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JP7617762B2 - Image sensor - Google Patents
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  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Description

本発明は、ビニング機能を備えた撮像素子に関するものである。 The present invention relates to an imaging element with a binning function.

CMOS型撮像素子は、一平面上において画素がアレイ状に配列されてなり(例えば図8(A)に示す画素アレイ領域300Bを参照)、各画素は、図8(B)に示すように、光電変換部123および複数個のトランジスタ(TG、RST、SF、SL)を備えてなり、各画素への入力光量に応じて発生した信号電荷を、画素内に配された電荷電圧変換部で信号電荷に応じた電圧に変換し、この電圧信号(画素信号)を画素内アンプ、AD変換部(例えば図8(A)のCDS/ADC)230を介して素子外部に出力するようにしている。 A CMOS image sensor has pixels arranged in an array on a single plane (see, for example, pixel array region 300B shown in FIG. 8(A)), and each pixel has a photoelectric conversion unit 123 and multiple transistors (TG, RST, SF, SL) as shown in FIG. 8(B). The signal charge generated according to the amount of light input to each pixel is converted into a voltage according to the signal charge by a charge-voltage conversion unit arranged within the pixel, and this voltage signal (pixel signal) is output outside the element via an in-pixel amplifier and an AD conversion unit (for example, CDS/ADC in FIG. 8(A)) 230.

ここで、各画素への駆動信号の供給や、各画素からの画素信号の出力は、信号線を通じて行うことになるが、画面内の横方向に配列される一群の画素(以下「行」と表現する)を一括して駆動し、画面内の縦方向に配線される垂直信号線によって画素からの信号をAD変換部230に伝達する列並列方式を用いて読出し走査を行うことが一般的である。
一本の垂直信号線には、画面内縦方向の多数の画素が接続されるが、画素アレイを駆動する行駆動回路が、行を走査しながら駆動することにより、同一時刻においては、一本の垂直信号線毎に一つの画素のみを駆動する時分割方式が採用されている。これにより、全ての画素からの画素信号を時系列的に順次読み出して画像データを取得することが可能となる。
このように信号線が配列された結果、横方向の行は、共通の駆動信号線によって一括して駆動されることから、行に含まれる全ての画素は同一の読出し動作を行うことになる。
Here, the supply of drive signals to each pixel and the output of pixel signals from each pixel are performed through signal lines, and readout scanning is generally performed using a column-parallel method in which a group of pixels arranged horizontally on the screen (hereinafter referred to as a "row") are driven collectively, and signals from the pixels are transmitted to the AD conversion unit 230 via vertical signal lines wired vertically on the screen.
A single vertical signal line is connected to many pixels in the vertical direction of the screen, but a time-division method is adopted in which the row drive circuit that drives the pixel array drives the rows while scanning them, thereby driving only one pixel per vertical signal line at a time. This makes it possible to obtain image data by sequentially reading out pixel signals from all pixels in a chronological order.
As a result of arranging the signal lines in this manner, rows in the horizontal direction are driven collectively by a common drive signal line, so that all pixels in a row perform the same readout operation.

一方、近年では、画素の小型化の要請から、複数の画素(フォトダイオード)が1つの電荷電圧変換部を共有する、画素共有構造が多く採用されている。その一例として、横2画素×縦2画素の4つのフォトダイオード321~324が電荷電圧変換部を共有する4画素共有構造302を図9に示す。また、図9には、この4画素共有構造302が縦・横に配列されている様子が示されている。この構成では、通常の撮影においては、4つのフォトダイオード321~324に蓄積された信号電荷を順番に電荷電圧変換部に転送し、それぞれを垂直信号線で読み出してAD変換を行うことが望まれる。その一方、低照度での撮影時においては、4つのフォトダイオード321~324に蓄積された信号電荷を同時に電荷電圧変換部に転送し、加算された信号を垂直信号線で読み出してAD変換を行う、ビニングと称される処理を採用することが望まれる。ビニングを行うことで、画像の解像度は低下するものの、読み出される映像の信号雑音比(S/N比)を向上させることが可能である。 On the other hand, in recent years, due to the demand for smaller pixels, pixel sharing structures have been widely adopted in which multiple pixels (photodiodes) share one charge-voltage conversion unit. As an example, FIG. 9 shows a four-pixel sharing structure 302 in which four photodiodes 321 to 324, which are two pixels horizontally and two pixels vertically, share a charge-voltage conversion unit. FIG. 9 also shows how the four-pixel sharing structure 302 is arranged vertically and horizontally. In this configuration, in normal shooting, it is desirable to transfer the signal charges accumulated in the four photodiodes 321 to 324 in order to the charge-voltage conversion unit, read each of them out via a vertical signal line, and perform A/D conversion. On the other hand, in shooting under low illuminance, it is desirable to adopt a process called binning, in which the signal charges accumulated in the four photodiodes 321 to 324 are simultaneously transferred to the charge-voltage conversion unit, and the added signal is read out via a vertical signal line and A/D converted. Although binning reduces the image resolution, it is possible to improve the signal-to-noise ratio (S/N ratio) of the image being read out.

特開2008-288903号公報JP 2008-288903 A 特開2020-31347号公報JP 2020-31347 A

ところで、一般的な画像の撮影においては、撮像範囲内の照度や空間周波数成分はその領域によって必ずしも一様ではない。例えば、比較的明るく高精細な被写体が含まれる領域と、比較的暗く高精細ではない被写体が含まれる領域のいずれもが、1つの撮像範囲内に存在することも多い。
このような場合には、前者の領域はビニングを行わずに高解像度で撮影し、後者の領域はビニングを行って低雑音で撮影することにより、画面全体の主観的な画質を向上させることが望まれる。
しかしながら、このような撮影を行うためには、撮影する領域に応じて、ビニングを行ったり、行わなかったりする動作が必要となる。
In general image capture, the illuminance and spatial frequency components within the image capture range are not necessarily uniform across the range. For example, it is common for both areas containing relatively bright, high-definition subjects and areas containing relatively dark, low-definition subjects to exist within a single image capture range.
In such a case, it is desirable to improve the subjective image quality of the entire screen by capturing the former area at high resolution without binning and capturing the latter area at low noise with binning.
However, in order to perform such imaging, it is necessary to perform an operation of performing or not performing binning depending on the area to be imaged.

このように、撮影する領域に応じて、画素の駆動を変更する技術としては、例えば上記特許文献1に記載の技術が知られている。この技術は、特定の行に対して電子シャッター動作をおこなうことによりブルーミングを抑制するものであるが、1行に含まれる画素は全て同じ動作を行うこととなるため、上記領域毎にビニングを行うか否かを決定することはできない。
また、上記特許文献2には、画素ブロック毎に制御を行う技術が開示されているが、全画素を、短秒露光を受け持つ画素と長秒露光を受け持つ画素に応じた駆動を行う機能と、読み出し時のゲインを上記画素の種類に合わせて協調制御する機能とを有してはいるものの、状況に応じて、隣接する画素における蓄積信号を互いに加算する、あるいは加算しないという構成とはされていないので、ビニングをコントロールすることは困難である。
As such, a technique for changing pixel drive depending on the region to be photographed is known, for example, from the technique described in Patent Document 1. This technique suppresses blooming by performing an electronic shutter operation on a specific row, but since all pixels in one row perform the same operation, it is not possible to determine whether or not to perform binning for each region.
Furthermore, Patent Document 2 discloses a technology for controlling each pixel block. Although this technology has a function for driving all pixels according to whether they are responsible for short-second exposure or long-second exposure, and a function for cooperatively controlling the gain during readout in accordance with the type of pixel, it is not configured to add or not add accumulated signals in adjacent pixels to each other depending on the situation, making it difficult to control binning.

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、撮像素子において、同じタイミングで駆動・読み出しが行われる画素群において、画素毎にもしくは任意の大きさに設定される画素群毎に、ビニングの有効と無効を切り替えることが可能な撮像素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and aims to provide an image sensor that can switch between enabling and disabling binning for each pixel or for each pixel group set to an arbitrary size in a pixel group that is driven and read out at the same timing.

本発明の撮像素子は、
光電変換部を各々有する複数の画素をアレイ状に配してなる画素群を、所定個数の画素毎の画素部領域に区分し、該画素群において、所定方向に配列された該画素の駆動により該画素に各々蓄積された電荷を、信号として読み出す撮像素子において、
前記画素部領域を1つ配置してなる、または前記所定方向に複数個配列してなる画素部領域制御単位毎にビニング処理を行うか否かに係るビニング処理決定情報に基づき、該画素部領域制御単位毎にビニング処理を行うか否かを指示するビニング処理駆動指示信号を出力するビニング処理駆動指示部を備え
前記所定方向が行方向であり、
前記ビニング処理決定情報は、選択行および非選択行のいずれか一方に対しては高電位に、他方に対しては低電位に設定される行選択信号と、前記画素部領域における、少なくとも転送ゲートトランジスタの各ゲートに対して、オンまたはオフのいずれか一方のタイミングでは高電位に、他方のタイミングでは低電位に、各々設定される画素動作タイミング信号であり、
前記ビニング処理駆動指示信号は、少なくとも前記転送ゲートトランジスタを駆動するゲート駆動信号であることを特徴とするものである。
なお、上記「ビニング処理決定情報」は、所定の情報に基づき自動的に形成されるものであってもよいし、キーボード等からの人為的な操作により発生した情報であってもよい。
The imaging element of the present invention comprises:
An image sensor in which a pixel group, in which a plurality of pixels each having a photoelectric conversion unit are arranged in an array, is divided into pixel portion regions each having a predetermined number of pixels, and charges accumulated in each of the pixels arranged in a predetermined direction in the pixel group are read out as a signal by driving the pixels,
a binning process drive instruction unit that outputs a binning process drive instruction signal that instructs whether or not to perform a binning process for each pixel section region control unit, the pixel section region being arranged one by one or a plurality of pixel section regions being arranged in the predetermined direction, based on binning process decision information relating to whether or not to perform a binning process for each pixel section region control unit ,
the predetermined direction is a row direction,
the binning process determination information is a row selection signal that is set to a high potential for either a selected row or a non-selected row and to a low potential for the other, and a pixel operation timing signal that is set to a high potential at one of on and off timings and to a low potential at the other timing for each gate of at least a transfer gate transistor in the pixel portion region,
The binning process drive instruction signal is a gate drive signal for driving at least the transfer gate transistor .
The "binning process determination information" may be automatically generated based on predetermined information, or may be information generated by a human operation from a keyboard or the like.

また、前記ゲート駆動信号は、前記画素部領域を構成する前記光電変換部毎に設けられた、少なくとも前記転送ゲートトランジスタ毎にゲートをオン/オフする信号であることが好ましい。
さらに、前記ビニング処理駆動指示部は、前記画素部領域を構成する、少なくとも前記転送ゲートトランジスタ毎に各々設けられていることが好ましい。
The gate drive signal is preferably a signal for turning on/off a gate for at least each of the transfer gate transistors provided for each of the photoelectric conversion sections constituting the pixel section region.
Furthermore, it is preferable that the binning process drive instruction section is provided for at least each of the transfer gate transistors constituting the pixel section region.

また、前記ビニング処理駆動指示部が、前記画素部領域を構成する、少なくとも前記転送ゲートトランジスタ毎に、NMOS型トランジスタおよびPMOS型トランジスタのペアからなるインバータ回路を備えていることが好ましい。
また、前記ビニング処理駆動指示部が、前記画素部領域を構成する、少なくとも前記転送ゲートトランジスタ毎に1つのNMOS型トランジスタまたはPMOS型トランジスタを備えていることが好ましい。
また、前記少なくとも前記転送ゲートトランジスタは、前記転送ゲートトランジスタおよびリセットトランジスタ、とすることができる。
また、前記画素部領域制御単位の各々について、信号の出力部に設けられたAD変換回路による信号変換周期が、前記ビニング処理を行う場合には、前記ビニング処理を行わない場合よりも長く設定されるように構成されていることが好ましい。
この場合において、前記AD変換回路による信号変換周期が長くなるのにしたがい、サンプリングの回数が増大するように構成されていることが好ましい。
It is also preferable that the binning process drive instruction section includes an inverter circuit, which is made up of a pair of an NMOS transistor and a PMOS transistor, for at least each of the transfer gate transistors constituting the pixel section region.
It is also preferable that the binning process drive instruction section includes at least one NMOS transistor or PMOS transistor for each of the transfer gate transistors constituting the pixel section region.
Moreover, the at least one transfer gate transistor may be the transfer gate transistor and a reset transistor.
Furthermore, it is preferable that, for each of the pixel area control units, the signal conversion period by an AD conversion circuit provided in the signal output section is set to be longer when the binning process is performed than when the binning process is not performed.
In this case, it is preferable that the number of sampling operations is increased as the signal conversion period by the AD conversion circuit becomes longer.

本発明の撮像素子によれば、画素群が所定個数の画素を備えた画素部領域に区分され、この画素部領域を1つ配置してなる、または前記画素群において所定方向に複数個配列してなる画素部領域制御単位毎に、ビニング処理を行うか否かを指示するビニング処理駆動指示信号を出力するビニング処理駆動指示部を備えている。このビニング処理駆動指示部には、ビニング処理を行うか否かに係るビニング処理決定情報が入力され、このビニング処理決定情報に基づいて画素部領域制御単位毎にビニング処理を行うか否かを指示するビニング処理駆動指示信号が出力されるようになっている。 According to the imaging element of the present invention, the pixel group is divided into pixel section regions each having a predetermined number of pixels, and a binning process drive instruction unit is provided that outputs a binning process drive instruction signal that instructs whether or not to perform binning process for each pixel section region control unit formed by arranging one of these pixel sections or by arranging a plurality of these pixel sections in a predetermined direction in the pixel group. Binning process decision information relating to whether or not to perform binning process is input to this binning process drive instruction unit, and a binning process drive instruction signal that instructs whether or not to perform binning process for each pixel section region control unit based on this binning process decision information is output.

これにより、本発明の撮像素子によれば、同じタイミングで駆動・読出しが行われる画素群において、画素部領域を1つ、または前記所定方向に複数個配列してなる画素部領域制御単位毎に、ビニングの有効と無効を切り替えることが可能となる。
したがって、例えば、比較的明るく高精細な被写体が含まれる領域(画素部領域制御単位)と、比較的暗く高精細ではない被写体が含まれる領域(画素部領域制御単位)のいずれもが、1つの撮像範囲内に存在する場合であっても、前者の領域はビニングを行わずに高解像度で撮影し、後者の領域はビニングを行って低雑音で撮影することにより、画面全体の主観的な画質を向上させることが可能となる。
As a result, with the imaging element of the present invention, in a pixel group that is driven and read out at the same timing, it becomes possible to switch between enabling and disabling binning for each pixel area control unit consisting of one pixel area or multiple pixel areas arranged in the specified direction.
Therefore, for example, even if an area (pixel area control unit) containing a relatively bright, high-definition subject and an area (pixel area control unit) containing a relatively dark, low-definition subject are both present within a single imaging range, the former area can be photographed at high resolution without binning, and the latter area can be photographed with low noise by binning, thereby improving the subjective image quality of the entire screen.

本実施形態に係る撮像素子を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing an imaging element according to an embodiment of the present invention. 本実施形態に係る撮像素子の画素部領域制御単位の主要部を示す概略図である。2 is a schematic diagram showing a main part of a pixel portion region control unit of the image sensor according to the embodiment. FIG. 本実施形態に係る撮像素子の画素内駆動信号生成回路の動作を説明するための一部回路図および入出力信号状態を示すグラフである(行選択されている時(VDD側が高電圧(VGH)に接続)。1 is a partial circuit diagram for explaining the operation of the in-pixel drive signal generation circuit of the image sensor according to the embodiment, and a graph showing the input/output signal state (when a row is selected (VDD side is connected to high voltage (VGH))). 本実施形態に係る撮像素子の画素内駆動信号生成回路の動作を説明するための一部回路図および入出力信号状態を示すグラフである(行選択されていない時(VDD側が低電圧(VGL)に接続)。1 is a partial circuit diagram for explaining the operation of an in-pixel drive signal generation circuit of an image sensor according to the present embodiment, and a graph showing input/output signal states (when a row is not selected (VDD side is connected to a low voltage (VGL))). 本実施形態に係る撮像素子において、4画素共有構造における各駆動モードのタイミングチャート((A)ビニングを行わない読出しの場合、(B)4画素ビニングの場合、(C)横2画素ビニングの場合、(D)縦2画素ビニングの場合)を示すものである。FIG. 13 shows timing charts of each driving mode in a four-pixel sharing structure in an image sensor according to this embodiment ((A) readout without binning, (B) four-pixel binning, (C) horizontal two-pixel binning, and (D) vertical two-pixel binning). 本実施形態に係る撮像素子に対するフィードバック制御機能を備えた撮像装置を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing an imaging device having a feedback control function for an imaging element according to an embodiment of the present invention. 図2に示す撮像素子の画素内駆動信号生成回路の変更態様を示す概略図である。3 is a schematic diagram showing a modification of the intra-pixel drive signal generating circuit of the image sensor shown in FIG. 2. 本実施形態の変更態様に係る撮像素子において、4画素共有構造における各駆動モードのタイミングチャート((A)ビニングを行わない読出しの場合、(B)4画素ビニングの場合、(C)横2画素ビニングの場合、(D)縦2画素ビニングの場合)を示すものである。13A and 13B show timing charts of each driving mode in a four-pixel sharing structure in an image sensor according to a modified embodiment of this embodiment ((A) readout without binning, (B) four-pixel binning, (C) horizontal two-pixel binning, and (D) vertical two-pixel binning). 従来技術1に係るCMOS型撮像素子の構造(A)および各画素の回路(B)を示す概略図である。1A is a schematic diagram showing the structure of a CMOS image sensor according to prior art 1 and FIG. 1B is a schematic diagram showing the circuit of each pixel. 従来技術2に係るCMOS型撮像素子の画素共有構造を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a pixel sharing structure of a CMOS image sensor according to prior art 2.

以下、本発明の実施形態に係る撮像素子について、図面を参照しながら説明する。
最初に、本実施形態に係る撮像素子の基本的な構成を、図1を参照しつつ、列挙する。
すなわち、本実施形態に係る撮像素子100は、光電変換部21~24を各々有する複数の画素をアレイ状に配してなる画素群を、4つの画素を備えた画素部領域2を行方向に複数個(1つであってもよい)配列してなる画素部領域制御単位200毎に仮想的に区分し、行方向に配列された画素を一括して駆動することにより、該画素に蓄積された電荷を信号として読みだすように構成されている。また、各画素部領域制御単位200毎にビニング処理を行うか否かに係るビニング処理決定情報に基づき、ゲート駆動信号(ビニング処理駆動指示信号)を出力する画素内駆動信号生成回路(ビニング処理駆動指示部)1を備えてなる。このゲート駆動信号は画素部領域制御単位200毎にビニング処理を行うか否かを、当該画素部領域制御単位200における全ての画素部領域2に対して一様に指示するものである。
Hereinafter, an imaging device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, the basic configuration of the image sensor according to this embodiment will be listed with reference to FIG.
That is, the image sensor 100 according to the present embodiment is configured to virtually divide a pixel group, which is an array of a plurality of pixels each having a photoelectric conversion unit 21 to 24, into pixel region control units 200 each having a plurality of pixel region 2 (or one pixel region) each having four pixels arranged in the row direction, and to read out the charge accumulated in the pixel as a signal by driving the pixels arranged in the row direction collectively. Also, the image sensor 100 includes an intra-pixel drive signal generating circuit (binning process drive instruction unit) 1 that outputs a gate drive signal (binning process drive instruction signal) based on binning process decision information regarding whether or not to perform binning process for each pixel region control unit 200. This gate drive signal uniformly instructs all pixel regions 2 in the pixel region control unit 200 whether or not to perform binning process for each pixel region control unit 200.

また、画素内駆動信号生成回路1に入力されるビニング処理決定情報は、選択行に対しては高電位に、非選択行に対しては低電位に(高電位と低電位を逆に設定する構成とすることも可能である)、各々設定される行選択信号、および画素部領域2における、転送ゲートトランジスタTG1~TG4およびリセットトランジスタRSTのゲートに対して、オンまたはオフのいずれか一方のタイミングでは高電位に、他方のタイミングでは低電位に(高電位と低電位を逆に設定する構成とすることも可能である)、各々設定される画素動作タイミング信号である。 The binning process determination information input to the pixel drive signal generation circuit 1 is a row selection signal that is set to a high potential for the selected row and a low potential for the non-selected row (it is also possible to configure the high and low potentials to be reversed), and a pixel operation timing signal that is set to a high potential when the gates of the transfer gate transistors TG1 to TG4 and the reset transistor RST in the pixel region 2 are either on or off, and a low potential when the gates are the other way around (it is also possible to configure the high and low potentials to be reversed).

また、画素内駆動信号生成回路1からの出力信号であるゲート駆動信号は、転送ゲートトランジスタTG1~TG4およびリセットトランジスタRSTの各ゲートを駆動するものである。
なお、画素内駆動信号生成回路1は、画素部領域2を構成する、各光電変換部21~24に係る転送トランジスタTG1~TG4毎に、および画素部領域2に対する1つのリセットトランジスタRSTに対応して、各々設けられている。
Moreover, a gate drive signal, which is an output signal from the intra-pixel drive signal generation circuit 1, drives the gates of the transfer gate transistors TG1 to TG4 and the reset transistor RST.
The in-pixel drive signal generation circuit 1 is provided for each of the transfer transistors TG1 to TG4 associated with the photoelectric conversion units 21 to 24 constituting the pixel region 2, and for one reset transistor RST for the pixel region 2.

さらに、画素内駆動信号生成回路1は、画素部領域2を構成する、光電変換部21~24に係る転送トランジスタTG1~TG4毎に、および画素部領域2に対する1つのリセットトランジスタRSTに対応して、各々、PMOS(P型電界効果トランジスタ)およびNMOS(N型電界効果トランジスタ)のペアからなるインバータ回路を備えている。上記PMOS11のソースは行選択信号線に、上記NMOS12のソースは転送トランジスタTG1~TG4およびリセットトランジスタRSTのオフ時のゲート電圧を供給する信号線(VSSTG,VSSRT)に、それぞれ接続され、PMOS11とNMOS12のドレインは互いに接続されている。PMOS11とNMOS12のゲートのいずれにも前記画素動作タイミング信号が入力されるように接続されている。 Furthermore, the pixel drive signal generating circuit 1 includes an inverter circuit consisting of a pair of PMOS (P-type field effect transistor) and NMOS (N-type field effect transistor) for each of the transfer transistors TG1 to TG4 related to the photoelectric conversion units 21 to 24 constituting the pixel region 2, and for one reset transistor RST for the pixel region 2. The source of the PMOS 11 is connected to a row selection signal line, the source of the NMOS 12 is connected to signal lines (VSSTG, VSSRT) that supply gate voltages when the transfer transistors TG1 to TG4 and the reset transistor RST are off, and the drains of the PMOS 11 and NMOS 12 are connected to each other. The gates of both the PMOS 11 and NMOS 12 are connected so that the pixel operation timing signal is input.

すなわち、図1に示すように、本実施形態に係る撮像素子においては、複数の画素部領域2を備えた画素部領域制御単位200内に、各々画素内駆動信号生成回路1が形成されている。
この画素内駆動信号生成回路1には、行駆動回路10から出力されて行選択と同時に画素内の転送ゲートトランジスタTG1~TG4にオン時のゲート駆動電圧を付与する行選択信号(TG(n)、RT(n)、SL(n))と、列ごと、もしくは複数の列を単位として、ゲートをオンにするタイミングを付与する画素動作タイミング信号(TG1CTL~TG4CTL、RTCTL)が入力されるように構成されており、また、これらの入力信号に基づいて、画素内トランジスタのゲートを駆動するゲート駆動信号(TG1_LOCAL~TG4_LOCAL、RT_LOCAL)を出力するように構成されている。
That is, as shown in FIG. 1, in the image sensor according to this embodiment, an in-pixel drive signal generation circuit 1 is formed in each pixel region control unit 200 including a plurality of pixel regions 2 .
This in-pixel drive signal generation circuit 1 is configured to receive as input row selection signals (TG(n), RT(n), SL(n)) that are output from the row drive circuit 10 and that apply a gate drive voltage when turned on to the transfer gate transistors TG1 to TG4 in the pixel at the same time as row selection, and pixel operation timing signals (TG1CTL to TG4CTL, RTCTL) that provide the timing for turning on the gates for each column or for multiple columns, and is also configured to output gate drive signals (TG1_LOCAL to TG4_LOCAL, RT_LOCAL) that drive the gates of the in-pixel transistors based on these input signals.

上記行選択信号は、選択された行に配された各画素部領域2については、この選択されている期間において、対象の画素内トランジスタを駆動するオン電圧が供給されるように制御され、一方、選択されていない行に配された各画素部領域2については、この選択されていない期間において、対象の画素内トランジスタを駆動しないオフ電圧と同一の電圧が供給されるように制御される。
また、上記画素動作タイミング信号は、対象の画素内トランジスタをオンに制御しようとする期間はVSS(低電圧)が、オフに制御しようとする期間はVDD(高電圧)が各々供給されるという、いわゆるCMOSロジック信号が供給されるように制御される。この画素動作タイミング信号の供給によって、画素部領域制御単位200毎に、ビニングについて異なる動作モード(ビニングが有効、あるいは無効とのモードを含む:動作モードについては、後述する図5の説明において記述する)に設定することができる。
The row selection signal is controlled so that, for each pixel region 2 arranged in a selected row, an on-voltage that drives the target in-pixel transistor is supplied during the selected period, while, for each pixel region 2 arranged in a non-selected row, a voltage equal to an off-voltage that does not drive the target in-pixel transistor is supplied during the non-selected period.
The pixel operation timing signal is controlled so that a so-called CMOS logic signal is supplied, in which VSS (low voltage) is supplied during the period when the transistor in the pixel is to be controlled to be on, and VDD (high voltage) is supplied during the period when the transistor is to be controlled to be off. By supplying this pixel operation timing signal, it is possible to set different operation modes for binning (including a mode in which binning is enabled or disabled: the operation modes will be described in the explanation of FIG. 5 below) for each pixel portion region control unit 200.

このような画素内駆動信号生成回路1の設定数は、前述したように画素部領域2に含まれる転送ゲートトランジスタ(TG)とリセットトランジスタ(RST)の数に応じた数とされる。また、後述するようにリセットトランジスタ(RST)については画素部領域制御単位200毎に制御を行わない構成とすることも可能であり、その場合には、画素内駆動信号生成回路1の設定数は、転送ゲートトランジスタ(TG)の数に応じた数となる。
なお、画素部領域制御単位200に含まれる画素部領域2の数は任意の数とされている。
また、図1に示すように、撮像素子100からの出力信号は、AD変換回路30を介して外部に出力される。この時、AD変換回路30には、タイミング生成回路20から動作モードに応じたタイミング信号が供給され、これに基づいて、AD変換処理および信号外部出力処理がなされるようになっている。
As described above, the number of such in-pixel drive signal generation circuits 1 is set according to the number of transfer gate transistors (TG) and reset transistors (RST) included in the pixel region 2. As described later, it is also possible to configure the reset transistors (RST) not to be controlled for each pixel region control unit 200, and in that case, the number of in-pixel drive signal generation circuits 1 is set according to the number of transfer gate transistors (TG).
The number of pixel areas 2 included in the pixel area control unit 200 is set to an arbitrary number.
1, the output signal from the image sensor 100 is output to the outside via an AD conversion circuit 30. At this time, a timing signal corresponding to the operation mode is supplied from the timing generation circuit 20 to the AD conversion circuit 30, and based on this, AD conversion processing and signal external output processing are performed.

以下、本実施形態に係る撮像素子の動作について図2、3を用いて説明する。
行選択信号(TG(n)、RT(n)、SL(n))がオンとなっている期間においては、画素内駆動信号生成回路1は、図3A(a)、(b)に示すように、PMOS11のソースにVDDが供給され、NMOS12のソースにVSSTG(図1を参照)が供給される。
The operation of the image sensor according to this embodiment will be described below with reference to FIGS.
During a period in which the row selection signals (TG(n), RT(n), SL(n)) are on, in the intra-pixel drive signal generation circuit 1, as shown in FIGS. 3A(a) and 3B, VDD is supplied to the source of the PMOS 11 and VSSTG (see FIG. 1) is supplied to the source of the NMOS 12.

この状態で、インバータ(PMOS11とNMOS12からなる)を駆動するのに十分な振幅を持つ画素動作タイミング信号(TG1CTL~TG4CTL、RTCTL)が供給された場合には、出力されるゲート駆動信号(TG1_LOCAL~TG4_LOCAL、RT_LOCAL)は、画素動作タイミング信号の反転状態とされ、かつ行選択信号より供給されるオン電圧、オフ電圧の振幅を持つ信号となる。
また、その遷移動作はインバータとしての構成を有することから、画素動作タイミング信号の遷移状態から低遅延かつ急峻なエッジを有する信号状態とされる。
したがって、このゲート駆動信号を用いて、画素内の転送トランジスタTG1~TG4のゲートやリセットトランジスタRSTのゲートを高速で駆動することが可能である。
In this state, when a pixel operation timing signal (TG1CTL to TG4CTL, RTCTL) having a sufficient amplitude to drive an inverter (consisting of a PMOS 11 and an NMOS 12) is supplied, the output gate drive signal (TG1_LOCAL to TG4_LOCAL, RT_LOCAL) is made to be an inverted state of the pixel operation timing signal, and becomes a signal having the amplitude of the on voltage and off voltage supplied by the row selection signal.
In addition, since the transition operation has a configuration as an inverter, the transition state of the pixel operation timing signal is changed to a signal state having a low delay and a steep edge.
Therefore, using this gate drive signal, it is possible to drive the gates of the transfer transistors TG1 to TG4 and the gate of the reset transistor RST in the pixel at high speed.

また、行選択信号がオフとなっている期間においては、画素内駆動信号生成回路1は、図3B(a)、(b)に示すように、画素動作タイミング信号がVDD側の時には、NMOS12が導通状態となることからゲート駆動信号はオフ電圧に固定され、また、画素動作タイミング信号がVSS側の時には、NMOS12とPMOS11が共に非導通状態となることから、ゲート駆動信号によりゲートは駆動されず、NMOS12のソースとドレイン間を接続する抵抗13によって、オフ電圧が維持されることになる。 In addition, during the period when the row selection signal is off, as shown in Figures 3B (a) and (b), when the pixel operation timing signal is on the VDD side, the NMOS 12 is conductive, so the gate drive signal is fixed to the off voltage, and when the pixel operation timing signal is on the VSS side, both NMOS 12 and PMOS 11 are non-conductive, so the gate is not driven by the gate drive signal and the off voltage is maintained by resistor 13 connecting the source and drain of NMOS 12.

このようにして、該当する行が選択されていない場合には、図3Bに示すように、画素動作タイミング信号がVDD側に設定されるかVSS側に設定されるか否かに拘らず、ゲート駆動信号はオフ電圧に維持されるために、画素アレイ中の特定の行のみを駆動することが可能となる。
なお、上記抵抗13は、前述したようにゲート駆動信号がインバータ部から送出されない状態において、該当するノードの電圧が揺らぐことを防止する目的で設けられており、この目的が達成される程度の、高い抵抗値の素子とする。
In this way, when the row in question is not selected, as shown in FIG. 3B, the gate drive signal is maintained at the off voltage regardless of whether the pixel operation timing signal is set to the VDD side or the VSS side, making it possible to drive only that particular row in the pixel array.
As mentioned above, resistor 13 is provided for the purpose of preventing the voltage at the corresponding node from fluctuating when the gate drive signal is not sent from the inverter section, and is an element with a high resistance value sufficient to achieve this purpose.

さらに、寄生容量やゲートとソース間の接合容量などによる影響が軽微で、該当するノードの電圧の揺らぎが問題とならない場合には、抵抗13を省略することが可能である。
なお、抵抗に替えて容量(コンデンサ等)を設けても、同様の効果を得ることができる。
Furthermore, if the effects of parasitic capacitance and junction capacitance between the gate and source are minor and fluctuations in the voltage of the relevant node do not pose a problem, the resistor 13 can be omitted.
The same effect can be obtained by providing a capacitance (a capacitor or the like) instead of the resistance.

また、ゲート駆動信号の高電位と低電位であるVGHとVGLは、該当する画素内トランジスタTG1~TG4を駆動し得る適切な値にそれぞれ設定することが可能であり、一般的には画素の性能を最も高くできるように設定される。ただし、インバータ動作を適切に行い、かつ貫通電流がインバータ動作に問題を与えない範囲に収まるように、VGHとVGLがそれぞれ設定される必要がある。 The high and low potentials of the gate drive signal, VGH and VGL, can be set to appropriate values capable of driving the corresponding in-pixel transistors TG1 to TG4, and are generally set to maximize pixel performance. However, VGH and VGL must be set so that the inverter operates properly and within a range where the through current does not cause problems for the inverter operation.

すなわち、PMOS11の閾値電圧をVTHP、NMOS12の閾値電圧をVTHNとした場合、インバータ動作が適切に行われるためには、下記不等式(1)~(4)を同時に満足することが望ましい。ここで、ゲート駆動信号の高電圧をVGH、ゲート駆動信号の低電圧をVGLとする。
VGH<VDD+VTHP (1)
VGH>VSS+VTHP (2)
VGL>VSS-VTHN (3)
VGL<VDD-VTHN (4)
また貫通電流がインバータ動作に影響を与えないように、入力電圧VINの、VDDとVSS間の遷移が十分に短い時間で行われるように駆動信号が供給されることが望ましい。
また、VGLは画素のグランドと共通化させることで、配線数を減らすことも可能である。
In other words, when the threshold voltage of the PMOS 11 is VTHP and the threshold voltage of the NMOS 12 is VTHN, it is desirable to simultaneously satisfy the following inequalities (1) to (4) in order for the inverter to operate properly. Here, the high voltage of the gate drive signal is VGH, and the low voltage of the gate drive signal is VGL.
VGH<VDD+VTHP (1)
VGH>VSS+VTHP (2)
VGL>VSS-VTHN (3)
VGL<VDD-VTHN (4)
In addition, it is desirable to supply a drive signal so that the transition of the input voltage VIN between VDD and VSS occurs in a sufficiently short time so that a shoot-through current does not affect the inverter operation.
In addition, by sharing the VGL with the pixel ground, it is possible to reduce the number of wirings.

本実施形態の撮像素子においては、縦2画素、横2画素の4画素共有画素において、ビニングを行わないで信号を読み出す場合と、ビニングを行って信号を読み出す場合の切替えが、ビニング処理決定情報に基づいてなされるが、ビニングを行わないで信号を読み出す駆動パターンにおける各駆動信号を図4(A)に、また、4画素ビニングを行って信号を読み出す駆動パターンにおける各駆動信号を図4(B)に示す。 In the image sensor of this embodiment, in a four-pixel shared pixel arrangement of two pixels vertically and two pixels horizontally, switching between reading out signals without binning and reading out signals with binning is performed based on binning process decision information. FIG. 4(A) shows each drive signal in a drive pattern in which signals are read out without binning, and FIG. 4(B) shows each drive signal in a drive pattern in which signals are read out with four-pixel binning.

これらの駆動パターンは、いずれも画素群を走査する際のn番目の行が選択されている期間における、画素動作タイミング信号と、ゲート駆動信号を示すものである。
図4(A)、(B)の比較からも明らかなように、ビニングを行わない場合は、各画素について、リセットトランジスタRSTを駆動するゲート駆動信号RTCTLが出力される度に、順次転送ゲートトランジスタTG1~TG4を駆動するゲート駆動信号TG1CTL~TG4CTLが出力されるのに対し、4画素ビニングを行う場合は、各画素について、リセットトランジスタRSTを駆動するゲート駆動信号RTCTLが1パルス出力された後、所定の期間を空けて、全ての転送ゲートトランジスタTG1~TG4を駆動するゲート駆動信号TG1CTL~TG4CTLが同時に出力される。
These drive patterns each indicate pixel operation timing signals and gate drive signals during the period in which the nth row is selected when scanning a pixel group.
As is clear from a comparison between Figures 4(A) and (B), when binning is not performed, for each pixel, each time a gate drive signal RTCTL that drives the reset transistor RST is output, gate drive signals TG1CTL to TG4CTL that drive the transfer gate transistors TG1 to TG4 are output in sequence, whereas when 4-pixel binning is performed, for each pixel, after one pulse of the gate drive signal RTCTL that drives the reset transistor RST is output, a predetermined period is elapsed, and then the gate drive signals TG1CTL to TG4CTL that drive all of the transfer gate transistors TG1 to TG4 are output simultaneously.

なお、ADCの動作については、1回のAD変換の処理期間を矩形のブロックで表しており、数字は対応する画素の番号(光電変換部の付番から20を減じた数に一致する)を示すものであり、Rはリセット電圧を処理していることを、Sは電荷転送後の信号電圧を処理していることを各々表す。 Regarding the operation of the ADC, the processing period of one AD conversion is represented by a rectangular block, and the numbers indicate the corresponding pixel number (which corresponds to the numbering of the photoelectric conversion unit minus 20), with R indicating that the reset voltage is being processed and S indicating that the signal voltage after charge transfer is being processed.

ところで、上述したように、4画素のビニングを行って信号を読み出す動作モードでは、行選択がなされている期間内に、1回のリセット動作がなされ、4つの画素の転送ゲートトランジスタTGが全てONとなり、さらに蓄積電荷が合算されて、信号を読み出す電荷転送動作が1回行われる。このように、4つの画素の信号を合算して読み出すことにより、4倍の信号値を取得することができ、S/N比を改善することが可能となる。 As described above, in the operation mode in which four pixels are binned to read out signals, during the period in which a row is selected, a reset operation is performed once, the transfer gate transistors TG of all four pixels are turned ON, and the accumulated charges are then summed up and a charge transfer operation is performed once to read out the signal. In this way, by summing up and reading out the signals of the four pixels, it is possible to obtain four times the signal value, improving the S/N ratio.

また、AD変換回路は、この期間内に、リセット電圧に対する変換動作を1回、信号電圧に対する変換動作を1回、各々行えばよいので、ビニングを行わない場合に比較して4倍の時間をAD変換に用いることが可能となる。このように空いた時間を利用して、複数回のAD変換動作を各電圧に対して行い、それら複数回の電圧値の平均値をとることにより、さらにS/N比を向上させることが可能である。
また、オーバーサンプリング型のAD変換回路を用いる場合や、マルチサンプリング回路がAD変換回路との間に存在する場合には、このようにして空いた時間を利用してサンプリングの回数を増やし、これによりS/N比の向上を図ってもよい。
In addition, since the AD conversion circuit only needs to perform one conversion operation on the reset voltage and one conversion operation on the signal voltage during this period, it is possible to use four times the time for AD conversion compared to when binning is not performed. By using this free time to perform multiple AD conversion operations on each voltage and taking the average value of these multiple voltage values, it is possible to further improve the S/N ratio.
In addition, when an oversampling type AD conversion circuit is used or when a multi-sampling circuit is present between the AD conversion circuit, the free time can be utilized in this manner to increase the number of samplings, thereby improving the S/N ratio.

一方、上述したような4画素ビニングを用いた場合には、上記のようにS/N比を大幅に改善することが可能であるが、その反面、解像度が低下してしまうという問題が生じる。そのために、S/N比を改善しつつ解像度の大幅な低下も抑制し得る2画素ビニングを行うようにしてもよい。 On the other hand, when using 4-pixel binning as described above, it is possible to significantly improve the S/N ratio as described above, but on the other hand, there is a problem that the resolution decreases. For this reason, it is also possible to perform 2-pixel binning, which can improve the S/N ratio while preventing a significant decrease in resolution.

図4(C)、(D)は、横2画素のビニングを行う場合と、縦2画素のビニングを行う場合における各駆動信号を各々示すものである。
これら2画素をビニングする場合には、行選択が行われている期間内に、4画素のうち、2画素を読み出す動作を2回行うため、ビニングを行わない場合に比して、信号電荷を2倍とすることができ、AD変換に費やすことができる時間も2倍とすることができる。
また、横2画素のビニングを行った場合には、画面縦方向の解像度(横縞状の模様に対する解像度)、縦2画素のビニングを行った場合には、画面横方向の解像度(縦縞状の模様に対する解像度)に対してのビニングによる影響を抑制することが可能である。
4C and 4D show drive signals when binning is performed on two horizontal pixels and when binning is performed on two vertical pixels, respectively.
When these two pixels are binned, the operation of reading out two of the four pixels is performed twice during the period in which row selection is performed, so that the signal charge can be doubled and the time that can be spent on AD conversion can also be doubled compared to when binning is not performed.
In addition, when binning is performed on two horizontal pixels, it is possible to suppress the effect of binning on the vertical resolution of the screen (resolution for horizontal stripe patterns), and when binning is performed on two vertical pixels, it is possible to suppress the effect of binning on the horizontal resolution of the screen (resolution for vertical stripe patterns).

上記実施形態においては、縦2画素、横2画素の4画素共有構造を例に説明を行ったが、これに替えて、縦2画素のみからなる縦2画素共有構造、横2画素のみからなる横2画素共有構造、斜め2画素のみからなる斜め2画素共有構造等の他の画素共有構造を用いても、上記実施形態と同様の作用効果を得ることが可能である。 In the above embodiment, a four-pixel sharing structure consisting of two vertical pixels and two horizontal pixels has been described as an example, but it is possible to obtain the same effect as the above embodiment by using other pixel sharing structures, such as a two-vertical pixel sharing structure consisting of only two vertical pixels, a two-horizontal pixel sharing structure consisting of only two horizontal pixels, or a two-diagonal pixel sharing structure consisting of only two diagonal pixels.

なお、図4のADCの動作の欄に示すように、各リセット電圧と信号電圧が逐次AD変換されるように構成されており、対応するリセット電圧と信号電圧のAD変換結果の差分を算出することにより、ノイズ成分が除去された、各画素の信号値を得ることが可能である。また、リセット電圧と信号電圧の両方に対してAD変換動作を行わずに、アナログドメインで差分を取るCDS回路を設けることによって両者の差分を算出し、その結果に対してAD変換を1回行うようにしてもよい。
上記図4(C)に示す「横2画素ビニング」における1回のAD変換期間(信号変換周期)、および上記図4(D)に示す「縦2画素ビニング」における1回のAD変換期間(信号変換周期)においても図4(B)に示す「4画素ビニング」の場合と同様の趣旨で、図4(A)に示す「ビニングを行わない読出し」における1回のAD変換期間(信号変換周期)の2倍に延ばすことができ、その延ばすことにより得られた余剰期間を利用してサンプリングの回数を増やし、マルチサンプリング処理を行うことによって、雑音特性を向上させることが可能である。
As shown in the ADC operation column in Fig. 4, each reset voltage and signal voltage are configured to be AD converted sequentially, and it is possible to obtain a signal value of each pixel from which noise components have been removed by calculating the difference between the AD conversion results of the corresponding reset voltage and signal voltage. Also, instead of performing AD conversion operations on both the reset voltage and the signal voltage, a CDS circuit that takes the difference in the analog domain may be provided to calculate the difference between the two, and AD conversion may be performed once on the result.
Similarly to the case of "four-pixel binning" shown in FIG. 4B, one AD conversion period (signal conversion period) in the "horizontal two-pixel binning" shown in FIG. 4C and one AD conversion period (signal conversion period) in the "vertical two-pixel binning" shown in FIG. 4D can be extended to twice the one AD conversion period (signal conversion period) in the "readout without binning" shown in FIG. 4A, and the surplus period obtained by this extension can be used to increase the number of samplings and perform multi-sampling processing, thereby making it possible to improve noise characteristics.

このように、行選択が行われている期間において、画素のビニングの有無および組み合わせにより、種々の動作モードに設定することができる。また、この動作モードは、最小では2画素×2画素の画素共有構造の単位に構成し得る画素部領域2毎に設定することが可能である。このような設定を制御する構成は、例えば図5に示す構造とする。 In this way, during the period when row selection is being performed, various operating modes can be set depending on the presence or absence of pixel binning and the combination of these. In addition, this operating mode can be set for each pixel region 2 that can be configured as a pixel sharing structure unit of at least 2 pixels x 2 pixels. The configuration for controlling such settings is, for example, the structure shown in Figure 5.

図5に示す撮像装置では、撮像素子100Aからの画像信号を受け、形成される画像の特徴を解析する画像解析部40が設けられている。この画像解析部40は、撮像素子100Aからの画像信号に基づき、画像の領域毎の明るさ、空間周波数の特徴、空間周波数が高い領域の配列傾向等を解析することにより、画面を所定形状の領域に分け、その領域毎に最適な駆動モードを選択する。この選択した駆動モード情報に係る領域制御情報は画像解析部40からタイミング生成回路20Aに出力される。
なお、図5に示すように、画素アレイ領域(画素部領域制御部)300内には、縦・横に画素部領域制御単位200Aが配列されており、各々の画素部領域制御単位200Aに対して、行選択信号および画素動作タイミング信号がビニング処理決定情報として入力される。
The imaging device shown in Fig. 5 is provided with an image analysis section 40 that receives an image signal from the imaging element 100A and analyzes the characteristics of the image to be formed. Based on the image signal from the imaging element 100A, the image analysis section 40 analyzes the brightness of each region of the image, the characteristics of spatial frequency, the arrangement tendency of regions with high spatial frequency, etc., to divide the screen into regions of a predetermined shape and select the optimal drive mode for each region. Region control information related to the selected drive mode information is output from the image analysis section 40 to the timing generation circuit 20A.
As shown in FIG. 5, pixel area control units 200A are arranged vertically and horizontally within a pixel array area (pixel area control unit) 300, and a row selection signal and a pixel operation timing signal are input to each pixel area control unit 200A as binning processing determination information.

画素動作タイミング信号は、タイミング生成回路20Aから直接出力されるが、行選択信号はタイミング生成回路20Aから出力された行番号情報にも基づいて行駆動回路10Aから出力される。
画素部領域制御単位200A内には、前述した画素部領域制御単位200と同様に、画素内駆動信号生成回路1および、1つ以上の画素部領域2が配されており、この画素内駆動信号生成回路1が上記行選択信号および上記画素動作タイミング信号に基づき、各画素部領域制御単位200A毎に、当該画素部領域制御単位200A内の全ての画素部領域2に対し、決定された、ビニングを行うか否かについて制御(さらにはビニングに関する種々の動作モードの制御)を一様に行うように構成されている。
The pixel operation timing signal is output directly from the timing generation circuit 20A, but the row selection signal is output from the row drive circuit 10A based also on the row number information output from the timing generation circuit 20A.
As in the pixel portion area control unit 200 described above, an intra-pixel drive signal generation circuit 1 and one or more pixel portion areas 2 are arranged within the pixel portion area control unit 200A, and this intra-pixel drive signal generation circuit 1 is configured to uniformly control whether or not to perform binning (and further control various operation modes related to binning) for all pixel portion areas 2 within each pixel portion area control unit 200A based on the row selection signal and the pixel operation timing signal.

また、図中、画素部領域制御部300Aの下方には、各々の画素部領域制御単位200Aに対応するAD変換回路30Aが配されており、各画素部領域制御単位200Aからの出力信号のAD変換処理を行うように構成されている。AD変換回路30Aからは、画像解析部40に対して画像信号が出力され、画像解析部40では、前撮影フレームから得られた画面領域毎の明るさ情報等に基づいて画面を領域に分割して領域毎に駆動モードを変更するフィードバック動作を行う。 In the figure, below the pixel area control unit 300A, an AD conversion circuit 30A corresponding to each pixel area control unit 200A is arranged, and is configured to perform AD conversion processing of the output signal from each pixel area control unit 200A. An image signal is output from the AD conversion circuit 30A to the image analysis unit 40, and the image analysis unit 40 performs a feedback operation in which the screen is divided into areas based on brightness information for each screen area obtained from the previous shooting frame, and the drive mode is changed for each area.

なお、AD変換回路30Aから出力された画像信号は、前述したように、画像解析部40に対して出力される一方、撮像素子100Aの外部に対しても出力される(図示せず)。
この画像解析部40は、撮像素子の内部に設けてもよいし、外部に設けてもよい。
As described above, the image signal output from the AD conversion circuit 30A is output to the image analysis section 40, and is also output to the outside of the image sensor 100A (not shown).
The image analysis unit 40 may be provided inside or outside the imaging device.

(変更態様)
上記画素内駆動信号生成回路(ビニング処理駆動指示部)としては、上記実施形態に記載されたように、NMOSおよびPMOSのペアからなるインバータ構造を備えた構成としてもよいが、その他の種々の構成を採用し得る。
例えば、図6に示すように、光電変換部21´~24´および4種のトランジスタ(TG1~4、RST、SF、SL)からなる画素部領域2´に対して、ゲート駆動信号のON/OFFスイッチとして機能する、5つのNMOSトランジスタ14A~Eにより各画素内駆動信号生成回路1´を構成することも可能である。
(Modifications)
The intra-pixel drive signal generation circuit (binning process drive instruction unit) may be configured to have an inverter structure consisting of a pair of NMOS and PMOS as described in the above embodiment, but various other configurations may also be adopted.
For example, as shown in FIG. 6, for a pixel region 2' consisting of photoelectric conversion units 21' to 24' and four types of transistors (TG1 to TG4, RST, SF, SL), each in-pixel drive signal generation circuit 1' can be configured with five NMOS transistors 14A to 14E that function as ON/OFF switches for the gate drive signal.

具体的には、各NMOSトランジスタ14A~Dの出力は各転送ゲートトランジスタTG1~4のゲートスイッチ(TG_SW)として機能し、NMOSトランジスタ14EはリセットトランジスタRSTのゲートスイッチ(RT_SW)として機能する。 Specifically, the output of each of the NMOS transistors 14A-D functions as a gate switch (TG_SW) for each of the transfer gate transistors TG1-4, and the NMOS transistor 14E functions as a gate switch (RT_SW) for the reset transistor RST.

なお、NMOSトランジスタ14A~Dは、行選択信号TG(n)と画素動作タイミング信号TG1CTL~TG4CTLに基づいて、転送ゲートトランジスタTG1~4へのゲート駆動信号のON/OFFを切り替え、NMOSトランジスタ14Eは、行選択信号RT(n)と画素動作タイミング信号RTCTLに基づいて、リセットトランジスタRSTへのゲート駆動信号のON/OFFを切り替える。
上記画素動作タイミング信号TG1CTL~TG4CTL、RTCTLは、図1に示す画素動作タイミング信号TG1CTL~TG4CTL、RTCTLとは極性が逆とされている。
The NMOS transistors 14A to 14D switch ON/OFF of the gate drive signal to the transfer gate transistors TG1 to TG4 based on the row selection signal TG(n) and the pixel operation timing signals TG1CTL to TG4CTL, and the NMOS transistor 14E switches ON/OFF of the gate drive signal to the reset transistor RST based on the row selection signal RT(n) and the pixel operation timing signal RTCTL.
The pixel operation timing signals TG1CTL to TG4CTL and RTCTL have polarities opposite to those of the pixel operation timing signals TG1CTL to TG4CTL and RTCTL shown in FIG.

すなわち、本変更態様においては、転送ゲートトランジスタTG1~4またはリセットトランジスタRTをオンとしたい期間に画素動作タイミング信号が高電位(VDD)となるよう設定されるのに対し、図1に示す実施形態においては、トランジスタTG1~4またはリセットトランジスタRTをオンとしたい期間に画素動作タイミング信号が低電位(VSS)となるよう設定される。
なお、本変更態様の極性を図1に示す実施形態の極性が同じとなるように構成することも可能である。
That is, in this modified embodiment, the pixel operation timing signal is set to a high potential (VDD) during the period in which it is desired to turn on the transfer gate transistors TG1 to TG4 or the reset transistor RT, whereas in the embodiment shown in FIG. 1, the pixel operation timing signal is set to a low potential (VSS) during the period in which it is desired to turn on the transistors TG1 to TG4 or the reset transistor RT.
It is also possible to configure the polarity of this modified embodiment to be the same as that of the embodiment shown in FIG.

また、本変更態様においては、上記画素動作タイミング信号TG1CTL~TG4CTL、RTCTLの高電位は、転送ゲートトランジスタTG1~4またはリセットトランジスタRTのゲートにオン時に印可したい電圧に設定し、上記画素動作タイミング信号TG1CTL~TG4CTL、RTCTLの低電位は、転送ゲートトランジスタTG1~4またはリセットトランジスタRTのゲートにオフ時に印可したい電圧に設定する。 In addition, in this modified embodiment, the high potential of the pixel operation timing signals TG1CTL to TG4CTL and RTCTL is set to the voltage to be applied to the gates of the transfer gate transistors TG1 to 4 or the reset transistor RT when they are on, and the low potential of the pixel operation timing signals TG1CTL to TG4CTL and RTCTL is set to the voltage to be applied to the gates of the transfer gate transistors TG1 to 4 or the reset transistor RT when they are off.

また、行選択信号TG(n)、RT(n)の高電位は、画素動作タイミング信号TG1CTL~TG4CTL、RTCTLの高電位に、各々転送ゲートトランジスタTG1~4およびリセットトランジスタRTのゲートスイッチの閾値電圧を加えた値よりも高い電圧に、一方、行選択信号TG(n)、RT(n)の低電位は、各々転送ゲートトランジスタTG1~4およびリセットトランジスタRTのオフ時に印可したい電圧に、各々転送ゲートトランジスタTG1~4およびリセットトランジスタRTのゲートスイッチの閾値電圧を加えた値よりも低い電位に、それぞれ設定する。 The high potentials of the row selection signals TG(n) and RT(n) are set to a voltage higher than the high potential of the pixel operation timing signals TG1CTL to TG4CTL and RTCTL plus the threshold voltages of the gate switches of the transfer gate transistors TG1 to TG4 and the reset transistor RT, respectively. On the other hand, the low potentials of the row selection signals TG(n) and RT(n) are set to a voltage lower than the voltage to be applied when the transfer gate transistors TG1 to TG4 and the reset transistor RT are turned off plus the threshold voltages of the gate switches of the transfer gate transistors TG1 to TG4 and the reset transistor RT, respectively.

図6に示す画素内駆動信号生成回路1´によれば、図2に示す画素内駆動信号生成回路1に比べてトランジスタの数を減少させることができ、画素内駆動信号生成回路1´に要するスペースを減らすことができるので、撮像素子としての開口率を向上させることもできる。 The in-pixel drive signal generating circuit 1' shown in FIG. 6 can reduce the number of transistors compared to the in-pixel drive signal generating circuit 1 shown in FIG. 2, and the space required for the in-pixel drive signal generating circuit 1' can be reduced, so the aperture ratio of the image sensor can be improved.

なお、本発明の撮像素子としては、上記実施形態の構成のものに限られるものではなく、その他の種々の態様の変更が可能である。
例えば、上記実施形態においては、ビニング処理駆動指示信号が、転送ゲートトランジスタおよびリセットトランジスタを駆動するゲート駆動信号とされているが、ビニング処理駆動指示信号としては、少なくとも前記転送ゲートトランジスタを駆動するゲート駆動信号であればよく、リセットトランジスタに対するビニング処理駆動指示部を設けない態様とすることも可能である。このような、リセットトランジスタに対するビニング処理駆動指示部を設けない態様においては、リセットトランジスタを制御する必要がなくなる。具体的には、例えば行駆動回路(図1に示す行駆動回路10)から直接、リセットトランジスタのゲートに所定のパルスを入力するようにしてもよい。
The imaging element of the present invention is not limited to the configuration of the above embodiment, and various other modifications are possible.
For example, in the above embodiment, the binning process drive instruction signal is a gate drive signal that drives the transfer gate transistor and the reset transistor, but the binning process drive instruction signal may be a gate drive signal that drives at least the transfer gate transistor, and it is also possible to adopt an embodiment in which a binning process drive instruction unit for the reset transistor is not provided. In such an embodiment in which a binning process drive instruction unit for the reset transistor is not provided, there is no need to control the reset transistor. Specifically, for example, a predetermined pulse may be input directly to the gate of the reset transistor from a row drive circuit (row drive circuit 10 shown in FIG. 1).

ここで、リセットトランジスタにはビニング処理駆動指示部を設けずに、常に同一の動作を行うように構成された態様におけるタイミングチャートを図7に示す((A)はビニングを行わない読出し、(B)は4画素ビニング読出し、(C)は横2画素ビニング読出し、(D)は縦2画素ビニング読出しである)。この図7に示すタイミングチャートによれば、転送ゲートトランジスタ駆動信号の動作タイミングを変化させることで、ビニングを行う場合と行わない場合を切り替えているが、リセットトランジスタがONとなるタイミングは4つのモードで同一である(図7(A)~(D)のRTのタイミングチャートを参照)。この態様においては、前記AD変換期間(信号変換周期)を、ビニングを行った態様のようには長くすることができず、雑音を低減する効果が弱くなってしまう、という点はあるものの、ビニング時の信号加算によるS/Nの改善効果を向上させることが可能である。 Here, the timing chart of the embodiment in which the reset transistor is configured to always perform the same operation without providing a binning process drive instruction unit is shown in FIG. 7 ((A) is readout without binning, (B) is 4-pixel binning readout, (C) is horizontal 2-pixel binning readout, and (D) is vertical 2-pixel binning readout). According to the timing chart shown in FIG. 7, the operation timing of the transfer gate transistor drive signal is changed to switch between binning and not binning, but the timing when the reset transistor turns ON is the same in the four modes (see the RT timing charts in FIG. 7 (A) to (D)). In this embodiment, the AD conversion period (signal conversion cycle) cannot be made as long as in the embodiment in which binning is performed, and the effect of reducing noise is weakened, but it is possible to improve the effect of improving the S/N ratio by signal addition during binning.

また、画素内駆動信号生成回路に入力されるビニング処理決定情報は、上述した実施形態のように、撮像素子からの画像信号に基づいて自動的に発生する情報としてもよいし、人為的にキーボードやジョイスティック等を用いて入力された情報としてもよい。
また、画素内駆動信号生成回路の構成としても、勿論、上記実施形態のものに限られるものではない。
In addition, the binning process determination information input to the intra-pixel drive signal generation circuit may be information that is automatically generated based on the image signal from the imaging element, as in the above-described embodiment, or may be information that is manually input using a keyboard, joystick, or the like.
Furthermore, the configuration of the in-pixel drive signal generating circuit is not limited to that of the above embodiment.

また、画素部領域のサイズをどのように選択、設定するかについては、画素内駆動信号生成回路に用いるトランジスタを、制御単位毎に配設する必要があることから、所望する制御単位の大きさと、画素ピッチや製造プロセスの微細さ等により画素内駆動信号生成回路として許容できる面積(開口率)とのトレードオフに鑑み、適宜決定することが望ましい。
また、上記実施形態においては、電荷の読出しを行方向への線順次の走査により行うようにしているが、この方向は列方向とすることも可能である。また、画素の走査は線順次の走査に限られず、飛越し走査等の他の走査手法とすることも可能である。
In addition, since it is necessary to arrange transistors used in the in-pixel drive signal generation circuit for each control unit, it is desirable to select and set the size of the pixel section region appropriately in consideration of the trade-off between the desired size of the control unit and the area (aperture ratio) that is allowable for the in-pixel drive signal generation circuit due to the pixel pitch, the fineness of the manufacturing process, etc.
In the above embodiment, the charge is read out by line-sequential scanning in the row direction, but this direction may be the column direction. Furthermore, the scanning of the pixels is not limited to line-sequential scanning, and other scanning methods such as interlaced scanning may be used.

1、1´ 画素内駆動信号生成回路
2、2´、202、302 画素部領域
10、10A 行駆動回路
11 PMOS
12、14A~E NMOS
13 抵抗
20、20A タイミング生成回路
21~24、21´~24´、123、321~324 光電変換部
30、30A、230 AD変換回路
40 画像解析部
100、100A 撮像素子
200、200´、200A 画素部領域制御単位
300、300B 画素アレイ領域(画素部領域制御部)
TG、TG1~TG4 転送ゲートトランジスタ
RST リセットトランジスタ
SF ソースフォロアアンプトランジスタ
SL 選択トランジスタ
1, 1' In-pixel drive signal generating circuit 2, 2', 202, 302 Pixel area 10, 10A Row drive circuit 11 PMOS
12, 14A~E NMOS
13 Resistor 20, 20A Timing generation circuits 21 to 24, 21' to 24', 123, 321 to 324 Photoelectric conversion unit 30, 30A, 230 AD conversion circuit 40 Image analysis unit 100, 100A Imaging element 200, 200', 200A Pixel area control unit 300, 300B Pixel array area (pixel area control unit)
TG, TG1 to TG4 Transfer gate transistors
RST Reset transistor
SF Source follower amplifier transistor
SL Select transistor

Claims (8)

光電変換部を各々有する複数の画素をアレイ状に配してなる画素群を、所定個数の画素毎の画素部領域に区分し、該画素群において、所定方向に配列された該画素の駆動により該画素に各々蓄積された電荷を、信号として読み出す撮像素子において、
前記画素部領域を1つ配置してなる、または前記所定方向に複数個配列してなる画素部領域制御単位毎にビニング処理を行うか否かに係るビニング処理決定情報に基づき、該画素部領域制御単位毎にビニング処理を行うか否かを指示するビニング処理駆動指示信号を出力するビニング処理駆動指示部を備え
前記所定方向が行方向であり、
前記ビニング処理決定情報は、選択行および非選択行のいずれか一方に対しては高電位に、他方に対しては低電位に設定される行選択信号と、前記画素部領域における、少なくとも転送ゲートトランジスタの各ゲートに対して、オンまたはオフのいずれか一方のタイミングでは高電位に、他方のタイミングでは低電位に、各々設定される画素動作タイミング信号であり、
前記ビニング処理駆動指示信号は、少なくとも前記転送ゲートトランジスタを駆動するゲート駆動信号であることを特徴とする撮像素子。
An image sensor in which a pixel group, in which a plurality of pixels each having a photoelectric conversion unit are arranged in an array, is divided into pixel portion regions each having a predetermined number of pixels, and charges accumulated in each of the pixels arranged in a predetermined direction in the pixel group are read out as a signal by driving the pixels,
a binning process drive instruction unit that outputs a binning process drive instruction signal that instructs whether or not to perform a binning process for each pixel section region control unit, the pixel section region being arranged one by one or a plurality of pixel section regions being arranged in the predetermined direction, based on binning process decision information relating to whether or not to perform a binning process for each pixel section region control unit ,
the predetermined direction is a row direction,
the binning process determination information is a row selection signal that is set to a high potential for either a selected row or a non-selected row and to a low potential for the other, and a pixel operation timing signal that is set to a high potential at one of on and off timings and to a low potential at the other timing for each gate of at least a transfer gate transistor in the pixel portion region,
The imaging device , wherein the binning process drive instruction signal is a gate drive signal for driving at least the transfer gate transistor .
前記ゲート駆動信号は、前記画素部領域を構成する前記光電変換部毎に設けられた、少なくとも前記転送ゲートトランジスタ毎にゲートをオン/オフする信号であることを特徴とする請求項に記載の撮像素子。 2. The image sensor according to claim 1 , wherein the gate drive signal is a signal for turning on/off a gate for at least each of the transfer gate transistors provided for each of the photoelectric conversion units constituting the pixel region. 前記ビニング処理駆動指示部は、前記画素部領域を構成する、少なくとも前記転送ゲートトランジスタ毎に各々設けられていることを特徴とする請求項またはに記載の撮像素子。 3. The image sensor according to claim 1 , wherein the binning process drive instruction section is provided for at least each of the transfer gate transistors constituting the pixel region. 前記ビニング処理駆動指示部が、前記画素部領域を構成する、少なくとも前記転送ゲートトランジスタ毎に、NMOS型トランジスタおよびPMOS型トランジスタのペアからなるインバータ回路を備えていることを特徴とする請求項に記載の撮像素子。 4. The image sensor according to claim 3 , wherein the binning process drive instruction unit includes an inverter circuit, which is composed of a pair of an NMOS transistor and a PMOS transistor, for at least each of the transfer gate transistors constituting the pixel region. 前記ビニング処理駆動指示部が、前記画素部領域を構成する、少なくとも前記転送ゲートトランジスタ毎に1つのNMOS型トランジスタまたはPMOS型トランジスタを備えていることを特徴とする請求項に記載の撮像素子。 4. The image sensor according to claim 3 , wherein the binning process drive instruction section includes one NMOS transistor or one PMOS transistor for at least each of the transfer gate transistors constituting the pixel section region. 前記少なくとも前記転送ゲートトランジスタは、前記転送ゲートトランジスタおよびリセットトランジスタ、であることを特徴とする請求項1~5のうちいずれか1項に記載の撮像素子。 6. The image sensor according to claim 1, wherein the at least one transfer gate transistor comprises a transfer gate transistor and a reset transistor. 前記画素部領域制御単位の各々について、信号の出力部に設けられたAD変換回路による信号変換周期が、前記ビニング処理を行う場合には、前記ビニング処理を行わない場合よりも長く設定されるように構成されていることを特徴とする請求項1~のうちいずれか1項に記載の撮像素子。 The imaging element according to any one of claims 1 to 6, characterized in that, for each of the pixel area control units , a signal conversion period by an AD conversion circuit provided in a signal output section is set to be longer when the binning process is performed than when the binning process is not performed. 前記AD変換回路による信号変換周期が長くなるのにしたがい、サンプリングの回数が増大するように構成されていることを特徴とする請求項に記載の撮像素子。 8. The image pickup device according to claim 7 , wherein the number of sampling operations increases as the signal conversion period by said AD conversion circuit becomes longer.
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