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JP7567892B2 - Image sensor and image pickup device - Google Patents
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Description

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

裏面照射型撮像チップと信号処理チップとが積層された撮像素子(以下、積層型撮像素子という)を備えた電子機器が提案されている(特許文献1参照)。積層型撮像素子は、裏面照射型撮像チップと信号処理チップとが、所定の領域ごとにマイクロバンプを介して接続されるように積層されている。 An electronic device has been proposed that includes an imaging element in which a back-illuminated imaging chip and a signal processing chip are stacked (hereinafter, referred to as a stacked imaging element) (see Patent Document 1). In the stacked imaging element, the back-illuminated imaging chip and the signal processing chip are stacked so that they are connected via microbumps in each predetermined area.

特開2006-49361号公報JP 2006-49361 A

従来の積層型撮像素子を備えた電子機器において、1または2以上の上記領域を有するブロックに画像を分けて、該ブロックごとに撮像画像を取得する提案は多くなく、積層型撮像素子を備えた電子機器の使い勝手が十分とはいえなかった。さらに、異なる露光条件で別々に撮像した複数枚の画像を合成する従来技術では、動いている被写体の撮影に不向きであった。 In conventional electronic devices equipped with stacked imaging elements, there have been few proposals to divide an image into blocks having one or more of the above-mentioned regions and capture an image for each block, and electronic devices equipped with stacked imaging elements have not been easy to use. Furthermore, conventional technology that combines multiple images captured separately under different exposure conditions is not suitable for capturing images of moving subjects.

発明の第1の態様による撮像素子は、積層された複数の半導体基板を備える撮像素子であって、前記複数の半導体基板は、光を電荷に変換する第1光電変換部と、光を電荷に変換する光電変換部であって、行方向において前記第1光電変換部と並んで配置される第2光電変換部と、光を電荷に変換する光電変換部であって、列方向において前記第1光電変換部と並んで配置される第3光電変換部と、記第1光電変換部で変換された電荷に基づく第1信号をデジタル信号に変換する第1変換部と、前記第2光電変換部で変換された電荷に基づく第2信号をデジタル信号に変換する第2変換部と、前記第3光電変換部で変換された電荷に基づく第3信号をデジタル信号に変換する第3変換部と、前記第1変換部でデジタル信号に変換された前記第1信号を用い第1加算処理を行う第1加算器と、前記第2変換部でデジタル信号に変換された前記第2信号を用い第2加算処理を行う第2加算器と、前記第3変換部でデジタル信号に変換された前記第3信号を用い第3加算処理を行う第3加算器と、前記第1加算処理が行われた信号を格納する第1格納部と、前記第2加算処理が行われた信号を格納する第2格納部と、前記第3加算処理が行われた信号を格納する第3格納部とを有し、前記第1光電変換部前記第2光電変換部および前記第3光電変換部は、前記複数の半導体基板のうち第1半導体基板に配置され、前記第1加算器、前記第2加算器、前記第3加算器、前記第1格納部、前記第2格納部および前記第3格納部は、前記複数の半導体基板のうち前記第1半導体基板とは異なる半導体基板に配置される。
発明の第2の態様による撮像装置は、第1の態様による撮像素子を備える。
An imaging element according to a first aspect of the invention is an imaging element including a plurality of stacked semiconductor substrates, the plurality of semiconductor substrates including a first photoelectric conversion unit that converts light into electric charges, a second photoelectric conversion unit that converts light into electric charges and that is arranged alongside the first photoelectric conversion unit in the row direction, a third photoelectric conversion unit that converts light into electric charges and that is arranged alongside the first photoelectric conversion unit in the column direction, a first conversion unit that converts a first signal based on the charges converted by the first photoelectric conversion unit into a digital signal, a second conversion unit that converts a second signal based on the charges converted by the second photoelectric conversion unit into a digital signal, a third conversion unit that converts a third signal based on the charges converted by the third photoelectric conversion unit into a digital signal, and a digital signal conversion unit that converts the first signal converted into a digital signal by using the first conversion unit. the first photoelectric conversion unit, the second photoelectric conversion unit, and the third photoelectric conversion unit are disposed on a first semiconductor substrate among the plurality of semiconductor substrates, and the first adder, the second adder, the third adder, the first storage unit, the second storage unit, and the third storage unit are disposed on a semiconductor substrate different from the first semiconductor substrate among the plurality of semiconductor substrates .
An imaging device according to a second aspect of the invention comprises the imaging element according to the first aspect.

本発明によれば、光電変換データを適切に処理できる。 According to the present invention, photoelectric conversion data can be appropriately processed.

積層型撮像素子の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a stacked imaging element. 撮像チップの画素配列と単位領域を説明する図である。2 is a diagram illustrating a pixel array and a unit area of an imaging chip. FIG. 撮像チップの単位領域に対応する回路図である。3 is a circuit diagram corresponding to a unit area of the imaging chip. FIG. 撮像素子の機能的構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a functional configuration of an imaging element. 1画素当たりの画素信号の流れを説明する図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the flow of a pixel signal per pixel. 撮像素子を有する撮像装置の構成を例示するブロック図である。FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of an imaging device having an imaging element. 撮像素子における注目領域および周辺領域を例示する図である。2 is a diagram illustrating an example of a region of interest and a peripheral region in an imaging element; 読み出しタイミング、蓄積信号、および演算回路を介して撮像素子から読み出される画素信号を説明する図である。3A to 3C are diagrams for explaining readout timing, an accumulation signal, and a pixel signal read out from an image sensor via an arithmetic circuit. 第一の実施形態の制御部が実行する撮影動作の流れを説明するフローチャートである。5 is a flowchart illustrating a flow of a photographing operation executed by a control unit according to the first embodiment. 第二の実施形態の制御部が実行する撮影動作の流れを説明するフローチャートである。10 is a flowchart illustrating a flow of a photographing operation executed by a control unit according to a second embodiment.

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
(第一の実施形態)
<積層型撮像素子の説明>
始めに、本発明の第一の実施形態による電子機器(例えば撮像装置1)に搭載する積層型撮像素子100について説明する。なお、この積層型撮像素子100は、本願出願人が先に出願した特願2012-139026号に記載されているものである。図1は、積層型撮像素子100の断面図である。撮像素子100は、入射光に対応した画素信号を出力する裏面照射型撮像チップ113と、画素信号を処理する信号処理チップ111と、画素信号を記憶するメモリチップ112とを備える。これら撮像チップ113、信号処理チップ111およびメモリチップ112は積層されており、Cu等の導電性を有するバンプ109により互いに電気的に接続される。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
First Embodiment
<Explanation of stacked image sensor>
First, a stacked imaging element 100 mounted on an electronic device (e.g., imaging device 1) according to a first embodiment of the present invention will be described. The stacked imaging element 100 is described in Japanese Patent Application No. 2012-139026, previously filed by the applicant of the present application. FIG. 1 is a cross-sectional view of the stacked imaging element 100. The imaging element 100 includes a back-illuminated imaging chip 113 that outputs pixel signals corresponding to incident light, a signal processing chip 111 that processes the pixel signals, and a memory chip 112 that stores the pixel signals. The imaging chip 113, the signal processing chip 111, and the memory chip 112 are stacked and electrically connected to each other by conductive bumps 109 such as Cu.

なお、図示するように、入射光は主に白抜き矢印で示すZ軸プラス方向へ向かって入射する。本実施形態においては、撮像チップ113において、入射光が入射する側の面を裏面と称する。また、座標軸に示すように、Z軸に直交する紙面左方向をX軸プラス方向、Z軸およびX軸に直交する紙面手前方向をY軸プラス方向とする。以降のいくつかの図においては、図1の座標軸を基準として、それぞれの図の向きがわかるように座標軸を表示する。 As shown in the figure, incident light is mainly incident in the positive direction of the Z axis, as indicated by the white arrow. In this embodiment, the surface of the imaging chip 113 on which the incident light is incident is referred to as the back surface. Also, as shown on the coordinate axes, the left direction on the paper, perpendicular to the Z axis, is the positive X axis, and the front direction on the paper, perpendicular to the Z axis and the X axis, is the positive Y axis. In the following figures, the coordinate axes are displayed so that the orientation of each figure can be understood, based on the coordinate axes in Figure 1.

撮像チップ113の一例は、裏面照射型のMOSイメージセンサである。PD層106は、配線層108の裏面側に配されている。PD層106は、二次元的に配され、入射光に応じた電荷を蓄積する複数のPD(フォトダイオード)104、および、PD104に対応して設けられたトランジスタ105を有する。 One example of the imaging chip 113 is a back-illuminated MOS image sensor. The PD layer 106 is arranged on the back side of the wiring layer 108. The PD layer 106 has a plurality of PDs (photodiodes) 104 arranged two-dimensionally and storing electric charges according to incident light, and transistors 105 provided corresponding to the PDs 104.

PD層106における入射光の入射側にはパッシベーション膜103を介してカラーフィルタ102が設けられる。カラーフィルタ102は、互いに異なる波長領域を透過する複数の種類を有しており、PD104のそれぞれに対応して特定の配列を有している。カラーフィルタ102の配列については後述する。カラーフィルタ102、PD104およびトランジスタ105の組が、一つの画素を形成する。 A color filter 102 is provided on the incident light side of the PD layer 106 via a passivation film 103. There are multiple types of color filters 102 that transmit different wavelength ranges, and each has a specific arrangement corresponding to each PD 104. The arrangement of the color filters 102 will be described later. A combination of a color filter 102, a PD 104, and a transistor 105 forms one pixel.

カラーフィルタ102における入射光の入射側には、それぞれの画素に対応して、マイクロレンズ101が設けられる。マイクロレンズ101は、対応するPD104へ向けて入射光を集光する。 A microlens 101 is provided on the incident light side of the color filter 102, corresponding to each pixel. The microlens 101 focuses the incident light toward the corresponding PD 104.

配線層108は、PD層106からの画素信号を信号処理チップ111に伝送する配線107を有する。配線107は多層であってもよく、また、受動素子および能動素子が設けられてもよい。 The wiring layer 108 has wiring 107 that transmits pixel signals from the PD layer 106 to the signal processing chip 111. The wiring 107 may be multi-layered and may include passive and active elements.

配線層108の表面には複数のバンプ109が配される。当該複数のバンプ109が信号処理チップ111の対向する面に設けられた複数のバンプ109と位置合わせされて、撮像チップ113と信号処理チップ111とが加圧等されることにより、位置合わせされたバンプ109同士が接合されて、電気的に接続される。 A number of bumps 109 are arranged on the surface of the wiring layer 108. The bumps 109 are aligned with the bumps 109 provided on the opposing surface of the signal processing chip 111, and the imaging chip 113 and the signal processing chip 111 are pressed together, etc., so that the aligned bumps 109 are joined together and electrically connected.

同様に、信号処理チップ111およびメモリチップ112の互いに対向する面には、複数のバンプ109が配される。これらのバンプ109が互いに位置合わせされて、信号処理チップ111とメモリチップ112とが加圧等されることにより、位置合わせされたバンプ109同士が接合されて、電気的に接続される。 Similarly, a number of bumps 109 are arranged on the opposing surfaces of the signal processing chip 111 and the memory chip 112. These bumps 109 are aligned with each other, and the signal processing chip 111 and the memory chip 112 are pressed together, etc., so that the aligned bumps 109 are bonded together and electrically connected.

なお、バンプ109間の接合には、固相拡散によるCuバンプ接合に限らず、はんだ溶融によるマイクロバンプ結合を採用してもよい。また、バンプ109は、例えば後述する一つの単位領域に対して一つ程度設ければよい。したがって、バンプ109の大きさは、PD104のピッチよりも大きくてもよい。また、画素が配列された画素領域以外の周辺領域において、画素領域に対応するバンプ109よりも大きなバンプを併せて設けてもよい。 The bonding between the bumps 109 is not limited to Cu bump bonding by solid-phase diffusion, but may also employ micro-bump bonding by solder melting. Also, it is sufficient to provide one bump 109 for each unit area, which will be described later. Therefore, the size of the bump 109 may be larger than the pitch of the PD 104. Also, in a peripheral area other than the pixel area where the pixels are arranged, a bump larger than the bump 109 corresponding to the pixel area may also be provided.

信号処理チップ111は、表裏面にそれぞれ設けられた回路を互いに接続するTSV(シリコン貫通電極)110を有する。TSV110は、周辺領域に設けられることが好ましい。また、TSV110は、撮像チップ113の周辺領域、メモリチップ112にも設けられてよい。 The signal processing chip 111 has through silicon vias (TSVs) 110 that connect the circuits provided on the front and back surfaces of the chip. The TSVs 110 are preferably provided in the peripheral region. The TSVs 110 may also be provided in the peripheral region of the imaging chip 113 and in the memory chip 112.

図2は、撮像チップ113の画素配列と単位領域131を説明する図である。特に、撮像チップ113を裏面側から観察した様子を示す。画素領域には例えば2000万個以上もの画素がマトリックス状に配列されている。本実施形態においては、例えば隣接する4画素×4画素の16画素が一つの単位領域131を形成する。図の格子線は、隣接する画素がグループ化されて単位領域131を形成する概念を示す。単位領域131を形成する画素の数は、これに限られず1000個程度、例えば32画素×64画素でもよいし、それ以上でもそれ以下でもよい。 Figure 2 is a diagram illustrating the pixel array of the imaging chip 113 and the unit area 131. In particular, it shows the imaging chip 113 observed from the back side. For example, more than 20 million pixels are arranged in a matrix in the pixel area. In this embodiment, for example, 16 pixels, 4 pixels x 4 adjacent pixels, form one unit area 131. The grid lines in the figure show the concept of forming the unit area 131 by grouping adjacent pixels. The number of pixels forming the unit area 131 is not limited to this, and may be around 1000, for example 32 pixels x 64 pixels, or it may be more or less than that.

画素領域の部分拡大図に示すように、単位領域131は、緑色画素Gb、Gr、青色画素Bおよび赤色画素Rの4画素から成るいわゆるベイヤー配列を、上下左右に4つ内包する。緑色画素は、カラーフィルタ102として緑色フィルタを有する画素であり、入射光のうち緑色波長帯の光を受光する。同様に、青色画素は、カラーフィルタ102として青色フィルタを有する画素であって青色波長帯の光を受光し、赤色画素は、カラーフィルタ102として赤色フィルタを有する画素であって赤色波長帯の光を受光する。 As shown in the partially enlarged view of the pixel region, the unit region 131 contains four so-called Bayer arrays, each consisting of four pixels: green pixels Gb, Gr, blue pixel B, and red pixel R, arranged vertically and horizontally. The green pixels are pixels that have a green filter as the color filter 102 and receive light in the green wavelength band of the incident light. Similarly, the blue pixels are pixels that have a blue filter as the color filter 102 and receive light in the blue wavelength band, and the red pixels are pixels that have a red filter as the color filter 102 and receive light in the red wavelength band.

本実施形態において、1ブロックにつき単位領域131を少なくとも1つ含むように複数のブロックが定義され、各ブロックはそれぞれ異なる制御パラメータで各ブロックに含まれる画素を制御できる。つまり、あるブロックに含まれる画素群と、別のブロックに含まれる画素群とで、撮像条件が異なる撮像信号を取得できる。制御パラメータの例は、フレームレート、ゲイン、間引き率、画素信号を加算する加算行数または加算列数、電荷の蓄積時間または蓄積回数、デジタル化のビット数等である。さらに、制御パラメータは、画素からの画像信号取得後の画像処理におけるパラメータであってもよい。 In this embodiment, multiple blocks are defined so that each block includes at least one unit area 131, and each block can control the pixels included in the block with different control parameters. In other words, imaging signals with different imaging conditions can be obtained for a pixel group included in one block and a pixel group included in another block. Examples of control parameters include frame rate, gain, thinning rate, number of summation rows or number of summation columns for adding pixel signals, charge accumulation time or number of accumulations, number of digitization bits, etc. Furthermore, the control parameters may be parameters for image processing after image signals are obtained from the pixels.

図3は、撮像チップ113の単位領域131に対応する回路図である。図3において、代表的に点線で囲む矩形が、1画素に対応する回路を表す。なお、以下に説明する各トランジスタの少なくとも一部は、図1のトランジスタ105に対応する。 Figure 3 is a circuit diagram corresponding to unit area 131 of imaging chip 113. In Figure 3, a rectangle surrounded by a dotted line typically represents a circuit corresponding to one pixel. Note that at least some of the transistors described below correspond to transistor 105 in Figure 1.

上述のように、単位領域131は、16画素から形成される。それぞれの画素に対応する16個のPD104は、それぞれ転送トランジスタ302に接続され、各転送トランジスタ302の各ゲートには、転送パルスが供給されるTX配線307に接続される。本実施形態において、TX配線307は、16個の転送トランジスタ302に対して共通接続される。 As described above, the unit region 131 is formed of 16 pixels. The 16 PDs 104 corresponding to each pixel are each connected to a transfer transistor 302, and each gate of each transfer transistor 302 is connected to a TX wiring 307 to which a transfer pulse is supplied. In this embodiment, the TX wiring 307 is commonly connected to the 16 transfer transistors 302.

各転送トランジスタ302のドレインは、対応する各リセットトランジスタ303のソースに接続されると共に、転送トランジスタ302のドレインとリセットトランジスタ303のソース間のいわゆるフローティングディフュージョンFDが増幅トランジスタ304のゲートに接続される。リセットトランジスタ303のドレインは電源電圧が供給されるVdd配線310に接続され、そのゲートはリセットパルスが供給されるリセット配線306に接続される。本実施形態において、リセット配線306は、16個のリセットトランジスタ303に対して共通接続される。 The drain of each transfer transistor 302 is connected to the source of the corresponding reset transistor 303, and the so-called floating diffusion FD between the drain of the transfer transistor 302 and the source of the reset transistor 303 is connected to the gate of the amplification transistor 304. The drain of the reset transistor 303 is connected to a Vdd wiring 310 to which a power supply voltage is supplied, and its gate is connected to a reset wiring 306 to which a reset pulse is supplied. In this embodiment, the reset wiring 306 is commonly connected to the 16 reset transistors 303.

各々の増幅トランジスタ304のドレインは、電源電圧が供給されるVdd配線310に接続される。また、各々の増幅トランジスタ304のソースは、対応する各々の選択トランジスタ305のドレインに接続される。選択トランジスタ305の各ゲートは、選択パルスが供給されるデコーダ配線308に接続される。本実施形態において、デコーダ配線308は、16個の選択トランジスタ305に対してそれぞれ独立に設けられる。そして、各々の選択トランジスタ305のソースは、共通の出力配線309に接続される。負荷電流源311は、出力配線309に電流を供給する。すなわち、選択トランジスタ305に対する出力配線309は、ソースフォロアにより形成される。なお、負荷電流源311は、撮像チップ113側に設けてもよいし、信号処理チップ111側に設けてもよい。 The drain of each amplification transistor 304 is connected to a Vdd wiring 310 to which a power supply voltage is supplied. The source of each amplification transistor 304 is connected to the drain of the corresponding selection transistor 305. The gate of each selection transistor 305 is connected to a decoder wiring 308 to which a selection pulse is supplied. In this embodiment, the decoder wiring 308 is provided independently for each of the 16 selection transistors 305. The source of each selection transistor 305 is connected to a common output wiring 309. The load current source 311 supplies a current to the output wiring 309. In other words, the output wiring 309 for the selection transistor 305 is formed by a source follower. The load current source 311 may be provided on the imaging chip 113 side or on the signal processing chip 111 side.

ここで、電荷の蓄積開始から蓄積終了後の画素出力までの流れを説明する。リセット配線306を通じてリセットパルスがリセットトランジスタ303に印加され、同時にTX配線307を通じて転送パルスが転送トランジスタ302に印加されると、PD104およびフローティングディフュージョンFDの電位がリセットされる。 Here, we will explain the flow from the start of charge accumulation to pixel output after accumulation ends. When a reset pulse is applied to the reset transistor 303 via the reset wiring 306 and at the same time a transfer pulse is applied to the transfer transistor 302 via the TX wiring 307, the potentials of the PD 104 and the floating diffusion FD are reset.

PD104は、転送パルスの印加が解除されると、受光する入射光を電荷に変換して蓄積する。その後、リセットパルスが印加されていない状態で再び転送パルスが印加されると、蓄積された電荷はフローティングディフュージョンFDへ転送され、フローティングディフュージョンFDの電位は、リセット電位から電荷蓄積後の信号電位になる。そして、デコーダ配線308を通じて選択パルスが選択トランジスタ305に印加されると、フローティングディフュージョンFDの信号電位の変動が、増幅トランジスタ304および選択トランジスタ305を介して出力配線309に伝わる。これにより、リセット電位と信号電位とに対応する画素信号は、単位画素から出力配線309に出力される。 When the transfer pulse is released, PD 104 converts the incident light it receives into electric charge and accumulates it. When the transfer pulse is then applied again without the reset pulse being applied, the accumulated electric charge is transferred to the floating diffusion FD, and the potential of the floating diffusion FD changes from the reset potential to the signal potential after charge accumulation. Then, when a selection pulse is applied to the selection transistor 305 via the decoder wiring 308, the fluctuation in the signal potential of the floating diffusion FD is transmitted to the output wiring 309 via the amplification transistor 304 and the selection transistor 305. As a result, a pixel signal corresponding to the reset potential and the signal potential is output from the unit pixel to the output wiring 309.

図3に示すように、本実施形態においては、単位領域131を形成する16画素に対して、リセット配線306とTX配線307が共通である。すなわち、リセットパルスと転送パルスはそれぞれ、16画素全てに対して同時に印加される。したがって、単位領域131を形成する全ての画素は、同一のタイミングで電荷蓄積を開始し、同一のタイミングで電荷蓄積を終了する。ただし、蓄積された電荷に対応する画素信号は、それぞれの選択トランジスタ305に選択パルスが順次印加されることにより、選択的に出力配線309から出力される。また、リセット配線306、TX配線307、出力配線309は、単位領域131毎に別個に設けられる。 As shown in FIG. 3, in this embodiment, the reset wiring 306 and the TX wiring 307 are common to the 16 pixels that form the unit area 131. That is, the reset pulse and the transfer pulse are each applied simultaneously to all 16 pixels. Therefore, all pixels that form the unit area 131 start and end charge accumulation at the same timing. However, pixel signals corresponding to the accumulated charges are selectively output from the output wiring 309 by sequentially applying selection pulses to the respective selection transistors 305. In addition, the reset wiring 306, the TX wiring 307, and the output wiring 309 are provided separately for each unit area 131.

このように単位領域131を基準として回路を構成することにより、単位領域131ごとに電荷蓄積時間を制御することができる。換言すると、単位領域131間で、異なったフレームレートによる画素信号をそれぞれ出力させることができる。更に言えば、一方の単位領域131に1回の電荷蓄積を行わせている間に、他方の単位領域131に何回もの電荷蓄積を繰り返させてその都度画素信号を出力させることにより、これらの単位領域131間で異なるフレームレートで動画用の各フレームを出力することもできる。 In this way, by configuring the circuit based on the unit area 131, the charge accumulation time can be controlled for each unit area 131. In other words, pixel signals at different frame rates can be output between the unit areas 131. Furthermore, while one unit area 131 is performing a single charge accumulation, the other unit area 131 is caused to repeatedly accumulate charge and output a pixel signal each time, so that each frame for a video can be output at different frame rates between these unit areas 131.

図4は、撮像素子100の機能的構成を示すブロック図である。アナログのマルチプレクサ411は、単位領域131を形成する16個のPD104を順番に選択して、それぞれの画素信号を当該単位領域131に対応して設けられた出力配線309へ出力させる。マルチプレクサ411は、PD104と共に、撮像チップ113に形成される。 Figure 4 is a block diagram showing the functional configuration of the image sensor 100. An analog multiplexer 411 sequentially selects the 16 PDs 104 that form a unit area 131 and outputs each pixel signal to an output wiring 309 provided corresponding to the unit area 131. The multiplexer 411 is formed in the image sensor chip 113 together with the PDs 104.

マルチプレクサ411を介して出力された画素信号は、信号処理チップ111に形成された、相関二重サンプリング(CDS)・アナログ/デジタル(A/D)変換を行う信号処理回路412により、CDSおよびA/D変換が行われる。A/D変換された画素信号は、デマルチプレクサ413に引き渡される。デマルチプレクサ413から出力された画素信号は、それぞれの画素に対応する加算器416へ入力される。加算器416は、それぞれの画素に対応させて、デマルチプレクサ413から出力された画素信号と画素メモリ414から読み出された画素信号とを加算し、加算後の画素信号を再び画素メモリ414へ出力する。 The pixel signals output via the multiplexer 411 are subjected to CDS and A/D conversion by a signal processing circuit 412 formed in the signal processing chip 111, which performs correlated double sampling (CDS) and analog-to-digital (A/D) conversion. The A/D converted pixel signals are passed to the demultiplexer 413. The pixel signals output from the demultiplexer 413 are input to the adders 416 corresponding to each pixel. The adder 416 adds the pixel signal output from the demultiplexer 413 and the pixel signal read out from the pixel memory 414 corresponding to each pixel, and outputs the pixel signal after the addition back to the pixel memory 414.

画素メモリ414は、加算器416からの画素信号を格納する。画素メモリ414のそれぞれは、加算後の画素信号を格納できる容量を有する。デマルチプレクサ413、加算器416および画素メモリ414は、メモリチップ112に形成される。 The pixel memories 414 store the pixel signals from the adders 416. Each of the pixel memories 414 has a capacity capable of storing the pixel signals after addition. The demultiplexer 413, the adders 416, and the pixel memories 414 are formed in the memory chip 112.

図5は、1画素当たりの画素信号の流れを説明する図である。図5において、デマルチプレクサ413から出力された画素信号Sが、加算器416のうち対応する加算器nへ入力される。このとき、画素メモリ414の対応するメモリnに格納されている画素信号Pが、該メモリnから読み出されて加算器nへ入力される。 Figure 5 is a diagram explaining the flow of pixel signals per pixel. In Figure 5, pixel signal S output from demultiplexer 413 is input to the corresponding adder n of adders 416. At this time, pixel signal P stored in the corresponding memory n of pixel memory 414 is read out from memory n and input to adder n.

加算器nは、入力された画素信号Sと画素信号Pとを加算し、加算後の画素信号S+Pを画素メモリnへ出力する。画素メモリnは、入力された画素信号S+Pを格納し、演算回路415へ読み出されるのを待つ。ここで、加算器nにより加算が行われる際に、画素メモリnに格納されている画素信号Pを読み出さないように画素メモリ414を制御することにより、加算器nに入力された画素信号Sのみをそのまま加算器nから画素メモリnへ出力させることができる。すなわち、加算器nで加算することなく、撮像チップ113からの画素信号Sをそのままメモリnから演算回路415へ読み出させることもできる。 The adder n adds the input pixel signal S and pixel signal P, and outputs the pixel signal S+P after the addition to the pixel memory n. The pixel memory n stores the input pixel signal S+P and waits for it to be read out to the calculation circuit 415. Here, by controlling the pixel memory 414 so that the pixel signal P stored in the pixel memory n is not read out when the adder n performs the addition, it is possible to output only the pixel signal S input to the adder n directly from the adder n to the pixel memory n. In other words, it is also possible to read out the pixel signal S from the imaging chip 113 directly from the memory n to the calculation circuit 415 without adding it in the adder n.

演算回路415は、画素メモリ414に格納された画素信号を処理して後段の画像処理部に引き渡す。演算回路415は、信号処理チップ111に設けられてもよいし、メモリチップ112に設けられてもよい。 The arithmetic circuit 415 processes the pixel signals stored in the pixel memory 414 and passes them to a downstream image processing unit. The arithmetic circuit 415 may be provided in the signal processing chip 111 or in the memory chip 112.

駆動制御部417は、撮像チップ113から信号処理チップ111およびメモリチップ112へ画素信号が送られるタイミングと、画素メモリ414における画素信号の読み出しおよび格納タイミングと、加算器416における画素信号の加算タイミングと、演算回路415に対する画素信号の受け渡しタイミングとを同期させるため、タイミング制御信号を生成する。 The drive control unit 417 generates a timing control signal to synchronize the timing at which pixel signals are sent from the imaging chip 113 to the signal processing chip 111 and the memory chip 112, the timing at which pixel signals are read out and stored in the pixel memory 414, the timing at which pixel signals are added in the adder 416, and the timing at which pixel signals are passed to the arithmetic circuit 415.

なお、図4では1つの単位領域131の分の接続を示すが、実際にはこれらが単位領域131ごとに存在して、並列で動作する。ただし、演算回路415は単位領域131ごとに存在しなくても良く、例えば、一つの演算回路415がそれぞれの単位領域131に対応する画素メモリ414の値を順に参照しながらシーケンシャルに処理してもよい。 Note that while FIG. 4 shows the connections for one unit area 131, in reality these exist for each unit area 131 and operate in parallel. However, a calculation circuit 415 does not need to exist for each unit area 131. For example, one calculation circuit 415 may process sequentially while referring to the values of the pixel memories 414 corresponding to each unit area 131 in order.

上記の通り、単位領域131のそれぞれに対応して出力配線309が設けられている。撮像素子100は撮像チップ113、信号処理チップ111およびメモリチップ112を積層しているので、これら出力配線309にバンプ109を用いたチップ間の電気的接続を用いることにより、各チップを面方向に大きくすることなく配線を引き回すことができる。 As described above, output wiring 309 is provided corresponding to each unit area 131. Since the imaging element 100 has an imaging chip 113, a signal processing chip 111, and a memory chip 112 stacked on top of each other, by using bumps 109 for electrical connections between the chips for these output wiring 309, it is possible to route wiring without increasing the size of each chip in the planar direction.

<撮像装置の説明>
図6は、上述した撮像素子100を有する撮像装置1の構成を例示するブロック図である。図6において、撮像装置1は、撮像光学系10、撮像部20、画像処理部30、ワークメモリ40、表示部50、記録部60、および制御部70を有する。
<Description of Imaging Device>
6 is a block diagram illustrating a configuration of an imaging device 1 having the above-described imaging element 100. In FIG. 6, the imaging device 1 has an imaging optical system 10, an imaging unit 20, an image processing unit 30, a work memory 40, a display unit 50, a recording unit 60, and a control unit 70.

撮像光学系10は、複数のレンズから構成され、被写界からの光束を撮像部20へ導く。撮像光学系10は、撮像装置1と一体に構成されていても、撮像装置1に対して交換可能に構成されていてもよい。また、撮像光学系10には、フォーカスレンズを内蔵していても、ズームレンズを内蔵していてもよい。 The imaging optical system 10 is composed of multiple lenses, and guides a light beam from the subject field to the imaging unit 20. The imaging optical system 10 may be configured integrally with the imaging device 1, or may be configured to be replaceable with respect to the imaging device 1. The imaging optical system 10 may also include a built-in focus lens or a built-in zoom lens.

撮像部20は、上述した撮像素子100と、撮像素子100を駆動する駆動部21とを有する。撮像素子100は、駆動部21から出力される制御信号によって駆動制御されることにより、上述したブロック単位で独立した蓄積制御が可能である。駆動部21に対する上記ブロックの位置や形状、その範囲などの指示は、制御部70が行う。 The imaging unit 20 has the imaging element 100 described above and a drive unit 21 that drives the imaging element 100. The imaging element 100 is driven and controlled by a control signal output from the drive unit 21, enabling independent accumulation control in block units as described above. The control unit 70 issues instructions to the drive unit 21 regarding the position, shape, range, etc. of the above blocks.

画像処理部30は、ワークメモリ40と協働して、撮像部20で撮像された画像データに対する画像処理を行う。本実施形態において、画像処理部30は、通常の画像処理(色信号処理、ガンマ補正など)に加えて、画像に含まれる主要被写体の検出処理も行う。画像処理部30による主要被写体の検出は、公知の顔検出機能を用いて行うことができる。また、顔検出に加えて、例えば特開2010-16621号公報(US2010/0002940号)に記載されているように、画像に含まれる人体を主要被写体として検出するようにしてもよい。 The image processing unit 30 cooperates with the work memory 40 to perform image processing on the image data captured by the imaging unit 20. In this embodiment, the image processing unit 30 performs detection processing of the main subject included in the image in addition to normal image processing (color signal processing, gamma correction, etc.). The detection of the main subject by the image processing unit 30 can be performed using a known face detection function. In addition to face detection, a human body included in the image may be detected as the main subject, as described in, for example, JP 2010-16621 A (US 2010/0002940).

ワークメモリ40は、JPEG圧縮前後やMPEG圧縮前後の画像データなどを一時的に記憶する。表示部50は、例えば液晶表示パネル51によって構成され、撮像部20で撮像された画像(静止画や動画)や各種情報を表示したり、操作入力用画面を表示したりする。表示部50は、液晶表示パネル51の表示面にタッチパネル52が積層された構成を有する。タッチパネル52は、液晶表示パネル51にユーザが触れた位置を示す信号を出力する。 The work memory 40 temporarily stores image data before and after JPEG compression and before and after MPEG compression. The display unit 50 is composed of, for example, a liquid crystal display panel 51, and displays images (still images and videos) captured by the imaging unit 20, various information, and a screen for operation input. The display unit 50 has a configuration in which a touch panel 52 is layered on the display surface of the liquid crystal display panel 51. The touch panel 52 outputs a signal indicating the position where the user touches the liquid crystal display panel 51.

記録部60は、メモリカードなどの記憶媒体に画像データなどの各種データを記憶させる。制御部70はCPUを有し、撮像装置1による全体の動作を制御する。本実施形態において制御部70は、撮像素子100(撮像チップ113)の撮像面を複数のブロックに分け、ブロック間において異なるフレームレート(蓄積時間)、ゲインで画像を取得させる。このために制御部70は、ブロックの位置、形状、範囲、および各ブロック用の制御パラメータを駆動部21へ指示する。 The recording unit 60 stores various data such as image data in a storage medium such as a memory card. The control unit 70 has a CPU and controls the overall operation of the imaging device 1. In this embodiment, the control unit 70 divides the imaging surface of the imaging element 100 (imaging chip 113) into multiple blocks and captures images at different frame rates (accumulation times) and gains between the blocks. To this end, the control unit 70 instructs the driving unit 21 on the position, shape, and range of the blocks, as well as the control parameters for each block.

また、制御部70は、撮像光学系10による焦点調節状態をAF演算部71により算出する。制御部70はさらに、適正露出が得られるようにAE、AWB演算部72で露出演算を行う。 The control unit 70 also calculates the focus adjustment state of the imaging optical system 10 using the AF calculation unit 71. The control unit 70 further performs exposure calculations using the AE/AWB calculation unit 72 to obtain appropriate exposure.

<注目領域と周辺領域>
本実施形態では、画面内に注目領域と周辺領域という概念を導入し、上記複数のブロックに対応させる。図7は、撮像素子100(撮像チップ113)における注目領域80および周辺領域90を例示する図である。制御部70は、撮像素子100(撮像チップ113)における注目領域80と周辺領域90の位置を、ライブビュー画像に基づくシーン認識を経て決定する。
<Attention Areas and Related Areas>
In this embodiment, the concepts of an attention area and a peripheral area are introduced into the screen to correspond to the above-mentioned multiple blocks. Fig. 7 is a diagram illustrating an attention area 80 and a peripheral area 90 in the image sensor 100 (imaging chip 113). The control unit 70 determines the positions of the attention area 80 and the peripheral area 90 in the image sensor 100 (imaging chip 113) through scene recognition based on a live view image.

ここで、ライブビュー画像は本撮像が行われる前のプレビュー画像とも呼ばれ、撮像素子100によって所定のフレームレート(例えば30fps)で取得されるモニタ用の画像をいう。図7において、ライブビュー画像の画面右寄りに人物が含まれ、ライブビュー画像の画面左側に樹木が含まれている。制御部70は画像処理部30へ指示を送り、ライブビュー画像データに対して公知のシーン認識処理を行わせる。画像処理部30は、シーン認識処理を行うことにより、ライブビュー画像を解析して主要被写体領域を抽出する。 Here, the live view image is also called a preview image before actual imaging is performed, and refers to an image for a monitor acquired by the image sensor 100 at a predetermined frame rate (e.g., 30 fps). In FIG. 7, a person is included on the right side of the screen of the live view image, and a tree is included on the left side of the screen of the live view image. The control unit 70 sends an instruction to the image processing unit 30 to perform a known scene recognition process on the live view image data. By performing the scene recognition process, the image processing unit 30 analyzes the live view image and extracts the main subject area.

画像処理部30は、上述したように検出した人体を含む範囲を主要被写体領域とする。なお、人物に限らずペットなどの動物を検出し、この動物を含む範囲を主要被写体領域としてもよい。そして、制御部70は、主要被写体領域を注目領域80とし、注目領域80以外の領域を周辺領域90とする。 The image processing unit 30 determines the area including the detected human body as described above as the main subject area. Note that it is also possible to detect animals such as pets and determine the area including the animals as the main subject area. The control unit 70 then determines the main subject area as the attention area 80, and the area outside the attention area 80 as the peripheral area 90.

なお、表示部50のうち液晶表示パネル51にライブビュー画像を表示した状態で、このライブビュー画像を視認するユーザがタッチパネル52に触れた位置に対応する(表示されている)主要被写体の領域を注目領域80としてもよい。 In addition, when a live view image is displayed on the liquid crystal display panel 51 of the display unit 50, the area of the main subject (displayed) corresponding to the position where the user viewing the live view image touches the touch panel 52 may be set as the attention area 80.

制御部70は、例えばライブビュー画像取得時において、注目領域80および周辺領域90から第1蓄積時間の蓄積後に出力される画素信号に基づいて、自動露出演算およびホワイトバランス調整値の決定をAE、AWB演算部72により行わせる。AE、AWB演算部72は、例えば画素信号の平均的なレベルを所定のレベルへ近づけるように、露出(露光時間、ゲイン等)を演算する。また、AE、AWB演算部72は、白い色を白く表現するためのホワイトバランス調整値を決定する。 For example, when acquiring a live view image, the control unit 70 causes the AE/AWB calculation unit 72 to perform automatic exposure calculation and determine a white balance adjustment value based on pixel signals output from the attention area 80 and the peripheral area 90 after accumulation for a first accumulation time. The AE/AWB calculation unit 72 calculates exposure (exposure time, gain, etc.) so as to bring the average level of the pixel signals closer to a predetermined level, for example. The AE/AWB calculation unit 72 also determines a white balance adjustment value for expressing white as white.

さらにまた、制御部70は、注目領域80および周辺領域90から上記第1蓄積時間の蓄積後に出力される画素信号に基づいてモニタ用の画像を生成し、上記ライブビュー画像として表示部50に表示させる。 Furthermore, the control unit 70 generates an image for monitoring based on pixel signals output from the attention area 80 and the peripheral area 90 after accumulation for the first accumulation time, and displays the image on the display unit 50 as the live view image.

制御部70はさらに、例えばライブビュー画像取得時において、注目領域80から第2蓄積時間の蓄積後に出力される画素信号に基づいて、撮像光学系10による焦点調節状態をAF(オートフォーカス)演算部71により算出させる。本実施形態では、第2蓄積時間を第1蓄積時間より長く制御する。 The control unit 70 further causes the AF (autofocus) calculation unit 71 to calculate the focus adjustment state of the imaging optical system 10 based on pixel signals output from the attention area 80 after accumulation for the second accumulation time, for example, when acquiring a live view image. In this embodiment, the second accumulation time is controlled to be longer than the first accumulation time.

AF演算部71は、例えばコントラスト検出方式によって焦点調節状態を検出する。具体的には、撮像光学系10のフォーカスレンズの位置を移動させながら、注目領域80から出力される画素信号で構成される画像のコントラストを高めるように撮像光学系10のフォーカスレンズの位置を調節する。 The AF calculation unit 71 detects the focus adjustment state, for example, by a contrast detection method. Specifically, while moving the position of the focus lens of the imaging optical system 10, the position of the focus lens of the imaging optical system 10 is adjusted so as to increase the contrast of the image formed by the pixel signals output from the attention area 80.

なお、焦点検出処理を、位相差検出方式によって行う構成にしてもよい。この場合には、撮像素子100(撮像チップ113)において、あらかじめ焦点検出用の画素を設けておく。そして、注目領域80に含まれる焦点検出用の画素からの出力信号を用いて位相差検出演算を行うことにより、撮像光学系10による焦点調節状態(具体的にはデフォーカス量)を検出する。焦点検出用の画素および位相差検出演算は、例えば特開2009-94881号公報に記載されるように公知であるため、詳細な説明を省略する。 The focus detection process may be performed using a phase difference detection method. In this case, focus detection pixels are provided in advance in the image sensor 100 (image capture chip 113). Then, a phase difference detection calculation is performed using output signals from the focus detection pixels included in the region of interest 80 to detect the focus adjustment state (specifically, the defocus amount) of the image capture optical system 10. The focus detection pixels and phase difference detection calculation are publicly known, as described in, for example, JP 2009-94881 A, and therefore a detailed description will be omitted.

制御部70は、ライブビュー画像を取得する際に駆動部21へ指示を送り、撮像素子100(撮像チップ113)の注目領域80から、上述したように蓄積時間が異なる画素信号(すなわち第1蓄積時間経過後の画素信号と、第2蓄積時間経過後の画素信号)を複数回に分けて読み出す。ここで、注目領域80および周辺領域90に分けて蓄積制御するのは、不図示のレリーズスイッチが操作されることによる本撮像(静止画記録や動画記録)の指示が行われる前とする。 When acquiring a live view image, the control unit 70 sends an instruction to the driving unit 21, and reads out pixel signals having different accumulation times (i.e., pixel signals after the first accumulation time has elapsed and pixel signals after the second accumulation time has elapsed) from the attention area 80 of the image sensor 100 (imaging chip 113) in multiple separate readouts as described above. Here, accumulation control is performed separately for the attention area 80 and the peripheral area 90 before an instruction to perform actual imaging (still image recording or video recording) is given by operating a release switch (not shown).

すなわち、本撮像指示が行われるまでは、注目領域80および周辺領域90で取得された画像に基づいて露出演算、ホワイトバランス調整値の決定、およびライブビュー画像の表示を行うとともに、注目領域80で取得された画像に基づいて焦点検出処理を行う。 In other words, until an actual imaging command is issued, exposure calculations, white balance adjustment value determination, and live view image display are performed based on the images acquired in the attention area 80 and the surrounding area 90, and focus detection processing is performed based on the image acquired in the attention area 80.

<蓄積時間が異なる画素信号の読み出し>
画素信号の読み出しタイミングと、撮像チップ113における蓄積信号と、演算回路415を介して撮像素子100から読み出される画素信号とを説明する図8を参照して、蓄積時間が異なる画素信号の読み出しを説明する。
<Reading out pixel signals with different accumulation times>
Reading of pixel signals having different accumulation times will be described with reference to FIG. 8 which explains the readout timing of pixel signals, accumulation signals in the imaging chip 113, and pixel signals read out from the imaging element 100 via the arithmetic circuit 415.

駆動部21は、以下のように撮像素子100を制御する。すなわち、ライブビュー画像の各フレームにおいて蓄積開始時刻t0から時刻t1までを上記第1蓄積時間とし、時刻t0から時刻t2までを上記第2蓄積時間とする。駆動部21は、時刻t0において、上記注目領域80および周辺領域90に含まれる画素に対して電荷蓄積を開始させる。そして、時刻t1において、図5に例示した画素メモリnに格納されている画素信号を読み出さないように画素メモリ414を制御しながら、上記注目領域80および周辺領域90から画素信号を出力させる。これにより、第1蓄積時間(時刻t0から時刻t1)の間に蓄積された画素信号aがデマルチプレクサ413から出力され、そのまま信号Aとして演算回路415を介して出力される。この画素信号A(=a)は、画素メモリnにも格納される。 The driving unit 21 controls the image sensor 100 as follows. That is, in each frame of the live view image, the period from the accumulation start time t0 to time t1 is the first accumulation time, and the period from time t0 to time t2 is the second accumulation time. At time t0, the driving unit 21 starts charge accumulation for the pixels included in the attention area 80 and the peripheral area 90. Then, at time t1, the driving unit 21 outputs pixel signals from the attention area 80 and the peripheral area 90 while controlling the pixel memory 414 so as not to read out the pixel signals stored in the pixel memory n illustrated in FIG. 5. As a result, the pixel signal a accumulated during the first accumulation time (from time t0 to time t1) is output from the demultiplexer 413 and output as it is as signal A via the arithmetic circuit 415. This pixel signal A (=a) is also stored in the pixel memory n.

駆動部21はさらに、時刻t1において上記画素信号の読み出しを行うと、ただちに上記注目領域80に含まれる画素に対して電荷蓄積を開始させる。そして、時刻t2において、図5に例示した画素メモリnに格納されている画素信号aを読み出すように画素メモリ414を制御しながら、上記注目領域80から画素信号を出力させる。これにより、時刻t1から時刻t2までの間に蓄積された画素信号bがデマルチプレクサ413から出力され、この画素信号bと、画素メモリnから読み出された画素信号aとが加算器nで加算される。加算後の画素信号a+bは、信号Bとして演算回路415を介して出力される。画素信号B(=a+b)は、時刻t0から時刻t1までと、時刻t1から時刻t2までに蓄積された画素信号の和であるため、第2蓄積時間(時刻t0から時刻t2)の間に蓄積される画素信号に相当する。 Furthermore, when the driving unit 21 reads out the pixel signal at time t1, it immediately starts charge accumulation for the pixels included in the attention area 80. Then, at time t2, it controls the pixel memory 414 to read out the pixel signal a stored in the pixel memory n illustrated in FIG. 5, while outputting the pixel signal from the attention area 80. As a result, the pixel signal b accumulated between time t1 and time t2 is output from the demultiplexer 413, and this pixel signal b and the pixel signal a read out from the pixel memory n are added by the adder n. The pixel signal a+b after the addition is output as signal B via the calculation circuit 415. The pixel signal B (=a+b) is the sum of the pixel signals accumulated from time t0 to time t1 and from time t1 to time t2, and therefore corresponds to the pixel signal accumulated during the second accumulation time (time t0 to time t2).

上述したように、第一の実施形態では、第1蓄積時間より長い第2蓄積時間で蓄積された高い信号レベルの画素信号Bを焦点検出処理に用いるので、信号レベルが低い画素信号Aを焦点検出処理に用いる場合に比べて、高い焦点検出精度が得られる。また、第2蓄積時間より短い第1蓄積時間で蓄積された画素信号Aを露出演算、ホワイトバランス調整値の決定、およびライブビュー画像の表示に用いるので、ノイズの影響を避けて精度よく演算でき、明るすぎることなく見やすいライブビュー画像が得られる。 As described above, in the first embodiment, pixel signal B with a high signal level accumulated over the second accumulation time longer than the first accumulation time is used for focus detection processing, so that higher focus detection accuracy can be obtained compared to when pixel signal A with a low signal level is used for focus detection processing. Also, pixel signal A accumulated over the first accumulation time shorter than the second accumulation time is used for exposure calculation, determination of white balance adjustment value, and display of live view image, so that calculations can be performed with high accuracy while avoiding the influence of noise, and a live view image that is not too bright and easy to see can be obtained.

<フローチャートの説明>
図9は、第一の実施形態において撮像装置1の制御部70が実行する撮影動作の流れを説明するフローチャートである。制御部70は、不図示のON-OFFスイッチが電源オン操作され、撮像装置1の各部に対して通電が行われている場合に、図9による処理を繰り返し起動させる。図9のステップS101において、制御部70は、注目領域80および周辺領域90用のフレームレート、ゲインなどの制御パラメータをそれぞれ決定してステップS102へ進む。例えば、後述するステップS102、S110において適用する値を、プログラムデータから読み出して用意しておく。
<Explanation of the Flowchart>
Fig. 9 is a flowchart for explaining the flow of the photographing operation executed by the control unit 70 of the imaging device 1 in the first embodiment. When an ON-OFF switch (not shown) is operated to turn on the power and electricity is being supplied to each unit of the imaging device 1, the control unit 70 repeatedly starts the process shown in Fig. 9. In step S101 of Fig. 9, the control unit 70 determines control parameters such as frame rate and gain for the attention area 80 and the peripheral area 90, respectively, and proceeds to step S102. For example, values to be applied in steps S102 and S110 described later are read out from program data and prepared.

ステップS102において、制御部70は駆動部21へ指示を送り、撮像部20によるライブビュー撮像を開始させる。ステップS102で開始するライブビュー画像の取得は、例えば撮像素子100の撮像面の略全域を対象に周辺領域90用の制御パラメータを設定して行う。 In step S102, the control unit 70 sends an instruction to the driving unit 21 to start live view imaging by the imaging unit 20. The acquisition of the live view image that starts in step S102 is performed by setting control parameters for the peripheral region 90 for, for example, substantially the entire imaging surface of the imaging element 100.

ステップS103において、制御部70は駆動部21へ指示を送り、撮像部20から第1データの転送を行わせる。第1データは、上記時刻t1において読み出す画素信号A(=a)に対応する。ステップS104において、制御部70は、撮像部20から出力される画素信号Aに基づくライブビュー画像データを画像処理部30により画像処理させた後、表示部50に表示させる。 In step S103, the control unit 70 sends an instruction to the drive unit 21 to transfer the first data from the imaging unit 20. The first data corresponds to the pixel signal A (=a) read out at the time t1. In step S104, the control unit 70 causes the image processing unit 30 to perform image processing on the live view image data based on the pixel signal A output from the imaging unit 20, and then causes the display unit 50 to display the image.

ステップS105において、制御部70は駆動部21へ指示を送り、撮像部20から第2データの転送を行わせる。第2データは、上記時刻t2において読み出す画素信号B(=a+b)に対応する。ステップS106において、制御部70は、AF演算領域を対象に、画素信号Bに基づくAF演算(焦点調節状態の検出)をAF演算部71に行わせる。これにより、撮像光学系10の焦点調節を行える。なお、電源オン操作後最初のフレームにおいてはAF演算領域が未決定であるので、撮像素子100の撮像面の略全域を対象にAF演算を行うものとする。 In step S105, the control unit 70 sends an instruction to the drive unit 21 to transfer the second data from the imaging unit 20. The second data corresponds to the pixel signal B (=a+b) read out at the above-mentioned time t2. In step S106, the control unit 70 causes the AF calculation unit 71 to perform AF calculation (detection of the focus adjustment state) based on the pixel signal B for the AF calculation area. This allows focus adjustment of the imaging optical system 10. Note that since the AF calculation area is not yet determined in the first frame after the power-on operation, the AF calculation is performed for substantially the entire imaging surface of the imaging element 100.

ステップS107において、制御部70は画像処理部30へ指示を送り、ライブビュー画像から主要被写体領域を抽出させる。ステップS108において、制御部70は、主要被写体を含む領域を注目領域80とし、この注目領域80をAF演算領域に決定してステップS109へ進む。AF演算領域は、次フレームで取得されるライブビュー画像に対して適用する。 In step S107, the control unit 70 sends an instruction to the image processing unit 30 to extract the main subject area from the live view image. In step S108, the control unit 70 sets the area including the main subject as the attention area 80, determines this attention area 80 as the AF calculation area, and proceeds to step S109. The AF calculation area is applied to the live view image acquired in the next frame.

ステップS109において、制御部70は、レリーズ操作されたか否かを判定する。レリーズ操作は、撮像装置1に対する本撮像指示として用いられる。制御部70は、不図示のレリーズボタンが押下操作された場合に、ステップS109を肯定判定してステップS110へ進み、押下操作が行われない場合には、ステップS109を否定判定してステップS112へ進む。 In step S109, the control unit 70 determines whether or not a release operation has been performed. The release operation is used as a main image capture instruction for the imaging device 1. If the release button (not shown) has been pressed, the control unit 70 makes a positive judgment in step S109 and proceeds to step S110, and if the release button has not been pressed, the control unit 70 makes a negative judgment in step S109 and proceeds to step S112.

なお、液晶表示パネル51に表示させたレリーズアイコンに対するタップ操作を検出して本撮像指示を判断する場合には、表示中のレリーズアイコンがタップ操作された場合にステップS109を肯定判定すればよい。 When detecting a tap operation on the release icon displayed on the liquid crystal display panel 51 to determine whether or not an instruction to capture an actual image has been issued, step S109 may be judged as positive if the release icon being displayed is tapped.

ステップS110において、制御部70は駆動部21へ指示を送り、第1データ(画素信号A(=a))に基づいて決定した撮影用の露出条件に必要な制御パラメータ(露光時間、ゲインなど)を設定してステップS111へ進む。 In step S110, the control unit 70 sends an instruction to the driving unit 21 to set the control parameters (exposure time, gain, etc.) required for the exposure conditions for shooting determined based on the first data (pixel signal A (=a)), and proceeds to step S111.

ステップS111において、制御部70は撮影処理を実行し、取得された画像のデータを記録部60によってメモリカードなどに記憶させて、ステップS102へ戻る。撮影処理では、撮像素子100の全領域で共通(同じ)に設定した撮影用の制御パラメータを適用して、1コマの静止画像を取得(本撮像)、記録するとともに、静止画像を取得した後も複数フレームの画像を取得する。そして、レリーズ操作の前後所定時間の間に取得した複数フレームの画像に基づいて、スロー再生動画データを生成、記録する。スロー再生動画データは、撮像素子100で取得した際のフレームレート(例えば30fps)より遅いフレームレート(例えば15fps)で再生する動画像のデータをいう。 In step S111, the control unit 70 executes the shooting process, stores the acquired image data in a memory card or the like using the recording unit 60, and returns to step S102. In the shooting process, the control parameters for shooting that are set to be common (the same) across the entire area of the image sensor 100 are applied to acquire and record one still image (main image capture), and also acquire multiple frames of images after acquiring the still image. Then, based on the multiple frames of images acquired within a predetermined time before and after the release operation, slow motion playback video data is generated and recorded. Slow motion playback video data refers to moving image data that is played back at a frame rate (e.g., 15 fps) slower than the frame rate (e.g., 30 fps) when acquired by the image sensor 100.

制御部70は、以下のようにスロー再生動画データを生成する。すなわち、レリーズ操作時刻(txとする)より先撮り時間前(例えば0.6秒前)から時刻txまでに、上述したライブビュー画像の表示のためにワークメモリ40に一時的に記憶された第1データ(画素信号A(=a))に基づく複数のフレーム画像(例えばフレームレートが30fpsで取得された場合の0.6秒分は18フレームである)、および時刻txから時刻txより後撮り時間後(例えば0.4秒後)までにワークメモリ40に記憶された第1データ(画素信号A(=a))に基づく複数のフレーム画像(例えばフレームレートが30fpsで取得された場合の0.4秒分は12フレームである)に基づいて、スロー再生動画データを生成する。これにより、時刻txを挟む1秒間(時刻txの0.6秒前から時刻txの0.4秒後)にワークメモリ40に記憶された複数のフレーム画像(計30枚)に基づいて、再生時間が約2秒間のスロー再生動画データを生成する。このように、レリーズ操作前後に取得したフレーム画像に基づくスロー再生動画データが得られる。なお、スロー再生動画データは、画像処理部30によりMPEGデータまたはJPEGデータとして生成される。 The control unit 70 generates slow-motion video data as follows. That is, slow-motion video data is generated based on a plurality of frame images (for example, 18 frames for 0.6 seconds when the frame rate is 30 fps) based on the first data (pixel signal A (=a)) temporarily stored in the work memory 40 for displaying the above-mentioned live view image from the time before the release operation time (tx) (for example, 0.6 seconds before) to the time tx, and a plurality of frame images (for example, 12 frames for 0.4 seconds when the frame rate is 30 fps) based on the first data (pixel signal A (=a)) stored in the work memory 40 from the time tx to the time after the time tx (for example, 0.4 seconds after). As a result, slow-motion video data with a playback time of about 2 seconds is generated based on a plurality of frame images (30 images in total) stored in the work memory 40 during the 1 second period (from 0.6 seconds before the time tx to 0.4 seconds after the time tx) that includes the time tx. In this way, slow motion playback video data is obtained based on the frame images acquired before and after the release operation. The slow motion playback video data is generated as MPEG data or JPEG data by the image processing unit 30.

上述したステップS109を否定判定して進むステップS112において、制御部70は、電源オフ操作されたか否かを判定する。制御部70は、不図示のON-OFFスイッチが電源オフ操作された場合にステップS112を肯定判定し、所定の電源オフ処理を行って図9による処理を終了する。制御部70は、不図示のON-OFFスイッチが電源オフ操作されない場合には、ステップS112を否定判定してステップS102へ戻る。ステップS102へ戻る場合は、上述した処理を繰り返す。 In step S112, which is reached after a negative judgment in step S109 described above, the control unit 70 judges whether or not the power has been turned off. If an ON-OFF switch (not shown) has been operated to turn off the power, the control unit 70 judges step S112 as positive, performs a predetermined power-off process, and ends the process in FIG. 9. If an ON-OFF switch (not shown) has not been operated to turn off the power, the control unit 70 judges step S112 as negative and returns to step S102. If returning to step S102, the above-mentioned process is repeated.

以上説明した第一の実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
(1)撮像素子100は、光電変換を行う複数の画素からのデータを入力するデマルチプレクサ413と、上記入力データを画素別に格納する画素メモリ414と、画素メモリ414に格納されているデータおよび上記入力データを画素別に加算する加算器416と、上記入力データまたは加算器416により加算されたデータを出力する演算回路415と、を備えるようにした。これにより、光電変換データを適切に処理できるから、撮像素子100の使い勝手をよくすることができる。
According to the first embodiment described above, the following advantageous effects can be obtained.
(1) The image sensor 100 includes a demultiplexer 413 that inputs data from a plurality of pixels that perform photoelectric conversion, a pixel memory 414 that stores the input data for each pixel, an adder 416 that adds the data stored in the pixel memory 414 and the input data for each pixel, and an arithmetic circuit 415 that outputs the input data or the data added by the adder 416. This allows the photoelectric conversion data to be appropriately processed, improving the ease of use of the image sensor 100.

(2)画素メモリ414は、加算器416により加算されたデータを画素別に格納するようにしたので、入力データを積算することが可能になる。これにより、光電変換データを積算して出力させたり、積算しないで出力させたりすることができる。 (2) The pixel memory 414 stores the data added by the adder 416 for each pixel, making it possible to accumulate the input data. This makes it possible to accumulate the photoelectric conversion data and output it, or to output it without accumulating it.

(3)加算器416は、光電変換時間が異なるデータを画素別に加算するようにしたので、光電変換時間を長く変更した場合に相当するデータが得られる。 (3) The adder 416 adds data with different photoelectric conversion times for each pixel, so that data equivalent to the case where the photoelectric conversion time is changed to a longer time can be obtained.

(4)画素からのデータが入力されるタイミングで、画素メモリ414に格納されているデータを読み出させるとともに加算器416に加算をさせる駆動制御部417を備えるようにしたので、適切なタイミングで制御できる。 (4) The drive control unit 417 is provided to read the data stored in the pixel memory 414 and cause the adder 416 to add the data when data is input from the pixels, allowing control at appropriate timing.

(5)演算回路415から出力されるデータが上記入力データである場合に露出演算、ホワイトバランス調整値の決定、およびライブビュー画像の表示を行い、演算回路415から出力されるデータが加算データである場合に焦点検出処理を行うようにしたので、光電変換データと、これを用いる処理とを適切に組み合わせできる。 (5) When the data output from the arithmetic circuit 415 is the above-mentioned input data, exposure calculation, determination of a white balance adjustment value, and display of a live view image are performed, and when the data output from the arithmetic circuit 415 is added data, focus detection processing is performed, so that photoelectric conversion data and processing using the same can be appropriately combined.

(6)演算回路415から上記入力データを出力させるか、または加算データを出力させるかを、入力データによって構成される画像を解析して決定するようにしたので、画像に応じて適切な光電変換データを出力させることができる。 (6) Whether the arithmetic circuit 415 outputs the input data or the sum data is determined by analyzing the image formed by the input data, so that appropriate photoelectric conversion data can be output according to the image.

(7)上記決定では、画像の主要被写体領域に対応する画素については加算データを出力させ、画像の主要被写体領域以外の領域に対応する画素について入力データを出力させるようにしたので、適切な光電変換データを出力させることができる。 (7) In the above determination, additive data is output for pixels corresponding to the main subject region of the image, and input data is output for pixels corresponding to regions other than the main subject region of the image, so that appropriate photoelectric conversion data can be output.

(8)複数の画素を有する撮像チップ113と、光電変換データを処理するメモリチップ112とを積層したので、各チップを面方向に大きくすることなく、撮像素子100をコンパクトに構成できる。 (8) The imaging chip 113 having multiple pixels and the memory chip 112 that processes photoelectric conversion data are stacked, so the imaging element 100 can be configured compactly without increasing the size of each chip in the planar direction.

(9)電子機器の一例である撮像装置1は、光電変換データを処理するメモリチップ112と、複数の画素を有する撮像チップ113とを備えたので、光電変換データを適切に処理して使い勝手のよい撮像装置1を提供できる。 (9) The imaging device 1, which is an example of an electronic device, includes a memory chip 112 that processes photoelectric conversion data and an imaging chip 113 that has a plurality of pixels, and therefore can provide an imaging device 1 that is easy to use by appropriately processing the photoelectric conversion data.

(第二の実施形態)
第一の実施形態では、画面を注目領域80と周辺領域90とに分け、本撮像の指示前において、注目領域80と周辺領域90とで異なる蓄積時間の画像を得る例を説明したが、第二の実施形態では、画面を明部領域85と暗部領域95とに分け、本撮像の指示後において、明部領域85と暗部領域95とで異なる蓄積時間の画像を得る。ここで、明部領域85は、例えばライブビュー画像を解析して所定の画素信号値より高い値(所定の輝度値より高い)の画素信号で構成される領域とする。暗部領域95は、明部領域85以外の領域とする。
Second Embodiment
In the first embodiment, an example was described in which the screen is divided into an attention area 80 and a peripheral area 90, and images with different accumulation times are obtained in the attention area 80 and the peripheral area 90 before an instruction for actual imaging is given, but in the second embodiment, the screen is divided into a bright area 85 and a dark area 95, and images with different accumulation times are obtained in the bright area 85 and the dark area 95 after an instruction for actual imaging is given. Here, the bright area 85 is an area formed of pixel signals with values higher than a predetermined pixel signal value (higher than a predetermined luminance value) obtained by analyzing a live view image, for example. The dark area 95 is an area other than the bright area 85.

第二の実施形態による撮像装置1は、明部領域85において第1蓄積時間で蓄積された画素信号による画像と、暗部領域95において第2蓄積時間で蓄積された画素信号による画像とを取得し、両画像を合成してダイナミックレンジが広い画像を得る。このため、制御部70は、記録用画像を取得する際に駆動部21へ指示を送り、撮像素子100(撮像チップ113)の暗部領域95から、第1蓄積時間経過後の画素信号と第2蓄積時間経過後の画素信号とを複数回に分けて読み出す。 The imaging device 1 according to the second embodiment acquires an image based on pixel signals accumulated in the bright area 85 for a first accumulation time, and an image based on pixel signals accumulated in the dark area 95 for a second accumulation time, and combines the two images to obtain an image with a wide dynamic range. For this reason, the control unit 70 sends an instruction to the driving unit 21 when acquiring an image for recording, and reads out pixel signals after the first accumulation time has elapsed and pixel signals after the second accumulation time has elapsed from the dark area 95 of the imaging element 100 (imaging chip 113) in multiple separate reads.

<蓄積時間が異なる画素信号の読み出し>
画素信号の読み出しタイミングと、撮像チップ113における蓄積信号と、演算回路415を介して撮像素子100から読み出される画素信号とを、図8を参照して説明する。
<Reading out pixel signals with different accumulation times>
The timing of reading out pixel signals, the accumulated signals in the imaging chip 113, and the pixel signals read out from the imaging element 100 via the arithmetic circuit 415 will be described with reference to FIG.

駆動部21は、以下のように撮像素子100を制御する。すなわち、本撮像指示後の記録用画像の蓄積開始時刻t0から時刻t1までを上記第1蓄積時間とし、時刻t0から時刻t2までを上記第2蓄積時間とする。駆動部21は、時刻t0において、上記明部領域85および暗部領域95に含まれる画素に対して電荷蓄積を開始させる。そして、時刻t1において、図5に例示した画素メモリnに格納されている画素信号を読み出さないように画素メモリ414を制御しながら、上記明部領域85および暗部領域95から画素信号を出力させる。これにより、第1蓄積時間(時刻t0から時刻t1)の間に蓄積された画素信号aがデマルチプレクサ413から出力され、そのまま信号Aとして演算回路415を介して出力される。この画素信号A(=a)は、画素メモリnにも格納される。 The driving unit 21 controls the image sensor 100 as follows. That is, the first accumulation time is from the accumulation start time t0 to time t1 of the image for recording after the main imaging instruction, and the second accumulation time is from time t0 to time t2. At time t0, the driving unit 21 starts charge accumulation for the pixels included in the bright area 85 and the dark area 95. Then, at time t1, the driving unit 21 outputs pixel signals from the bright area 85 and the dark area 95 while controlling the pixel memory 414 so as not to read out the pixel signals stored in the pixel memory n illustrated in FIG. 5. As a result, the pixel signal a accumulated during the first accumulation time (from time t0 to time t1) is output from the demultiplexer 413 and output as it is as signal A via the arithmetic circuit 415. This pixel signal A (=a) is also stored in the pixel memory n.

駆動部21はさらに、時刻t1において上記画素信号の読み出しを行うと、ただちに上記暗部領域95に含まれる画素に対して電荷蓄積を開始させる。そして、時刻t2において、図5に例示した画素メモリnに格納されている画素信号aを読み出すように画素メモリ414を制御しながら、上記暗部領域95から画素信号を出力させる。これにより、時刻t1から時刻t2までの間に蓄積された画素信号bがデマルチプレクサ413から出力され、この画素信号bと、画素メモリnから読み出された画素信号aとが加算器nで加算される。加算後の画素信号a+bは、信号Bとして演算回路415を介して出力される。画素信号B(=a+b)は、時刻t0から時刻t1までと、時刻t1から時刻t2までに蓄積された画素信号の和であるため、第2蓄積時間(時刻t0から時刻t2)の間に蓄積される画素信号に相当する。 Furthermore, when the driving unit 21 reads out the pixel signal at time t1, it immediately starts charge accumulation for the pixels included in the dark area 95. Then, at time t2, it outputs a pixel signal from the dark area 95 while controlling the pixel memory 414 to read out the pixel signal a stored in the pixel memory n illustrated in FIG. 5. As a result, the pixel signal b accumulated between time t1 and time t2 is output from the demultiplexer 413, and this pixel signal b and the pixel signal a read out from the pixel memory n are added by the adder n. The pixel signal a+b after the addition is output as signal B via the calculation circuit 415. The pixel signal B (=a+b) is the sum of the pixel signals accumulated from time t0 to time t1 and from time t1 to time t2, and therefore corresponds to the pixel signal accumulated during the second accumulation time (time t0 to time t2).

上述したように、第二の実施形態では、第1蓄積時間より長い第2蓄積時間で蓄積された画素信号Bで暗部領域95の画像を形成するので、蓄積時間が短く信号レベルが低い画素信号Aで暗部領域95の画像を形成する場合に比べて、画像の黒潰れを生じにくい。また、第2蓄積時間より短い第1蓄積時間で蓄積された画素信号Aで明部領域85の画像を形成するので、蓄積時間が長く信号レベルが高い画素信号Bで明部領域85の画像を形成する場合に比べて、画像の白飛びが生じにくい。この結果、明部から暗部までのダイナミックレンジの広い画像が、時刻t0から時刻t2までの蓄積処理を1回行うだけで得られる。また、第1蓄積時間と第2蓄積時間とで蓄積開始時刻が同じ(ともに時刻t0)であるので、開示蓄積開始時刻が異なる複数枚の画像を合成する従来技術と違って、動いている被写体を撮影する場合にも好適である。 As described above, in the second embodiment, the image of the dark area 95 is formed by the pixel signal B accumulated in the second accumulation time longer than the first accumulation time, so the image is less likely to be crushed black than when the image of the dark area 95 is formed by the pixel signal A with a short accumulation time and a low signal level. Also, since the image of the bright area 85 is formed by the pixel signal A accumulated in the first accumulation time shorter than the second accumulation time, the image is less likely to be blown out white than when the image of the bright area 85 is formed by the pixel signal B with a long accumulation time and a high signal level. As a result, an image with a wide dynamic range from bright areas to dark areas can be obtained by performing the accumulation process from time t0 to time t2 only once. Also, since the accumulation start time is the same for the first accumulation time and the second accumulation time (both are time t0), it is also suitable for shooting a moving subject, unlike the conventional technology in which multiple images with different accumulation start times are synthesized.

<フローチャートの説明>
図10は、第二の実施形態において撮像装置1の制御部70が実行する撮影動作の流れを説明するフローチャートである。制御部70は、不図示のON-OFFスイッチが電源オン操作され、撮像装置1の各部に対して通電が行われている場合に、図10による処理を繰り返し起動させる。図10のステップS201において、制御部70は、明部領域85および暗部領域95用のフレームレート、ゲインなどの制御パラメータをそれぞれ決定してステップS202へ進む。例えば、後述するステップS202、S205、S208において適用する値を、プログラムデータから読み出して用意しておく。
<Explanation of the Flowchart>
Fig. 10 is a flowchart for explaining the flow of the photographing operation executed by the control unit 70 of the imaging device 1 in the second embodiment. When an ON-OFF switch (not shown) is operated to turn on the power and electricity is being applied to each unit of the imaging device 1, the control unit 70 repeatedly starts the process shown in Fig. 10. In step S201 of Fig. 10, the control unit 70 determines control parameters such as frame rate and gain for the bright area 85 and the dark area 95, respectively, and proceeds to step S202. For example, values to be applied in steps S202, S205, and S208 described later are read out from program data and prepared.

ステップS202において、制御部70は駆動部21へ指示を送り、撮像部20によるライブビュー撮像を開始させる。ステップS202で開始するライブビュー画像の取得は、例えば撮像素子100の撮像面の略全域を対象に暗部領域95用の制御パラメータを設定して行う。 In step S202, the control unit 70 sends an instruction to the driving unit 21 to start live view imaging by the imaging unit 20. The acquisition of the live view image that starts in step S202 is performed by setting control parameters for the dark area 95 for, for example, substantially the entire imaging surface of the image sensor 100.

ステップS203において、制御部70は、ライブビュー画像に基づいて明部領域85および暗部領域95を判定してステップS204へ進む。ステップS204において、制御部70は、レリーズ操作されたか否かを判定する。レリーズ操作は、撮像装置1に対する本撮像指示として用いられる。制御部70は、不図示のレリーズボタンが押下操作された場合に、ステップS204を肯定判定してステップS205へ進み、押下操作が行われない場合には、ステップS204を否定判定してステップS211へ進む。 In step S203, the control unit 70 determines the bright area 85 and the dark area 95 based on the live view image, and proceeds to step S204. In step S204, the control unit 70 determines whether or not a release operation has been performed. The release operation is used as an instruction to the imaging device 1 to perform actual imaging. If the release button (not shown) has been pressed, the control unit 70 makes a positive judgment in step S204 and proceeds to step S205, and if the release button has not been pressed, the control unit 70 makes a negative judgment in step S204 and proceeds to step S211.

なお、液晶表示パネル51に表示させたレリーズアイコンに対するタップ操作を検出して本撮像指示を判断する場合には、表示中のレリーズアイコンがタップ操作された場合にステップS204を肯定判定すればよい。 When detecting a tap operation on the release icon displayed on the liquid crystal display panel 51 to determine whether or not an instruction to capture an actual image has been issued, a positive judgment may be made in step S204 if the release icon being displayed is tapped.

ステップS205において、制御部70は駆動部21へ指示を送り、撮像部20による記録用撮像を開始させる。ステップS205で開始する記録用画像の取得は、例えば撮像素子100の撮像面の略全域を対象に明部領域85用の制御パラメータを設定して行う。 In step S205, the control unit 70 sends an instruction to the driving unit 21 to start image capture for recording by the image capture unit 20. The acquisition of the image for recording that starts in step S205 is performed by setting control parameters for the bright area 85 for, for example, substantially the entire imaging surface of the image sensor 100.

ステップS206において、制御部70は駆動部21へ指示を送り、撮像部20から第1データの転送を行わせる。第1データは、上記時刻t1において読み出す画素信号A(=a)に対応する。ステップS207において、制御部70は、画像処理部30へ指示を送り、第1データのうち明部領域85に対応するデータをワークメモリ40に一時格納してステップS208へ進む。 In step S206, the control unit 70 sends an instruction to the drive unit 21 to transfer the first data from the imaging unit 20. The first data corresponds to the pixel signal A (=a) read out at the time t1. In step S207, the control unit 70 sends an instruction to the image processing unit 30 to temporarily store the data of the first data corresponding to the bright area 85 in the work memory 40, and the process proceeds to step S208.

ステップS208において、制御部70は駆動部21へ指示を送り、撮像部20から第2データの転送を行わせる。第2データは、上記時刻t2において読み出す画素信号B(=a+b)に対応する。ステップS209において、制御部70は、画像処理部30へ指示を送り、第2データ(すなわち暗部領域95に対応するデータ)をワークメモリ40に一時格納してステップS210へ進む。 In step S208, the control unit 70 sends an instruction to the drive unit 21 to transfer the second data from the imaging unit 20. The second data corresponds to the pixel signal B (=a+b) read out at the time t2. In step S209, the control unit 70 sends an instruction to the image processing unit 30 to temporarily store the second data (i.e., data corresponding to the dark area 95) in the work memory 40, and the process proceeds to step S210.

ステップS210において、制御部70は画像処理部30へ指示を送り、ワークメモリ40に一時格納されている第1データおよび第2データを画像合成する。具体的には、第1データによる画像のうち、暗部領域95に対応する領域を第2データによる画像で置換する。これにより、暗部領域95は画素信号B(=a+b)で構成され、明部領域は画素信号A(=a)で構成される合成画像が得られる。制御部70は、画像合成が終了するとステップS202へ戻る。ステップS202へ戻る場合は、上述した処理を繰り返す。 In step S210, the control unit 70 sends an instruction to the image processing unit 30 to perform image synthesis of the first data and the second data temporarily stored in the work memory 40. Specifically, in the image based on the first data, the area corresponding to the dark area 95 is replaced with the image based on the second data. This results in a synthetic image in which the dark area 95 is composed of pixel signal B (= a + b) and the bright area is composed of pixel signal A (= a). When the image synthesis is completed, the control unit 70 returns to step S202. If returning to step S202, the above-mentioned process is repeated.

上述したステップS204を否定判定して進むステップS211において、制御部70は、電源オフ操作されたか否かを判定する。制御部70は、不図示のON-OFFスイッチが電源オフ操作された場合にステップS211を肯定判定し、所定の電源オフ処理を行って図10による処理を終了する。制御部70は、不図示のON-OFFスイッチが電源オフ操作されない場合には、ステップS211を否定判定してステップS202へ戻る。 In step S211, which is reached after a negative judgment in step S204 described above, the control unit 70 judges whether or not the power has been turned off. If an ON-OFF switch (not shown) has been operated to turn off the power, the control unit 70 judges step S211 to be positive, performs a predetermined power-off process, and ends the process in FIG. 10. If an ON-OFF switch (not shown) has not been operated to turn off the power, the control unit 70 judges step S211 to be negative and returns to step S202.

以上説明した第二の実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
(1)撮像素子100は、演算回路415から出力されるデータがデマルチプレクサ413に入力されたデータである場合に画像の明部領域85を形成し、演算回路415から出力されるデータが加算器416により加算されたデータである場合に画像の暗部領域95を形成するようにしたので、光電変換データと、これを用いる処理とを適切に組み合わせて広いダイナミックレンジの画像を得ることができる。
According to the second embodiment described above, the following advantageous effects can be obtained.
(1) The image sensor 100 forms bright areas 85 of the image when the data output from the arithmetic circuit 415 is data input to the demultiplexer 413, and forms dark areas 95 of the image when the data output from the arithmetic circuit 415 is data added by the adder 416. Therefore, it is possible to obtain an image with a wide dynamic range by appropriately combining photoelectric conversion data and processing using the same.

(2)演算回路415から上記入力データを出力させるか、または加算データを出力させるかを、入力データによって構成される画像を解析して決定するようにしたので、画像に応じて適切な光電変換データを出力させることができる。 (2) Whether to output the input data or the sum data from the arithmetic circuit 415 is determined by analyzing the image formed by the input data, so that appropriate photoelectric conversion data can be output according to the image.

(3)上記決定では、画像の輝度が所定値より高い領域に対応する画素については上記入力データを出力させ、画像の輝度が所定値より低い領域に対応する画素について上記加算されたデータを出力させるようにしたので、適切な光電変換データを出力させることができる。 (3) In the above determination, the input data is output for pixels corresponding to areas where the image brightness is higher than a predetermined value, and the added data is output for pixels corresponding to areas where the image brightness is lower than a predetermined value, so that appropriate photoelectric conversion data can be output.

(変形例1)
上述した第一の実施形態および第二の実施形態に係る撮像装置1を、高機能携帯電話機、またはタブレット端末によって構成してもよい。この場合、高機能携帯電話機(またはタブレット端末)に搭載されるカメラユニットを、上記積層型撮像素子100を用いて構成する。
(Variation 1)
The imaging device 1 according to the first and second embodiments described above may be configured as a high-performance mobile phone or a tablet terminal. In this case, the camera unit mounted on the high-performance mobile phone (or the tablet terminal) is configured using the stacked imaging element 100 described above.

(変形例2)
上述した第二の実施形態では、画像処理部30が、ワークメモリ40に一時格納されている第1データおよび第2データを用いて画像合成する例を説明した。この代わりに、図4および図5に例示した画素メモリ414および加算器416を用いて画像合成を行うように構成してもよい。例えば、時刻t1における画素信号の読み出しの際、撮像素子100から明部領域85に対応する画素信号Aのみを選択的に読み出すように制御する。また、時刻t2における画素信号の読み出しの際、撮像素子100から暗部領域95に対応する画素信号Bのみを選択的に読み出すように制御する。
(Variation 2)
In the above-described second embodiment, an example has been described in which the image processing unit 30 synthesizes images using the first data and the second data temporarily stored in the work memory 40. Instead of this, the image synthesis may be performed using the pixel memory 414 and the adder 416 illustrated in Fig. 4 and Fig. 5. For example, when reading out pixel signals at time t1, control is performed so that only pixel signals A corresponding to the bright area 85 are selectively read out from the image sensor 100. Also, when reading out pixel signals at time t2, control is performed so that only pixel signals B corresponding to the dark area 95 are selectively read out from the image sensor 100.

(変形例3)
上述した第一の実施形態、および第二の実施形態では、撮像素子100(撮像チップ113)の所定の領域から、第1蓄積時間経過後の画素信号と、第2蓄積時間経過後の画素信号とを2回に分けて読み出す例を説明した。複数回の読み出し回数は、上述した2回だけでなく、3回でも4回でもそれ以上であってもよい。
(Variation 3)
In the first and second embodiments described above, an example has been described in which pixel signals after a first accumulation time has elapsed and pixel signals after a second accumulation time have elapsed are read out in two separate readouts from a predetermined region of the image sensor 100 (image sensor chip 113). The number of readouts is not limited to the above-mentioned two readouts, and may be three, four, or more.

また、本撮像の指示前に複数回に分けて読み出した画像については、それぞれAF演算に用いる画像、露出演算、ホワイトバランス調整値の決定に用いる画像、主要被写体の抽出に用いる画像、ライブビュー表示に用いる画像などとして、その用途を分けてもよい。また、本撮像の指示後に複数回に分けて読み出した画像については、それぞれ、きわめて明部領域、明部領域、暗部領域、きわめて暗部領域などとして、その用途を画像の明るさ別に分けてもよい。 In addition, images read out in multiple instalments before an instruction to capture an actual image may be divided into different applications, such as images to be used for AF calculations, images to be used for exposure calculations and for determining white balance adjustment values, images to be used for extracting the main subject, images to be used for live view display, etc. In addition, images read out in multiple instalments after an instruction to capture an actual image may be divided into different applications, such as extremely bright areas, bright areas, dark areas, extremely dark areas, etc., according to the brightness of the images.

以上の説明はあくまで一例であり、上記の実施形態の構成に何ら限定されるものではない。上記各実施形態および各変形例の構成は、適宜組合せて構わない。 The above description is merely an example, and is in no way limited to the configuration of the above embodiment. The configurations of the above embodiments and modified examples may be combined as appropriate.

1…撮像装置
10…撮像光学系
20…撮像部
30…画像処理部
40…ワークメモリ
50…表示部
51…液晶表示パネル
52…タッチパネル
60…記録部
70…制御部
71…AF演算部
72…AE、AWB演算部
100…撮像素子
109…バンプ
111…信号処理チップ
112…メモリチップ
113…撮像チップ
131…単位領域
413…デマルチプレクサ
414…画素メモリ
415…演算回路
416…加算器
417…駆動制御部
REFERENCE SIGNS LIST 1...imaging device 10...imaging optical system 20...imaging section 30...image processing section 40...work memory 50...display section 51...liquid crystal display panel 52...touch panel 60...recording section 70...control section 71...AF calculation section 72...AE, AWB calculation section 100...imaging element 109...bump 111...signal processing chip 112...memory chip 113...imaging chip 131...unit area 413...demultiplexer 414...pixel memory 415...arithmetic circuit 416...adder 417...drive control section

Claims (25)

積層された複数の半導体基板を備える撮像素子であって、
前記複数の半導体基板は、
光を電荷に変換する第1光電変換部と、
光を電荷に変換する光電変換部であって、行方向において前記第1光電変換部と並んで配置される第2光電変換部と、
光を電荷に変換する光電変換部であって、列方向において前記第1光電変換部と並んで配置される第3光電変換部と、
記第1光電変換部で変換された電荷に基づく第1信号をデジタル信号に変換する第1変換部と、
記第2光電変換部で変換された電荷に基づく第2信号をデジタル信号に変換する第2変換部と、
記第3光電変換部で変換された電荷に基づく第3信号をデジタル信号に変換する第3変換部と、
前記第1変換部でデジタル信号に変換された前記第1信号を用い第1加算処理を行う第1加算器と、
前記第2変換部でデジタル信号に変換された前記第2信号を用い第2加算処理を行う第2加算器と、
前記第3変換部でデジタル信号に変換された前記第3信号を用い第3加算処理を行う第3加算器と、
前記第1加算処理が行われた信号を格納する第1格納部と、
前記第2加算処理が行われた信号を格納する第2格納部と、
前記第3加算処理が行われた信号を格納する第3格納部と
を有し、
前記第1光電変換部前記第2光電変換部および前記第3光電変換部は、前記複数の半導体基板のうち第1半導体基板に配置され、
前記第1加算器、前記第2加算器、前記第3加算器、前記第1格納部、前記第2格納部および前記第3格納部は、前記複数の半導体基板のうち前記第1半導体基板とは異なる半導体基板に配置される
撮像素子。
An imaging element including a plurality of stacked semiconductor substrates,
The plurality of semiconductor substrates include
A first photoelectric conversion unit that converts light into an electric charge;
a second photoelectric conversion unit that converts light into electric charges and is arranged alongside the first photoelectric conversion unit in the row direction;
a third photoelectric conversion unit that converts light into electric charges and is arranged alongside the first photoelectric conversion unit in the column direction;
a first conversion unit that converts a first signal based on the charge converted by the first photoelectric conversion unit into a digital signal;
a second conversion unit that converts a second signal based on the charge converted by the second photoelectric conversion unit into a digital signal;
a third conversion unit that converts a third signal based on the charge converted by the third photoelectric conversion unit into a digital signal;
a first adder that performs a first addition process using the first signal that has been converted into a digital signal by the first conversion unit;
a second adder that performs a second addition process using the second signal that has been converted into a digital signal by the second conversion unit;
a third adder that performs a third addition process using the third signal that has been converted into a digital signal by the third conversion unit;
a first storage unit that stores the signal that has been subjected to the first addition process;
a second storage unit that stores the signal that has been subjected to the second addition process;
a third storage unit for storing the signal subjected to the third addition process;
having
the first photoelectric conversion unit , the second photoelectric conversion unit, and the third photoelectric conversion unit are disposed on a first semiconductor substrate among the plurality of semiconductor substrates ;
the first adder, the second adder, the third adder, the first storage unit, the second storage unit, and the third storage unit are disposed on a semiconductor substrate different from the first semiconductor substrate among the plurality of semiconductor substrates .
Image sensor.
請求項1に記載の撮像素子において、
前記第1信号を前記第1変換部に出力するための第1出力線と、
前記第2信号を前記第2変換部に出力するための第2出力線と、
前記第3信号を前記第3変換部に出力するための第3出力線と、
を備える撮像素子。
2. The imaging device according to claim 1,
a first output line for outputting the first signal to the first conversion unit;
a second output line for outputting the second signal to the second conversion unit;
a third output line for outputting the third signal to the third conversion unit;
An imaging element comprising:
請求項2に記載の撮像素子において、
前記複数の半導体基板は、
前記第1出力線に電流を供給する第1負荷電流源と、
前記第2出力線に電流を供給する第2負荷電流源と、
前記第3出力線に電流を供給する第3負荷電流源と、
を有し、
前記第1負荷電流源、前記第2負荷電流源および前記第3負荷電流源は、前記第1半導体基板にそれぞれ配置される
撮像素子。
3. The imaging device according to claim 2,
The plurality of semiconductor substrates include
a first load current source that supplies a current to the first output line;
a second load current source that supplies a current to the second output line;
a third load current source that supplies a current to the third output line;
having
the first load current source, the second load current source, and the third load current source are each disposed on the first semiconductor substrate .
Image sensor.
請求項2に記載の撮像素子において、
前記複数の半導体基板は、
前記第1出力線に電流を供給する第1負荷電流源と、
前記第2出力線に電流を供給する第2負荷電流源と、
前記第3出力線に電流を供給する第3負荷電流源と、
を有し、
前記第1負荷電流源、前記第2負荷電流源および前記第3負荷電流源は、前記複数の半導体基板のうち前第1半導体基板とは異なる半導体基板にそれぞれ配置される撮像素子。
3. The imaging device according to claim 2,
The plurality of semiconductor substrates include
a first load current source that supplies a current to the first output line;
a second load current source that supplies a current to the second output line;
a third load current source that supplies a current to the third output line;
having
an imaging element in which the first load current source, the second load current source, and the third load current source are each disposed on a semiconductor substrate different from the first semiconductor substrate among the plurality of semiconductor substrates;
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の撮像素子において、5. The imaging device according to claim 1,
前記第1光電変換部で変換された電荷の蓄積時間は、前記第2光電変換部で変換された電荷の蓄積時間とは異なる蓄積時間になるように制御される、an accumulation time of the electric charge converted by the first photoelectric conversion unit is controlled to be different from an accumulation time of the electric charge converted by the second photoelectric conversion unit;
撮像素子。Image sensor.
請求項5に記載の撮像素子において、6. The imaging device according to claim 5,
前記第1光電変換部で変換された電荷の蓄積時間は、前記第3光電変換部で変換された電荷の蓄積時間とは異なる蓄積時間になるように制御される、an accumulation time of the electric charge converted by the first photoelectric conversion unit is controlled to be different from an accumulation time of the electric charge converted by the third photoelectric conversion unit;
撮像素子。Image sensor.
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の撮像素子において、5. The imaging device according to claim 1,
前記第1光電変換部で変換された電荷の蓄積時間は、前記第3光電変換部で変換された電荷の蓄積時間とは異なる蓄積時間になるように制御される、an accumulation time of the electric charge converted by the first photoelectric conversion unit is controlled to be different from an accumulation time of the electric charge converted by the third photoelectric conversion unit;
撮像素子。Image sensor.
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記複数の半導体基板は、
前記第1光電変換部で変換された電荷を転送する第1転送部と、
前記第2光電変換部で変換された電荷を転送する第2転送部と、
前記第3光電変換部で変換された電荷を転送する第3転送部と、
を有し、
前記第1転送部前記第2転送部および前記第3転送部は、前記第1半導体基板に配置される、
撮像素子。
5. The imaging device according to claim 1,
The plurality of semiconductor substrates include
a first transfer unit that transfers the charges converted by the first photoelectric conversion unit;
a second transfer unit that transfers the charges converted by the second photoelectric conversion unit;
a third transfer unit that transfers the charges converted by the third photoelectric conversion unit;
having
the first transfer unit , the second transfer unit, and the third transfer unit are disposed on the first semiconductor substrate.
Image sensor.
請求項8に記載の撮像素子において、9. The imaging device according to claim 8,
前記第1転送部と前記第2転送部とは、前記第1光電変換部で変換された電荷の蓄積時間と、前記第2光電変換部で変換された電荷の蓄積時間とが異なる蓄積時間になるように制御する、The first transfer unit and the second transfer unit are controlled so that an accumulation time of the electric charge converted by the first photoelectric conversion unit and an accumulation time of the electric charge converted by the second photoelectric conversion unit are different accumulation times.
撮像素子。Image sensor.
請求項9に記載の撮像素子において、10. The imaging device according to claim 9,
前記第1転送部と前記第3転送部とは、前記第1光電変換部で変換された電荷の蓄積時間と、前記第3光電変換部で変換された電荷の蓄積時間とが異なる蓄積時間になるように制御する、The first transfer unit and the third transfer unit are controlled so that an accumulation time of the electric charge converted by the first photoelectric conversion unit and an accumulation time of the electric charge converted by the third photoelectric conversion unit are different accumulation times.
撮像素子。Image sensor.
請求項8に記載の撮像素子において、9. The imaging device according to claim 8,
前記第1転送部と前記第3転送部とは、前記第1光電変換部で変換された電荷の蓄積時間と、前記第3光電変換部で変換された電荷の蓄積時間とが異なる蓄積時間になるように制御する、The first transfer unit and the third transfer unit are controlled so that an accumulation time of the electric charge converted by the first photoelectric conversion unit and an accumulation time of the electric charge converted by the third photoelectric conversion unit are different accumulation times.
撮像素子。Image sensor.
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記複数の半導体基板は、
前記第1光電変換部で変換された電荷が転送される第1フローティングディフュージョンと、
前記第2光電変換部で変換された電荷が転送される第2フローティングディフュージョンと、
前記第3光電変換部で変換された電荷が転送される第3フローティングディフュージョンと、
前記第1フローティングディフュージョンの電位をリセットする第1リセット部と、
前記第2フローティングディフュージョンの電位をリセットする第2リセット部と、
前記第3フローティングディフュージョンの電位をリセットする第3リセット部と、
を有
撮像素子。
5. The imaging device according to claim 1 ,
The plurality of semiconductor substrates include
a first floating diffusion to which the charges converted by the first photoelectric conversion unit are transferred;
a second floating diffusion to which the charges converted by the second photoelectric conversion unit are transferred;
a third floating diffusion to which the charges converted by the third photoelectric conversion unit are transferred;
A first reset unit that resets the potential of the first floating diffusion;
A second reset unit that resets the potential of the second floating diffusion;
a third reset unit that resets the potential of the third floating diffusion;
having
Image sensor.
請求項12に記載の撮像素子において、13. The imaging device according to claim 12,
前記第1リセット部と前記第2リセット部とは、前記第1光電変換部で変換された電荷の蓄積時間と、前記第2光電変換部で変換された電荷の蓄積時間とが異なる蓄積時間になるように制御する、the first reset unit and the second reset unit perform control so that an accumulation time of the electric charge converted by the first photoelectric conversion unit and an accumulation time of the electric charge converted by the second photoelectric conversion unit are different accumulation times.
撮像素子。Image sensor.
請求項13に記載の撮像素子において、14. The imaging device according to claim 13,
前記第1リセット部と前記第3リセット部とは、前記第1光電変換部で変換された電荷の蓄積時間と、前記第3光電変換部で変換された電荷の蓄積時間とが異なる蓄積時間になるように制御する、the first reset unit and the third reset unit perform control so that an accumulation time of the electric charge converted by the first photoelectric conversion unit and an accumulation time of the electric charge converted by the third photoelectric conversion unit are different accumulation times.
撮像素子。Image sensor.
請求項12に記載の撮像素子において、13. The imaging device according to claim 12,
前記第1リセット部と前記第3リセット部とは、前記第1光電変換部で変換された電荷の蓄積時間と、前記第3光電変換部で変換された電荷の蓄積時間とが異なる蓄積時間になるように制御する、the first reset unit and the third reset unit perform control so that an accumulation time of the electric charge converted by the first photoelectric conversion unit and an accumulation time of the electric charge converted by the third photoelectric conversion unit are different accumulation times.
撮像素子。Image sensor.
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記複数の半導体基板は、
前記第1光電変換部の電位をリセットする第1リセット部と、
前記第2光電変換部の電位をリセットする第2リセット部と、
前記第3光電変換部の電位をリセットする第3リセット部と、
を有
撮像素子。
5. The imaging device according to claim 1 ,
The plurality of semiconductor substrates include
A first reset unit that resets the potential of the first photoelectric conversion unit;
A second reset unit that resets the potential of the second photoelectric conversion unit;
a third reset unit that resets the potential of the third photoelectric conversion unit;
having
Image sensor.
請求項16に記載の撮像素子において、17. The imaging device according to claim 16,
前記第1リセット部と前記第2リセット部とは、前記第1光電変換部で変換された電荷の蓄積時間と、前記第2光電変換部で変換された電荷の蓄積時間とが異なる蓄積時間になるように制御する、the first reset unit and the second reset unit control so that an accumulation time of the electric charge converted by the first photoelectric conversion unit and an accumulation time of the electric charge converted by the second photoelectric conversion unit are different accumulation times.
撮像素子。Image sensor.
請求項17に記載の撮像素子において、18. The imaging device according to claim 17,
前記第1リセット部と前記第3リセット部とは、前記第1光電変換部で変換された電荷の蓄積時間と、前記第3光電変換部で変換された電荷の蓄積時間とが異なる蓄積時間になるように制御する、the first reset unit and the third reset unit perform control so that an accumulation time of the electric charge converted by the first photoelectric conversion unit and an accumulation time of the electric charge converted by the third photoelectric conversion unit are different accumulation times.
撮像素子。Image sensor.
請求項16に記載の撮像素子において、17. The imaging device according to claim 16,
前記第1リセット部と前記第3リセット部とは、前記第1光電変換部で変換された電荷の蓄積時間と、前記第3光電変換部で変換された電荷の蓄積時間とが異なる蓄積時間になるように制御する、the first reset unit and the third reset unit perform control so that an accumulation time of the electric charge converted by the first photoelectric conversion unit and an accumulation time of the electric charge converted by the third photoelectric conversion unit are different accumulation times.
撮像素子。Image sensor.
請求項1から請求項19のいずれか一項に記載の撮像素子において、20. The imaging device according to claim 1,
前記第1加算器、前記第2加算器、前記第3加算器、前記第1格納部、前記第2格納部および前記第3格納部は、前記複数の半導体基板のうち第2半導体基板に配置される、the first adder, the second adder, the third adder, the first storage unit, the second storage unit, and the third storage unit are disposed on a second semiconductor substrate among the plurality of semiconductor substrates;
撮像素子。Image sensor.
請求項20に記載の撮像素子において、21. The imaging device according to claim 20,
前記第1変換部、前記第2変換部および前記第3変換部は、前記複数の半導体基板のうち第3半導体基板に配置される、the first conversion unit, the second conversion unit, and the third conversion unit are disposed on a third semiconductor substrate among the plurality of semiconductor substrates;
撮像素子。Image sensor.
請求項21に記載の撮像素子において、22. The imaging device according to claim 21,
前記第3半導体基板は、前記複数の半導体基板が積層される積層方向において、前記第1半導体基板と前記第2半導体基板との間に配置される、the third semiconductor substrate is disposed between the first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate in a stacking direction in which the plurality of semiconductor substrates are stacked;
撮像素子。Image sensor.
請求項1から請求項22のいずれか一項に記載の撮像素子を備える撮像装置。 An imaging device comprising the imaging element according to any one of claims 1 to 22 . 請求項23に記載の撮像装置において、24. The imaging device according to claim 23,
前記第1加算処理が行われた信号であって前記第1格納部に格納された第4信号と、前記第2加算処理が行われた信号であって前記第2格納部に格納された第5信号と、前記第3加算処理が行われた信号であって前記第3格納部に格納された第6信号とのうち、少なくとも1つの信号を用いて画像データを生成する制御部を備える撮像装置。 An imaging device comprising a control unit that generates image data using at least one of a fourth signal that has been subjected to the first addition processing and stored in the first storage unit, a fifth signal that has been subjected to the second addition processing and stored in the second storage unit, and a sixth signal that has been subjected to the third addition processing and stored in the third storage unit.
請求項23に記載の撮像装置において、24. The imaging device according to claim 23,
前記第1加算処理が行われた信号であって前記第1格納部に格納された第4信号と、前記第2加算処理が行われた信号であって前記第2格納部に格納された第5信号と、前記第3加算処理が行われた信号であって前記第3格納部に格納された第6信号とのうち、少なくとも1つの信号を用いて、前記撮像素子に光を入射させる光学系の焦点調節を行う制御部を備える撮像装置。an imaging device including a control unit that adjusts the focus of an optical system that directs light to the imaging element, using at least one of a fourth signal that has been subjected to the first addition processing and stored in the first storage unit, a fifth signal that has been subjected to the second addition processing and stored in the second storage unit, and a sixth signal that has been subjected to the third addition processing and stored in the third storage unit.
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