JP-2026076537-A - 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器

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Abstract

【課題】高ダイナミックレンジ化、画質化を十分に実現することが可能となり、高ダイナミックレンジ画像化のために、回路面積が小さく消費電力が低いＡＤ変換部を提供することが可能な固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器を提供する。【解決手段】画素信号処理部４００は、入力した画素信号の第１変換利得信号および第２変換利得信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡＤ変換処理を行うことが可能なＡＤ変換部４３０と、複数ビットメモリ（ＳＲＡＭ）部４４０と、を含み、ＡＤ変換部４３０は、画像生成に第１変換利得信号および第２変換利得信号のうちのいずれの信号を必要とするかを判定し、判定情報に基づいてメモリ部４４０に格納する情報を選択する。【選択図】図４

Inventors

大倉俊介
大谷愛
堀聖菜
宮内健
大和田英樹
森川有輝
高柳功

Assignees

ブリルニクスシンガポールプライベートリミテッド
学校法人立命館

Dates

Publication Date: 20260512
Application Date: 20241024

Claims (20)

光電変換を行い、少なくとも２つの変換利得に応じた信号方向が逆方向である第１変換利得信号および第２変換利得信号を画素信号として読み出し可能な読み出し画素と、前記読み出し画素から読み出された前記画素信号を処理する画素信号処理部と、を含み、前記画素信号処理部は、入力した前記画素信号の第１変換利得信号および第２変換利得信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するアナログデジタル（ＡＤ）変換処理を行うことが可能なＡＤ変換部と、前記ＡＤ変換部により変換されたデジタル信号を格納可能なメモリ部と、を含み、前記ＡＤ変換部は、画像生成に、前記第１変換利得信号および前記第２変換利得信号のうちのいずれの信号を必要とするかを判定し、判定情報に基づいて、前記メモリ部に格納する情報を選択する固体撮像装置。
前記ＡＤ変換部は、画像生成に、前記第１変換利得信号および前記第２変換利得信号のうちのいずれの信号を必要とするかを選択した場合、スタンバイモードになり、前記読み出し画素からの第２変換利得信号または第１変換利得信号読み出し中に消費すべき電力を節約する請求項１記載の固体撮像装置。
前記メモリ部は、画像生成に必要な前記第１変換利得信号および前記第２変換利得信号のうちのいずれかの信号を保持するために、ビットサイズが半分程度に削減されている請求項２記載の固体撮像装置。
前記ＡＤ変換部は、画像生成に、前記第１変換利得信号および前記第２変換利得信号のうちのいずれの信号を必要とするかを判定し、かつ、前記判定は、前記第１変換利得信号のＡＤ変換に続いて前記第２変換利得信号のＡＤ変換が行われる判定ビットにより行う請求項１記載の固体撮像装置。
前記ＡＤ変換部は、通常のように、前記第１変換利得信号に対するＡＤ変換を行い、変換したデジタル信号を複数ビットＲＡＭに格納する請求項４記載の固体撮像装置。
前記ＡＤ変換部は、ＤＡＣが判定ビットに設定され、画像生成に前記第２変換利得信号が必要であるか否かを判断し、判定結果をフラグＲＡＭに格納する請求項５記載の固体撮像装置。
ＡＤ変換部は、必要であれば、前記第２変換利得信号に対するＡＤ変換を行い、変換したデジタル信号を複数ビットＲＡＭに格納する請求項６記載の固体撮像装置。
ＡＤ変換部は、比較器を含み、必要でない場合、前記比較器が停止され、前記複数ビットＲＡＭに格納されたデータを前記第１変換利得信号として保持する請求項７記載の固体撮像装置。
前記ＡＤ変換部内の前記比較器の少なくとも一部が、サンプルホールド回路に接続可能である請求項８記載の固体撮像装置。
前記ＡＤ変換部は、前記第２変換利得信号が画像生成に不要な場合も前記比較器を非停止状態に保持する請求項８記載の固体撮像装置。
前記ＡＤ変換部は、前記比較器のバイアススイッチを制御するための第１のロジック回路と、前記複数ビットＲＡＭへのアクセスを制御する第２のロジック回路と、を含み、前記第１のロジック回路と前記第２のロジック回路とは、少なくとも一部が共有化されている請求項８記載の固体撮像装置。
前記読み出し画素は、第１容量に応じた第１変換利得で画素信号の読み出しを行う第１変換利得信号読み出しと、前記第１容量と異なる第２容量に応じた第２変換利得で画素信号の読み出しを行う第２変換利得信号読み出しを行うデュアル変換利得信号読み出しが行われる請求項８記載の固体撮像装置。
前記ＡＤ変換部は、前記第１変換利得信号と前記第２変換利得信号に加えて、中間変換利得（Middle Conversion Gain: MCG）信号を処理する請求項８記載の固体撮像装置。
前記ＡＤ変換部は、前記第１変換利得判定と前記第２変換利得判定に加えて、中間変換利得（ＭＣＧ）判定を可能とするために、前記第１のロジック回路および前記第２のロジック回路の各出力段に、ＮＡＮＤ（論理演算）回路が接続されている請求項１３記載の固体撮像装置。
前記ＡＤ変換部は、前記中間変換利得判定結果を保持するための１ビットＲＡＭを含む請求項１４記載の固体撮像装置。
前記ＡＤ変換部は、中間変換利得判定処理を指示する中間変換利得判定指示信号を非アクティブで受けると、前記中間変換利得判定処理、並びに、第１変換利得判定処理および第２変換利得判定処理を行う３ステップ判定モードから第１変換利得判定処理および第２変換利得判定処理を行う２ステップ判定モードに遷移する請求項１３記載の固体撮像装置。
前記ＡＤ変換部は、明るい信号に対する誤判定を避けるために、中間変換利得判定で第１変換利得信号が選択された場合であっても前記第２変換利得信号判定がアクティブに設定される請求項１３記載の固体撮像装置。
前記ＡＤ変換部は、前記コンパレータの読み出し画素の入力段に、ダブルサンプリング（ＤＳ）回路が接続され、前記ＤＳ回路は、前記中間変換利得信号判定フラグが非アクティブの場合、中間変換利得信号変換中にスタンバイモードに設定され、前記第２変換利得信号判定フラグが非アクティブの場合、第２変換利得信号変換中にスタンバイモードに設定される請求項８記載の固体撮像装置。
前記ＡＤ変換部は、前記中間変換利得信号判定フラグが非アクティブの場合、中間変換利得信号変換中に画素バイアス回路はオフになり、前記第２変換利得信号判定フラグが非アクティブの場合、第２変換利得信号変換中に画素バイアス回路はオフになる請求項１８記載の固体撮像装置。
前記ＡＤ変換部は、画素読み出し前に、第１変換利得信号のリセットレベルおよび信号レベル、並びに、前記第２変換利得信号のリセットレベルおよび信号レベルをそれぞれ所定のキャパシタでサンプリングして保持し、サンプリングして保持した後、前記第２変換利得信号を読み出して前記第２変換利得信号変換であるか否かを判定し判定結果を、第２変換利得信号変換フラグに設定し、前記第２変換利得信号フラグがアクティブレベルの場合、前記第２変換利得信号変換を実行し、前記第２変換利得信号フラグが非アクティブレベルの場合、前記第１変換利得信号を読み出してデジタルに変換する請求項８記載の固体撮像装置。

Description

本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器に関するものである。光を検出して電荷を発生させる光電変換素子を用いた固体撮像装置（イメージセンサ）として、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサが実用に供されている。ＣＭＯＳイメージセンサは、デジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、医療用内視鏡、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、携帯電話等の携帯端末装置(モバイル機器)等の各種電子機器の一部として広く適用されている。ＣＭＯＳイメージセンサは、画素毎にフォトダイオード（光電変換素子）および浮遊拡散層（ＦＤ：Floating Diffusion、フローティングディフュージョン)を有するＦＤアンプを持ち合わせており、その読み出しは、画素アレイの中のある一行を選択し、それらを同時に列（カラム）方向へと読み出すような列並列出力型が主流である。ところで、固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の画素の構成としては、たとえば一つのフォトダイオード（光電変換素子）に対して、転送素子としての転送トランジスタ、リセット素子としてのリセットトランジスタ、ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタ、および選択素子としての選択トランジスタをそれぞれ一つずつ有する４トランジスタ（４Ｔｒ）構成の基本的な画素を例示することができる。転送トランジスタは、所定の転送期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードで光電変換され蓄積された電荷（電子）をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。リセットトランジスタは、所定のリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンＦＤを電源線の電位にリセットする。選択トランジスタは、読み出しスキャン時に選択されて導通状態となる。たとえば、読み出しスキャン期間において、リセット期間にフローティングディフュージョンＦＤがたとえば電源線の電位（基準電位）にリセットされた後、フローティングディフュージョンＦＤの電荷がＦＤ容量に応じた利得をもって電圧信号に変換されて、基準レベルの読み出しリセット信号（基準レベルの信号）Ｖｒｓｔとして垂直信号線に出力される。続いて、所定の転送期間に、フォトダイオードで光電変換され蓄積された電荷（電子）がフローティングディフュージョンＦＤに転送される。そして、フローティングディフュージョンＦＤの電荷がＦＤ容量に応じた利得をもって電圧信号に変換されて、信号レベルの読み出し信号（信号レベルの信号）Ｖｓｉｇとして垂直信号線に出力される。画素の出力信号は、カラム読み出し回路において差分信号（Ｖｓｉｇ－Ｖｒｓｔ）としてＣＤＳ（相関二重サンプリング）処理される。このように、通常の画素読み出し信号（以下、画素信号という場合もある）ＰＳは、１つの基準レベルの読み出しリセット信号Ｖｒｓｔと１つの信号レベルの読み出し信号Ｖｓｉｇにより形成される。ところで、特性向上のため、高ダイナミックレンジ（ＨＤＲ：High Dynamic Range）を持つ高画質の固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）を実現する方法が種々提案されている。高ダイナミックレンジ化のアプローチの一つとして、横型オーバーフロー蓄積容量（LOFIC: Lateral Overflow Integration Capacitor）の構成を挙げることができる（たとえば特許文献１参照）。ＬＯＦＩＣ構成の画素は、上述した基本的構成に、蓄積キャパシタおよび蓄積トランジスタが追加されており、同一露光時間にフォトダイオードから溢れた過飽和電荷を捨てずに蓄積キャパシタに蓄積する。このＬＯＦＩＣ画素は、フローティングディフュージョンの容量Ｃｆｄ１による変換利得（高利得側：1/Cfd1に比例）と、フローティングディフュージョンの容量Ｃｆｄ１＋蓄積キャパシタＣ２のＬＯＦＩＣ容量Ｃｌｏｆｉｃによる変換利得（低利得側：1/(Cfd1+Clofic)に比例）の２種類を持つことができる。ＬＯＦＩＣは、高ダイナミックレンジイメージセンサを実現するために利用され、低変換利得（ゲイン）ＬＣＧ信号と高変換ゲイン（ＨＣＧ）信号をそれぞれ利用して、大きなフルウェル容量と小さなダークノイズを実現する。さらに、ＬＯＦＩＣではＬＣＧモードの場合、蓄積容量ＣＳが大きく、電荷注入と入力クロックフィードスルーによる Vdropが小さいことから、信号振幅が大きく画素出力信号の減衰が望ましい。また、ＬＯＦＩＣでは、ＨＣＧモードの場合、蓄積容量Ｃｆｄが小さく、Vdropが大きいことから、信号振幅が小さく、１倍以上の利得（ゲイン）が必要である。特開２００５－３２８４９３号公報特開２０２０－１１５６０３号公報特開２０２３－００１５１６号公報本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における読み出し画素の構成例を示す回路図である。本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における読み出し画素の読み出しシーケンスの一例を示すタイミングチャートである。本発明の第１の実施形態に係る画素信号処理部の構成例を示す回路図である。本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における読み出し画素および画素信号処理部の信号判定、メモリアクセス処理を含む読み出しシーケンスの一例を示すタイミングチャートである。本発明の第２の実施形態に係る画素信号処理部の要部を形成する比較器(コンパレータ)にサンプルホールド回路が接続される要部の構成例を示す回路図である。本発明の第３の実施形態に係る画素信号処理部の構成例を示す回路図である。本発明の第４の実施形態に係る画素信号処理部におけるロジック回路部の構成例を示す回路図である。本発明の第４の実施形態に係る画素信号処理部の主としてロジック回路部の入出力対応表を示す図である。本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置における読み出し画素および画素信号処理部の読み出しシーケンスの一例を示すタイミングチャートである。本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の変換利得読み出しモードのＨＣＧ信号およびＬＣＧ信号の読み出し処理における動作を説明するための動作シーケンスおよびポテンシャル遷移を示す図である。本発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置の変換利得読み出しモードにおいて、ＨＣＧ信号およびＬＣＧ信号にＭＣＧ信号を加えた読み出し処理における光応答特性を示す図である。本発明の第７の実施形態に係る画素信号処理部におけるロジック回路部の構成例を示す回路図である。本発明の第７の実施形態に係る固体撮像装置における読み出し画素および画素信号処理部の読み出しシーケンスの一例を示すタイミングチャートである。本発明の第８の実施形態に係る固体撮像装置の変換利得読み出しモードにおいて、ＨＣＧ信号またはＭＣＧ信号、およびＬＣＧ信号の読み出し処理における光応答特性を示す図である。本発明の第９の実施形態に係る画素信号処理部の構成例を示す回路図である。本発明の第１０の実施形態に係る画素信号処理部の構成例を示す回路図である。本発明の第１１の実施形態に係る画素信号処理部の構成例を示す回路図である。本発明の第１２の実施形態に係る固体撮像装置の変換利得読み出しモードにおいて、ＨＣＧ信号およびＭＣＧ信号、並びに、ＬＣＧ信号の読み出し処理における光応答特性を示す図である。本発明の第１３の実施形態に係る固体撮像装置の変換利得読み出しモードにおいて、ＨＣＧ信号およびＬＣＧ信号にＭＣＧ信号を加えた読み出し処理における光応答特性を示す図である。本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用される電子機器の構成の一例を示す図である。以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。（第１の実施形態）図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における読み出し画素の構成例を示す回路図である。図３（Ａ）～（Ｅ）は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における読み出し画素の読み出しシーケンスの一例を示すタイミングチャートである。本実施形態において、固体撮像装置１０は、たとえばＣＭＯＳイメージセンサにより構成される。この固体撮像装置１０は、図１に示すように、撮像部としての画素部２０、垂直走査回路（行走査回路）３０、画素信号処理部４００を含む読み出し回路（カラム読み出し海路）４０、水平走査回路（列走査回路）５０、およびタイミング制御回路６０を主構成要素として有している。これらの構成要素のうち、たとえば垂直走査回路３０、読み出し回路４０、水平走査回路５０、およびタイミング制御回路６０により画素信号の読み出し部７０が構成される。この固体撮像装置１０は、光電変換を行い、少なくとも２つの変換利得に応じた信号方向が逆方向である第１変換利得信号および第２変換利得信号を画素信号として読み出し可能な読み出し画素２００と、読み出し画素２００から読み出された画素信号を処理する画素信号処理部４００と、を含む。画素信号処理部４００は、入力した画素信号の第１変換利得信号および第２変換利得信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するアナログデジタル（ＡＤ）変換処理を行うことが可能なＡＤ変換部４３０と、ＡＤ変換部４３０により変換されたデジタル信号を格納可能な複数ビットメモリ（ＳＲＡＭ）部４４０と、を含む。ＡＤ変換部４３０は、画像生成に、第１変換利得信号および第２変換利得信号のうちのいずれの信号を必要とするかを判定し、判定情報に基づいて、メモリ部４４０に格納する情報を選択する。本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０は、高ダイナミックレンジ画像化のためのＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）に、回路面積が小さく消費電力が低いものを提供可能に構成されている。本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０において、ＡＤＣ（ＡＤ変換部）は、画像生成に第１変換利得（たとえば高変換利得：ＨＣＧ：High Conversion Gain）信号と第２変換利得（たとえば低変換利得：ＬＣＧ：Low Conversion Gain）信号のどちらが必要かを判定する機能を有する。そして、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０においては、ＡＤＣ（ＡＤ変換部）が画像生成にＨＣＧを選択した場合、ＡＤＣはスタンバイモードになり、ＬＯＦＩＣが画素（ピクセル）からのＬＣＧ信号読み出し中に消費される電力を節約可能に構成されている。また、ＡＤＣ（ＡＤ変換部）内のＳＲＡＭは、画像生成に必要なＨＣＧ信号またはＬＣＧ信号のいずれかを保持するため、ビットサイズが約半分に削減され、これにより、回路面積を削減すことが可能に構成されている。本第１の実施形態において、画素部２０に行列状に配列される読み出し画素２００は、基本的に、図２に示すような、構成を有している。すなわち、読み出し画素２００は、転送される電荷を電圧信号として読み出すために保持するフローティングディフュージョンＦＤ（Floating Diffusion；浮遊拡散層）１１と、露光期間ＰＥＸＰ中に入射光量に応じた電荷を蓄積する光電変換素子としてのフォトダイオードＰＤ１１と、露光期間ＰＥＸＰ中は非導通状態に保持され、転送期間に導通状態に保持されて光電変換素子としてのフォトダイオードＰＤ１１に蓄積された電荷をフローティングディフュージョンＦＤ１１に転送する転送素子としての転送トランジスタＴＧ１１－Ｔｒと、フローティングディフュージョンＦＤ１１の蓄積電荷を排出するリセット処理が可能なリセット素子としてのリセットトランジスタＲＳＴ１１－Ｔｒと、を含んで構成されている。さらに、読み出し画素２００は、光電変換素子としてのフォト