s2(n)として保持される。そして、hshiht(n)信号がハイレベルになると、容量素子C1により保持されていた電圧値out_s2(n)が配線Hline_s2へ出力され、容量素子C2により保持されていた電圧値out_n2(n)が配線Hline_n2へ出力される。これら電圧値out_s2(n)と電圧値out_n2(n)との差が、画素部Pm,nのフォトダイオードPDで発生した電荷の量に応じた電圧値V2m,nを表す。 In the hold circuit H2 , n , the noise component output from the pixel unit Pm , n to the wiring Vline (n) when the set_n2 signal changes from the high level to the low level is subsequently applied to the voltage by the capacitive element C2. Stored as value out_n2 (n). The signal component output from the pixel portion P m, n to the wiring Vline (n) when the set_s2 signal changes from the high level to the low level is thereafter held as the voltage value out_s2 (n) by the capacitive element C1. . When the hshiht (n) signal becomes high level, the voltage value out_s2 (n) held by the capacitive element C1 is output to the wiring Hline_s2, and the voltage value out_n2 (n) held by the capacitive element C2 is wired. Output to Hline_n2. The difference between the voltage value out_s2 (n) and the voltage value out_n2 (n) represents the voltage value V2m , n corresponding to the amount of charge generated in the photodiode PD of the pixel portion Pm , n .
図4は、第1実施形態に係る固体撮像装置1に含まれる出力選択部31の構成図である。この出力選択部31は、差演算回路311、差演算回路312、比較回路313、ラッチ回路314、論理反転回路315、スイッチSW30〜SW32およびスイッチSW40〜SW42を含む。
FIG. 4 is a configuration diagram of the
差演算回路311の第1入力端子は、バッファアンプを介して配線Hline_s1と接続されていて、ホールド回路H1,nから配線Hline_s1へ出力される電圧値out_s1(n)を入力する。差演算回路311の第2入力端子は、バッファアンプを介して配線Hline_n1と接続されていて、ホールド回路H1,nから配線Hline_n1へ出力される電圧値out_n1(n)を入力する。そして、差演算回路311は、これら電圧値out_s1(n)と電圧値out_n1(n)との差を表す電圧値V1m,nを出力する。
The first input terminal of the
差演算回路312の第1入力端子は、バッファアンプを介して配線Hline_s2と接続されていて、ホールド回路H2,nから配線Hline_s2へ出力される電圧値out_s2(n)を入力する。差演算回路312の第2入力端子は、バッファアンプを介して配線Hline_n2と接続されていて、ホールド回路H2,nから配線Hline_n2へ出力される電圧値out_n2(n)を入力する。そして、差演算回路312は、これら電圧値out_s2(n)と電圧値out_n2(n)との差を表す電圧値V2m,nを出力する。
The first input terminal of the
配線Hline_s1はスイッチSW31を介して接地され、このスイッチSW31が閉じることで差演算回路311の第1入力端子への入力電圧値が初期化される。配線Hline_n1はスイッチSW32を介して接地され、このスイッチSW32が閉じることで差演算回路311の第2入力端子への入力電圧値が初期化される。配線Hline_s2はスイッチSW41を介して接地され、このスイッチSW41が閉じることで差演算回路312の第1入力端子への入力電圧値が初期化される。配線Hline_n2はスイッチSW42を介して接地され、このスイッチSW42が閉じることで差演算回路312の第2入力端子への入力電圧値が初期化される。これらのスイッチSW31,SW32,SW41,SW42それぞれの開閉動作は、制御部61から供給されるhreset信号により制御される。
The wiring Hline_s1 is grounded via the switch SW31, and the input voltage value to the first input terminal of the
比較回路313は、差演算回路311から出力される電圧値V1m,nと基準電圧値Vsatとを大小比較して、その比較結果を示すmode_out信号を出力する。ラッチ回路314は、比較回路313から出力されるmode_out信号を入力し、そのmode_out信号を一定期間に亘って保持して出力する。論理反転回路315は、ラッチ回路314から出力されるmode_out信号を入力して論理反転し、その反転後の信号を出力する。
The
スイッチSW30は、一端が差演算回路311の出力端に接続されていて、ラッチ回路314から出力されるmode_out信号に基づいて開閉動作する。スイッチSW40は、一端が差演算回路312の出力端に接続されていて、論理反転回路315から出力される信号(mode_out信号の反転信号)に基づいて開閉動作する。スイッチSW30およびスイッチSW40のうち一方が開状態であるときには他方が閉状態であり、スイッチSW30の他端とスイッチSW40の他端とは互いに接続されていて、その接続点から出力されるvideo_a信号は、電圧値V1m,nおよび電圧値V2m,nの何れか一方となる。
One end of the switch SW30 is connected to the output terminal of the
したがって、この出力選択部31から出力されるvideo_a信号は、電圧値V1m,nが基準電圧値Vsat未満であるときには電圧値V1m,nとなり、そうでないときには電圧値V2m,nとなる。ここで、基準電圧値Vsatは、電圧値V1m,nが飽和しているか否かを比較回路313において判定できるよう適切な値に設定される。AD変換部40は、出力選択部31から出力されるvideo_a信号を入力して、この信号の電圧値(アナログ値)をデジタル値に変換して、このデジタル値video_dataを出力する。
Therefore, Video_a signal outputted from the
図5は、出力選択部31に含まれる差演算回路311,312の回路図である。差演算回路311,312は、共通の構成を有しており、差動アンプAおよび抵抗器R1〜R4を含む。差動アンプAの反転入力端子は、抵抗器R1を介して電圧値v1を入力し、抵抗器R2を介して差動アンプAの出力端子と接続されている。差動アンプAの非反転入力端子は、抵抗器R3を介して電圧値v2を入力し、抵抗器R4を介して接地されている。抵抗器R1〜R4それぞれの抵抗値が等しいとき、差動アンプAの出力端子から出力される電圧値vdは、入力した2つの電圧値v1と電圧値v2との差となる。
FIG. 5 is a circuit diagram of the
次に、第1実施形態に係る固体撮像装置1の動作について説明する。図6は、第1実施形態に係る固体撮像装置1における各信号のレベル変化を説明するタイミングチャートである。このタイミングチャートに示される各信号を上から順に説明すると以下のとおりである。
Next, the operation of the solid-
CLK信号は、外部から制御部61に入力される信号であって、固体撮像装置1全体を動作させるマスタークロック信号である。ST信号は、外部から制御部61に入力される信号であって、読み出し開始を指示するマスタースタート信号である。Vst信号は、制御部61で作成される信号であって、受光部11の第1行〜第M行を順次に選択する動作の開始を指示するスタート信号である。Vclk信号は、制御部61で作成される信号であって、受光部11の各行を順次に選択することを指示するクロック信号であり、これに基づいてVshift信号が変化する。
The CLK signal is a signal input from the outside to the
Vreset信号は、制御部61で作成される信号であって、Vshift信号で選択された行の画素部のリセットを指示する信号である。Vtrans信号は、制御部61で作成される信号であって、Vshift信号で選択された行の画素部の画素データ転送を指示する信号である。Vaddress信号は、制御部61で作成される信号であって、Vshift信号で選択された行の画素部の画素データ読み出しを指示する信号である。Vshift信号は、Vclk信号およびVst信号に基づいて制御部61で作成される信号であって、受光部11の行の選択を指示する信号である。
The Vreset signal is a signal created by the
set_n1信号は、制御部61で作成される信号であって、画素部から出力される長期間蓄積データ(ノイズ成分)を第1ホールド回路21に保持することを指示する信号である。set_s1信号は、制御部61で作成される信号であって、画素部から出力される長期間蓄積データ(信号成分)を第1ホールド回路21に保持することを指示する信号である。set_n2信号は、制御部61で作成される信号であって、画素部から出力される短期間蓄積データ(ノイズ成分)を第2ホールド回路22に保持することを指示する信号である。set_s2信号は、制御部61で作成される信号であって、画素部から出力される短期間蓄積データ(信号成分)を第2ホールド回路22に保持することを指示する信号である。
The set_n1 signal is a signal created by the
Hst信号は、制御部61で作成される信号であって、第1ホールド回路21および第2ホールド回路22それぞれからのデータ読出の開始を指示するスタート信号である。Hclk信号は、制御部61で作成される信号であって、第1ホールド回路21および第2ホールド回路22それぞれからのデータの順次読出を指示するクロック信号である。Hshift信号は、Hclk信号およびHst信号に基づいて制御部61で作成される信号であって、第1ホールド回路21および第2ホールド回路22それぞれからのデータ読出を指示する信号である。video_a信号は、出力選択部31から出力される信号であって、画素部に含まれるフォトダイオードへの入射光量に応じた値である。
The Hst signal is a signal generated by the
図7は、第1実施形態に係る固体撮像装置1の動作を説明するタイミングチャートである。この図は、受光部11の各画素部のフォトダイオードにおける電荷蓄積のタイミング、受光部11から出力される電圧値が第1ホールド部21および第2ホールド部22それぞれにより保持されるタイミング、および、第1ホールド部21および第2ホールド部22それぞれにより保持された電圧値が出力選択部31へ出力されるタイミング、を示している。なお、この動作は、図6に示したような制御部61から出力される各制御信号に基づいて行われる。また、ここでは、図示の簡便の為に、M値を4とし、N値を4としている。
FIG. 7 is a timing chart for explaining the operation of the solid-
このタイミングチャートには、上から順に、第1行の画素部P1,1〜P1,4それぞれのフォトダイオードにおける電荷蓄積動作、第2行の画素部P2,1〜P2,4それぞれのフォトダイオードにおける電荷蓄積動作、第3行の画素部P3,1〜P3,4それぞれのフォトダイオードにおける電荷蓄積動作、第4行の画素部P4,1〜P4,4それぞれのフォトダイオードにおける電荷蓄積動作、第1ホールド部21に含まれるホールド回路H1,1〜H1,4それぞれによる電圧値保持動作、第2ホールド部22に含まれるホールド回路H2,1〜H2,4それぞれによる電圧値保持動作、ならびに、出力選択部31からのvideo_a信号出力動作、が示されている。
In this timing chart, in order from the top, the charge accumulation operation in the photodiodes of the pixel portions P 1,1 to P 1,4 in the first row, the pixel portions P 2,1 to P 2,4 in the second row, respectively. Charge accumulation operation in the photodiodes of the third row, charge accumulation operations in the photodiode portions of the pixel portions P 3,1 to P 3,4 in the third row, and the respective photos of the pixel portions P 4,1 to P 4,4 in the fourth row. Charge accumulation operation in the diode, voltage value holding operation by each of the hold circuits H 1,1 to H 1,4 included in the
受光部11において、各行のN個の画素部は同一タイミングで動作するが、行間では一定時間づつ異なるタイミングで動作する。そして、受光部11における第1行〜第M行それぞれについて順次に以下のような動作が行われる。
In the
第m行の各画素部Pm,nのフォトダイオードは、第1期間T1に亘る光入射に応じた電荷蓄積動作、第1期間T1の後の初期化動作、第2期間T2に亘る光入射に応じた電荷蓄積動作、および、第2期間T2の後の初期化動作、を繰り返し行う。ただし、第1期間T1より第2期間T2が短い。図7の上方に示したT1,T2は第1行の各画素部P1,n(n=1〜4)のものを示している。 The photodiode of each pixel unit P m, n in the m-th row has a charge accumulation operation corresponding to light incidence over the first period T1, an initialization operation after the first period T1, and light incidence over the second period T2. The charge accumulation operation according to the above and the initialization operation after the second period T2 are repeated. However, the second period T2 is shorter than the first period T1. T1 and T2 shown in the upper part of FIG. 7 indicate the pixel portions P 1, n (n = 1 to 4) in the first row.
第1期間T1に亘る光入射に応じて第m行の各画素部Pm,nのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値は、配線Vline(n)を経て第1ホールド部21に入力されて、電圧値V1m,nとして第1ホールド部21のホールド回路H1,nにより保持される。このとき、ホールド回路H1,nには信号成分out_s1(n)およびノイズ成分out_n1(n)が保持されて、これら信号成分out_s1(n)とノイズ成分out_n1(n)との差が電圧値V1m,nを表す。この第1期間T1の後に第m行の各画素部Pm,nは初期化される、
この初期化の後に、第1期間T1より短い第2期間T2に亘る光入射に応じて第m行の各画素部Pm,nのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値は、配線Vline(n)を経て第2ホールド部22に入力されて、電圧値V2m,nとして第2ホールド部22のホールド回路H2,nにより保持される。このとき、ホールド回路H2,nには信号成分out_s2(n)およびノイズ成分out_n2(n)が保持されて、これら信号成分out_s2(n)とノイズ成分out_n2(n)との差が電圧値V2m,nを表す。この第2期間T2の後に第m行の各画素部Pm,nは初期化される、
第1ホールド部21により保持された電圧値V1m,nは、配線Hline_s1,Hline_n1を経て出力選択部31に入力される。第2ホールド部22により保持された電圧値V2m,nは、配線Hline_s2,Hline_n2を経て出力選択部31に入力される。出力選択部31には、先ず電圧値V1m,1および電圧値V2m,1が入力され、次に電圧値V1m,2および電圧値V2m,2が入力され、更に次に電圧値V1m,3および電圧値V2m,3が入力され、・・・というように、第1列から第N列へ順に電圧値V1m,n,V2m,nが入力される。そして、電圧値V1m,nまたは電圧値V2m,nが出力選択部31から選択的に出力される。
The voltage value corresponding to the amount of charge generated in the photodiode of each pixel unit P m, n in the m-th row in response to the light incidence over the first period T1 passes through the wiring Vline (n), and the
After this initialization, the voltage value corresponding to the amount of charge generated in the photodiodes of the pixel units P m, n in the m-th row in response to light incidence over the second period T2 shorter than the first period T1 is: The voltage is input to the
The voltage value V1 m, n held by the
出力選択部31から出力されるvideo_a信号の値は、電圧値V1m,nが基準電圧値Vsat未満であるとき(すなわち、電圧値V1m,nが飽和していないとき)電圧値V1m,nとなり、そうでないときには電圧値V2m,nとなる。前述したように、電圧値V1m,nは、比較的長い第1期間T1に亘る光入射に応じて画素部Pm,nのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値であり、電圧値V2m,nは、比較的短い第2期間T2に亘る光入射に応じて画素部Pm,nのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値である。
The value of the video_a signal output from the
光入射強度が比較的小さい場合には、電荷蓄積時間が比較的長くても、電圧値V1m,nが飽和しないので、この電圧値V1m,nが選択される。光入射強度が比較的大きい場合には、電圧値V1m,nが飽和するので、電圧値V2m,nが選択される。したがって、この固体撮像装置1は、複数の画素部それぞれについてダイナミックレンジが拡大される。また、この固体撮像装置1は、フレームメモリを必要とせず、小規模の回路を追加しただけであるので、小型化が可能で安価なものとすることができる。
When the light incident intensity is relatively small, the voltage value V1 m, n is not saturated even if the charge accumulation time is relatively long, so this voltage value V1 m, n is selected. When the light incident intensity is relatively high, the voltage value V1 m, n is saturated, so the voltage value V2 m, n is selected. Therefore, in the solid-
また、この固体撮像装置1では、比較的長い第1期間T1に亘って電荷蓄積をした後に比較的短い第2期間T2に亘って電荷蓄積をすることにより、第1ホールド部21および第2ホールド部22それぞれの電圧値保持タイミングの差が小さい。また、その後、出力選択部31による処理が完了するまでに、第1ホールド部21および第2ホールド部22それぞれが電圧値を保持しておく時間が短い。したがって、この点でも、追加回路の規模が小さくて済む。
Further, in the solid-
(第2実施形態)
次に、本発明に係る固体撮像装置の第2実施形態について説明する。図8は、第2実施形態に係る固体撮像装置2の概略構成図である。この図に示される固体撮像装置2は、APS方式のものであって、受光部11、第1ホールド部21、第2ホールド部22、第3ホールド部23、出力選択部32、AD変換部40、バイアス部50および制御部62を備える。これらは共通の基板上にモノリシックに形成されているのが好適であり、その場合の基板上の配置の一例は図示のとおりである。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the solid-state imaging device according to the present invention will be described. FIG. 8 is a schematic configuration diagram of the solid-
前の第1実施形態に係る固体撮像装置1の構成と比較すると、この第2実施形態に係る固体撮像装置2は、第3ホールド部23を更に備える点、出力選択部31に替えて出力選択部32を備える点、および、制御部61に替えて制御部62を備える点、で相違する。
Compared with the configuration of the solid-
第3ホールド部23は、第1ホールド部21および第2ホールド部22それぞれと同様の構成を有しており、受光部11における何れかの第m行のN個の画素部Pm,1〜Pm,Nそれぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を入力し、これらを電圧値V3m,1〜V3m,Nとして保持し出力する。
The
出力選択部32は、第1ホールド部21から出力されるN個の電圧値V1m,1〜V1m,Nを入力し、第2ホールド部22から出力されるN個の電圧値V2m,1〜V2m,Nを入力し、また、第3ホールド部23から出力されるN個の電圧値V3m,1〜V3m,Nをも入力する。そして、出力選択部32は、電圧値V1m,nまたは電圧値V2m,nと基準電圧値Vsatとを大小比較して、その比較結果を示すmode_out信号を出力するとともに、電圧値V1m,nまたは電圧値V2m,nが基準電圧値Vsat未満であるときには電圧値V1m,nまたは電圧値V2m,nを選択的に出力し、そうでないときには電圧値V3m,nを選択的に出力する。
The
AD変換部40は、出力選択部32から出力された電圧値を入力し、この電圧値(アナログ値)をデジタル値に変換して、このデジタル値video_dataを出力する。バイアス部50は、受光部11、出力選択部32およびAD変換部40それぞれに対して、基準電圧を供給する。制御部62は、外部から入力されるCLK信号およびST信号に基づいて、受光部11,第1ホールド部21,第2ホールド部22,第3ホールド部23,出力選択部32およびAD変換部40それぞれの動作を制御するための制御信号を生成して出力するものであり、シフトレジスタ等の論理回路を含む。
The
図9は、第2実施形態に係る固体撮像装置2に含まれる受光部11,第1ホールド部21,第2ホールド部22および第3ホールド部23の構成図である。受光部11には、共通の構成を有するM×N個の画素部P1,1〜PM,Nが2次元配列されており、第m行第n列に画素部Pm,nが位置している。第1ホールド部21はN個のホールド回路H1,1〜H1,Nを含む。第2ホールド部22はN個のホールド回路H2,1〜H2,Nを含む。また、第3ホールド部23はN個のホールド回路H3,1〜H3,Nを含む。N個のホールド回路H1,1〜H1,N,N個のホールド回路H2,1〜H2,NおよびN個のホールド回路H3,1〜H3,Nは共通の構成を有する。
FIG. 9 is a configuration diagram of the
受光部11に含まれる第n列のM個の画素部P1,n〜PM,nそれぞれの出力端、第1ホールド部21に含まれるホールド回路H1,nの入力端、第2ホールド部22に含まれるホールド回路H2,nの入力端、および、第3ホールド部23に含まれるホールド回路H3,nの入力端は、共通の配線Vline(n)により接続されている。第1ホールド部21に含まれるN個のホールド回路H1,1〜H1,Nそれぞれの出力端は共通の配線により接続されている。第2ホールド部22に含まれるN個のホールド回路H2,1〜H2,Nそれぞれの出力端は共通の配線により接続されている。また、第3ホールド部23に含まれるN個のホールド回路H3,1〜H3,Nそれぞれの出力端は共通の配線により接続されている。
The output ends of the M pixel units P 1, n to P M, n in the n-th column included in the
図10は、第2実施形態に係る固体撮像装置2に含まれる画素部Pm,n,ホールド回路H1,n,ホールド回路H2,nおよびホールド回路H3,nの回路図である。各画素部Pm,n,第1ホールド部21に含まれる各ホールド回路H1,n,および、第2ホールド部22に含まれる各ホールド回路H2,nそれぞれは、図3中に示された構成と同様のものである。
FIG. 10 is a circuit diagram of a pixel unit P m, n , a hold circuit H 1, n , a hold circuit H 2, n and a hold circuit H 3, n included in the solid-
第3ホールド部23に含まれる各ホールド回路H3,nは、2つの容量素子C1,C2、および、4つのスイッチSW11,SW12,SW21,SW22、を含む。このホールド回路H3,nでは、スイッチSW11およびスイッチSW12は、直列的に接続されて配線Vline(n)と配線Hline_s3との間に設けられ、容量素子C1の一端は、スイッチSW11とスイッチSW12との間の接続点に接続され、容量素子C1の他端は接地されている。また、スイッチSW21およびスイッチSW22は、直列的に接続されて配線Vline(n)と配線Hline_n3との間に設けられ、容量素子C2の一端は、スイッチSW21とスイッチSW22との間の接続点に接続され、容量素子C2の他端は接地されている。
Each hold circuit H 3, n included in the
このホールド回路H3,nでは、スイッチSW11は、制御部62から供給されるset_s3信号のレベルに応じて開閉する。スイッチSW21は、制御部62から供給されるset_n3信号のレベルに応じて開閉する。set_s3信号およびset_n3信号は、第3ホールド部23に含まれるN個のホールド回路H3,1〜H3,Nに対して共通に入力される。スイッチSW12,SW22は、制御部62から供給されるhshiht(n)信号のレベルに応じて開閉する。
In the hold circuit H 3, n , the switch SW11 opens and closes according to the level of the set_s3 signal supplied from the
このホールド回路H3,nでは、set_n3信号がハイレベルからローレベルに転じるときに画素部Pm,nから配線Vline(n)へ出力されていたノイズ成分が、それ以降、容量素子C2により電圧値out_n3(n)として保持される。set_s3信号がハイレベルからローレベルに転じるときに画素部Pm,nから配線Vline(n)へ出力されていた信号成分が、それ以降、容量素子C1により電圧値out_s3(n)として保持される。そして、hshiht(n)信号がハイレベルになると、容量素子C1により保持されていた電圧値out_s3(n)が配線Hline_s3へ出力され、容量素子C2により保持されていた電圧値out_n3(n)が配線Hline_n3へ出力される。これら電圧値out_s3(n)と電圧値out_n3(n)との差が、画素部Pm,nのフォトダイオードPDで発生した電荷の量に応じた電圧値V3m,nを表す。 In the hold circuit H3 , n , the noise component output from the pixel unit Pm , n to the wiring Vline (n) when the set_n3 signal changes from the high level to the low level is subsequently applied to the voltage by the capacitive element C2. Stored as value out_n3 (n). The signal component output from the pixel portion P m, n to the wiring Vline (n) when the set_s3 signal changes from the high level to the low level is thereafter held as the voltage value out_s3 (n) by the capacitive element C1. . When the hshiht (n) signal becomes high level, the voltage value out_s3 (n) held by the capacitive element C1 is output to the wiring Hline_s3, and the voltage value out_n3 (n) held by the capacitive element C2 is output to the wiring. Output to Hline_n3. The difference between the voltage value out_s3 (n) and the voltage value out_n3 (n) represents the voltage value V3m , n corresponding to the amount of charge generated in the photodiode PD of the pixel portion Pm , n .
図11は、第2実施形態に係る固体撮像装置2に含まれる出力選択部32の構成図である。この出力選択部32は、差演算回路311、差演算回路312、比較回路313、ラッチ回路314、論理反転回路315、スイッチSW30〜SW34、スイッチSW41〜SW44およびスイッチSW50〜SW52を含む。
FIG. 11 is a configuration diagram of the
差演算回路311の第1入力端子は、スイッチSW33およびバッファアンプを介して配線Hline_s1と接続されており、また、スイッチSW43およびバッファアンプを介して配線Hline_s2と接続されていて、この第1入力端子は、スイッチSW33が閉じているときには、ホールド回路H1,nから配線Hline_s1へ出力される電圧値out_s1(n)を入力し、一方、スイッチSW43が閉じているときには、ホールド回路H2,nから配線Hline_s2へ出力される電圧値out_s2(n)を入力する。
The first input terminal of the
差演算回路311の第2入力端子は、スイッチSW34およびバッファアンプを介して配線Hline_n1と接続されており、また、スイッチSW44およびバッファアンプを介して配線Hline_n2と接続されている。この第2入力端子は、スイッチSW34が閉じているときには、ホールド回路H1,nから配線Hline_n1へ出力される電圧値out_n1(n)を入力し、一方、スイッチSW44が閉じているときには、ホールド回路H2,nから配線Hline_n2へ出力される電圧値out_n2(n)を入力する。
The second input terminal of the
スイッチSW33およびスイッチSW34は同一タイミングで開閉動作する。また、スイッチSW43およびスイッチSW44も同一タイミングで開閉動作する。そして、スイッチSW33およびスイッチSW34の組と、スイッチSW43およびスイッチSW44の組とは、一方が開状態であるときには他方が閉状態となる。したがって、差演算回路311は、スイッチSW33およびスイッチSW34が閉じているときには、電圧値out_s1(n)と電圧値out_n1(n)との差を表す電圧値V1m,nを出力し、一方、スイッチSW43およびスイッチSW44が閉じているときには、電圧値out_s2(n)と電圧値out_n2(n)との差を表す電圧値V2m,nを出力する。
The switches SW33 and SW34 open and close at the same timing. Further, the switch SW43 and the switch SW44 also open and close at the same timing. When one of the switch SW33 and switch SW34 and the switch SW43 and switch SW44 is open, the other is closed. Therefore, when the switch SW33 and the switch SW34 are closed, the
差演算回路312の第1入力端子は、バッファアンプを介して配線Hline_s3と接続されていて、ホールド回路H3,nから配線Hline_s3へ出力される電圧値out_s3(n)を入力する。差演算回路312の第2入力端子は、バッファアンプを介して配線Hline_n3と接続されていて、ホールド回路H3,nから配線Hline_n3へ出力される電圧値out_n3(n)を入力する。そして、差演算回路312は、これら電圧値out_s3(n)と電圧値out_n3(n)との差を表す電圧値V3m,nを出力する。
The first input terminal of the
配線Hline_s1はスイッチSW31を介して接地され、このスイッチSW31が閉じることで差演算回路311の第1入力端子への入力電圧値が初期化される。配線Hline_n1はスイッチSW32を介して接地され、このスイッチSW32が閉じることで差演算回路311の第2入力端子への入力電圧値が初期化される。配線Hline_s2はスイッチSW41を介して接地され、このスイッチSW41が閉じることで差演算回路312の第1入力端子への入力電圧値が初期化される。配線Hline_n2はスイッチSW42を介して接地され、このスイッチSW42が閉じることで差演算回路312の第2入力端子への入力電圧値が初期化される。配線Hline_s3はスイッチSW51を介して接地され、このスイッチSW51が閉じることで差演算回路312の第1入力端子への入力電圧値が初期化される。配線Hline_n3はスイッチSW52を介して接地され、このスイッチSW52が閉じることで差演算回路312の第2入力端子への入力電圧値が初期化される。これらのスイッチSW31,SW32,SW41,SW42,SW51,SW52それぞれの開閉動作は、制御部62から供給されるhreset信号により制御される。
The wiring Hline_s1 is grounded via the switch SW31, and the input voltage value to the first input terminal of the
比較回路313は、差演算回路311から出力される電圧値V1m,nまたはV2m,nと基準電圧値Vsatとを大小比較して、その比較結果を示すmode_out信号を出力する。ラッチ回路314は、比較回路313から出力されるmode_out信号を入力し、そのmode_out信号を一定期間に亘って保持して出力する。論理反転回路315は、ラッチ回路314から出力されるmode_out信号を入力して論理反転し、その反転後の信号を出力する。
The
スイッチSW30は、一端が差演算回路311の出力端に接続されていて、ラッチ回路314から出力されるmode_out信号に基づいて開閉動作する。スイッチSW50は、一端が差演算回路312の出力端に接続されていて、論理反転回路315から出力される信号(mode_out信号の反転信号)に基づいて開閉動作する。スイッチSW30およびスイッチSW50のうち一方が開状態であるときには他方が閉状態であり、スイッチSW30の他端とスイッチSW50の他端とは互いに接続されていて、その接続点から出力されるvideo_a信号は、電圧値V1m,nもしくは電圧値V2m,nまたは電圧値V3m,nとなる。
One end of the switch SW30 is connected to the output terminal of the
したがって、この出力選択部32から出力されるvideo_a信号は、スイッチSW33およびスイッチSW34が閉じていて電圧値V1m,nが基準電圧値Vsat未満であるときには電圧値V1m,nとなり、スイッチSW43およびスイッチSW44が閉じていて電圧値V2m,nが基準電圧値Vsat未満であるときには電圧値V2m,nとなり、これらの何れでもないときには電圧値V3m,nとなる。ここで、基準電圧値Vsatは、電圧値V1m,nまたは電圧値V2m,nが飽和しているか否かを比較回路313において判定できるよう適切な値に設定される。AD変換部40は、出力選択部32から出力されるvideo_a信号を入力して、この信号の電圧値(アナログ値)をデジタル値に変換して、このデジタル値video_dataを出力する。
Therefore, Video_a signal outputted from the
次に、第2実施形態に係る固体撮像装置2の動作について説明する。図12は、第2実施形態に係る固体撮像装置2の動作を説明するタイミングチャートである。この図は、受光部11の各画素部のフォトダイオードにおける電荷蓄積のタイミング、受光部11から出力される電圧値が第1ホールド部21,第2ホールド部22および第3ホールド部23それぞれにより保持されるタイミング、および、第1ホールド部21,第2ホールド部22および第3ホールド部23それぞれにより保持された電圧値が出力選択部32へ出力されるタイミング、を示している。なお、この動作は、制御部62から出力される各制御信号に基づいて行われる。また、ここでは、図示の簡便の為に、M値を4とし、N値を4としている。
Next, the operation of the solid-
このタイミングチャートには、上から順に、第1行の画素部P1,1〜P1,4それぞれのフォトダイオードにおける電荷蓄積動作、第2行の画素部P2,1〜P2,4それぞれのフォトダイオードにおける電荷蓄積動作、第3行の画素部P3,1〜P3,4それぞれのフォトダイオードにおける電荷蓄積動作、第4行の画素部P4,1〜P4,4それぞれのフォトダイオードにおける電荷蓄積動作、第1ホールド部21に含まれるホールド回路H1,1〜H1,4それぞれによる電圧値保持動作、第2ホールド部22に含まれるホールド回路H2,1〜H2,4それぞれによる電圧値保持動作、第3ホールド部23に含まれるホールド回路H3,1〜H3,4それぞれによる電圧値保持動作、ならびに、出力選択部32からのvideo_a信号出力動作、が示されている。
In this timing chart, in order from the top, the charge accumulation operation in the photodiodes of the pixel portions P 1,1 to P 1,4 in the first row, the pixel portions P 2,1 to P 2,4 in the second row, respectively. Charge accumulation operation in the photodiodes of the third row, charge accumulation operations in the photodiode portions of the pixel portions P 3,1 to P 3,4 in the third row, and the respective photos of the pixel portions P 4,1 to P 4,4 in the fourth row. Charge accumulation operation in the diode, voltage value holding operation by each of the hold circuits H 1,1 to H 1,4 included in the
受光部11において、各行のN個の画素部は同一タイミングで動作するが、行間では一定時間づつ異なるタイミングで動作する。そして、受光部11における第1行〜第M行それぞれについて順次に以下のような動作が行われる。
In the
第m行の各画素部Pm,nのフォトダイオードは、第1期間T1に亘る光入射に応じた電荷蓄積動作、第1期間T1の後の初期化動作、第2期間T2に亘る光入射に応じた電荷蓄積動作、および、第2期間T2の後の初期化動作、を繰り返し行う。ただし、第1期間T1より第2期間T2が短い。図12の上方に示したT1,T2は第1行の各画素部P1,n(n=1〜4)のものを示している。 The photodiode of each pixel unit P m, n in the m-th row has a charge accumulation operation corresponding to light incidence over the first period T1, an initialization operation after the first period T1, and light incidence over the second period T2. The charge accumulation operation according to the above and the initialization operation after the second period T2 are repeated. However, the second period T2 is shorter than the first period T1. T1 and T2 shown in the upper part of FIG. 12 indicate the pixel portions P 1, n (n = 1 to 4) in the first row.
第1期間T1に亘る光入射に応じて第m行の各画素部Pm,nのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値は、配線Vline(n)を経て、m値が奇数のときには第1ホールド部21に入力されて電圧値V1m,nとしてホールド回路H1,nにより保持され、m値が偶数のときには第2ホールド部22に入力されて電圧値V2m,nとしてホールド回路H2,nにより保持される。このとき、ホールド回路H1,nには信号成分out_s1(n)およびノイズ成分out_n1(n)が保持されて、これら信号成分out_s1(n)とノイズ成分out_n1(n)との差が電圧値V1m,nを表す。ホールド回路H2,nには信号成分out_s2(n)およびノイズ成分out_n2(n)が保持されて、これら信号成分out_s2(n)とノイズ成分out_n2(n)との差が電圧値V2m,nを表す。この第1期間T1の後に第m行の各画素部Pm,nは初期化される。
The voltage value corresponding to the amount of charge generated in the photodiode of each pixel unit P m, n in the m-th row in response to light incidence over the first period T1 is an odd m value via the wiring Vline (n). Is input to the
この初期化の後に、第1期間T1より短い第2期間T2に亘る光入射に応じて第m行の各画素部Pm,nのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値は、配線Vline(n)を経て第3ホールド部23に入力されて、電圧値V3m,nとして第3ホールド部23のホールド回路H3,nにより保持される。このとき、ホールド回路H3,nには信号成分out_s3(n)およびノイズ成分out_n3(n)が保持されて、これら信号成分out_s3(n)とノイズ成分out_n3(n)との差が電圧値V3m,nを表す。この第2期間T2の後に第m行の各画素部Pm,nは初期化される、
出力選択部32には、m値が奇数のときには、第1ホールド部21により保持された電圧値V1m,nが配線Hline_s1,Hline_n1を経て入力され、m値が偶数のときには、第2ホールド部22により保持された電圧値V2m,nが配線Hline_s2,Hline_n2を経て入力され、また、m値に拘らず、第3ホールド部23により保持された電圧値V3m,nが配線Hline_s3,Hline_n3を経て入力される。
After this initialization, the voltage value corresponding to the amount of charge generated in the photodiodes of the pixel units P m, n in the m-th row in response to light incidence over the second period T2 shorter than the first period T1 is: The voltage is input to the
When the m value is an odd number, the
m値が奇数のときには、出力選択部32には、先ず電圧値V1m,1および電圧値V3m,1が入力され、次に電圧値V1m,2および電圧値V3m,2が入力され、更に次に電圧値V1m,3および電圧値V3m,3が入力され、・・・というように、第1列から第N列へ順に電圧値V1m,nおよび電圧値V3m,nが入力される。m値が偶数のときには、出力選択部32には、先ず電圧値V2m,1および電圧値V3m,1が入力され、次に電圧値V2m,2および電圧値V3m,2が入力され、更に次に電圧値V2m,3および電圧値V3m,3が入力され、・・・というように、第1列から第N列へ順に電圧値V2m,nおよび電圧値V3m,nが入力される。そして、m値が奇数のときには、電圧値V1m,nまたは電圧値V3m,nが出力選択部32から選択的に出力され、m値が偶数のときには、電圧値V2m,nまたは電圧値V3m,nが出力選択部32から選択的に出力される。
When the m value is an odd number, first, the voltage value V1 m, 1 and the voltage value V3 m, 1 are input to the
出力選択部32から出力されるvideo_a信号の値は、m値が奇数であって電圧値V1m,nが基準電圧値Vsat未満であるとき(すなわち、電圧値V1m,nが飽和していないとき)電圧値V1m,nとなり、m値が偶数であって電圧値V2m,nが基準電圧値Vsat未満であるとき(すなわち、電圧値V2m,nが飽和していないとき)電圧値V2m,nとなり、これらの何れでもないときには電圧値V3m,nとなる。前述したように、電圧値V1m,nおよび電圧値V2m,nそれぞれは、比較的長い第1期間T1に亘る光入射に応じて画素部Pm,nのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値であり、電圧値V3m,nは、比較的短い第2期間T2に亘る光入射に応じて画素部Pm,nのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値である。
The value of the video_a signal output from the
光入射強度が比較的小さい場合には、電荷蓄積時間が比較的長くても、電圧値V1m,nまたは電圧値V2m,nが飽和しないので、この電圧値V1m,nまたは電圧値V2m,nが選択される。光入射強度が比較的大きい場合には、電圧値V1m,nまたは電圧値V2m,nが飽和するので、電圧値V3m,nが選択される。したがって、この固体撮像装置2は、複数の画素部それぞれについてダイナミックレンジが拡大される。また、この固体撮像装置2は、フレームメモリを必要とせず、小規模の回路を追加しただけであるので、小型化が可能で安価なものとすることができる。
When the light incident intensity is relatively small, the voltage value V1 m, n or the voltage value V2 m, n is not saturated even if the charge accumulation time is relatively long. Therefore, the voltage value V1 m, n or the voltage value V2 m and n are selected. When the light incident intensity is relatively high, the voltage value V1 m, n or the voltage value V2 m, n is saturated, so the voltage value V3 m, n is selected. Therefore, in the solid-
また、この固体撮像装置2では、比較的長い第1期間T1に亘って電荷蓄積をした後に比較的短い第2期間T2に亘って電荷蓄積をすることにより、第1ホールド部21および第2ホールド部22それぞれの電圧値保持タイミングの差が小さい。また、その後、出力選択部32による処理が完了するまでに、第1ホールド部21および第2ホールド部22それぞれが電圧値を保持しておく時間が短い。したがって、この点でも、追加回路の規模が小さくて済む。
Further, in this solid-
さらに、この固体撮像装置2は、第1ホールド回路21と第2ホールド回路22とを交互に使用することから、例えば、第1ホールド回路21から或る行について電圧値を読み出している期間に、第2ホールド回路22により次の行について電圧値を保持することができる。これにより、或る行について出力選択部32による処理が行われている間に、次の行の第2期間の電荷蓄積が可能になる。したがって、第2実施形態の固体撮像装置2では、第1期間T1および第2期間T2それぞれの設定の自由度が高く、第1実施形態の固体撮像装置1よりも更に、フレームレートを高速にすることが可能である。
Further, since the solid-
(第3実施形態)
次に、本発明に係る固体撮像装置の第3実施形態について説明する。図13は、第3実施形態に係る固体撮像装置3の概略構成図である。この図に示される固体撮像装置3は、PPS方式のものであって、受光部13、積分部20、第1ホールド部24、第2ホールド部25、出力選択部33、AD変換部40、バイアス部50および制御部63を備える。これらは共通の基板上にモノリシックに形成されているのが好適であり、その場合の基板上の配置の一例は図示のとおりである。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the solid-state imaging device according to the present invention will be described. FIG. 13 is a schematic configuration diagram of a solid-
受光部13は、M行N列に2次元配列されたPPS方式の画素部P1,1〜PM,Nを含む。各画素部Pm,nは、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードを有している。ここで、M,Nは2以上の整数であり、mは1以上M以下の任意の整数であり、nは1以上N以下の任意の整数である。
The
積分部20は、受光部13における何れかの第m行のN個の画素部Pm,1〜Pm,Nそれぞれのフォトダイオードで発生した電荷を入力し、その電荷の量に応じた電圧値を出力する。第1ホールド部24は、積分部20から出力された電圧値を入力し、これらを電圧値V1m,1〜V1m,Nとして保持し出力する。同様に、第2ホールド部25は、積分部20から出力された電圧値を入力し、これらを電圧値V2m,1〜V2m,Nとして保持し出力する。
The integrating
出力選択部33は、第1ホールド部24から出力されるN個の電圧値V1m,1〜V1m,Nを入力するとともに、第2ホールド部25から出力されるN個の電圧値V2m,1〜V2m,Nをも入力する。そして、出力選択部33は、電圧値V1m,nと基準電圧値Vsatとを大小比較して、その比較結果を示すmode_out信号を出力するとともに、電圧値V1m,nが基準電圧値Vsat未満であるときには電圧値V1m,nを選択的に出力し、そうでないときには電圧値V2m,nを選択的に出力する。
The
AD変換部40は、出力選択部33から出力された電圧値を入力し、この電圧値(アナログ値)をデジタル値に変換して、このデジタル値video_dataを出力する。バイアス部50は、積分部20、出力選択部33およびAD変換部40それぞれに対して、基準電圧を供給する。制御部63は、外部から入力されるCLK信号およびST信号に基づいて、受光部13,積分部20,第1ホールド部24,第2ホールド部25,出力選択部33およびAD変換部40それぞれの動作を制御するための制御信号を生成して出力するものであり、シフトレジスタ等の論理回路を含む。
The
図14は、第3実施形態に係る固体撮像装置3に含まれる受光部13,積分部20,第1ホールド部24および第2ホールド部25の構成図である。受光部13には、共通の構成を有するM×N個の画素部P1,1〜PM,Nが2次元配列されており、第m行第n列に画素部Pm,nが位置している。積分部20は、共通の構成を有するN個の積分回路I1〜INを含む。第1ホールド部24はN個のホールド回路H1,1〜H1,Nを含む。また、第2ホールド部25はN個のホールド回路H2,1〜H2,Nを含む。N個のホールド回路H1,1〜H1,NおよびN個のホールド回路H2,1〜H2,Nは共通の構成を有する。
FIG. 14 is a configuration diagram of the
受光部13に含まれる第n列のM個の画素部P1,n〜PM,nそれぞれの出力端、および、積分部20に含まれる積分回路Inの入力端は、共通の配線Vline(n)により接続されている。積分部20に含まれる積分回路Inの出力端は、第1ホールド部24に含まれるホールド回路H1,nの入力端、および、第2ホールド部25に含まれるホールド回路H2,nの入力端は、共通の配線により接続されている。第1ホールド部24に含まれるN個のホールド回路H1,1〜H1,Nそれぞれの出力端は共通の配線により接続されている。また、第2ホールド部25に含まれるN個のホールド回路H2,1〜H2,Nそれぞれの出力端は共通の配線により接続されている。
The n M pixel units P 1 of the column, n to P M, n respective output terminals included in the
図15は、第3実施形態に係る固体撮像装置3に含まれる画素部Pm,n,積分回路In,ホールド回路H1,nおよびホールド回路H2,nの回路図である。PPS方式の各画素部Pm,nは、フォトダイオードPDおよびスイッチSWを含む。フォトダイオードPDのアノード端子は接地され、フォトダイオードPDのカソード端子はスイッチSWを介して配線Vline(n)に接続されている。このスイッチSWは、制御部63から供給されるVaddress(m)信号のレベルに応じて開閉して、閉じているときに、フォトダイオードPDの接合容量部に蓄積されていた電荷を配線Vline(n)に出力させる。
FIG. 15 is a circuit diagram of a pixel unit P m, n , an integration circuit I n , a hold circuit H 1, n and a hold circuit H 2, n included in the solid-
積分部20に含まれる各積分回路Inは、その入力端子と出力端子との間に並列的にアンプA,容量素子CおよびスイッチSWが設けられている。各積分回路Inの入力端子は、配線Vline(n)と接続されており、何れかの行の画素部Pm,nから出力される電荷を入力する。このスイッチSWは、制御部63から供給されるReset1信号のレベルに応じて開閉する。積分回路Inは、スイッチSWが閉じているときには、容量素子Cを放電して、出力端子から出力される電圧値を初期化する。一方、積分回路Inは、スイッチSWが開いているときには、入力端子に入力した電荷を容量素子Cに蓄積して、その蓄積した電荷の量に応じた電圧値を出力端子から出力する。
Each integrating circuit I n included in the integrating
第1ホールド部24に含まれる各ホールド回路H1,nは、容量素子Cおよび2つのスイッチSW1,SW2を含む。このホールド回路H1,nでは、スイッチSW1およびスイッチSW2は、直列的に接続されて積分回路Inの出力端子と配線Hline_s1との間に設けられ、容量素子Cの一端は、スイッチSW1とスイッチSW2との間の接続点に接続され、容量素子Cの他端は接地されている。スイッチSW1は、制御部63から供給されるset_s1信号のレベルに応じて開閉する。set_s1信号は、第1ホールド部24に含まれるN個のホールド回路H1,1〜H1,Nに対して共通に入力される。スイッチSW2は、制御部63から供給されるhshiht(n)信号のレベルに応じて開閉する。set_s1信号がハイレベルからローレベルに転じるときに積分回路Inから出力されていた電圧値が、それ以降、容量素子Cにより電圧値out_s1(n)として保持される。そして、hshiht(n)信号がハイレベルになると、容量素子Cにより保持されていた電圧値out_s1(n)が配線Hline_s1へ出力される。この電圧値out_s1(n)が、画素部Pm,nのフォトダイオードPDで発生した電荷の量に応じた電圧値V1m,nを表す。
Each hold circuit H1 , n included in the
第2ホールド部25に含まれる各ホールド回路H2,nは、容量素子Cおよび2つのスイッチSW1,SW2を含む。このホールド回路H2,nでは、スイッチSW1およびスイッチSW2は、直列的に接続されて積分回路Inの出力端子と配線Hline_s2との間に設けられ、容量素子Cの一端は、スイッチSW1とスイッチSW2との間の接続点に接続され、容量素子Cの他端は接地されている。スイッチSW1は、制御部63から供給されるset_s2信号のレベルに応じて開閉する。set_s2信号は、第2ホールド部25に含まれるN個のホールド回路H2,1〜H2,Nに対して共通に入力される。スイッチSW2は、制御部63から供給されるhshiht(n)信号のレベルに応じて開閉する。set_s2信号がハイレベルからローレベルに転じるときに積分回路Inから出力されていた電圧値が、それ以降、容量素子Cにより電圧値out_s2(n)として保持される。そして、hshiht(n)信号がハイレベルになると、容量素子Cにより保持されていた電圧値out_s2(n)が配線Hline_s2へ出力される。この電圧値out_s2(n)が、画素部Pm,nのフォトダイオードPDで発生した電荷の量に応じた電圧値V2m,nを表す。
Each hold circuit H2 , n included in the
図16は、第3実施形態に係る固体撮像装置3に含まれる出力選択部33の構成図である。この出力選択部33は、積分回路331、積分回路332、比較回路333、ラッチ回路334、論理反転回路335、スイッチSW30およびスイッチSW40を含む。
FIG. 16 is a configuration diagram of the
積分回路331および積分回路332それぞれは、図15中の積分回路Inと同様の回路構成を有している。積分回路331の入力端子は、配線Hline_s1と接続されていて、ホールド回路H1,nから配線Hline_s1へ出力される電圧値out_s1(n)を入力して、電圧値V1m,nを出力する。積分回路332の入力端子は、配線Hline_s2と接続されていて、ホールド回路H2,nから配線Hline_s2へ出力される電圧値out_s2(n)を入力して、電圧値V2m,nを出力する。
Each integrating
比較回路333は、積分回路331から出力される電圧値V1m,nと基準電圧値Vsatとを大小比較して、その比較結果を示すmode_out信号を出力する。ラッチ回路334は、比較回路333から出力されるmode_out信号を入力し、そのmode_out信号を一定期間に亘って保持して出力する。論理反転回路335は、ラッチ回路334から出力されるmode_out信号を入力して論理反転し、その反転後の信号を出力する。
The
スイッチSW30は、一端が積分回路331の出力端に接続されていて、ラッチ回路334から出力されるmode_out信号に基づいて開閉動作する。スイッチSW40は、一端が積分回路332の出力端に接続されていて、論理反転回路335から出力される信号(mode_out信号の反転信号)に基づいて開閉動作する。スイッチSW30およびスイッチSW40のうち一方が開状態であるときには他方が閉状態であり、スイッチSW30の他端とスイッチSW40の他端とは互いに接続されていて、その接続点から出力されるvideo_a信号は、電圧値V1m,nおよび電圧値V2m,nの何れか一方となる。
One end of the switch SW30 is connected to the output terminal of the integrating
したがって、この出力選択部33から出力されるvideo_a信号は、電圧値V1m,nが基準電圧値Vsat未満であるときには電圧値V1m,nとなり、そうでないときには電圧値V2m,nとなる。ここで、基準電圧値Vsatは、電圧値V1m,nが飽和しているか否かを比較回路333において判定できるよう適切な値に設定される。AD変換部40は、出力選択部33から出力されるvideo_a信号を入力して、この信号の電圧値(アナログ値)をデジタル値に変換して、このデジタル値video_dataを出力する。
Therefore, Video_a signal outputted from the
次に、第3実施形態に係る固体撮像装置3の動作について説明する。第3実施形態に係る固体撮像装置3の動作を説明するタイミングチャートは、図7に示されたタイミングチャートと同様である。
Next, the operation of the solid-
受光部13において、各行のN個の画素部は同一タイミングで動作するが、行間では一定時間づつ異なるタイミングで動作する。そして、受光部13における第1行〜第M行それぞれについて順次に以下のような動作が行われる。
In the
第m行の各画素部Pm,nのフォトダイオードは、第1期間T1に亘る光入射に応じた電荷蓄積動作、第1期間T1の後の初期化動作、第2期間T2に亘る光入射に応じた電荷蓄積動作、および、第2期間T2の後の初期化動作、を繰り返し行う。ただし、第1期間T1より第2期間T2が短い。 The photodiode of each pixel unit P m, n in the m-th row has a charge accumulation operation corresponding to light incidence over the first period T1, an initialization operation after the first period T1, and light incidence over the second period T2. The charge accumulation operation according to the above and the initialization operation after the second period T2 are repeated. However, the second period T2 is shorter than the first period T1.
第1期間T1に亘る光入射に応じて第m行の各画素部Pm,nのフォトダイオードで発生した電荷は配線Vline(n)を経て積分回路Inに入力されて、この電荷量に応じた電圧値が積分回路Inから出力される。積分回路Inから出力された電圧値は、第1ホールド部24に入力されて、電圧値V1m,n(out_s1(n))として第1ホールド部24のホールド回路H1,nにより保持される。この第1期間T1の後に第m行の各画素部Pm,nは初期化される、
この初期化の後に、第1期間T1より短い第2期間T2に亘る光入射に応じて第m行の各画素部Pm,nのフォトダイオードで発生した電荷は配線Vline(n)を経て積分回路Inに入力されて、この電荷量に応じた電圧値が積分回路Inから出力される。積分回路Inから出力された電圧値は、第2ホールド部25に入力されて、電圧値V2m,n(out_s2(n))として第2ホールド部25のホールド回路H2,nにより保持される。この第2期間T2の後に第m行の各画素部Pm,nは初期化される、
第1ホールド部24により保持された電圧値V1m,nは、配線Hline_s1を経て出力選択部33に入力される。第2ホールド部25により保持された電圧値V2m,nは、配線Hline_s2を経て出力選択部33に入力される。出力選択部33には、先ず電圧値V1m,1および電圧値V2m,1が入力され、次に電圧値V1m,2および電圧値V2m,2が入力され、更に次に電圧値V1m,3および電圧値V2m,3が入力され、・・・というように、第1列から第N列へ順に電圧値V1m,n,V2m,nが入力される。そして、電圧値V1m,nまたは電圧値V2m,nが出力選択部33から選択的に出力される。
Each pixel portion P m of the m-th row in response to light incident over a first period T1, the charge generated in the n photodiode is input to the integrating circuit I n via the wiring Vline (n), to the amount of charge depending voltage value is output from the integrating circuit I n. Voltage value output from the integrating circuit I n is input to the first holding
After this initialization, the charges generated in the photodiodes of the pixel portions P m, n in the m-th row in response to light incidence over the second period T2 shorter than the first period T1 are integrated via the wiring Vline (n). is input to the circuit I n, the voltage value corresponding to the electric charge amount is output from the integrating circuit I n. Voltage value output from the integrating circuit I n is input to the
The voltage value V1 m, n held by the
出力選択部33から出力されるvideo_a信号の値は、電圧値V1m,nが基準電圧値Vsat未満であるとき(すなわち、電圧値V1m,nが飽和していないとき)電圧値V1m,nとなり、そうでないときには電圧値V2m,nとなる。前述したように、電圧値V1m,nは、比較的長い第1期間T1に亘る光入射に応じて画素部Pm,nのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値であり、電圧値V2m,nは、比較的短い第2期間T2に亘る光入射に応じて画素部Pm,nのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値である。
The value of the video_a signal output from the
光入射強度が比較的小さい場合には、電荷蓄積時間が比較的長くでも、電圧値V1m,nが飽和しないので、この電圧値V1m,nが選択される。光入射強度が比較的大きい場合には、電圧値V1m,nが飽和するので、電圧値V2m,nが選択される。したがって、この固体撮像装置3は、複数の画素部それぞれについてダイナミックレンジが拡大される。また、この固体撮像装置3は、フレームメモリを必要とせず、小規模の回路を追加しただけであるので、小型化が可能で安価なものとすることができる。
When the light incident intensity is relatively small, the voltage value V1 m, n is not saturated even if the charge accumulation time is relatively long, so this voltage value V1 m, n is selected. When the light incident intensity is relatively high, the voltage value V1 m, n is saturated, so the voltage value V2 m, n is selected. Therefore, in the solid-
また、この固体撮像装置3では、比較的長い第1期間T1に亘って電荷蓄積をした後に比較的短い第2期間T2に亘って電荷蓄積をすることにより、第1ホールド部24および第2ホールド部25それぞれの電圧値保持タイミングの差が小さい。また、その後、出力選択部33による処理が完了するまでに、第1ホールド部24および第2ホールド部25それぞれが電圧値を保持しておく時間が短い。したがって、この点でも、追加回路の規模が小さくて済む。
Further, in the solid-
(変形例)
上記の第1実施形態に係る固体撮像装置1は2つのホールド部を備えるAPS方式のものであり、第2実施形態に係る固体撮像装置2は3つのホールド部を備えるAPS方式のものであり、第3実施形態に係る固体撮像装置3は2つのホールド部を備えるPPS方式のものであった。本発明に係る固体撮像装置は3つのホールド部を備えるPPS方式のものであってもよい。
(Modification)
The solid-
1〜3…固体撮像装置、11,13…受光部、20…積分部、21…第1ホールド部、22…第2ホールド部、23…第3ホールド部、24…第1ホールド部、25…第2ホールド部、31〜33…出力選択部、40…AD変換部、50…バイアス部、61〜63…制御部。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1-3 ... Solid-
Claims (2)
前記受光部における何れかの第m行のN個の画素部Pm,1〜Pm,Nそれぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値V1m,1〜V1m,Nとして保持し出力する第1ホールド部と、
前記受光部における何れかの第m行のN個の画素部Pm,1〜Pm,Nそれぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値V2m,1〜V2m,Nとして保持し出力する第2ホールド部と、
前記受光部における何れかの第m行のN個の画素部Pm,1〜Pm,Nそれぞれのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値V3m,1〜V3m,Nとして保持し出力する第3ホールド部と、
前記第1ホールド部または前記第2ホールド部から出力されるN個の電圧値V1m,1〜V1m,NまたはN個の電圧値V2m,1〜V2m,Nと、前記第3ホールド部から出力されるN個の電圧値V3m,1〜V3m,Nとを入力し、電圧値V1m,nまたは電圧値V2m,nと基準電圧値Vsatとを大小比較して、その比較結果を示す信号を出力するとともに、電圧値V1m,nまたは電圧値V2m,nが基準電圧値Vsat未満であるときには電圧値V1m,nまたは電圧値V2m,nを選択的に出力し、そうでないときには電圧値V3m,nを選択的に出力する出力選択部と、
前記受光部,前記第1ホールド部,前記第2ホールド部,前記第3ホールド部および前記出力選択部それぞれの動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部が、前記受光部における第1行〜第M行それぞれについて順次に、
第1期間に亘る光入射に応じて第m行の各画素部Pm,nのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を、m値が奇数のときには電圧値V1 m,n として前記第1ホールド部により保持させ、m値が偶数のときには電圧値V2 m,n として前記第2ホールド部により保持させ、
この第1期間の後に第m行の各画素部Pm,nを初期化し、
この初期化の後に前記第1期間より短い第2期間に亘る光入射に応じて第m行の各画素部Pm,nのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた電圧値を電圧値V3m,nとして前記第3ホールド部により保持させ、
m値が奇数のときには、前記第1ホールド部により保持された電圧値V1 m,n および前記第3ホールド部により保持された電圧値V3 m,n を前記出力選択部に入力させて、電圧値V1 m,n または電圧値V3 m,n を前記出力選択部から選択的に出力させ、m値が偶数のときには、前記第2ホールド部により保持された電圧値V2 m,n および前記第3ホールド部により保持された電圧値V3 m,n を前記出力選択部に入力させて、電圧値V2 m,n または電圧値V3 m,n を前記出力選択部から選択的に出力させる、
ことを特徴とする固体撮像装置(M,Nは2以上の整数、mは1以上M以下の任意の整数、nは1以上N以下の任意の整数)。 A light-receiving unit including pixel units P 1,1 to P M, N each having two-dimensionally arranged in M rows and N columns, each having a photodiode that generates an amount of charge corresponding to the amount of incident light;
N pixel portions P m of the m-th row of one of the light receiving unit, 1 to P m, the voltage value a voltage value corresponding to the amount of charges generated in the N respective photodiodes V1 m, 1 ~V1 m , N to hold and output, and
N pixel portions P m of one of the m-th row in the light receiving unit, 1 to P m, the voltage value a voltage value corresponding to the amount of charges generated in the N respective photodiodes V2 m, 1 to V2 m , N , and a second hold unit for outputting as N
N pixel portions P m of the m-th row of one of the light receiving unit, 1 to P m, the voltage value a voltage value corresponding to the amount of charges generated in the N respective photodiodes V3 m, 1 to V3 m , N , and a third hold unit that outputs as N
N voltage values V1 m, 1 to V1 m, N or N voltage values V2 m, 1 to V2 m, N output from the first hold unit or the second hold unit , and the third hold n voltage value output from the section V3 m, 1 to V3 m, inputs the n, the voltage value V1 m, n or voltage value V2 m, and n and the reference voltage value Vsat and compares its A signal indicating the comparison result is output, and when the voltage value V1 m, n or the voltage value V2 m, n is less than the reference voltage value Vsat, the voltage value V1 m, n or the voltage value V2 m, n is selectively output. Otherwise, an output selection unit that selectively outputs the voltage value V3 m, n ;
A control unit that controls operations of the light receiving unit, the first hold unit, the second hold unit, the third hold unit, and the output selection unit;
With
The control unit sequentially for each of the first to Mth rows in the light receiving unit,
Each pixel portion P m of the m-th row in response to light incident over a first period, a voltage value corresponding to the amount of charges generated in the n photodiode, the voltage value when m value is an odd number V1 m, as n Held by the first hold unit, and when the m value is an even number, the voltage value V2 m, n is held by the second hold unit,
After this first period, each pixel unit P m, n in the m-th row is initialized,
After this initialization, a voltage value corresponding to the amount of electric charge generated in the photodiode of each pixel unit P m, n in the m-th row in response to light incidence over a second period shorter than the first period is a voltage value V3. m, n are held by the third hold unit,
When the m value is an odd number, the voltage value V1 m, n held by the first hold unit and the voltage value V3 m, n held by the third hold unit are input to the output selection unit, and the voltage value V1 m, n or voltage value V3 m, n is selectively output from the output selection unit. When the m value is an even number, the voltage value V2 m, n held by the second hold unit and the third hold The voltage value V3 m, n held by the unit is input to the output selection unit, and the voltage value V2 m, n or the voltage value V3 m, n is selectively output from the output selection unit,
(M and N are integers greater than or equal to 2, m is an arbitrary integer between 1 and M, and n is an arbitrary integer between 1 and N).
The light receiving portion, said first holding portion, the second holding portion, the third holding section and the output selection portion is formed monolithically on a common substrate, according to claim 1, wherein the Solid-state imaging device.
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