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JP7834101B2 - Solid-state image sensor, and imaging device equipped with a solid-state image sensor - Google Patents
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JP7834101B2 - Solid-state image sensor, and imaging device equipped with a solid-state image sensor - Google Patents

Solid-state image sensor, and imaging device equipped with a solid-state image sensor

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JP7834101B2 JP2023528149A JP2023528149A JP7834101B2 JP 7834101 B2 JP7834101 B2 JP 7834101B2 JP 2023528149 A JP2023528149 A JP 2023528149A JP 2023528149 A JP2023528149 A JP 2023528149A JP 7834101 B2 JP7834101 B2 JP 7834101B2
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Description

本発明は、固体撮像素子、及び固体撮像素子を備えた撮像装置に関するものである。 This invention relates to a solid-state image sensor and an imaging device equipped with a solid-state image sensor.

従来、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ、スマートフォン等の撮像機能を備えた撮像装置において、例えば、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサなどの固体撮像素子が使用されている。 Conventionally, imaging devices equipped with imaging functions, such as digital cameras, digital video cameras, and smartphones, have used solid-state image sensors, such as CCD (Charge Coupled Device) and CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensors.

この固体撮像素子では、フォトダイオード等の光電変換素子において入力光が光電変換された信号電荷がフローティングノード(Floating Node)に転送され、その電荷量に応じてソースフォロワ(Source Follower)を介して電圧信号(画素信号)が画素から出力される。 In this solid-state image sensor, the signal charge obtained by photoelectric conversion of input light in a photoelectric conversion element such as a photodiode is transferred to a floating node, and a voltage signal (pixel signal) is output from the pixel via a source follower according to the amount of charge.

近年、様々なシーンを撮像したいとの要望から、固体撮像素子の画素において光電変換素子の飽和信号電荷量や、光電変換素子で蓄積された信号電荷が転送されるフローティングノードでの取り扱い可能な電荷量を増大させることで、一回の入力(即ち、光の入射)で画素が取り扱うことができる信号電荷量(Full Well Capacity)を増大させることが求められている。 In recent years, driven by the desire to image a variety of scenes, there has been a need to increase the amount of signal charge that a pixel can handle with a single input (i.e., incident light) by increasing the saturation signal charge amount of the photoelectric conversion element in the pixels of solid-state image sensors, and the amount of charge that can be handled by the floating node to which the signal charge accumulated in the photoelectric conversion element is transferred. This requires increasing the signal charge amount (Full Well Capacity) that a pixel can handle with a single input (i.e., incident light).

しかし、一回の入力で画素が取り扱うことができる信号電荷量を増大させると、画素から出力される電圧信号におけるノイズ(入力換算ノイズ等)も増大するため、得られる撮像画像の画質が低下する。 However, increasing the amount of signal charge that a pixel can handle with a single input also increases the noise (such as input-referred noise) in the voltage signal output from the pixel, resulting in a decrease in the image quality of the resulting captured image.

米国特許第7075049号公報U.S. Patent Publication No. 7075049

そこで、本発明は、画素から読み出す信号におけるノイズの増大を抑えつつ画素が取り扱い可能な信号電荷量を増大させることができる固体撮像素子、及びこの固体撮像素子を備えた撮像装置を提供することを課題とする。 Therefore, the object of the present invention is to provide a solid-state image sensor that can increase the amount of signal charge that a pixel can handle while suppressing the increase in noise in the signal read from the pixel, and an imaging device equipped with this solid-state image sensor.

本発明に係る固体撮像素子は、
入力光を光電変換して信号電荷を生成する少なくとも一つの光電変換素子、前記少なくとも一つの光電変換素子から前記信号電荷が転送されるフローティングノード部、及び、該フローティングノード部の前記信号電荷をリセットするリセット部、を有する画素と、
前記画素に接続される第一回路と、
前記第一回路に接続される第二回路と、を備え、
前記フローティングノード部における一回の入力での取り扱い可能電荷量である第一電荷量は、前記少なくとも一つの光電変換素子における一回の入力での取り扱い可能電荷量である第二電荷量より小さく、
前記第一回路は、前記少なくとも一つの光電変換素子への一回の入力に対し、前記フローティングノード部の前記信号電荷のリセットと、前記少なくとも一つの光電変換素子から前記フローティングノード部への前記信号電荷の転送と、該フローティングノード部に転送された前記信号電荷の電荷量に応じた電圧信号の該画素からの読み出しと、のセットである第一セット操作が複数回行われるように前記画素を制御し、
前記第二回路は、前記少なくとも一つの光電変換素子への一回の入力に対し、前記画素から前記第一セット操作毎に読み出される前記電圧信号に応じた信号を結合する。
The solid-state image sensor according to the present invention is
A pixel having at least one photoelectric conversion element that converts input light into photoelectric energy to generate a signal charge, a floating node portion to which the signal charge is transferred from the at least one photoelectric conversion element, and a reset portion for resetting the signal charge in the floating node portion,
A first circuit connected to the aforementioned pixel,
The circuit comprises a second circuit connected to the first circuit,
The first charge amount, which is the amount of charge that can be handled in a single input at the floating node portion, is smaller than the second charge amount, which is the amount of charge that can be handled in a single input at the at least one photoelectric conversion element.
The first circuit controls the pixel such that, for each input to the at least one photoelectric conversion element, a first set operation is performed multiple times, which is a set of operations consisting of resetting the signal charge of the floating node, transferring the signal charge from the at least one photoelectric conversion element to the floating node, and reading out a voltage signal from the pixel corresponding to the amount of the signal charge transferred to the floating node.
The second circuit combines a single input to the at least one photoelectric conversion element with a signal corresponding to the voltage signal read from the pixel for each of the first set operations.

前記固体撮像素子において、
前記第一回路は、前記第一セット操作毎に、前記フローティングノード部が前記リセットされた状態での前記電圧信号としてのリセット信号の読み出しと、該リセット信号の読み出し後に前記フローティングノード部が前記少なくとも一つの光電変換素子から前記信号電荷を転送された状態での前記電圧信号としての転送電荷量信号の読み出しと、が行われるように前記画素を制御し、
前記第二回路は、前記第一セット操作毎に、前記電圧信号に応じた信号として前記転送電荷量信号と前記リセット信号との差分信号をそれぞれ生成してもよい。
In the aforementioned solid-state image sensor,
The first circuit controls the pixel such that, for each first set operation, the floating node unit reads out the reset signal as a voltage signal when it is in the reset state, and after the reading of the reset signal, the floating node unit reads out the transferred charge amount signal as a voltage signal when it has received the signal charge from at least one photoelectric conversion element.
The second circuit may generate, for each of the first set operations, a difference signal between the transferred charge amount signal and the reset signal, as a signal corresponding to the voltage signal.

また、前記固体撮像素子において、
前記画素は、前記光電変換素子を複数有し、
前記第一電荷量は、前記光電変換素子の数に応じた量であってもよい。
Furthermore, in the solid-state image sensor,
The aforementioned pixel has a plurality of photoelectric conversion elements,
The first charge amount may be an amount corresponding to the number of photoelectric conversion elements.

また、前記固体撮像素子において、
前記画素は、前記第一電荷量を変更することによって前記フローティングノード部に転送された前記信号電荷の電荷量の前記電圧信号への変換ゲインを第一変換ゲインと該第一変換ゲインより低い第二変換ゲインとの間で切り替えるゲイン切り替え部を有してもよい。
Furthermore, in the solid-state image sensor,
The pixel may have a gain switching unit that changes the first charge amount to switch the conversion gain of the charge amount of the signal charge transferred to the floating node unit to the voltage signal between a first conversion gain and a second conversion gain lower than the first conversion gain.

また、前記固体撮像素子において、
前記第一回路は、各第一セット操作における前記リセットと前記転送と前記読み出しとを前記第二変換ゲインの状態で行うと共に、前記リセットと前記転送と前記読み出しとを前記第一変換ゲインの状態で行ったセットである第二セット操作を一セット目の前記第一セット操作における前記リセットと前記読み出しとの間に行うように、前記画素を制御し、
前記第二回路は、一回の入力によって前記少なくとも一つの光電変換素子において生成された前記信号電荷の電荷量に応じて、前記第二セット操作で読み出された前記電圧信号に応じた信号を出力し、又は、前記第一セット操作毎に読み出された前記電圧信号に応じた信号を結合して出力してもよい。
Furthermore, in the solid-state image sensor,
The first circuit controls the pixels such that the reset, transfer, and read operation in each first set operation are performed in the state of the second conversion gain, and the second set operation, which is a set in which the reset, transfer, and read operation are performed in the state of the first conversion gain, is performed between the reset and read operation in the first set of the first set operation.
The second circuit may output a signal corresponding to the voltage signal read out in the second set operation, depending on the amount of charge of the signal charge generated in the at least one photoelectric conversion element by a single input, or it may output a combined signal corresponding to the voltage signal read out each time the first set operation is performed.

また、本発明に係る撮像装置は、
光学系と、
上記の何れかの固体撮像素子と、を備え、
前記固体撮像素子は、前記画素が行列状に配置された画素アレイを有し、
前記光学系は、撮像対象物を前記画素アレイ上で結像させる。
Furthermore, the imaging device according to the present invention is
Optical system and
A solid-state image sensor comprising any of the above,
The solid-state image sensor has a pixel array in which the pixels are arranged in a matrix,
The optical system forms an image of the object to be imaged on the pixel array.

また、本発明に係る撮像装置は、
入力光を光電変換して信号電荷を生成する少なくとも一つの光電変換素子、及び、前記少なくとも一つの光電変換素子から前記信号電荷が転送されるフローティングノード部、を有する複数の画素が行列状に配置された固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の各画素に接続される第一回路と、
前記第一回路に接続される第二回路と、
撮像対象物を前記固体撮像素子上で結像させる光学系と、
撮像画像を外部に出力する出力部と、を備え、
前記各画素の前記フローティングノード部における一回の入力での取り扱い可能電荷量は、該画素の前記少なくとも一つの光電変換素子における一回の入力での取り扱い可能電荷量より小さく、
前記第一回路は、前記光学系を通じた前記少なくとも一つの光電変換素子への一回の入力に対し、前記少なくとも一つの光電変換素子から前記フローティングノード部への前記信号電荷の転送と、該フローティングノード部に転送された前記信号電荷の電荷量に応じた電圧信号の該画素からの読み出しと、のセットである第一セット操作が複数回行われるように、前記画素を制御し、
前記第二回路は、前記少なくとも一つの光電変換素子への一回の入力に対し、前記各画素から前記第一セット操作毎に読み出される前記電圧信号に応じた信号を画素毎にそれぞれ結合し、
前記出力部は、前記結合した信号に基づいて生成された前記撮像画像を外部に出力する。
Furthermore, the imaging device according to the present invention is
A solid-state image sensor having a plurality of pixels arranged in a matrix, each having at least one photoelectric conversion element that converts input light into photoelectric energy to generate a signal charge, and a floating node portion to which the signal charge is transferred from the at least one photoelectric conversion element;
A first circuit connected to each pixel of the solid-state image sensor,
A second circuit connected to the first circuit,
An optical system for forming an image of the object to be imaged on the solid-state image sensor,
It includes an output unit that outputs the captured image to an external device,
The amount of charge that can be handled in a single input at the floating node portion of each pixel is smaller than the amount of charge that can be handled in a single input at at least one photoelectric conversion element of the pixel.
The first circuit controls the pixels such that, for each input to the at least one photoelectric conversion element through the optical system, a first set operation is performed multiple times, which consists of transferring the signal charge from the at least one photoelectric conversion element to the floating node and reading out a voltage signal from the pixel corresponding to the amount of the signal charge transferred to the floating node.
The second circuit, in response to a single input to at least one photoelectric conversion element, combines a signal corresponding to the voltage signal read from each pixel for each of the first set operations, for each pixel.
The output unit outputs the captured image generated based on the combined signal to the outside.

また、前記撮像装置は、
撮像モードを切り替え可能なモード切替部を備え、
前記モード切替部は、前記第一セット操作が前記複数回行われる第一モードと、前記第一セット操作が一セット行われる第二モードと、に切り替え可能であってもよい。
Furthermore, the imaging device is
It is equipped with a mode switching section that allows switching between imaging modes.
The mode switching unit may be able to switch between a first mode in which the first set operation is performed multiple times and a second mode in which the first set operation is performed once.

図1は、第一実施形態に係る撮像装置の機能ブロック図である。Figure 1 is a functional block diagram of the imaging device according to the first embodiment. 図2は、前記撮像装置が備える固体撮像素子の構成を示す図である。Figure 2 shows the configuration of the solid-state image sensor provided in the imaging device. 図3は、前記固体撮像素子が備える画素の回路図である。Figure 3 is a circuit diagram of the pixels of the solid-state image sensor. 図4は、前記画素での信号処理を説明するための概念図である。Figure 4 is a conceptual diagram illustrating the signal processing at the aforementioned pixel. 図5は、第二実施形態に係る画素の構成を示す概念図である。Figure 5 is a conceptual diagram showing the pixel configuration according to the second embodiment. 図6は、前記画素の回路図である。Figure 6 is a circuit diagram of the aforementioned pixel. 図7は、前記画素の各構成における取り扱い可能電荷量を説明するための概念図である。Figure 7 is a conceptual diagram illustrating the amount of charge that can be handled in each of the pixel configurations. 図8は、前記画素での信号処理を説明するための概念図である。Figure 8 is a conceptual diagram illustrating the signal processing at the aforementioned pixel. 図9は、第三実施形態に係る画素の構成を示す概念図である。Figure 9 is a conceptual diagram showing the pixel configuration according to the third embodiment. 図10は、前記画素の回路図である。Figure 10 is a circuit diagram of the aforementioned pixel. 図11は、前記画素の各構成における取り扱い可能電荷量を説明するための概念図である。Figure 11 is a conceptual diagram illustrating the amount of charge that can be handled in each of the pixel configurations. 図12は、前記画素での信号処理を説明するための概念図である。Figure 12 is a conceptual diagram illustrating the signal processing at the aforementioned pixel.

本実施形態に係る固体撮像素子は、
入力光を光電変換して信号電荷を生成する少なくとも一つの光電変換素子、前記少なくとも一つの光電変換素子から前記信号電荷が転送されるフローティングノード部、及び、該フローティングノード部の前記信号電荷をリセットするリセット部、を有する画素と、
前記画素に接続される第一回路と、
前記第一回路に接続される第二回路と、を備え、
前記フローティングノード部における一回の入力での取り扱い可能電荷量である第一電荷量は、前記少なくとも一つの光電変換素子における一回の入力での取り扱い可能電荷量である第二電荷量より小さく、
前記第一回路は、前記少なくとも一つの光電変換素子への一回の入力に対し、前記フローティングノード部の前記信号電荷のリセットと、前記少なくとも一つの光電変換素子から前記フローティングノード部への前記信号電荷の転送と、該フローティングノード部に転送された前記信号電荷の電荷量に応じた電圧信号の該画素からの読み出しと、のセットである第一セット操作が複数回行われるように前記画素を制御し、
前記第二回路は、前記少なくとも一つの光電変換素子への一回の入力に対し、前記画素から前記第一セット操作毎に読み出される前記電圧信号に応じた信号を結合する。
The solid-state image sensor according to this embodiment is
A pixel having at least one photoelectric conversion element that converts input light into photoelectric energy to generate a signal charge, a floating node portion to which the signal charge is transferred from the at least one photoelectric conversion element, and a reset portion for resetting the signal charge in the floating node portion,
A first circuit connected to the aforementioned pixel,
The circuit comprises a second circuit connected to the first circuit,
The first charge amount, which is the amount of charge that can be handled in a single input at the floating node portion, is smaller than the second charge amount, which is the amount of charge that can be handled in a single input at the at least one photoelectric conversion element.
The first circuit controls the pixel such that, for each input to the at least one photoelectric conversion element, a first set operation is performed multiple times, which is a set of operations consisting of resetting the signal charge of the floating node, transferring the signal charge from the at least one photoelectric conversion element to the floating node, and reading out a voltage signal from the pixel corresponding to the amount of the signal charge transferred to the floating node.
The second circuit combines a single input to the at least one photoelectric conversion element with a signal corresponding to the voltage signal read from the pixel for each of the first set operations.

このように、第一電荷量を第二電荷量より小さくし且つ光電変換素子への一回の入力において第一セット操作が複数回行われる構成とすることで、第二電荷量(即ち、一回の入力で画素が取り扱うことができる信号電荷量)を増大させても、フローティングノード部等で発生するノイズの増大を抑えることができる。即ち、上記構成によれば、画素から読み出される信号におけるノイズの増大を抑えつつ画素が取り扱うことができる信号電荷量を増大させることができる。 Thus, by making the first charge amount smaller than the second charge amount and configuring the system so that the first set operation is performed multiple times in a single input to the photoelectric conversion element, it is possible to increase the second charge amount (i.e., the amount of signal charge that the pixel can handle in a single input) while suppressing the increase in noise generated in the floating node and other parts. In other words, with the above configuration, it is possible to increase the amount of signal charge that the pixel can handle while suppressing the increase in noise in the signal read out from the pixel.

前記固体撮像素子において、
前記第一回路は、前記第一セット操作毎に、前記フローティングノード部が前記リセットされた状態での前記電圧信号としてのリセット信号の読み出しと、該リセット信号の読み出し後に前記フローティングノード部が前記少なくとも一つの光電変換素子から前記信号電荷を転送された状態での前記電圧信号としての転送電荷量信号の読み出しと、が行われるように前記画素を制御し、
前記第二回路は、前記第一セット操作毎に、前記電圧信号に応じた信号として前記転送電荷量信号と前記リセット信号との差分信号をそれぞれ生成してもよい。
In the aforementioned solid-state image sensor,
The first circuit controls the pixel such that, for each first set operation, the floating node unit reads out the reset signal as a voltage signal when it is in the reset state, and after the reading of the reset signal, the floating node unit reads out the transferred charge amount signal as a voltage signal when it has received the signal charge from at least one photoelectric conversion element.
The second circuit may generate, for each of the first set operations, a difference signal between the transferred charge amount signal and the reset signal, as a signal corresponding to the voltage signal.

このように、第一回路において第一セット操作毎に転送電荷量信号とリセット信号との差分信号(電圧信号に応じた信号)を生成する構成とすることで、第二回路において結合される各信号(差分信号)における熱雑音等のリセットノイズが抑えられ、これにより、より画質の高い撮像画像が得られる。 Thus, by configuring the first circuit to generate a difference signal (a signal corresponding to the voltage signal) between the transferred charge amount signal and the reset signal for each first set operation, reset noise such as thermal noise in each signal (difference signal) coupled in the second circuit is suppressed, resulting in higher-quality captured images.

また、前記固体撮像素子において、
前記画素は、前記光電変換素子を複数有し、
前記第一電荷量は、前記光電変換素子の数に応じた量であってもよい。
Furthermore, in the solid-state image sensor,
The aforementioned pixel has a plurality of photoelectric conversion elements,
The first charge amount may be an amount corresponding to the number of photoelectric conversion elements.

かかる構成によれば、複数の光電変換素子が一回の入力で信号電荷を第二電荷量まで蓄積したときに、第一セット操作毎のフローティングノード部に転送される信号電荷の電荷量同士の差を抑え、これにより、固体撮像素子から出力される信号(画像信号等)における入力換算ノイズ(量子化誤差等を含む)を抑えることが可能となる。 With this configuration, when multiple photoelectric conversion elements accumulate signal charge up to the second charge amount with a single input, the difference in charge amounts between the signal charges transferred to the floating node section after each first set operation is suppressed. This makes it possible to suppress input-referred noise (including quantization errors, etc.) in the signal (image signal, etc.) output from the solid-state image sensor.

また、前記固体撮像素子において、
前記画素は、前記第一電荷量を変更することによって前記フローティングノード部に転送された前記信号電荷の電荷量の前記電圧信号の変換ゲインを第一変換ゲインと該第一変換ゲインより低い第二変換ゲインとの間で切り替えるゲイン切り替え部を有してもよい。
Furthermore, in the solid-state image sensor,
The pixel may have a gain switching unit that changes the first charge amount to switch the conversion gain of the voltage signal of the charge amount of the signal charge transferred to the floating node unit between a first conversion gain and a second conversion gain lower than the first conversion gain.

かかる構成によれば、各ゲインで得られた電圧信号から、入力光の光量に応じて画像処理に用いられる電圧信号を選択することが可能となり、これにより、撮像画像における画質の向上を図ることができる。 With this configuration, it becomes possible to select the voltage signal used for image processing from the voltage signals obtained at each gain, according to the amount of input light, thereby improving the image quality of the captured image.

この場合、
前記第一回路は、各第一セット操作における前記リセットと前記転送と前記読み出しとを前記第二変換ゲインの状態で行うと共に、前記リセットと前記転送と前記読み出しとを前記第一変換ゲインの状態で行ったセットである第二セット操作を一セット目の前記第一セット操作における前記リセットと前記読み出しとの間に行うように、前記画素を制御し、
前記第二回路は、一回の入力によって前記少なくとも一つの光電変換素子において生成された前記信号電荷の電荷量に応じて、前記第二セット操作で読み出された前記電圧信号に応じた信号を出力し、又は、前記第一セット操作毎に読み出された前記電圧信号に応じた信号を結合して出力してもよい。
in this case,
The first circuit controls the pixels such that the reset, transfer, and read operation in each first set operation are performed in the state of the second conversion gain, and the second set operation, which is a set in which the reset, transfer, and read operation are performed in the state of the first conversion gain, is performed between the reset and read operation in the first set of the first set operation.
The second circuit may output a signal corresponding to the voltage signal read out in the second set operation, depending on the amount of charge of the signal charge generated in the at least one photoelectric conversion element by a single input, or it may output a combined signal corresponding to the voltage signal read out each time the first set operation is performed.

かかる構成によれば、例えば、入力光の光量が小さく、複数の光電変換素子で光電変換された信号電荷の全てを第一変換ゲインの状態のフローティングノード部に一回で転送しきれたときに信号処理回路から出力された信号を画像処理に用いることで、暗いシーン等の入力光量の小さな状態での撮像においても画質の高い撮像画像が得られる。 With this configuration, for example, when the input light intensity is low and all of the signal charge converted photoelectrically by multiple photoelectric conversion elements is transferred to the floating node in the first conversion gain state in a single pass, the signal output from the signal processing circuit is used for image processing. This allows for the acquisition of high-quality images even when imaging in low-light conditions such as dark scenes.

また、本実施形態に係る撮像装置は、
光学系と、
上記の何れかに記載の固体撮像素子と、を備え、
前記固体撮像素子は、前記画素が行列状に配置された画素アレイを有し、
前記光学系は、撮像対象物を前記画素アレイ上で結像させる。
Furthermore, the imaging device according to this embodiment is
Optical system and
A solid-state image sensor as described in any of the above,
The solid-state image sensor has a pixel array in which the pixels are arranged in a matrix,
The optical system forms an image of the object to be imaged on the pixel array.

かかる構成によれば、画素から読み出され信号におけるノイズの増大を抑えつつ画素が取り扱うことができる信号電荷量を増大させることができ、これにより、高画質の撮像画像が得られる。 This configuration allows for an increase in the amount of signal charge that a pixel can handle while suppressing the increase in noise in the signal read from the pixel, thereby obtaining high-quality images.

また、本実施形態に係る撮像装置は、
入力光を光電変換して信号電荷を生成する少なくとも一つの光電変換素子、及び、前記少なくとも一つの光電変換素子から前記信号電荷が転送されるフローティングノード部、を有する複数の画素が行列状に配置された固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の各画素に接続される第一回路と、
前記第一回路に接続される第二回路と、
撮像対象物を前記固体撮像素子上で結像させる光学系と、
撮像画像を外部に出力する出力部と、を備え、
前記各画素の前記フローティングノード部における一回の入力での取り扱い可能電荷量は、該画素の前記少なくとも一つの光電変換素子における一回の入力での取り扱い可能電荷量より小さく、
前記第一回路は、前記光学系を通じた前記少なくとも一つの光電変換素子への一回の入力に対し、前記少なくとも一つの光電変換素子から前記フローティングノード部への前記信号電荷の転送と、該フローティングノード部に転送された前記信号電荷の電荷量に応じた電圧信号の該画素からの読み出しと、のセットである第一セット操作が複数回行われるように、前記画素を制御し、
前記第二回路は、前記少なくとも一つの光電変換素子への一回の入力に対し、前記各画素から前記第一セット操作毎に読み出される前記電圧信号に応じた信号を画素毎にそれぞれ結合し、
前記出力部は、前記結合した信号に基づいて生成された前記撮像画像を外部に出力する。
Furthermore, the imaging device according to this embodiment is
A solid-state image sensor having a plurality of pixels arranged in a matrix, each having at least one photoelectric conversion element that converts input light into photoelectric energy to generate a signal charge, and a floating node portion to which the signal charge is transferred from the at least one photoelectric conversion element;
A first circuit connected to each pixel of the solid-state image sensor,
A second circuit connected to the first circuit,
An optical system for forming an image of the object to be imaged on the solid-state image sensor,
It includes an output unit that outputs the captured image to an external device,
The amount of charge that can be handled in a single input at the floating node portion of each pixel is smaller than the amount of charge that can be handled in a single input at at least one photoelectric conversion element of the pixel.
The first circuit controls the pixels such that, for each input to the at least one photoelectric conversion element through the optical system, a first set operation is performed multiple times, which consists of transferring the signal charge from the at least one photoelectric conversion element to the floating node and reading out a voltage signal from the pixel corresponding to the amount of the signal charge transferred to the floating node.
The second circuit, in response to a single input to at least one photoelectric conversion element, combines a signal corresponding to the voltage signal read from each pixel for each of the first set operations, for each pixel.
The output unit outputs the captured image generated based on the combined signal to the outside.

かかる構成によれば、各画素から読み出される信号におけるノイズの増大を抑えつつ該画素が取り扱うことができる信号電荷量を増大させることができ、これにより、出力部において高画質の撮像画像が出力(表示等)される。 This configuration allows for an increase in the amount of signal charge that each pixel can handle while suppressing the increase in noise in the signal read from each pixel. As a result, a high-quality image is output (displayed, etc.) at the output unit.

また、前記撮像装置は、
撮像モードを切り替え可能なモード切替部を備え、
前記モード切替部は、前記第一セット操作が前記複数回行われる第一モードと、前記第一セット操作が一セット行われる第二モードと、に切り替え可能であってもよい。
Furthermore, the imaging device is
It is equipped with a mode switching section that allows switching between imaging modes.
The mode switching unit may be able to switch between a first mode in which the first set operation is performed multiple times and a second mode in which the first set operation is performed once.

かかる構成によれば、撮像シーンによって撮像モードを選択すること(切り替えること)ができ、これにより、第一セット操作の数を抑えて固体撮像素子等での省電力化を図ったり、第一セット操作の数を増やして暗い場所等での撮像によって得られる撮像画像の高画質化を図ったりすることができる。 This configuration allows for the selection (switching) of the imaging mode depending on the imaging scene. This enables power saving in the solid-state image sensor by reducing the number of initial setup operations, or improving the image quality of images obtained in dark environments by increasing the number of initial setup operations.

以上のように、本実施形態によれば、画素から読み出す信号におけるノイズの増大を抑えつつ画素が取り扱い可能な信号電荷量を増大させることができる固体撮像素子、及び固体撮像素子を備える撮像装置を提供することができる。 As described above, this embodiment provides a solid-state image sensor and an imaging device equipped with a solid-state image sensor that can increase the amount of signal charge that a pixel can handle while suppressing an increase in noise in the signal read from the pixel.

以下、本発明の第一実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。 The first embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

第一実施形態に係る撮像装置100は、図1~図3に示すように、光学系101aと固体撮像素子1とを備える。この固体撮像素子1は、画素20と、画素20に接続される走査回路(第一回路)3と、走査回路3に接続される信号処理回路(第二回路)4と、を備え、画素20は、入力光を光電変換して信号電荷を生成する少なくとも一つの光電変換素子21、少なくとも一つの光電変換素子21から信号電荷が転送されるフローティングノード部F、及び、該フローティングノード部Fの信号電荷をリセットするリセット部R、を有する。この撮像装置100は、デジタルカメラ、スマートフォン、タブレットデバイス等の対象物を撮像可能なものであり、本実施形態の撮像装置100は、例えば、スマートフォンである。 The imaging device 100 according to the first embodiment comprises an optical system 101a and a solid-state image sensor 1, as shown in Figures 1 to 3. This solid-state image sensor 1 includes pixels 20, a scanning circuit (first circuit) 3 connected to the pixels 20, and a signal processing circuit (second circuit) 4 connected to the scanning circuit 3. Each pixel 20 has at least one photoelectric conversion element 21 that converts input light into signal charge, a floating node section F to which the signal charge is transferred from the at least one photoelectric conversion element 21, and a reset section R that resets the signal charge of the floating node section F. This imaging device 100 is capable of imaging objects such as digital cameras, smartphones, and tablet devices. In this embodiment, the imaging device 100 is, for example, a smartphone.

具体的に、撮像装置100は、図1に示すように、撮像部101と、制御部102と、不揮発性メモリ103と、作業用メモリ104と、操作部105と、表示部(出力部)106と、記録媒体107と、接続部108と、近距離無線通信部109と、公衆網接続部110と、マイク111と、スピーカ112と、を備える。 Specifically, as shown in Figure 1, the imaging device 100 comprises an imaging unit 101, a control unit 102, a non-volatile memory 103, a working memory 104, an operation unit 105, a display unit (output unit) 106, a recording medium 107, a connection unit 108, a short-range wireless communication unit 109, a public network connection unit 110, a microphone 111, and a speaker 112.

撮像部101は、制御部102の制御下において、光学系101aによって結像された撮像対象物の像を電気信号に変換した後、ノイズ低減処理等を行い、デジタルデータを撮像画像の画像データとして出力する。具体的に、撮像部101は、レンズ等の少なくとも一つの光学素子によって構成される光学系101aと、光学系101aを通じて結像した撮像対象物の像を電気信号に変換する(即ち、撮像する)固体撮像素子1と、を有する。 The imaging unit 101, under the control of the control unit 102, converts the image of the object to be imaged, formed by the optical system 101a, into an electrical signal, performs noise reduction processing, and outputs the digital data as image data of the captured image. Specifically, the imaging unit 101 includes an optical system 101a composed of at least one optical element such as a lens, and a solid-state image sensor 1 that converts the image of the object to be imaged, formed through the optical system 101a, into an electrical signal (i.e., captures an image).

固体撮像素子1は、例えば、スマートフォン、デジタルカメラ等に組み込まれ、撮像対象物を撮像するための素子であり、本実施形態の固体撮像素子1は、例えば、CMOSイメージセンサである。 The solid-state image sensor 1 is, for example, incorporated into a smartphone, digital camera, etc., and is an element for capturing an image of an object. In this embodiment, the solid-state image sensor 1 is, for example, a CMOS image sensor.

具体的に、この固体撮像素子1は、図2に示すように、複数の画素20を有する画素アレイ2と、画素アレイ2の各画素20に接続される走査回路3と、走査回路3に接続される信号処理回路4と、を有する。これら画素アレイ2、走査回路3、及び信号処理回路4は、同一の半導体基板上又は電気的に接続された複数の半導体基板上に配置されている。 Specifically, as shown in Figure 2, this solid-state image sensor 1 includes a pixel array 2 having a plurality of pixels 20, a scanning circuit 3 connected to each pixel 20 of the pixel array 2, and a signal processing circuit 4 connected to the scanning circuit 3. These pixel array 2, scanning circuit 3, and signal processing circuit 4 are arranged on the same semiconductor substrate or on multiple electrically connected semiconductor substrates.

画素アレイ2は、行列状に2次元配置される複数の画素20を有する。また、画素アレイ2は、行列状に配置された複数の画素20に対して、行毎に配置され且つそれぞれが行方向(図2における左右方向)に延びる複数の行信号線L1と、列毎に配置され且つそれぞれが列方向(図2における上下方向)に延びる複数の列信号線L2と、を有する。これら複数の行信号線L1のそれぞれは、走査回路3の第一走査回路31に接続され、複数の列信号線L2のそれぞれは、走査回路3の第二走査回路32に接続されている。 The pixel array 2 has a plurality of pixels 20 arranged in a matrix in two dimensions. Furthermore, the pixel array 2 has a plurality of row signal lines L1 arranged row by row and extending in the row direction (left-right direction in Figure 2), and a plurality of column signal lines L2 arranged column by column and extending in the column direction (up-down direction in Figure 2). Each of these row signal lines L1 is connected to the first scanning circuit 31 of the scanning circuit 3, and each of the column signal lines L2 is connected to the second scanning circuit 32 of the scanning circuit 3.

複数の画素20のそれぞれは、図3にも示すように、少なくとも一つの光電変換素子21と、少なくとも一つの光電変換素子21で生成された信号電荷が転送されるフローティングノード22と、を有する。本実施形態の固体撮像素子1において、画素20は、一つの光電変換素子21を有し、光電変換素子21は、例えば、フォトダイオードである。また、本実施形態の画素20では、フローティングノード22が上述のフローティングノード部Fを構成する。 Each of the multiple pixels 20, as shown in Figure 3, has at least one photoelectric conversion element 21 and a floating node 22 to which the signal charge generated by at least one photoelectric conversion element 21 is transferred. In the solid-state image sensor 1 of this embodiment, each pixel 20 has one photoelectric conversion element 21, which is, for example, a photodiode. In the pixel 20 of this embodiment, the floating node 22 constitutes the floating node section F described above.

このフローティングノード22における一回の入力での取り扱い可能電荷量である第一電荷量C1(図4参照)は、光電変換素子21における一回の入力での取り扱い可能電荷量である第二電荷量C2(図4参照)より小さい。ここで、フローティングノード22における一回の入力とは、光電変換素子21からの一回の信号電荷の転送のことであり、光電変換素子21における一回の入力とは、撮像時における一回の露光のことである。尚、本実施形態において、「取り扱い可能電荷量」は、得られる撮像画像(画像データ)の質を確保できる電荷量の最大値であり、走査回路3、信号処理回路4、信号処理回路4より後段の各構成の入力ダイナミックレンジ等によって規定される値であり、得られる撮像画像の質(ノイズ等)を考慮することなく当該構成に蓄積又は溜まる等ができる電荷量の最大値である「最大電荷量」とは異なる場合がある。 The first charge amount C1 (see Figure 4), which is the amount of charge that can be handled in a single input at the floating node 22, is smaller than the second charge amount C2 (see Figure 4), which is the amount of charge that can be handled in a single input at the photoelectric conversion element 21. Here, a single input at the floating node 22 refers to a single transfer of signal charge from the photoelectric conversion element 21, and a single input at the photoelectric conversion element 21 refers to a single exposure during imaging. In this embodiment, the "handlable charge amount" is the maximum amount of charge that can ensure the quality of the obtained image (image data), and is a value defined by the input dynamic range of the scanning circuit 3, signal processing circuit 4, and each configuration after the signal processing circuit 4. It may differ from the "maximum charge amount," which is the maximum amount of charge that can be accumulated or stored in the configuration without considering the quality of the obtained image (noise, etc.).

また、各画素20は、光電変換素子21とフローティングノード22とを接続する転送トランジスタ23と、フローティングノード22とリセット電源(リセット電位)VDD1とを接続するリセットトランジスタ24と、フローティングノード22の信号電荷の電荷量を電圧信号に変換する増幅トランジスタ25と、増幅トランジスタ25と列信号線L2とを接続する選択トランジスタ26と、を備える。これら転送トランジスタ23、リセットトランジスタ24、及び選択トランジスタ26には、走査回路3の第一走査回路31から行信号線L1を介して各種の駆動信号φRES、φTX、φSELが入力される。 Furthermore, each pixel 20 includes a transfer transistor 23 connecting the photoelectric conversion element 21 and the floating node 22, a reset transistor 24 connecting the floating node 22 and the reset power supply (reset potential) VDD1, an amplification transistor 25 that converts the amount of signal charge of the floating node 22 into a voltage signal, and a selection transistor 26 connecting the amplification transistor 25 and the row signal line L2. These transfer transistors 23, reset transistor 24, and selection transistor 26 receive various drive signals φRES, φTX, and φSEL from the first scanning circuit 31 of the scanning circuit 3 via the row signal line L1.

この画素20において、リセットトランジスタ24が上述のリセット部Rを構成する。また、増幅トランジスタ25は、ゲート電極がフローティングノード22に接続されると共に、ドレイン電極が電源VDD2に接続されている。この増幅トランジスタ25は、フローティングノード22に溜まった信号電荷の電荷量を所定のゲインで電圧信号に変換して読み出す(出力する)読み出し回路(いわゆるソースフォロワ(センサ内アンプ)SF)の入力部となる。即ち、増幅トランジスタ25は、ソース電極が選択トランジスタ26を介して列信号線L2に接続されることにより、当該列信号線L2の一端に接続される定電流源とソースフォロワSFを構成する。 In this pixel 20, the reset transistor 24 constitutes the reset section R described above. The amplifying transistor 25 has its gate electrode connected to the floating node 22 and its drain electrode connected to the power supply VDD2. This amplifying transistor 25 serves as the input to a readout circuit (a so-called source follower (sensor amplifier) SF) that converts the amount of signal charge accumulated in the floating node 22 into a voltage signal with a predetermined gain and reads it out (outputs it). Specifically, the source electrode of the amplifying transistor 25 is connected to the column signal line L2 via the selection transistor 26, thereby forming a source follower SF with a constant current source connected to one end of the column signal line L2.

複数の行信号線L1のそれぞれは、接続された各画素20に対して、第一走査回路31から出力されたリセット指示信号φRES、電荷転送信号φTX、及びセレクト信号φSELをそれぞれ送信する。 Each of the multiple row signal lines L1 transmits a reset instruction signal φRES, a charge transfer signal φTX, and a select signal φSEL, respectively, to each connected pixel 20, which are output from the first scanning circuit 31.

ここで、リセット指示信号φRESは、各画素20(詳しくは、フローティングノード22)の電荷(信号電荷)のリセットのためにリセットトランジスタ24をON・OFFするための信号であり、電荷転送信号φTXは、光電変換素子21の信号電荷のフローティングノード22への転送のために転送トランジスタ23をON・OFFするための信号であり、セレクト信号φSELは、増幅トランジスタ25によってフローティングノード22の信号電荷の電荷量を電圧信号に変換して列信号線L2へ読み出すために選択トランジスタ26をON・OFFするための信号である。 Here, the reset instruction signal φRES is a signal to turn the reset transistor 24 ON/OFF to reset the charge (signal charge) of each pixel 20 (more specifically, the floating node 22); the charge transfer signal φTX is a signal to turn the transfer transistor 23 ON/OFF to transfer the signal charge of the photoelectric conversion element 21 to the floating node 22; and the select signal φSEL is a signal to turn the select transistor 26 ON/OFF to convert the charge amount of the signal charge of the floating node 22 into a voltage signal by the amplification transistor 25 and read it out to the column signal line L2.

複数の列信号線L2のそれぞれは、対応する列の各画素20にそれぞれ接続され、該画素20から出力された電圧信号を第二走査回路32に送信する。 Each of the multiple column signal lines L2 is connected to each pixel 20 in the corresponding column, and the voltage signal output from the pixel 20 is transmitted to the second scanning circuit 32.

走査回路3は、第一走査回路31と、第二走査回路32と、を有する。第一走査回路31は、各画素20に対してリセット指示信号φRES、電荷転送信号φTX、及びセレクト信号φSEL等を出力することにより、画素アレイ2の各画素20の制御等を行い、第二走査回路32は、各画素20から読み出された電圧信号のノイズ除去、読み出された電圧信号のA/D(Analog/Digital)変換等の信号処理、変換された信号を順次信号処理回路4に送信する動作等、を行う。 The scanning circuit 3 comprises a first scanning circuit 31 and a second scanning circuit 32. The first scanning circuit 31 controls each pixel 20 of the pixel array 2 by outputting a reset instruction signal φRES, a charge transfer signal φTX, and a select signal φSEL to each pixel 20. The second scanning circuit 32 performs signal processing such as noise reduction of the voltage signals read from each pixel 20, A/D (Analog/Digital) conversion of the read voltage signals, and sequentially transmits the converted signals to the signal processing circuit 4.

信号処理回路4は、第二走査回路32から出力された各信号に対して各種の処理を行う部位であり、本実施形態の信号処理回路4は、例えば、センサ内ISP(Image Signal Processor)である。 The signal processing circuit 4 is the part that performs various processing on each signal output from the second scanning circuit 32. In this embodiment, the signal processing circuit 4 is, for example, an in-sensor ISP (Image Signal Processor).

以上の固体撮像素子1では、走査回路3は、光電変換素子21への一回の入力に対し、フローティングノード22の信号電荷のリセットと、光電変換素子21からフローティングノード22への信号電荷の転送と、該フローティングノード22に転送された信号電荷の電荷量に応じた電圧信号の該画素20からの読み出しと、のセットである第一セット操作が複数回行われるように画素20を制御する。そして、信号処理回路4は、光電変換素子21への一回の入力に対し、画素20から第一セット操作毎に読み出される電圧信号に応じた信号を結合し、この結合した信号を出力する。 In the solid-state image sensor 1 described above, the scanning circuit 3 controls the pixel 20 so that, for each input to the photoelectric conversion element 21, a first set operation is performed multiple times. This first set operation consists of resetting the signal charge of the floating node 22, transferring the signal charge from the photoelectric conversion element 21 to the floating node 22, and reading out a voltage signal from the pixel 20 corresponding to the amount of signal charge transferred to the floating node 22. The signal processing circuit 4 then combines a signal corresponding to the voltage signal read from the pixel 20 for each first set operation for each input to the photoelectric conversion element 21, and outputs this combined signal.

また、電圧信号の画素20からの読み出しにおいて、走査回路3は、第一セット操作毎に、フローティングノード22がリセットされた状態での電圧信号としてのリセット信号の読み出しと、該リセット信号の読み出し後にフローティングノード22が光電変換素子21から信号電荷を転送された状態での電圧信号としての転送電荷量信号の読み出しと、が行われるように画素20を制御する。そして、信号処理回路4は、第一セット操作毎に、電圧信号に応じた信号として転送電荷量信号とリセット信号との差分信号をそれぞれ生成する。即ち、固体撮像素子1では、各画素20からの電圧信号の読み出しにおいて、いわゆる相関二重サンプリング(CDS:correlated double sampling)が行われる Furthermore, during the readout of the voltage signal from the pixel 20, the scanning circuit 3 controls the pixel 20 so that, with each first set operation, it reads out the reset signal as a voltage signal with the floating node 22 reset, and then reads out the transferred charge amount signal as a voltage signal with the floating node 22 having received signal charge from the photoelectric conversion element 21 after the readout of the reset signal. The signal processing circuit 4 then generates the difference signal between the transferred charge amount signal and the reset signal as signals corresponding to the voltage signal with each first set operation. In other words, in the solid-state image sensor 1, so-called correlated double sampling (CDS) is performed during the readout of the voltage signal from each pixel 20.

以下、図4も参照しつつ、より具体的に説明する。尚、図4に示す例では、光電変換素子21の第一電荷量C1がQ1であり、フローティングノード22の第一電荷量C1がQ2である。 The following explanation will be more detailed, referring to Figure 4. In the example shown in Figure 4, the first charge quantity C1 of the photoelectric conversion element 21 is Q1, and the first charge quantity C1 of the floating node 22 is Q2.

Step1において、撮像装置100での撮像の際に画素アレイ2上に撮像対象物の像が結像する、即ち、各画素20の光電変換素子21に光(入力光)が入力される。これにより、光電変換素子21で入力光が光電変換されて入力光の光量に応じた量の信号電荷(図4に示す例では、電荷量Q1(第一電荷量C1と等しい電荷量)の信号電荷)が光電変換素子21に蓄積される。この状態で、リセットトランジスタ24がON・OFFされることでフローティングノード22がリセット電位(リセット電源VDD1の電位)にリセットされ、そのときの電圧信号であるリセット信号RL1が画素20から読み出され、第二走査回路32に記録される。 In Step 1, during imaging by the imaging device 100, an image of the object to be imaged is formed on the pixel array 2; that is, light (input light) is input to the photoelectric conversion element 21 of each pixel 20. As a result, the input light is photoelectrically converted by the photoelectric conversion element 21, and a signal charge (in the example shown in Figure 4, a signal charge of charge amount Q1 (equal to the first charge amount C1)) corresponding to the amount of input light is accumulated in the photoelectric conversion element 21. In this state, the reset transistor 24 is turned ON and OFF, resetting the floating node 22 to the reset potential (the potential of the reset power supply VDD1). The reset signal RL1, which is the voltage signal at that time, is read from the pixel 20 and recorded in the second scanning circuit 32.

次に、Step2において、転送トランジスタ23がON・OFFされることで、光電変換素子21に蓄積された信号電荷(図4に示す例では、電荷量Q1の信号電荷)がフローティングノード22に転送される。このとき、フローティングノード22の第二電荷量C2が光電変換素子21の第一電荷量C1より小さいため、フローティングノード22に光電変換素子21に蓄積された信号電荷の全てが転送されず、一部(図4に示す例では、電荷量Q3の信号電荷)が光電変換素子21に残留する。ここで、光電変換素子21からフローティングノード22に転送される信号電荷の電荷量はQ2であり、Q3=Q1-Q2である。 Next, in Step 2, the transfer transistor 23 is switched ON and OFF, transferring the signal charge accumulated in the photoelectric conversion element 21 (in the example shown in Figure 4, the signal charge with charge amount Q1) to the floating node 22. At this time, because the second charge amount C2 of the floating node 22 is smaller than the first charge amount C1 of the photoelectric conversion element 21, not all of the signal charge accumulated in the photoelectric conversion element 21 is transferred to the floating node 22; a portion (in the example shown in Figure 4, the signal charge with charge amount Q3) remains in the photoelectric conversion element 21. Here, the amount of signal charge transferred from the photoelectric conversion element 21 to the floating node 22 is Q2, and Q3 = Q1 - Q2.

この状態で選択トランジスタ26がON・OFFされることで、このときのフローティングノード22の信号電荷の電荷量Q2がソースフォロワSFによって転送電荷量信号(電圧信号)SL1に変換されて列信号線L2に出力され、第二走査回路32に記録される。 In this state, when the selection transistor 26 is switched ON and OFF, the charge amount Q2 of the signal charge at the floating node 22 at that time is converted into a transferred charge amount signal (voltage signal) SL1 by the source follower SF, output to the column signal line L2, and recorded in the second scanning circuit 32.

続いて、Step3において、リセットトランジスタ24がON・OFFされることでフローティングノード22に溜まった信号電荷が一度リセットされ、そのときの電圧信号であるリセット信号RL2が画素20から読み出され、第二走査回路32に記録される。 Next, in Step 3, the reset transistor 24 is switched ON and OFF, resetting the signal charge accumulated in the floating node 22. The reset signal RL2, which is the voltage signal at that time, is read from the pixel 20 and recorded in the second scanning circuit 32.

さらに、Step4において、光電変換素子21に残っていた電荷量Q3の信号電荷がStep2と同様にしてフローティングノード22に転送され、そのときのフローティングノード22に溜まっている信号電荷の電荷量Q3が変換された転送電荷量信号(電圧信号)SL2が画素から読み出され、第二走査回路32に記録される。 Furthermore, in Step 4, the signal charge Q3 remaining in the photoelectric conversion element 21 is transferred to the floating node 22 in the same manner as in Step 2. The transferred charge amount signal (voltage signal) SL2, which is the converted signal charge Q3 accumulated in the floating node 22 at that time, is read from the pixel and recorded in the second scanning circuit 32.

これら各Stepにおいて、Step1、3におけるフローティングノード22のリセットと、Step2、4における光電変換素子21からフローティングノード22への信号電荷の転送と、転送されてフローティングノード22に溜まっている信号電荷の電荷量に応じた電圧信号(転送電荷量信号)の読み出しと、が上述の第一セット操作を構成し、本実施形態の各画素20では、一回の入力(撮像)で第一セット操作が二セット行われる。 In each of these steps, the reset of the floating node 22 in Steps 1 and 3, the transfer of signal charge from the photoelectric conversion element 21 to the floating node 22 in Steps 2 and 4, and the reading out of a voltage signal (transferred charge amount signal) corresponding to the amount of signal charge transferred and accumulated in the floating node 22 constitute the first set operation described above. In this embodiment, each pixel 20 performs two sets of the first set operation with a single input (imaging).

尚、図4に示す例では、第一セット操作が二セット行われることで、一回の入力で光電変換素子21に蓄積された全ての信号電荷がフローティングノード22に転送されて光電変換素子21が空になるが、この構成に限定されない。二回の転送で空にならないときには、Step3及びStep4が所定回数(光電変換素子21の第二電荷量C2に応じて設定された回数、即ち、光電変換素子21に蓄積された全ての信号電荷が転送されるように設定された回数)繰り返される構成でもよい。換言すると、第一セット操作が三セット以上行われる構成でもよい。 In the example shown in Figure 4, the first set operation is performed twice, transferring all the signal charge accumulated in the photoelectric conversion element 21 to the floating node 22 with a single input, thus emptying the photoelectric conversion element 21. However, the configuration is not limited to this. If the element is not empty after two transfers, Steps 3 and 4 may be repeated a predetermined number of times (a number set according to the second charge amount C2 of the photoelectric conversion element 21, i.e., a number set so that all the signal charge accumulated in the photoelectric conversion element 21 is transferred). In other words, the first set operation may be performed three or more times.

以上のようにStep1~Step4が行われる(即ち、前記第一セット操作が二セット行われる)と、続いて、信号処理回路4が、Step2の転送電荷量信号SL1と、Step1のリセット信号RL1との差分信号(SL1-RL1)を生成すると共に、Step4の転送電荷量信号SL2とStep3のリセット信号RL2との差分信号(SL2-RL2)を作成し、これら差分信号同士を結合する。そして、信号処理回路4は、この結合した信号(Signal=(SL1-RL1)+(SL2-RL2):図4参照)を後段の構成(制御部102等)に出力する。 As described above, Steps 1 to 4 are performed (i.e., the first set operation is performed twice). Subsequently, the signal processing circuit 4 generates a difference signal (SL1 - RL1) between the transfer charge amount signal SL1 from Step 2 and the reset signal RL1 from Step 1, and also creates a difference signal (SL2 - RL2) between the transfer charge amount signal SL2 from Step 4 and the reset signal RL2 from Step 3. These difference signals are then combined. The signal processing circuit 4 then outputs this combined signal (Signal = (SL1 - RL1) + (SL2 - RL2): see Figure 4) to the subsequent configuration (control unit 102, etc.).

尚、本実施例においては、ソースフォロアSFと後段の信号処理回路4は、一回目の第一セット操作において信号電荷を転送することによって発生するフローティングノード22上の電圧の最大振幅を取り扱えるように入力ダイナミックレンジを設定することが、結合した信号のリニアリティを確保する上で好ましい。 In this embodiment, it is preferable to set the input dynamic range of the source follower SF and the subsequent signal processing circuit 4 so that they can handle the maximum amplitude of the voltage on the floating node 22 generated by transferring the signal charge in the first set operation, in order to ensure the linearity of the coupled signal.

制御部102は、入力された信号やプログラムに従って撮像装置100の各部を制御する。また、制御部102は、固体撮像素子1から出力される信号(上述の差分信号同士を結合した信号)から撮像画像(画像データ)を生成し、表示部106に出力する。尚、制御部102が撮像装置100の全体を制御する構成に限定されない。複数のハードウェアが処理を分担することにより撮像装置100の全体を制御する構成でもよい。 The control unit 102 controls each part of the imaging device 100 according to the input signals and program. The control unit 102 also generates an image (image data) from the signal output from the solid-state image sensor 1 (a signal obtained by combining the difference signals mentioned above) and outputs it to the display unit 106. Note that the control unit 102 is not limited to controlling the entire imaging device 100. A configuration in which multiple hardware components share the processing to control the entire imaging device 100 is also possible.

不揮発性メモリ103は、電気的に消去・記録可能な不揮発性のメモリである。本実施形態の不揮発性メモリ103は、制御部102が実行する基本的なソフトウェアであるOS(オペレーティングシステム)、及びこのOSと協働して応用的な機能を実現するアプリケーションを記録している。 The non-volatile memory 103 is a non-volatile memory that can be electrically erased and recorded. In this embodiment, the non-volatile memory 103 stores the operating system (OS), which is the basic software executed by the control unit 102, and applications that work in cooperation with the OS to realize advanced functions.

作業用メモリ104は、表示部106の画像表示用メモリ、及び制御部102の作業領域等として使用される。 The working memory 104 is used as the image display memory for the display unit 106 and as the working area for the control unit 102, etc.

操作部105は、撮像装置100に対する指示をユーザ等が入力するために用いられる。本実施形態の操作部105は、撮像装置100の電源のON/OFFを指示するための電源ボタン、及び表示部106に形成されるタッチパネル等を有する。 The operation unit 105 is used for the user to input instructions for the imaging device 100. In this embodiment, the operation unit 105 includes a power button for instructing the ON/OFF of the imaging device 100, and a touch panel formed on the display unit 106.

表示部106は、撮像画像(画像データ)の表示(外部への出力)、及び操作のための文字表示等を行う。 The display unit 106 displays the captured image (image data) (outputs it externally) and displays text for operation, etc.

記録媒体107は、撮像部101から出力された画像データを記録する。 The recording medium 107 records the image data output from the imaging unit 101.

接続部108は、外部機器と接続するためのインターフェイスである。この接続部108を介して、撮像装置100が外部機器とデータのやりとりを行う。 The connection section 108 is an interface for connecting to external devices. The imaging device 100 exchanges data with external devices via this connection section 108.

近距離無線通信部109は、近距離無線通信を行うための通信ユニットである。近距離無線通信部109は、無線通信のためのアンテナと無線信号を処理するための変復調回路や通信コントローラによって構成されている。 The short-range wireless communication unit 109 is a communication unit for performing short-range wireless communication. The short-range wireless communication unit 109 consists of an antenna for wireless communication, a modulation/demodulation circuit for processing wireless signals, and a communication controller.

公衆網接続部110は、公衆無線通信を行うためのインターフェイスである。この公衆網接続部110を介して、撮像装置100は、他の機器と通話のための通信を行う。このとき、制御部102は、マイク111及びスピーカ112を介して音声信号の入出力を行うことで前記通話を実現する。本実施形態の公衆網接続部110は、アンテナであり、このアンテナを介して制御部102が公衆網に接続する。 The public network connection unit 110 is an interface for performing public wireless communication. Through this public network connection unit 110, the imaging device 100 communicates with other devices for communication. At this time, the control unit 102 realizes the communication by inputting and outputting audio signals via the microphone 111 and speaker 112. In this embodiment, the public network connection unit 110 is an antenna, and the control unit 102 connects to the public network via this antenna.

以上の撮像装置100の固体撮像素子1は、入力光を光電変換して信号電荷を生成する光電変換素子21、光電変換素子21から信号電荷が転送されるフローティングノード部F(本実施形態の例では、フローティングノード22)、及び、該フローティングノード部Fの信号電荷をリセットするリセット部R(本実施形態の例では、リセットトランジスタ24)、を有する画素20と、画素20に接続される走査回路(第一回路)3と、走査回路3に接続される信号処理回路(第二回路)4と、を備える。そして、フローティングノード部Fにおける一回の入力での取り扱い可能電荷量である第一電荷量C1は、光電変換素子21における一回の入力での取り扱い可能電荷量である第二電荷量C2より小さい。また、走査回路3は、光電変換素子21への一回の入力に対し、フローティングノード部Fの信号電荷のリセットと、光電変換素子21からフローティングノード部Fへの信号電荷の転送と、該フローティングノード部Fに転送された信号電荷の電荷量に応じた電圧信号(SL1、SL2)の該画素20からの読み出しと、のセットである第一セット操作が複数回行われるように画素20を制御する。そして、信号処理回路4は、光電変換素子21への一回の入力に対し、画素20から第一セット操作毎に読み出される電圧信号に応じた信号を結合する(図4におけるSignal=(SL1-RL1)+(SL2-RL2)参照)。 The solid-state image sensor 1 of the imaging device 100 described above comprises a pixel 20 having a photoelectric conversion element 21 that converts input light into photoelectric energy to generate a signal charge, a floating node section F (floating node 22 in this embodiment) to which the signal charge is transferred from the photoelectric conversion element 21, and a reset section R (reset transistor 24 in this embodiment) that resets the signal charge of the floating node section F; a scanning circuit (first circuit) 3 connected to the pixel 20; and a signal processing circuit (second circuit) 4 connected to the scanning circuit 3. The first charge amount C1, which is the amount of charge that can be handled in a single input at the floating node section F, is smaller than the second charge amount C2, which is the amount of charge that can be handled in a single input at the photoelectric conversion element 21. Furthermore, the scanning circuit 3 controls the pixel 20 so that, for each input to the photoelectric conversion element 21, the first set operation is performed multiple times. This first set operation consists of resetting the signal charge of the floating node F, transferring the signal charge from the photoelectric conversion element 21 to the floating node F, and reading out voltage signals (SL1, SL2) corresponding to the amount of signal charge transferred to the floating node F from the pixel 20. The signal processing circuit 4 then combines a signal corresponding to the voltage signal read out from the pixel 20 for each first set operation for each input to the photoelectric conversion element 21 (see Signal = (SL1 - RL1) + (SL2 - RL2) in Figure 4).

このように、第一電荷量C1を第二電荷量C2より小さくし且つ光電変換素子21への一回の入力において第一セット操作が複数回行われる構成とすることで、第二電荷量(即ち、一回の入力で画素20が取り扱うことができる信号電荷量)C2を増大させても、フローティングノード部F等で発生するノイズの増大を抑えることができる。即ち、上記構成によれば、画素20から読み出される信号におけるノイズの増大を抑えつつ画素20が取り扱うことができる信号電荷量を増大させることができる。これにより、固体撮像素子1を備えた撮像装置100では、表示部(出力部)106において高画質の撮像画像が出力(表示等)される。 In this way, by making the first charge amount C1 smaller than the second charge amount C2 and configuring the system so that the first set operation is performed multiple times in a single input to the photoelectric conversion element 21, it is possible to increase the second charge amount (i.e., the amount of signal charge that the pixel 20 can handle in a single input) C2 while suppressing the increase in noise generated in the floating node section F, etc. That is, with the above configuration, it is possible to increase the amount of signal charge that the pixel 20 can handle while suppressing the increase in noise in the signal read from the pixel 20. As a result, in the imaging device 100 equipped with the solid-state image sensor 1, a high-resolution image is output (displayed, etc.) in the display unit (output unit) 106.

また、本実施形態の固体撮像素子1では、走査回路(第一回路)3は、第一セット操作毎に、フローティングノード部F(本実施形態の例では、フローティングノード22)がリセットされた状態での電圧信号としてのリセット信号(RL1、RL2)の読み出しと、該リセット信号の読み出し後にフローティングノード部Fが光電変換素子21から信号電荷を転送された状態での電圧信号としての転送電荷量信号(SL1、SL2)の読み出しと、が行われるように画素20を制御する。また、信号処理回路(第二回路)4は、第一セット操作毎に、電圧信号に応じた信号として転送電荷量信号とリセット信号との差分信号((SL1-RL1)、(SL2-RL2))をそれぞれ生成する。このように、走査回路3において第一セット操作毎に転送電荷量信号とリセット信号との差分信号(電圧信号に応じた信号)を生成する構成とすることで、信号処理回路4において結合される各信号(差分信号)における熱雑音等のリセットノイズが抑えられ、これにより、より画質の高い撮像画像が得られる。 Furthermore, in the solid-state image sensor 1 of this embodiment, the scanning circuit (first circuit) 3 controls the pixel 20 so that, for each first set operation, it reads out the reset signals (RL1, RL2) as voltage signals when the floating node F (floating node 22 in this example) is reset, and then reads out the transferred charge amount signals (SL1, SL2) as voltage signals when the floating node F has received signal charge from the photoelectric conversion element 21 after the readout of the reset signals. The signal processing circuit (second circuit) 4 generates difference signals ((SL1-RL1), (SL2-RL2)) between the transferred charge amount signals and the reset signals as signals corresponding to the voltage signals for each first set operation. By configuring the scanning circuit 3 to generate difference signals (signals corresponding to the voltage signals) between the transferred charge amount signals and the reset signals for each first set operation, reset noise such as thermal noise in each signal (difference signal) coupled in the signal processing circuit 4 is suppressed, thereby obtaining higher-quality images.

次に、本発明の第二実施形態について、図5~図8も参照しつつ説明するが、上記第一実施形態と同様の構成には同一符号を用い、第一実施形態と異なる構成について詳細に説明する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to Figures 5 to 8. The same reference numerals will be used for components similar to those in the first embodiment, and components different from those in the first embodiment will be described in detail.

本実施形態の撮像装置100では、図5に示すように、固体撮像素子1の各画素20Aが光電変換素子21を複数(本実施形態の例では、四つ)有する。この画素20Aにおいて、第一の光電変換素子21をPD0とし、第二の光電変換素子21をPD1、第三の光電変換素子21をPD2、第四の光電変換素子21をPD3と表したときに、これら第一~第四の光電変換素子PD0~PD3は、行列状に配置され、各光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3は、図6に示すように、それぞれ転送トランジスタ23を介してフローティングノード22に接続されている。尚、本実施形態の画素20Aにおいても、フローティングノード22がフローティングノード部Fを構成し、リセットトランジスタ24がリセット部Rを構成する。 In the imaging device 100 of this embodiment, as shown in Figure 5, each pixel 20A of the solid-state image sensor 1 has multiple (four in this example) photoelectric conversion elements 21. In this pixel 20A, when the first photoelectric conversion element 21 is represented as PD0, the second as PD1, the third as PD2, and the fourth as PD3, these first to fourth photoelectric conversion elements PD0 to PD3 are arranged in a matrix, and each of the photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3 is connected to a floating node 22 via a transfer transistor 23, as shown in Figure 6. In this embodiment, the floating node 22 constitutes the floating node section F, and the reset transistor 24 constitutes the reset section R.

以上の固体撮像素子1では、図5に示すように、各画素20Aの複数の光電変換素子PD0~PD3を複数(本実施形態の例では、二つ)のグループg1、g2に分け、グループg1、g2毎の信号を処理する。尚、図5においては、スモークの種類で光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3の各グループg1、g2を表している。 In the solid-state image sensor 1 described above, as shown in Figure 5, the multiple photoelectric conversion elements PD0 to PD3 of each pixel 20A are divided into multiple groups (two in this embodiment) g1 and g2, and the signals for each group g1 and g2 are processed. In Figure 5, the type of smoke represents each group g1 and g2 of the photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3.

本実施形態では、第一の光電変換素子PD0と第二の光電変換素子PD1とを第一グループg1とし、第三の光電変換素子PD2と第四の光電変換素子PD3とを第二グループg2とする。この例では、図7にも示すように、第一の光電変換素子PD0の取り扱い可能電荷量と第二の光電変換素子PD1の取り扱い可能電荷量とを合わせた取り扱い可能電荷量(第三電荷量)C3がQ11であり、第三の光電変換素子PD2の取り扱い可能電荷量と第四の光電変換素子PD3の取り扱い可能電荷量とを合わせた取り扱い可能電荷量(第四電荷量)C4がQ12であり、フローティングノード22の第一電荷量C1がQ13である。このとき、複数の光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3の第二電荷量C2は、第三電荷量C3と第四電荷量C4とを足した値(Q11+Q12)である。即ち、一つの画素20Aが複数の光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3を有している場合、第二電荷量C2は、各光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3の取り扱い可能電荷量をそれぞれ足した値(合計値)である。 In this embodiment, the first photoelectric conversion element PD0 and the second photoelectric conversion element PD1 are designated as the first group g1, and the third photoelectric conversion element PD2 and the fourth photoelectric conversion element PD3 are designated as the second group g2. In this example, as shown in Figure 7, the total handleable charge amount (third charge amount) C3, which is the sum of the handleable charge amount of the first photoelectric conversion element PD0 and the handleable charge amount of the second photoelectric conversion element PD1, is Q11, the total handleable charge amount (fourth charge amount) C4, which is the sum of the handleable charge amount of the third photoelectric conversion element PD2 and the handleable charge amount of the fourth photoelectric conversion element PD3, is Q12, and the first charge amount C1 of the floating node 22 is Q13. At this time, the second charge amount C2 of the multiple photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3 is the sum of the third charge amount C3 and the fourth charge amount C4 (Q11 + Q12). In other words, if a single pixel 20A has multiple photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3, the second charge quantity C2 is the sum of the charge quantities that each of the photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3 can handle (the total value).

この固体撮像素子1では、撮像の際に、以下のようにして信号が処理される。 In this solid-state image sensor 1, the signal is processed as follows during imaging.

Step1において、撮像装置100での撮像の際に画素アレイ2上に撮像対象物の像が結像する、即ち、各画素20Aにおいて複数の光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3のそれぞれに光(入力光)が入力される。これにより、各光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3で入力光が光電変換されて入力光の光量に応じた量の信号電荷(図8に示す例では、第一及び第二グループg1、g2のそれぞれに電荷量Q11、Q12(第三電荷量C3、第四電荷量C4)の信号電荷)が蓄積される。この状態で、リセットトランジスタ24がON・OFFされることでフローティングノード22がリセット電位(電源VDD1の電位)にリセットされ、そのときの電圧信号であるリセット信号RL1が画素20Aから読み出され、第二走査回路32に記録される。 In Step 1, during imaging by the imaging device 100, an image of the object to be imaged is formed on the pixel array 2. That is, light (input light) is input to each of the multiple photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3 in each pixel 20A. As a result, the input light is photoelectrically converted by each photoelectric conversion element PD0, PD1, PD2, and PD3, and a signal charge (in the example shown in Figure 8, signal charges of charge amounts Q11 and Q12 (third charge amount C3, fourth charge amount C4)) corresponding to the amount of input light is accumulated. In this state, the reset transistor 24 is switched ON and OFF, resetting the floating node 22 to the reset potential (the potential of the power supply VDD1). The reset signal RL1, which is the voltage signal at that time, is read from the pixel 20A and recorded in the second scanning circuit 32.

次に、Step2において、第一及び第二の光電変換素子PD0、PD1の各転送トランジスタ23がそれぞれON・OFFされることで、第一及び第二の光電変換素子PD0、PD1に蓄積された電荷量Q11の信号電荷がフローティングノード22に転送される。このとき、第三及び第四の光電変換素子PD2、PD3に蓄積された電荷量Q12の信号電荷がフローティングノード22に転送されていないため、フローティングノード22に対する一回の入力で第一~第四の光電変換素子PD0~PD3に蓄積された信号電荷の全てが転送されず、一部(図8に示す例では、第三及び第四の光電変換素子PD2、PD3に蓄積されている電荷量Q12の信号電荷)が光電変換素子PD2、PD3に残留する。この状態で選択トランジスタ26がON・OFFされることで、このときのフローティングノード22の信号電荷の電荷量Q11がソースフォロワSFによって電圧信号(転送電荷量信号)SL1に変換されて列信号線L2に出力され、第二走査回路32に記録される。 Next, in Step 2, the transfer transistors 23 of the first and second photoelectric conversion elements PD0 and PD1 are turned ON and OFF respectively, transferring the signal charge Q11 stored in the first and second photoelectric conversion elements PD0 and PD1 to the floating node 22. At this time, the signal charge Q12 stored in the third and fourth photoelectric conversion elements PD2 and PD3 has not been transferred to the floating node 22. Therefore, not all of the signal charge stored in the first to fourth photoelectric conversion elements PD0 to PD3 is transferred with a single input to the floating node 22, and a portion (in the example shown in Figure 8, the signal charge Q12 stored in the third and fourth photoelectric conversion elements PD2 and PD3) remains in the photoelectric conversion elements PD2 and PD3. In this state, when the selection transistor 26 is switched ON and OFF, the charge amount Q11 of the signal charge at the floating node 22 at that time is converted into a voltage signal (transferred charge amount signal) SL1 by the source follower SF, output to the column signal line L2, and recorded in the second scanning circuit 32.

続いて、Step3において、リセットトランジスタ24がON・OFFされることでフローティングノード22に溜まった信号電荷が一度リセットされ、そのときの電圧信号であるリセット信号RL2が画素20Aから読み出され、第二走査回路32に記録される。 Next, in Step 3, the reset transistor 24 is switched ON and OFF, resetting the signal charge accumulated in the floating node 22. The reset signal RL2, which is the voltage signal at that time, is read from the pixel 20A and recorded in the second scanning circuit 32.

さらに、Step4において、第三及び第四の光電変換素子PD2、PD3の各転送トランジスタ23がそれぞれON・OFFされることで、Step2でフローティングノード22に転送されずに第三及び第四の光電変換素子PD2、PD3に残っていた電荷量Q12の信号電荷がフローティングノード22に転送され、これによりフローティングノード22に溜まった信号電荷の電荷量Q12が変換された転送電荷量信号(電圧信号)SL2が画素20Aから読み出され、第二走査回路32に記録される。 Furthermore, in Step 4, the transfer transistors 23 of the third and fourth photoelectric conversion elements PD2 and PD3 are switched ON and OFF, respectively. This transfers the signal charge Q12 that remained in the third and fourth photoelectric conversion elements PD2 and PD3 without being transferred to the floating node 22 in Step 2. As a result, the transferred charge amount signal (voltage signal) SL2, which is the converted signal charge Q12 accumulated in the floating node 22, is read from the pixel 20A and recorded in the second scanning circuit 32.

ここで、各光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3とフローティングノード22との設計次第では、Step2で第一及び第二の光電変換素子PD0、PD1に信号電荷が残る場合もあるが、このStep4において、第三及び第四の光電変換素子PD2、PD3の各転送トランジスタ23がON・OFFされるときに、第一及び第二の光電変換素子PD0、PD1の各転送トランジスタ23もON・OFFされることで、この残留した信号電荷も読み出すことができる。 Here, depending on the design of each photoelectric conversion element PD0, PD1, PD2, PD3 and the floating node 22, signal charges may remain in the first and second photoelectric conversion elements PD0 and PD1 in Step 2. However, in Step 4, when the transfer transistors 23 of the third and fourth photoelectric conversion elements PD2 and PD3 are turned ON and OFF, the transfer transistors 23 of the first and second photoelectric conversion elements PD0 and PD1 are also turned ON and OFF, allowing these residual signal charges to be read out.

本実施形態では、各Stepにおいて、Step1、3におけるフローティングノード22のリセットと、Step2、4におけるグループg1、g2毎の光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3からフローティングノード22への信号電荷の転送と、転送されてフローティングノード22に溜まった信号電荷の電荷量に応じた電圧信号(転送電荷量信号)の読み出し、とが、第一セット操作を構成し、本実施形態の各画素20Aにおいても一回の入力(撮像)で第一セット操作が二セット行われる。 In this embodiment, in each step, the first set operation consists of resetting the floating node 22 in Steps 1 and 3, transferring signal charge from the photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3 of groups g1 and g2 to the floating node 22 in Steps 2 and 4, and reading out a voltage signal (transferred charge amount signal) corresponding to the amount of signal charge transferred and accumulated in the floating node 22. In this embodiment, each pixel 20A performs two sets of the first set operation with a single input (imaging).

Step1~Step4が行われる(即ち、第一セット操作が二セット行われる)と、続いて、信号処理回路4が、Step2の転送電荷量信号SL1と、Step1のリセット信号RL1との差分信号(SL1-RL1)を生成すると共に、Step4の転送電荷量信号SL2とStep3のリセット信号RL2との差分信号(SL2-RL2)を作成し、これら差分信号同士を結合する。そして、信号処理回路4は、この結合した信号(LCG signal=(SL1-RL1)+(SL2-RL2):図8参照)を後段の構成(制御部102等)に出力する。 After Steps 1 through 4 are performed (i.e., two sets of the first set operation are performed), the signal processing circuit 4 generates a difference signal (SL1 - RL1) between the transfer charge amount signal SL1 from Step 2 and the reset signal RL1 from Step 1. It also creates a difference signal (SL2 - RL2) between the transfer charge amount signal SL2 from Step 4 and the reset signal RL2 from Step 3, and combines these difference signals. The signal processing circuit 4 then outputs this combined signal (LCG signal = (SL1 - RL1) + (SL2 - RL2): see Figure 8) to the subsequent configuration (control unit 102, etc.).

以上の撮像装置100の固体撮像素子1によれば、第一実施形態同様、第一電荷量C1を第二電荷量C2(本実施形態の例では、第三電荷量C3と第四電荷量C4とを足した値)より小さくし且つ複数の光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3への一回の入力において第一セット操作が複数回行われる構成とすることで、第二電荷量(即ち、一回の入力で画素20Aが取り扱うことができる信号電荷量)C2を増大させても、フローティングノード部(本実施形態の例では、フローティングノード22)等で発生するノイズの増大を抑えることができる。即ち、本実施形態の固体撮像素子1によれば、画素20Aから読み出される信号におけるノイズの増大を抑えつつ画素20Aが取り扱うことができる信号電荷量を増大させることができる。これにより、固体撮像素子1を備えた撮像装置100では、表示部(出力部)106において高画質の撮像画像が出力(表示等)される。 According to the solid-state image sensor 1 of the imaging device 100 described above, similar to the first embodiment, by making the first charge amount C1 smaller than the second charge amount C2 (in this embodiment, the sum of the third charge amount C3 and the fourth charge amount C4) and configuring the device so that the first set operation is performed multiple times in a single input to the multiple photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3, it is possible to increase the second charge amount (i.e., the amount of signal charge that the pixel 20A can handle in a single input) C2, while suppressing the increase in noise generated in the floating node section (in this embodiment, the floating node 22), etc. In other words, according to the solid-state image sensor 1 of this embodiment, it is possible to increase the amount of signal charge that the pixel 20A can handle while suppressing the increase in noise in the signal read from the pixel 20A. As a result, in the imaging device 100 equipped with the solid-state image sensor 1, a high-quality image is output (displayed, etc.) in the display unit (output unit) 106.

また、本実施形態の固体撮像素子1では、画素20Aが複数の光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3を有し、第一電荷量C1が、光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3の数に応じた量(具体的には、光電変換素子21のグループg1、g2毎の取り扱い可能電荷量C3、C4に対応する量)である。 Furthermore, in the solid-state image sensor 1 of this embodiment, each pixel 20A has multiple photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3, and the first charge amount C1 is an amount corresponding to the number of photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3 (specifically, amounts corresponding to the handleable charge amounts C3 and C4 for each group g1 and g2 of the photoelectric conversion elements 21).

かかる構成によれば、複数の光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3が一回の入力で信号電荷を第二電荷量C2まで蓄積したときに、第一セット操作毎のフローティングノード部F(本実施形態の例では、フローティングノード22)に転送される信号電荷の電荷量同士の差を抑え、これにより、固体撮像素子1から出力される信号(画像信号等)における入力換算ノイズ(量子化誤差等を含む)を抑えることが可能となる。詳しくは、以下の通りである。 With this configuration, when multiple photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3 accumulate signal charge up to the second charge amount C2 with a single input, the difference in charge amounts between the signal charges transferred to the floating node section F (floating node 22 in this embodiment) for each first set operation is suppressed. This makes it possible to suppress input-referred noise (including quantization errors, etc.) in the signal (image signal, etc.) output from the solid-state image sensor 1. Further details are as follows.

第一実施形態のように、一セット目の第一セット操作においてフローティングノード部Fに転送される信号電荷の電荷量と、二セット目の第一セット操作においてフローティングノード部Fに転送される信号電荷の電荷量との差が大きい場合、後段の読み出し系(A/D変換器等)の入力ダイナミックレンジを電荷量の大きい方の第一セット操作に合わせて設定しなければならず、この場合、前記入力ダイナミックレンジが大きくなり、その結果、入力換算ノイズ(A/D変換の量子化誤差を含む)が増大する。 As in the first embodiment, if there is a large difference between the amount of signal charge transferred to the floating node unit F in the first set operation of the first set and the amount of signal charge transferred to the floating node unit F in the first set operation of the second set, the input dynamic range of the subsequent readout system (A/D converter, etc.) must be set to match the first set operation with the larger charge amount. In this case, the input dynamic range becomes larger, and as a result, the input-referred noise (including the quantization error of the A/D conversion) increases.

そこで、本実施形態の固体撮像素子1では、同時に転送される光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3の数をコントロールして第一セット操作毎のフローティングノード22に転送される信号電荷の電荷量同士の差を抑えている。 Therefore, in the solid-state image sensor 1 of this embodiment, the number of photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3 that are transferred simultaneously is controlled to suppress the difference in charge amounts between the signal charges transferred to the floating node 22 for each first set operation.

具体的には、本実施形態の各画素20Aでは、四つの光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3が第一グループg1と第二グループg2とに二つずつ分けられ、複数の光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3に対する一回の入力に対し、フローティングノード22にグループg1、g2毎に信号電荷が転送される(7.5万電子ずつ転送される)ように構成されている。このため、後段の読み出し系(A/Dコンバータ等)の入力ダイナミックレンジを抑える(小さくする)ことができ、これにより、入力換算ノイズ(量子化誤差等を含む)を抑えることができ、その結果、画質の高い撮像画像を得ることができる。 Specifically, in each pixel 20A of this embodiment, the four photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3 are divided into two groups, a first group g1 and a second group g2. For each input to the multiple photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3, signal charge is transferred to the floating node 22 for each group g1 and g2 (75,000 electrons are transferred at a time). This allows for suppressing (reducing) the input dynamic range of the subsequent readout system (A/D converter, etc.), thereby suppressing input-referred noise (including quantization errors, etc.), and consequently obtaining high-quality captured images.

次に、本発明の第三実施形態について、図9~図12も参照しつつ説明するが、上記第一及び第二実施形態と同様の構成には同一符号を用い、第一及び第二実施形態と異なる構成について詳細に説明する。 Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to Figures 9 to 12. The same reference numerals will be used for components similar to those in the first and second embodiments, while components different from those in the first and second embodiments will be described in detail.

本実施形態の撮像装置100では、第二実施形態と同様に、固体撮像素子1の各画素20Bが複数(本実施形態の例では、四つ)の光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3を有する(図9参照)。また、この画素20Bは、図10に示すように、保持容量27とスイッチトランジスタ28とを有する。この保持容量27は、キャパシタであり、スイッチトランジスタ28を介してフローティングノード22と接続されると共に、リセットトランジスタ24を介してリセット電源VDD1とも接続されている。 In the imaging device 100 of this embodiment, similar to the second embodiment, each pixel 20B of the solid-state image sensor 1 has multiple (four in this example) photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3 (see Figure 9). Furthermore, as shown in Figure 10, each pixel 20B has a retaining capacitor 27 and a switch transistor 28. This retaining capacitor 27 is connected to the floating node 22 via the switch transistor 28 and also to the reset power supply VDD1 via the reset transistor 24.

また、本実施形態の画素20Bは、第一電荷量C1を変更することによってフローティングノード部Fに転送された信号電荷の電荷量の電圧信号への変換ゲインを高ゲイン(第一変換ゲイン)と低ゲイン(第一変換ゲインより低い第二変換ゲイン)との間で切り替えるゲイン切り替え部Gを有している。本実施形態のフローティングノード部Fは、フローティングノード22と保持容量27とによって構成され、ゲイン切り替え部Gは、スイッチトランジスタ28によって構成されている。また、リセット部Rは、リセットトランジスタ24によって構成されている。 Furthermore, the pixel 20B of this embodiment has a gain switching unit G that switches the conversion gain of the signal charge amount transferred to the floating node unit F to a voltage signal between a high gain (first conversion gain) and a low gain (second conversion gain lower than the first conversion gain) by changing the first charge amount C1. The floating node unit F of this embodiment is composed of a floating node 22 and a holding capacitor 27, and the gain switching unit G is composed of a switch transistor 28. The reset unit R is composed of a reset transistor 24.

このフローティングノード部Fとゲイン切り替え部Gとを有する画素20Bでは、スイッチトランジスタ28がOFFされることで、フローティングノード部Fにおける取り扱い可能電荷量(第一電荷量)C1は、フローティングノード22の取り扱い可能電荷量と等しくなり、フローティングノード部Fに溜まっている信号電荷の電荷量がソースフォロワSFによって電圧信号に変換されるときの変換ゲインは、高ゲインとなる。 In the pixel 20B having this floating node section F and gain switching section G, when the switch transistor 28 is turned OFF, the amount of charge that can be handled in the floating node section F (first charge amount) C1 becomes equal to the amount of charge that can be handled in the floating node 22. Therefore, the conversion gain when the amount of signal charge accumulated in the floating node section F is converted into a voltage signal by the source follower SF becomes a high gain.

一方、スイッチトランジスタ28がONされることで、フローティングノード部Fにおける取り扱い可能電荷量(第一電荷量)C1は、フローティングノード22の取り扱い可能電荷量と保持容量27の取り扱い可能電荷量(即ち、保持容量27の容量)とを足した値と等しくなり、フローティングノード部Fに溜まっている信号電荷の電荷量がソースフォロワSFによって電圧信号に変換されるときの変換ゲインは、低ゲインとなる。 On the other hand, when the switch transistor 28 is turned ON, the amount of charge that can be handled (first charge amount) C1 in the floating node F becomes equal to the sum of the amount of charge that can be handled by the floating node 22 and the amount of charge that can be handled by the retaining capacitor 27 (i.e., the capacitance of the retaining capacitor 27). Therefore, the conversion gain when the amount of signal charge accumulated in the floating node F is converted into a voltage signal by the source follower SF becomes a low gain.

以上の画素20Bにおいては、走査回路3の第一走査回路31は、各第一セット操作におけるフローティングノード部Fのリセットと、フローティングノード部Fへの信号電荷の転送と、フローティングノード部Fに溜まっている信号電荷の電荷量の読み出し(前記電荷量の電圧信号への変換)と、を低ゲインの状態で行うと共に、前記リセットと前記転送と前記読み出しとを高ゲインの状態で行ったセットである第二セット操作を一セット目の第一セット操作における前記リセットと前記読み出しとの間に行うように、画素20Bを制御する。 In the above-described pixel 20B, the first scanning circuit 31 of the scanning circuit 3 controls the pixel 20B such that it performs the following actions in each first set operation: resetting the floating node F, transferring signal charge to the floating node F, and reading out the amount of signal charge accumulated in the floating node F (converting the amount of charge into a voltage signal) in a low-gain state, while performing a second set operation, which is a set in which the reset, transfer, and reading are performed in a high-gain state, between the reset and the reading in the first set operation.

また、第二走査回路32は、一回の入力によって各光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3において生成された信号電荷の電荷量に応じて、第二セット操作で読み出された電圧信号に応じた信号を出力し、又は、第一セット操作毎に読み出された電圧信号に応じた信号を結合して出力する。 Furthermore, the second scanning circuit 32 outputs a signal corresponding to the voltage signal read out in the second set operation, or outputs a combined signal corresponding to the voltage signals read out in each of the first set operations, depending on the amount of signal charge generated in each photoelectric conversion element PD0, PD1, PD2, and PD3 by a single input.

以上の固体撮像素子1においても、第二実施形態と同様に、各画素20Bの複数の光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3を複数(本実施形態の例では、二つ)のグループg1、g2に分け、グループg1、g2毎の信号を処理する(図9参照)。尚、図9において、スモークの種類で光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3の各グループg1、g2を表している。 In the solid-state image sensor 1 described above, similar to the second embodiment, the multiple photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3 of each pixel 20B are divided into multiple groups (two in this embodiment) g1 and g2, and the signals for each group g1 and g2 are processed (see Figure 9). In Figure 9, the type of smoke represents each group g1 and g2 of the photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3.

本実施形態においても、第二実施形態と同様に、第一の光電変換素子PD0と第二の光電変換素子PD1とを第一グループg1とし、第三の光電変換素子PD2と第四の光電変換素子PD3とを第二グループg2とする。この例では、図11にも示すように、第一の光電変換素子PD0の取り扱い可能電荷量と第二の光電変換素子PD1の取り扱い可能電荷量とを合わせた取り扱い可能電荷量(第三電荷量)C3がQ21であり、第三の光電変換素子PD2の取り扱い可能電荷量と第四の光電変換素子PD3の取り扱い可能電荷量とを合わせた取り扱い可能電荷量(第四電荷量)C4がQ22である。このとき、第二電荷量C2は、第二実施形態と同様に、第三電荷量C3と第四電荷量C4とを足した値(Q21+Q22)である。即ち、一つの画素20Bが複数の光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3を有している場合、第二電荷量C2は、各光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3の取り扱い可能電荷量をそれぞれ足した値(合計値)である。 In this embodiment, as in the second embodiment, the first photoelectric conversion element PD0 and the second photoelectric conversion element PD1 are designated as the first group g1, and the third photoelectric conversion element PD2 and the fourth photoelectric conversion element PD3 are designated as the second group g2. In this example, as shown in Figure 11, the total handleable charge amount (third charge amount) C3, which is the sum of the handleable charge amount of the first photoelectric conversion element PD0 and the handleable charge amount of the second photoelectric conversion element PD1, is Q21, and the total handleable charge amount (fourth charge amount) C4, which is the sum of the handleable charge amount of the third photoelectric conversion element PD2 and the handleable charge amount of the fourth photoelectric conversion element PD3, is Q22. At this time, the second charge amount C2 is the sum of the third charge amount C3 and the fourth charge amount C4 (Q21 + Q22), as in the second embodiment. In other words, if a single pixel 20B has multiple photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3, the second charge quantity C2 is the sum of the charge quantities that each of the photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3 can handle (the total value).

また、フローティングノード部Fの高ゲイン状態(即ち、スイッチトランジスタ28がOFFされているとき)の第一電荷量C1(HCG)は、Q(HCG)であり、低ゲインの状態(即ち、スイッチトランジスタ28がONされているとき)の第一電荷量C1(LCG)は、Q(LCG)である(図11参照)。尚、本実施形態の固体撮像素子1のように、フローティングノード部Fの信号電荷の電荷量が電圧信号(転送電荷量信号)に変換されるときの変換ゲインが切り替え可能な構成の場合、高ゲイン状態で光電変換素子21からフローティングノード部Fに転送される信号電荷の電荷量が第一電荷量C1(HCG)より十分に大きいときの該転送される信号電荷の電荷量の最大値(最大電荷量)は、Qmaxとなる。但し、C1(LCG)>Qmax>C1(HCG)である。尚、最大電荷量とは、得られる撮像画像の質(後段の回路等の入力ダイナミックレンジ等)を考慮することなく当該構成に蓄積又は溜まる等ができる電荷量の最大値をいう。 Furthermore, the first charge amount C1(HCG) in the high-gain state of the floating node F (i.e., when the switch transistor 28 is OFF) is Q(HCG), and the first charge amount C1(LCG) in the low-gain state (i.e., when the switch transistor 28 is ON) is Q(LCG) (see Figure 11). Note that, as in the solid-state image sensor 1 of this embodiment, in the case where the conversion gain when the charge amount of the signal charge in the floating node F is converted into a voltage signal (transferred charge amount signal) is switchable, the maximum value of the transferred signal charge amount (maximum charge amount) when the charge amount of the signal charge transferred from the photoelectric conversion element 21 to the floating node F in the high-gain state is sufficiently larger than the first charge amount C1(HCG) is Qmax. However, C1(LCG) > Qmax > C1(HCG). Furthermore, the maximum charge amount refers to the maximum amount of charge that can be accumulated or stored in the configuration, without considering the quality of the resulting image (such as the input dynamic range of subsequent circuits).

この固体撮像素子1では、撮像の際に、以下のようにして信号が処理される。 In this solid-state image sensor 1, the signal is processed as follows during imaging.

Step1において、撮像装置100での撮像の際に画素アレイ2上に撮像対象物の像が結像する、即ち、各画素20Bにおいて複数の光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3のそれぞれに光(入力光)が入力される。これにより、各光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3で入力光が光電変換されて入力光の光量に応じた量の信号電荷(図12に示す例では、第一及び第二グループg1、g2のそれぞれに電荷量Q21、Q22(第三電荷量C3、第四電荷量C4)の信号電荷)が蓄積される。このとき、スイッチトランジスタ28がONされた状態でリセットトランジスタ24がON・OFFされることで、低ゲイン状態のフローティングノード部F(フローティングノード22及び保持容量27)がリセット電位にリセットされ、そのときの電圧信号であるリセット信号RL1が画素20Bから読み出され、第二走査回路32に記録される。 In Step 1, during imaging by the imaging device 100, an image of the object to be imaged is formed on the pixel array 2. That is, light (input light) is input to each of the multiple photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3 in each pixel 20B. As a result, the input light is photoelectrically converted by each photoelectric conversion element PD0, PD1, PD2, and PD3, and a signal charge (in the example shown in Figure 12, signal charges of charge amounts Q21 and Q22 (third charge amount C3, fourth charge amount C4)) corresponding to the amount of input light is accumulated. At this time, with the switch transistor 28 ON, the reset transistor 24 is turned ON and OFF, resetting the low-gain floating node section F (floating node 22 and holding capacitor 27) to the reset potential. The reset signal RL1, which is the voltage signal at that time, is read from the pixel 20B and recorded in the second scanning circuit 32.

続いて、Step2において、各光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3が蓄積した信号電荷を保持した状態のままで、スイッチトランジスタ28がOFFされた状態でリセットトランジスタ24がON・OFFされることで、高ゲイン状態のフローティングノード部F(フローティングノード22)がリセット電位にリセットされ、そのときの電圧信号であるリセット信号RHが画素20Bから読み出され、第二走査回路32に記録される。 Next, in Step 2, while each photoelectric conversion element PD0, PD1, PD2, and PD3 retains the accumulated signal charge, the reset transistor 24 is switched ON and OFF with the switch transistor 28 OFF. This resets the high-gain floating node section F (floating node 22) to the reset potential, and the reset signal RH, which is the voltage signal at that time, is read from the pixel 20B and recorded in the second scanning circuit 32.

次に、Step3において、フローティングノード部Fが高ゲイン状態で、各転送トランジスタ23がON・OFFされることで、各光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3に蓄積された信号電荷がフローティングノード部Fに転送される。 Next, in Step 3, with the floating node F in a high-gain state, the signal charges accumulated in each photoelectric conversion element PD0, PD1, PD2, and PD3 are transferred to the floating node F by switching each transfer transistor 23 ON and OFF.

このとき、高ゲイン状態のフローティングノード部Fの第一電荷量C1(図11に示す例では、Q(HCG))よりも全ての光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3に蓄積された信号電荷の電荷量(各光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3の信号電荷の合計)が十分に多いとき(図11に示す例では、最大電荷量Qmaxより多いとき)には、各光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3に蓄積された全ての信号電荷(電荷量(Q21+Q22)の信号電荷)がフローティングノード部Fに転送されず、一部が各光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3に残留(図12に示す例では、第一グループg1に電荷量Q23の信号電荷、第二グループg2に電荷量Q24の信号電荷が残留)する。ここで、Q23=Q21-(Qmax/2)であり、Q24=Q22-(Qmax/2)である。 At this time, when the total amount of signal charge accumulated in all photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3 (the sum of the signal charges of each photoelectric conversion element PD0, PD1, PD2, and PD3) is sufficiently greater than the first charge amount C1 of the floating node F in the high-gain state (Q (HCG) in the example shown in Figure 11) (when it is greater than the maximum charge amount Qmax in the example shown in Figure 11), all of the signal charge accumulated in each photoelectric conversion element PD0, PD1, PD2, and PD3 (signal charge with charge amount (Q21 + Q22)) is not transferred to the floating node F, and a portion remains in each photoelectric conversion element PD0, PD1, PD2, and PD3 (in the example shown in Figure 12, a signal charge with charge amount Q23 remains in the first group g1, and a signal charge with charge amount Q24 remains in the second group g2). Here, Q23 = Q21 - (Qmax/2) and Q24 = Q22 - (Qmax/2).

一方、全ての光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3に蓄積された信号電荷の電荷量(合計の電荷量)が高ゲイン状態のフローティングノード部Fの最大電荷量Qmax以下のときには、各光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3に蓄積された全ての信号電荷がフローティングノード部Fに転送される。 On the other hand, when the total charge amount of the signal charge accumulated in all photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3 is less than or equal to the maximum charge amount Qmax of the floating node F in the high-gain state, all the signal charge accumulated in each photoelectric conversion element PD0, PD1, PD2, and PD3 is transferred to the floating node F.

尚、図12に示す例では、全ての光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3に蓄積された信号電荷の電荷量(合計の電荷量)が最大電荷量Qmax(図12のStep3参照)までは、各光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3に蓄積された全ての信号電荷がフローティングノード部Fに転送されるが、得られる電圧信号が後段の回路等の入力ダイナミックレンジより大きくなるため、フローティングノード部Fに転送された信号電荷の電荷量が第一電荷量C1(HCG)である電荷量Q(HCG)より大きいときには、高ゲイン状態で読み出された電圧信号は撮像画像の生成には用いられず、低ゲイン状態に切り替えられた後に読み出された電圧信号が撮像画像の生成に用いられる。一方、フローティングノード部Fに転送された信号電荷の電荷量が第一電荷量C1である電荷量Q(HCG)以下のときには、高ゲイン状態で読み出された電圧信号は、撮像画像の生成に用いられる。 In the example shown in Figure 12, all signal charges accumulated in each photoelectric conversion element PD0, PD1, PD2, and PD3 are transferred to the floating node F until the total charge amount of the signal charges accumulated in each element reaches the maximum charge amount Qmax (see Step 3 in Figure 12). However, because the resulting voltage signal exceeds the input dynamic range of the subsequent circuitry, when the charge amount of the signal charges transferred to the floating node F is greater than the charge amount Q(HCG), which is the first charge amount C1(HCG), the voltage signal read out in the high-gain state is not used to generate the captured image. Instead, the voltage signal read out after switching to the low-gain state is used to generate the captured image. On the other hand, when the charge amount of the signal charges transferred to the floating node F is less than or equal to the charge amount Q(HCG), which is the first charge amount C1, the voltage signal read out in the high-gain state is used to generate the captured image.

続いて、選択トランジスタ26がON・OFFされることで、このときのフローティングノード部Fの信号電荷の電荷量がソースフォロワSFによって電圧信号(転送電荷量信号)SHに変換されて列信号線L2に出力され、第二走査回路32に記録される。 Next, when the selection transistor 26 is switched ON and OFF, the amount of signal charge at the floating node F at that time is converted into a voltage signal (transferred charge amount signal) SH by the source follower SF and output to the column signal line L2, and recorded in the second scanning circuit 32.

次に、Step4において、スイッチトランジスタ28がOFFされてフローティングノード部Fが低ゲイン状態に切り替えられた後、第一及び第二の光電変換素子PD0、PD1の各転送トランジスタ23がそれぞれON・OFFされることで、第一及び第二の光電変換素子PD0、PD1に蓄積された信号電荷がフローティングノード部Fに転送される。この転送では、高ゲイン状態のときに各光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3から信号電荷(各光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3に蓄積されている信号電荷の一部)がフローティングノード部Fにそれぞれ転送されているため、第一及び第二の光電変換素子PD0、PD1における信号電荷の全てが転送されず(図12に示す例では、電荷量Q26の信号電荷が転送され)、一部の信号電荷が残留(図12に示す例では、電荷量Q25の信号電荷が残留)する。ここで、Q25=Q23-Q26である。 Next, in Step 4, after the switch transistor 28 is turned OFF and the floating node F is switched to a low-gain state, the transfer transistors 23 of the first and second photoelectric conversion elements PD0 and PD1 are turned ON and OFF respectively, transferring the signal charge accumulated in the first and second photoelectric conversion elements PD0 and PD1 to the floating node F. In this transfer, since signal charge (a portion of the signal charge accumulated in each photoelectric conversion element PD0, PD1, PD2, and PD3) is transferred to the floating node F from each photoelectric conversion element PD0, PD1, PD2, and PD3 when in the high-gain state, not all of the signal charge in the first and second photoelectric conversion elements PD0 and PD1 is transferred (in the example shown in Figure 12, a signal charge of charge amount Q26 is transferred), and some signal charge remains (in the example shown in Figure 12, a signal charge of charge amount Q25 remains). Here, Q25 = Q23 - Q26.

このとき、第三及び第四の光電変換素子PD2、PD3の各転送トランジスタ23は、OFFのままであるため、第三及び第四の光電変換素子PD2、PD3に蓄積された信号電荷(図12に示す例では、電荷量Q24の信号電荷)は、フローティングノード部Fに転送されず、第三及び第四の光電変換素子PD2、PD3に残留している。 At this time, since the transfer transistors 23 of the third and fourth photoelectric conversion elements PD2 and PD3 remain OFF, the signal charge accumulated in the third and fourth photoelectric conversion elements PD2 and PD3 (in the example shown in Figure 12, the signal charge of charge amount Q24) is not transferred to the floating node F, but remains in the third and fourth photoelectric conversion elements PD2 and PD3.

そして、この状態で選択トランジスタ26がON・OFFされることで、このときのフローティングノード部Fの信号電荷の電荷量(図12に示す例では、電荷量Q27の信号電荷)がソースフォロワSFによって転送電荷量信号(電圧信号)SL1に変換されて列信号線L2に出力され、第二走査回路32に記録される。ここで、Q27=Qmax+Q26であり、且つ、Q27≧Q(HCG)である。尚、本実施形態の例では、電荷量Q27は、低ゲイン状態でのフローティングノード部Fの第一電荷量C1(LCG)であるQ(LCG)より僅かに大きな値となっている。 Then, in this state, the selection transistor 26 is switched ON and OFF, and the amount of signal charge of the floating node F at this time (in the example shown in Figure 12, the signal charge of charge amount Q27) is converted by the source follower SF into a transferred charge amount signal (voltage signal) SL1, output to the column signal line L2, and recorded in the second scanning circuit 32. Here, Q27 = Qmax + Q26, and Q27 ≥ Q(HCG). In this embodiment, the charge amount Q27 is slightly larger than the first charge amount C1(LCG) of the floating node F in the low-gain state, which is Q(LCG).

続いて、Step5において、リセットトランジスタ24がON・OFFされることでフローティングノード部Fに溜まった信号電荷が一度リセットされ、そのときの電圧信号であるリセット信号RL2が画素20Bから読み出され、第二走査回路32に記録される。 Next, in Step 5, the reset transistor 24 is switched ON and OFF, resetting the signal charge accumulated in the floating node F. The reset signal RL2, which is the voltage signal at that time, is read from pixel 20B and recorded in the second scanning circuit 32.

さらに、Step6において、フローティングノード部Fが低ゲイン状態のままで第三及び第四の光電変換素子PD2、PD3の各転送トランジスタ23がそれぞれON・OFFされることで、第三及び第四の光電変換素子PD2、PD3に残っていた信号電荷(図12に示す例では、電荷量Q24の信号電荷)がフローティングノード部Fに転送される。また、このStep6においては、第三及び第四の光電変換素子PD2、PD3の各転送トランジスタ23がそれぞれON・OFFされるときに、第一及び第二の光電変換素子PD0、PD1の各転送トランジスタ23もON・OFFされ、これにより、Step4でフローティングノード部Fに転送されずに第一及び第二の光電変換素子PD0、PD1に残っていた信号電荷(図12に示す例では、電荷量Q25の信号電荷)がフローティングノード部Fに転送される。その結果、フローティングノード部Fには、電荷量Q28の信号電荷が溜まった状態となる。ここで、Q28=Q24+Q25である。 Furthermore, in Step 6, while the floating node F remains in a low-gain state, the transfer transistors 23 of the third and fourth photoelectric conversion elements PD2 and PD3 are switched ON and OFF respectively, transferring the signal charge remaining in the third and fourth photoelectric conversion elements PD2 and PD3 (in the example shown in Figure 12, the signal charge of charge amount Q24) to the floating node F. Also, in Step 6, when the transfer transistors 23 of the third and fourth photoelectric conversion elements PD2 and PD3 are switched ON and OFF respectively, the transfer transistors 23 of the first and second photoelectric conversion elements PD0 and PD1 are also switched ON and OFF, thereby transferring the signal charge remaining in the first and second photoelectric conversion elements PD0 and PD1 that was not transferred to the floating node F in Step 4 (in the example shown in Figure 12, the signal charge of charge amount Q25) to the floating node F. As a result, the floating node F accumulates a signal charge of charge amount Q28. Here, Q28 = Q24 + Q25.

この状態で選択トランジスタ26がON・OFFされることで、フローティングノード部Fの信号電荷の電荷量Q28がソースフォロワSFによって転送電荷量信号SL2に変換されて列信号線L2に出力され、第二走査回路32に記録される。 In this state, when the selection transistor 26 is switched ON and OFF, the charge amount Q28 of the signal charge in the floating node F is converted into a transferred charge amount signal SL2 by the source follower SF, output to the column signal line L2, and recorded in the second scanning circuit 32.

本実施形態では、各Stepにおいて、Step1、5における低ゲイン状態でのフローティングノード部Fのリセットと、Step4、6における光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3から低ゲイン状態のフローティングノード部Fへの信号電荷の転送と、低ゲイン状態のフローティングノード部Fに溜まっている信号電荷の電荷量に応じた電圧信号(転送電荷量信号)の読み出し、とが、第一セット操作を構成し、本実施形態の各画素20Bにおいても一回の入力(撮像)で第一セット操作が二セット行われる。 In this embodiment, in each step, the first set operation consists of resetting the floating node F in a low-gain state in Steps 1 and 5, transferring signal charge from the photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3 to the floating node F in the low-gain state in Steps 4 and 6, and reading out a voltage signal (transferred charge amount signal) corresponding to the amount of signal charge accumulated in the floating node F in the low-gain state. In this embodiment, each pixel 20B performs two sets of the first set operation with a single input (imaging).

また、Step2における高ゲイン状態のフローティングノード部Fのリセットと、Step3における各光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3から高ゲイン状態のフローティングノード部Fへの信号電荷の転送と、高ゲイン状態のフローティングノード部Fに溜まっている信号電荷の電荷量に応じた電圧信号(転送電荷量信号)の読み出し、とが、第二セット操作を構成し、第二セット操作は、一セット目の第一セット操作におけるリセットと読み出しとの間、より詳しくは、リセットと転送との間に行われる。 Furthermore, the reset of the floating node F in the high-gain state in Step 2, the transfer of signal charge from each photoelectric conversion element PD0, PD1, PD2, and PD3 to the floating node F in the high-gain state in Step 3, and the reading out of a voltage signal (transferred charge amount signal) corresponding to the amount of signal charge accumulated in the floating node F in the high-gain state constitute the second set operation. The second set operation is performed between the reset and the reading in the first set operation, or more specifically, between the reset and the transfer.

Step1~Step6が行われると、続いて、Step3(第二セット操作の読み出し)で読み出された転送電荷量信号SHが高ゲイン状態のフローティングノード部F(フローティングノード22)の第一電荷量C1(HCG)に相当する電圧信号以下のときは、信号処理回路4は、Step3の転送電荷信号SHとStep2のリセット信号RHとの差分信号(SH-RL)を生成し、この生成した差分信号(第二セット操作で読み出された転送電荷信号SHに応じた信号/HCG signal=(SH-RL):図12参照)を後段の構成(制御部102等)に出力する。 After Steps 1 through 6 are completed, if the transfer charge amount signal SH read in Step 3 (readout of the second set operation) is less than or equal to the voltage signal corresponding to the first charge amount C1 (HCG) of the high-gain floating node section F (floating node 22), the signal processing circuit 4 generates a difference signal (SH - RL) between the transfer charge signal SH from Step 3 and the reset signal RH from Step 2. This generated difference signal (signal corresponding to the transfer charge signal SH read in the second set operation / HCG signal = (SH - RL): see Figure 12) is then output to the subsequent configuration (control unit 102, etc.).

一方、Step3(第二セット操作の読み出し)で読み出された転送電荷量信号SHが高ゲイン状態のフローティングノード部F(フローティングノード22)の第一電荷量C1(HCG)に相当する電圧信号より大きいときは、信号処理回路4は、Step4の転送電荷量信号SL1と、Step2のリセット信号RL1との差分信号(SL1-RL1)を生成すると共に、Step6の転送電荷量信号SL2とStep5のリセット信号RL2との差分信号(SL2-RL2)を生成し、これら差分信号同士を結合し、この結合した信号(LCG signal=(SL1-RL1)+(SL2-RL2):図12参照)を後段の構成(制御部102等)に出力する。 On the other hand, if the transfer charge amount signal SH read out in Step 3 (readout of the second set operation) is greater than the voltage signal corresponding to the first charge amount C1 (HCG) of the floating node section F (floating node 22) in a high-gain state, the signal processing circuit 4 generates a difference signal (SL1-RL1) between the transfer charge amount signal SL1 from Step 4 and the reset signal RL1 from Step 2, and also generates a difference signal (SL2-RL2) between the transfer charge amount signal SL2 from Step 6 and the reset signal RL2 from Step 5. These difference signals are then combined, and this combined signal (LCG signal = (SL1-RL1) + (SL2-RL2): see Figure 12) is output to the subsequent configuration (control unit 102, etc.).

以上の撮像装置100の固体撮像素子1によれば、低ゲイン状態での第一電荷量C1(LCG)を第二電荷量C2(本実施形態の例では、第三電荷量C3と第四電荷量C4との合計値)より小さくし且つ光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3への一回の入力において第一セット操作が複数回行われる構成とすることで、低ゲイン状態の第一電荷量(即ち、一回の入力で画素20Bが取り扱うことができる信号電荷量)C1(LCG)を増大させたときに、フローティングノード部F等で発生するノイズの増大を抑えることができる。即ち、本実施形態の固体撮像素子1によれば、画素20Bから読み出される信号におけるノイズの増大を抑えつつ画素20Bが取り扱うことができる信号電荷量を増大させることができる。これにより、固体撮像素子1を備えた撮像装置100では、表示部(出力部)106において高画質の撮像画像が出力(表示等)される。 According to the solid-state image sensor 1 of the imaging device 100 described above, by making the first charge amount C1 (LCG) in the low-gain state smaller than the second charge amount C2 (in this embodiment, the sum of the third charge amount C3 and the fourth charge amount C4), and by configuring the system so that the first set operation is performed multiple times with a single input to the photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3, it is possible to suppress the increase in noise generated in the floating node section F, etc., when the first charge amount C1 (LCG) in the low-gain state (i.e., the amount of signal charge that the pixel 20B can handle with a single input) is increased. In other words, according to the solid-state image sensor 1 of this embodiment, it is possible to increase the amount of signal charge that the pixel 20B can handle while suppressing the increase in noise in the signal read out from the pixel 20B. As a result, in the imaging device 100 equipped with the solid-state image sensor 1, a high-quality image is output (displayed, etc.) in the display unit (output unit) 106.

また、本実施形態の固体撮像素子1では、画素20Bは、第一電荷量C1を変更することによってフローティングノード部Fに転送された信号電荷の電荷量の電圧信号への変換ゲインを高ゲイン(第一変換ゲイン)と低ゲイン(第一変換ゲインより低い第二変換ゲイン)との間で切り替えるゲイン切り替え部G(スイッチトランジスタ28)を有している。このため、各ゲインで得られた電圧信号(SH-RH、(SL1-RL1)+(SL2-RL2)等)から、入力光の光量に応じて画像処理に用いられる電圧信号を選択することが可能となり、これにより、撮像画像における画質の向上を図ることができる。 Furthermore, in the solid-state image sensor 1 of this embodiment, the pixel 20B has a gain switching unit G (switch transistor 28) that switches the conversion gain of the signal charge amount transferred to the floating node unit F to a voltage signal between a high gain (first conversion gain) and a low gain (second conversion gain lower than the first conversion gain) by changing the first charge amount C1. Therefore, it becomes possible to select the voltage signal used for image processing according to the amount of input light from the voltage signals obtained at each gain (SH-RH, (SL1-RL1) + (SL2-RL2), etc.), thereby improving the image quality of the captured image.

また、本実施形態の固体撮像素子1では、走査回路(第一回路)3は、リセットと転送と読み出しとを低ゲイン(第二変換ゲイン)の状態で行った第一セット操作を複数回行うと共に、リセットと転送と読み出しとを高ゲイン(第一変換ゲイン)の状態で行った第二セット操作を一セット目の第一セット操作におけるリセットと読み出しとの間に行うように、画素20Bを制御する。また、信号処理回路(第二回路)4は、一回の入力によって光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3において生成された信号電荷の電荷量(電荷量の合計)に応じて、第二セット操作で読み出された電圧信号SHに応じた信号(SH-RH)を出力し、又は、第一セット操作毎に読み出された転送電荷量信号(電圧信号)SL1、SL2に応じた信号(SL1-RL1、SL2-RL2)を結合((SL1-RL1)+(SL2-RL2))して出力する。 Furthermore, in the solid-state image sensor 1 of this embodiment, the scanning circuit (first circuit) 3 controls the pixels 20B so that it performs multiple first set operations, in which reset, transfer, and readout are performed in a low-gain (second conversion gain) state, and a second set operation, in which reset, transfer, and readout are performed in a high-gain (first conversion gain) state, is performed between the reset and readout in the first set operation. The signal processing circuit (second circuit) 4 outputs a signal (SH-RH) corresponding to the voltage signal SH read out in the second set operation, based on the total charge amount of the signal charge generated in the photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3 by a single input, or outputs a combined signal ((SL1-RL1) + (SL2-RL2)) corresponding to the transfer charge amount signals (voltage signals) SL1 and SL2 read out for each first set operation.

かかる構成によれば、例えば、入力光の光量が小さく、複数の光電変換素子PD0、PD1、PD2、PD3で光電変換された信号電荷の全てを高ゲインの状態のフローティングノード部Fに一回で転送しきれたときに信号処理回路4から出力された信号を画像処理に用いることで、暗いシーン等の入力光量の小さな状態での撮像においても画質の高い撮像画像が得られる。 With this configuration, for example, when the input light intensity is low and all of the signal charge converted photoelectrically by the multiple photoelectric conversion elements PD0, PD1, PD2, and PD3 is transferred to the high-gain floating node section F in a single pass, the signal output from the signal processing circuit 4 is used for image processing. This allows for the acquisition of high-quality images even when imaging in low-light conditions, such as dark scenes.

尚、本発明の固体撮像素子1及び撮像装置100は、上記第一~第三実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を追加することができ、また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることができる。さらに、ある実施形態の構成の一部を削除することができる。 Furthermore, the solid-state image sensor 1 and imaging device 100 of the present invention are not limited to the first to third embodiments described above, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention. For example, the configuration of one embodiment can be added to the configuration of another embodiment, and a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment. Moreover, a part of the configuration of one embodiment can be deleted.

上記第一~第三実施形態の撮像装置100では、撮像時(即ち、画素アレイ2への一回の入力)における第一セット操作の回数(セット数)についての撮像モードが一つしかないが、この構成に限定されない。撮像装置100が前記撮像モードを複数有する構成であってもよい。即ち、撮像装置100は、撮像モードを切り替え可能なモード切替部を備え、モード切替部は、第一セット操作が複数回行われる第一モードと、第一セット操作が一セット行われる第二モードと、に切り替え可能であってもよい。 In the imaging device 100 of the first to third embodiments described above, there is only one imaging mode for the number of first set operations (number of sets) during imaging (i.e., one input to the pixel array 2), but the configuration is not limited to this. The imaging device 100 may have a configuration with multiple imaging modes. That is, the imaging device 100 may include a mode switching unit capable of switching between imaging modes, and the mode switching unit may be switchable between a first mode in which the first set operation is performed multiple times and a second mode in which the first set operation is performed once.

このように、撮像装置がモード切替部を備えることで、撮像シーンによって撮像モードを選択すること(切り替えること)ができ、これにより、第一セット操作の数を抑えて固体撮像素子1等での省電力化を図ったり、第一セット操作の数を増やして暗い場所等での撮像によって得られる撮像画像の高画質化を図ったりすることができる。 Thus, by equipping the imaging device with a mode switching unit, the imaging mode can be selected (switched) depending on the imaging scene. This allows for power saving in the solid-state image sensor 1 by reducing the number of initial setup operations, or for improving the image quality of images obtained in dark places, etc., by increasing the number of initial setup operations.

また、上記第一~第三実施形態の固体撮像素子1のような、少なくとも一つの光電変換素子21の第二電荷量C2よりフローティングノード部Fの第一電荷量C1を小さくし、第一セット操作(具体的には、フローティングノード部Fの信号電荷のリセットと、光電変換素子21からフローティングノード部Fへの信号電荷の転送と、フローティングノード部Fの信号電荷の電荷量に応じた電圧信号の該画素20からの読み出しと、のセット)を複数回行う構成は、一つの画素20に含まれる二つの光電変換素子21への入力光の位相差に基づいて合焦判定を行う、いわゆる像面位相差検出オートフォーカス方式の撮像装置や該撮像装置が備える固体撮像素子等に適用されてもよい。 Furthermore, a configuration such as the solid-state image sensor 1 of the first to third embodiments described above, in which the first charge amount C1 of the floating node portion F is made smaller than the second charge amount C2 of at least one photoelectric conversion element 21, and the first set operation (specifically, the set of resetting the signal charge of the floating node portion F, transferring the signal charge from the photoelectric conversion element 21 to the floating node portion F, and reading out the voltage signal from the pixel 20 corresponding to the charge amount of the signal charge of the floating node portion F) is performed multiple times, may be applied to imaging devices using a so-called image plane phase difference detection autofocus method, which performs focus determination based on the phase difference of the input light to the two photoelectric conversion elements 21 contained in a single pixel 20, or to solid-state image sensors equipped in such imaging devices.

また、上記第一~第三実施形態の撮像装置100では、固体撮像素子1が走査回路(第一回路)3及び信号処理回路(第二回路)4を備えているが、この構成に限定されない。
第一回路及び第二回路の少なくとも一方の回路が撮像装置における固体撮像素子1とは別の位置に配置されていてもよい。例えば、撮像装置100は、固体撮像素子1、第一回路3、第二回路4、光学系101a、及び表示部(出力部)106、を備える構成や、第一回路3を有する固体撮像素子1、第二回路4、光学系101a、及び表示部(出力部)106、を備える構成等でもよい。これらの構成によっても、各画素20から読み出される信号におけるノイズの増大を抑えつつ該画素20が取り扱うことができる信号電荷量を増大させることができ、これにより、表示部(出力部)106において高画質の撮像画像が出力(表示等)される。
Furthermore, in the imaging device 100 of the first to third embodiments described above, the solid-state image sensor 1 is equipped with a scanning circuit (first circuit) 3 and a signal processing circuit (second circuit) 4, but the configuration is not limited to this.
At least one of the first and second circuits may be located in a position separate from the solid-state image sensor 1 in the imaging device. For example, the imaging device 100 may have a configuration comprising a solid-state image sensor 1, a first circuit 3, a second circuit 4, an optical system 101a, and a display unit (output unit) 106, or a configuration comprising a solid-state image sensor 1 having a first circuit 3, a second circuit 4, an optical system 101a, and a display unit (output unit) 106. With these configurations as well, it is possible to increase the amount of signal charge that each pixel 20 can handle while suppressing the increase in noise in the signal read out from each pixel 20, thereby enabling the display unit (output unit) 106 to output (display, etc.) a high-quality image.

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更及び/又は改良することは容易に成し得ることであると認識すべきである。従って、当業者が実施する変更形態又は改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態又は当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。 To illustrate the present invention, the embodiments have been adequately and fully described above with reference to the drawings. However, those skilled in the art should recognize that modifying and/or improving the above-described embodiments is easily achievable. Therefore, unless such modifications or improvements implemented by those skilled in the art deviate from the scope of the claims, they shall be considered to be included within the scope of those claims.

1…固体撮像素子、2…画素アレイ、20、20A、20B…画素、21…光電変換素子、22…フローティングノード、23…転送トランジスタ、24…リセットトランジスタ、25…増幅トランジスタ、26…選択トランジスタ、27…保持容量、28…スイッチトランジスタ、3…走査回路(第一回路)、31…第一走査回路、32…第二走査回路、4…信号処理回路(第二回路)、100…撮像装置、101…撮像部、101a…光学系、102…制御部、103…不揮発性メモリ、104…作業用メモリ、105…操作部、106…表示部(出力部)、107…記録媒体、108…接続部、109…近距離無線通信部、110…公衆網接続部、111…マイク、112…スピーカ、C1…第一電荷量、C2…第二電荷量、C3…第三電荷量、C4…第四電荷量、F…フローティングノード部、G…ゲイン切り替え部、g1…第一グループ、g2…第二グループ、L1…行信号線、L2…列信号線、PD0…第一の光電変換素子、PD1…第二の光電変換素子、PD2…第三の光電変換素子、PD3…第四の光電変換素子、R…リセット部、RH、RL1、RL2…リセット信号(電圧信号)、SF…ソースフォロワ、SH、SL1、SL2…転送電荷量信号(電圧信号)、VDD1…リセット電源、VDD2…電源、φRES…リセット指示信号、φSEL…セレクト信号、φTX、φTX1、φTX2、φTX3、φTX4…電荷転送信号 1...Solid-state image sensor, 2...Pixel array, 20, 20A, 20B...Pixel, 21...Photoelectric conversion element, 22...Floating node, 23...Transfer transistor, 24...Reset transistor, 25...Amplification transistor, 26...Selection transistor, 27...Holding capacitor, 28...Switch transistor, 3...Scanning circuit (first circuit), 31...First scanning circuit, 32...Second scanning circuit, 4...Signal processing circuit (second circuit), 100...Imaging device, 101...Imaging unit, 101a...Optical system, 102...Control unit, 103...Non-volatile memory, 104...Working memory, 105...Operation unit, 106...Display unit (Output unit), 107...Recording medium, 108...Connection unit, 109...Short-range wireless communication unit, 110...Public network connection unit, 111...Microphone, 11 2…Speaker, C1…First charge quantity, C2…Second charge quantity, C3…Third charge quantity, C4…Fourth charge quantity, F…Floating node section, G…Gain switching section, g1…First group, g2…Second group, L1…Row signal line, L2…Column signal line, PD0…First photoelectric conversion element, PD1…Second photoelectric conversion element, PD2…Third photoelectric conversion element, PD3…Fourth photoelectric conversion element, R…Reset section, RH, RL1, RL2…Reset signal (voltage signal), SF…Source follower, SH, SL1, SL2…Transfer charge quantity signal (voltage signal), VDD1…Reset power supply, VDD2…Power supply, φRES…Reset instruction signal, φSEL…Select signal, φTX, φTX1, φTX2, φTX3, φTX4…Charge transfer signal

Claims (6)

入力光を光電変換して信号電荷を生成する少なくとも一つの光電変換素子、前記少なくとも一つの光電変換素子から前記信号電荷が転送されるフローティングノード部、及び、該フローティングノード部の前記信号電荷をリセットするリセット部、を有する画素と、
前記画素に接続される第一回路と、
前記第一回路に接続される第二回路と、を備え、
前記フローティングノード部における一回の入力での取り扱い可能電荷量である第一電荷量は、前記少なくとも一つの光電変換素子における一回の入力での取り扱い可能電荷量である第二電荷量より小さく、
前記第一回路は、前記少なくとも一つの光電変換素子への一回の入力に対し、前記フローティングノード部の前記信号電荷のリセットと、前記少なくとも一つの光電変換素子から前記フローティングノード部への前記信号電荷の転送と、該フローティングノード部に転送された前記信号電荷の電荷量に応じた電圧信号の該画素からの読み出しと、のセットである第一セット操作が複数回行われるように前記画素を制御し、
前記第二回路は、前記少なくとも一つの光電変換素子への一回の入力に対し、前記画素から前記第一セット操作毎に読み出される前記電圧信号に応じた信号を結合し、
前記画素は、前記第一電荷量を変更することによって前記フローティングノード部に転送された前記信号電荷の電荷量の前記電圧信号への変換ゲインを第一変換ゲインと該第一変換ゲインより低い第二変換ゲインとの間で切り替えるゲイン切り替え部を有し、
前記第一回路は、各第一セット操作における前記リセットと前記転送と前記読み出しとを前記第二変換ゲインの状態で行うと共に、前記リセットと前記転送と前記読み出しとを前記第一変換ゲインの状態で行ったセットである第二セット操作を一セット目の前記第一セット操作における前記リセットと前記読み出しとの間に行うように、前記画素を制御し、
前記第二回路は、一回の入力によって前記少なくとも一つの光電変換素子において生成された前記信号電荷の電荷量に応じて、前記第二セット操作で読み出された前記電圧信号に応じた信号を出力し、又は、前記第一セット操作毎に読み出された前記電圧信号に応じた信号を結合して出力する、固体撮像素子。
A pixel having at least one photoelectric conversion element that converts input light into photoelectric energy to generate a signal charge, a floating node portion to which the signal charge is transferred from the at least one photoelectric conversion element, and a reset portion for resetting the signal charge in the floating node portion,
A first circuit connected to the aforementioned pixel,
The circuit comprises a second circuit connected to the first circuit,
The first charge amount, which is the amount of charge that can be handled in a single input at the floating node portion, is smaller than the second charge amount, which is the amount of charge that can be handled in a single input at the at least one photoelectric conversion element.
The first circuit controls the pixel such that, for each input to the at least one photoelectric conversion element, a first set operation is performed multiple times, which is a set of operations consisting of resetting the signal charge of the floating node, transferring the signal charge from the at least one photoelectric conversion element to the floating node, and reading out a voltage signal from the pixel corresponding to the amount of the signal charge transferred to the floating node.
The second circuit combines a signal corresponding to the voltage signal read from the pixel for each of the first set operations with a single input to the at least one photoelectric conversion element.
The pixel has a gain switching unit that changes the first charge amount to switch the conversion gain of the charge amount of the signal charge transferred to the floating node unit to the voltage signal between a first conversion gain and a second conversion gain lower than the first conversion gain .
The first circuit controls the pixels such that the reset, transfer, and read operation in each first set operation are performed in the state of the second conversion gain, and the second set operation, which is a set in which the reset, transfer, and read operation are performed in the state of the first conversion gain, is performed between the reset and read operation in the first set of the first set operation.
The second circuit is a solid-state image sensor that outputs a signal corresponding to the voltage signal read out in the second set operation, or outputs a combined signal corresponding to the voltage signal read out each time the first set operation is performed, depending on the amount of charge of the signal charge generated in the at least one photoelectric conversion element by a single input .
前記第一回路は、前記第一セット操作毎に、前記フローティングノード部が前記リセットされた状態での前記電圧信号としてのリセット信号の読み出しと、該リセット信号の読み出し後に前記フローティングノード部が前記少なくとも一つの光電変換素子から前記信号電荷を転送された状態での前記電圧信号としての転送電荷量信号の読み出しと、が行われるように前記画素を制御し、
前記第二回路は、前記第一セット操作毎に、前記電圧信号に応じた信号として前記転送電荷量信号と前記リセット信号との差分信号をそれぞれ生成する、請求項1に記載の固体撮像素子。
The first circuit controls the pixel such that, for each first set operation, the floating node unit reads out the reset signal as a voltage signal when it is in the reset state, and after the reading of the reset signal, the floating node unit reads out the transferred charge amount signal as a voltage signal when it has received the signal charge from at least one photoelectric conversion element.
The solid-state image sensor according to claim 1, wherein the second circuit generates a difference signal between the transferred charge amount signal and the reset signal as a signal corresponding to the voltage signal for each of the first set operations.
前記画素は、前記光電変換素子を複数有し、
前記第一電荷量は、前記光電変換素子の数に応じた量である、請求項1又は2に記載の固体撮像素子。
The aforementioned pixel has a plurality of photoelectric conversion elements,
The solid-state image sensor according to claim 1 or 2, wherein the first charge amount is an amount corresponding to the number of photoelectric conversion elements.
光学系と、
請求項1又は2に記載の固体撮像素子と、を備え、
前記固体撮像素子は、前記画素が行列状に配置された画素アレイを有し、
前記光学系は、撮像対象物を前記画素アレイ上で結像させる、撮像装置。
Optical system and
A solid-state image sensor according to claim 1 or 2, comprising:
The solid-state image sensor has a pixel array in which the pixels are arranged in a matrix,
The optical system is an imaging device that forms an image of an object to be imaged on the pixel array.
入力光を光電変換して信号電荷を生成する少なくとも一つの光電変換素子、及び、前記少なくとも一つの光電変換素子から前記信号電荷が転送されるフローティングノード部、を有する複数の画素が行列状に配置された固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の各画素に接続される第一回路と、
前記第一回路に接続される第二回路と、
撮像対象物を前記固体撮像素子上で結像させる光学系と、
撮像画像を外部に出力する出力部と、を備え、
前記各画素の前記フローティングノード部における一回の入力での取り扱い可能電荷量は、該画素の前記少なくとも一つの光電変換素子における一回の入力での取り扱い可能電荷量より小さく、
前記第一回路は、前記光学系を通じた前記少なくとも一つの光電変換素子への一回の入力に対し、前記少なくとも一つの光電変換素子から前記フローティングノード部への前記信号電荷の転送と、該フローティングノード部に転送された前記信号電荷の電荷量に応じた電圧信号の該画素からの読み出しと、のセットである第一セット操作が複数回行われるように、前記画素を制御し、
前記第二回路は、前記少なくとも一つの光電変換素子への一回の入力に対し、前記各画素から前記第一セット操作毎に読み出される前記電圧信号に応じた信号を画素毎にそれぞれ結合し、
前記出力部は、前記結合した信号に基づいて生成された前記撮像画像を外部に出力し、
前記画素は、前記第一電荷量を変更することによって前記フローティングノード部に転送された前記信号電荷の電荷量の前記電圧信号への変換ゲインを第一変換ゲインと該第一変換ゲインより低い第二変換ゲインとの間で切り替えるゲイン切り替え部を有し、
前記第一回路は、各第一セット操作における前記リセットと前記転送と前記読み出しとを前記第二変換ゲインの状態で行うと共に、前記リセットと前記転送と前記読み出しとを前記第一変換ゲインの状態で行ったセットである第二セット操作を一セット目の前記第一セット操作における前記リセットと前記読み出しとの間に行うように、前記画素を制御し、
前記第二回路は、一回の入力によって前記少なくとも一つの光電変換素子において生成された前記信号電荷の電荷量に応じて、前記第二セット操作で読み出された前記電圧信号に応じた信号を出力し、又は、前記第一セット操作毎に読み出された前記電圧信号に応じた信号を結合して出力する、撮像装置。
A solid-state image sensor having a plurality of pixels arranged in a matrix, each having at least one photoelectric conversion element that converts input light into photoelectric energy to generate a signal charge, and a floating node portion to which the signal charge is transferred from the at least one photoelectric conversion element;
A first circuit connected to each pixel of the solid-state image sensor,
A second circuit connected to the first circuit,
An optical system for forming an image of the object to be imaged on the solid-state image sensor,
It includes an output unit that outputs the captured image to an external device,
The amount of charge that can be handled in a single input at the floating node portion of each pixel is smaller than the amount of charge that can be handled in a single input at at least one photoelectric conversion element of the pixel.
The first circuit controls the pixels such that, for each input to the at least one photoelectric conversion element through the optical system, a first set operation is performed multiple times, which consists of transferring the signal charge from the at least one photoelectric conversion element to the floating node and reading out a voltage signal from the pixel corresponding to the amount of the signal charge transferred to the floating node.
The second circuit, in response to a single input to at least one photoelectric conversion element, combines a signal corresponding to the voltage signal read from each pixel for each of the first set operations, for each pixel.
The output unit outputs the captured image generated based on the combined signal to the outside.
The pixel has a gain switching unit that changes the first charge amount to switch the conversion gain of the charge amount of the signal charge transferred to the floating node unit to the voltage signal between a first conversion gain and a second conversion gain lower than the first conversion gain .
The first circuit controls the pixels such that the reset, transfer, and read operation in each first set operation are performed in the state of the second conversion gain, and the second set operation, which is a set in which the reset, transfer, and read operation are performed in the state of the first conversion gain, is performed between the reset and read operation in the first set of the first set operation.
The imaging device wherein the second circuit outputs a signal corresponding to the voltage signal read out in the second set operation, or outputs a combined signal corresponding to the voltage signal read out each time the first set operation is performed, depending on the amount of charge of the signal charge generated in the at least one photoelectric conversion element by a single input .
撮像モードを切り替え可能なモード切替部を備え、
前記モード切替部は、前記第一セット操作が前記複数回行われる第一モードと、前記第一セット操作が一セット行われる第二モードと、に切り替え可能である、請求項に記載の撮像装置。
It is equipped with a mode switching section that allows switching between imaging modes.
The imaging apparatus according to claim 4 , wherein the mode switching unit can switch between a first mode in which the first set operation is performed multiple times and a second mode in which the first set operation is performed once.
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