CN104902196A - 固体摄像装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种能迅速地计算出使暗电平与目标值相一致的钳位电压的固体摄像装置。根据实施方式，固体摄像装置中，ADC电路基于与重叠有钳位电压的基准电压相比较的比较结果，对从有效像素读出的信号成分进行AD变换，AD钳位电路基于在赋予了规定的钳位电压时从遮光像素读出的暗电平的AD变换值与所述钳位电压之间的关系、以及所述暗电平相对于所述钳位电压的变化量，计算针对从所述遮光像素读出的暗电平的目标值的钳位电压。

Description

固体摄像装置
相关申请的引用
本申请要求2014年3月4日提出的日本专利申请2014－42012的优先权，并在本申请中引用该日本专利申请的全部内容。
技术领域
本发明的实施方式涉及一种固体摄像装置。
背景技术
在固体摄像装置中，为了设定摄像时的暗电平基准而设置有OB(Optical Black：光学黑体)像素。该OB像素会因高温或者高灵敏度等使用条件而其暗电压进行变动，从OB像素读出的暗电平偏移。为了补偿这种暗电平的偏移，有时对像素信号的AD变换时的钳位电压进行反馈控制，直到从OB像素读出的暗电平收敛为目标值。在这样的反馈控制中，直到暗电平收敛为目标值为止的时间的偏差会很大，有时还会在由帧速率规定的时间内暗电平也没有收敛为目标值。
发明内容
本发明所要解决的问题在于，提供一种能迅速地计算出使暗电平与目标值相一致的钳位电压的固体摄像装置。
一个实施方式的固体摄像装置的特征在于，具备：有效像素部，设置有有效像素；遮光像素部，设置有遮光像素；ADC电路，基于与重叠有钳位电压的基准电压相比较的比较结果，对从所述有效像素读出的信号成分进行AD变换；以及AD钳位电路，基于在赋予了规定的钳位电压时从所述遮光像素读出的暗电平的AD变换值与所述钳位电压之间的关系、以及所述暗电平相对于所述钳位电压的变化量，计算针对从所述遮光像素读出的暗电平的目标值的钳位电压。
另外的实施方式的固体摄像装置的特征在于，具备：CMOS传感器，被赋予针对暗电平的目标值的钳位电压；以及AD钳位电路，基于在赋予了规定的钳位电压时从所述CMOS传感器读出的暗电平的值、以及所述暗电平相对于所述钳位电压的变化量，计算针对所述暗电平的目标值的钳位电压。
上述结构的固体摄像装置能迅速地计算出使暗电平与目标值相一致的钳位电压。
附图说明
图1是示出第一实施方式涉及的固体摄像装置的概略结构的框图。
图2是示出图1的CMOS传感器的概略结构的框图。
图3是示出图1的AD钳位电路的概略结构的框图。
图4是示出图2的列ADC电路进行的像素信号的AD变换动作的时序图。
图5是示出图1的固体摄像装置的钳位电压的计算方法的一例的图。
图6是示出图5的钳位电压设定时的基准电压的波形的时序图。
图7是示出适用了第二实施方式涉及的固体摄像装置的数字摄像机的概略结构的框图。
具体实施方式
根据实施方式的固体摄像装置，设置有有效像素部、遮光像素部、ADC电路和AD钳位电路。有效像素部设置有有效像素。遮光像素部设置有遮光像素。ADC电路基于与重叠有钳位电压的基准电压相比较的比较结果，对从所述有效像素读出的信号成分进行AD变换。AD钳位电路基于在赋予了规定的钳位电压时从所述遮光像素读出的暗电平的AD变换值与所述钳位电压之间的关系、以及所述暗电平相对于所述钳位电压的变化量，计算针对从所述遮光像素读出的暗电平的目标值的钳位电压。
以下，参照附图，对实施方式涉及的固体摄像装置进行说明。再有，本发明并不被这些实施方式所限定。
(第一实施方式)
图1是示出第一实施方式涉及的固体摄像装置的概略结构的框图。
图1中，在该固体摄像装置中设置有输出图像信号S1的CMOS传感器101、AD钳位电路102、OB钳位电路103、增益调整电路104、色分离电路105和自动电平控制电路106。再有，例如可以使用拜耳排列作为CMOS传感器101的滤波器排列，作为图像信号S1，可以举出RAW图像信号。
在CMOS传感器101中设置有用于设定摄像时的暗电平基准的OB像素、以及基于光电变换输出图像信号S1的有效像素。而且，CMOS传感器101能够基于与重叠有钳位电压的基准电压相比较的比较结果，对从有效像素读出的信号成分进行AD变换。再有，基准电压可以在钳位电压发生期间和斜波(ramp wave)发生期间以时间分割方式进行切换。
AD钳位电路102能够设定控制参数PC，以使得从CMOS传感器101的OB像素读出的暗电平与目标值相一致。再有，控制参数PC可以调整从OB像素读出的暗电平。在此，AD钳位电路102基于在赋予了规定的钳位电压时从OB像素读出的暗电平的AD变换值与钳位电压之间的关系、以及暗电平相对于钳位电压的变化量，计算针对从OB像素读出的暗电平的目标值的钳位电压。另外，可以使用将与钳位电压相对的暗电平的变化量α作为斜率的一次函数，赋予从OB像素读出的暗电平的AD变换值与钳位电压之间的关系。可以根据赋予到AD钳位电路102中的模拟增益GA，唯一地决定变化量α。另外，规定的钳位电压是一点量的钳位电压即可，例如可以设定为0V。
OB钳位电路103能够基于从CMOS传感器101的OB像素读出的暗电平，对从有效像素读出的图像信号进行钳位限制(clamp)。
增益调整电路104能够对从OB钳位电路103输出的图像信号S3的白平衡或增益进行调整。再有，调整白平衡或增益的参数可以使用指令设定值或者数字增益GD。
色分离电路105能够将从增益调整电路104输出的图像信号S4变换成色分离信号S5。再有，作为色分离信号S5，可以举出RGB信号或者YUV信号。这时，色分离电路105能够从图像信号S4中提取亮度信号S6。
自动电平控制电路106能够进行画面的亮度调节。这时，自动电平控制电路106能够基于亮度信号S6判断画面的明亮度，并调整数字增益GD和模拟增益GA。
然后，在CMOS传感器101中，对来自被摄体的入射光进行光电变换。然后，将CMOS传感器101生成的图像信号S1输出到OB钳位电路103。另外，将从CMOS传感器101的OB像素读出的OB信号S2输出到AD钳位电路102。
然后，在OB钳位电路103中，通过基于从OB像素读出的暗电平对图像信号S1进行钳位限制，生成图像信号S3，并输出到增益调整电路104。
然后，在增益调整电路104中，通过基于从自动电平控制电路106输出的数字增益GD对图像信号S3的增益进行调整，生成图像信号S4，并输出到色分离电路105。
然后，在色分离电路105中，将图像信号S4变换成色分离信号S5，并且从图像信号S4中提取亮度信号S6，输出到自动电平控制电路106。
然后，在自动电平控制电路106中，基于亮度信号S6，对数字增益GD和模拟增益GA进行调整，数字增益GD被输出到增益调整电路104，并且模拟增益GA被输出到AD钳位电路102。
然后，在AD钳位电路102中，在钳位电压发生期间设定控制参数PC，以使得赋予规定的钳位电压，并输出到CMOS传感器101。然后，将此时从CMOS传感器101的OB像素读出的暗电平的AD变换值作为OB信号S2输出到AD钳位电路102。然后，在AD钳位电路102中，基于此时的暗电平的AD变换值与钳位电压之间的关系、以及暗电平相对于钳位电压的变化量α，计算针对从OB像素读出的暗电平的目标值的钳位电压。然后，设定控制参数PC，以使得能赋予针对暗电平的目标值的钳位电压，并输出到CMOS传感器101。
另外，在AD钳位电路102中，在斜波发生期间设定控制参数PC，以使得能按照模拟增益GA控制斜波的斜率，并输出到CMOS传感器101。然后，在CMOS传感器101中，基于直到从有效像素读出的信号成分的电平与斜波电平相一致为止的时钟的计数结果，对信号成分进行AD变换。
由此，AD钳位电路102通过至少一次地取得在赋予了规定的钳位电压时的暗电平的AD变换值，就能够计算出针对暗电平的目标值的钳位电压。因而，不需要对像素信号的AD变换时的钳位电压进行反馈控制直到从OB像素读出的暗电平收敛为目标值，能降低暗电平收敛为目标值为止的时间的偏差，因此，能够在由帧速率规定的时间内使暗电平收敛为目标值。
图2是示出图1的CMOS传感器的概略结构的框图。
图2中，在CMOS传感器101中设置有像素阵列部1，该像素阵列部1在行方向和列方向上矩阵状配置有像素。在此，在像素阵列部1中设置有有效像素部1a，该有效像素部1a在行方向和列方向上矩阵状配置有像素，在有效像素部1a的周围设置有遮光像素部1b。在有效像素部1a中设置有有效像素，在遮光像素部1b中设置有遮光像素(OB像素)。
另外，在CMOS传感器101中还设置有：垂直移位寄存器2，在垂直方向上扫描像素阵列部1；列ADC电路3，基于与基准电压Vref的比较结果，用CDS将从像素阵列部1中读出的信号成分数字化；水平移位寄存器4，在水平方向上扫描像素阵列部1；以及基准电压发生部5，基于控制参数PC产生基准电压Vref。再有，控制参数PC能够设定基准电压Vref的钳位电平或斜率。另外，基准电压Vref可以使用斜波。还可以在基准电压Vref上重叠钳位电压。
并且，通过用垂直移位寄存器2在垂直方向上对像素阵列部1的像素进行扫描，来从像素阵列部1的像素中读出信号，并送到列ADC电路3。然后，在列ADC电路3中，从像素阵列部1中读出的信号成分被CDS数字化，并通过用水平移位寄存器4在水平方向上进行扫描，输出图像信号S1。
在此，在斜波发生期间向列ADC电路3输入计数器时钟CK。并且，基于直到从有效像素部1a读出的信号成分的电平与斜波的电平相一致为止的计数器时钟CK的计数结果，对信号成分进行AD变换。
此外，AD钳位电路102还可以设定控制参数PC，以使得在由列ADC电路3执行AD变换时，用基准电压Vref的钳位电平抵消OB像素的暗电流。
图3是示出图1的AD钳位电路的概略结构的框图。
图3中，在AD钳位电路102中设置有像素平均值计算部11、遮光像素平均值保持寄存器12、钳位电压控制值运算部13、定时信号发生部14和A/D变换控制部15。
并且，在定时信号发生部14中切换为钳位电压发生期间时，在A/D变换控制部15中设定控制参数PC以赋予规定的钳位电压，并输出到CMOS传感器101。然后，在CMOS传感器101中，通过对在赋予了规定的钳位电压时从遮光像素部1b读出的暗电平进行AD变换，生成OB信号S2，并输入到像素平均值计算部11。然后，在像素平均值计算部11中，通过将此时的OB信号S2按照每个水平线平均化，来计算HOB像素平均值S11，并保持在遮光像素平均值保持寄存器12中。
然后，在钳位电压控制值运算部13中，基于赋予了规定的钳位电压时的HOB像素平均值S11和暗电平相对于钳位电压的变化量α，计算针对暗电平的目标值Cb的钳位电压控制值S12，并输出到A/D变换控制部15。
然后，在A/D变换控制部15中，基于钳位电压控制值S12设定控制参数PC，以赋予针对暗电平的目标值Cb的钳位电压。
另一方面，在定时信号发生部14中切换为斜波发生期间时，设定控制参数PC，以使得按照模拟增益GA来控制斜波的斜率，并输出到CMOS传感器101。
图4是示出图2的列ADC电路进行的像素信号的AD变换动作的时序图。
在图4中，基准电压Vref在钳位电压发生期间T1和斜波发生期间T2以时间分割方式进行切换。并且，在钳位电压发生期间T1，基准电压Vref保持为钳位电压Vc。在斜波发生期间T2，赋予斜波作为基准电压Vref，并输入计数器时钟CK。再有，这时的斜波的斜率可以用dV/dt＝α来赋予，等于暗电平相对于钳位电压的变化量α。
并且，在假设是用Vo赋予从有效像素部1a读出的图像信号S1的像素电压时，用Vo－Vc来赋予被AD变换的信号成分Vp。然后，对计数器时钟CK进行计数，直到从有效像素部1a读出的像素电压Vo的电平与斜波的电平相一致，并将此时的计数值C作为信号成分Vp＝Vo－Vc的AD变换值进行输出。再有，在假设计数器时钟CK的周期为T时，此时的计数值C可以用(Vo－Vc)/(αT)来赋予。
图5是示出图1的固体摄像装置的钳位电压的计算方法的一例的图。再有，该例子中示出了作为钳位电压Vc，取得在赋予了Vc＝0V这一点时的计数值C0，并基于此时的计数值C0和变化量α，计算针对暗电平目标值Cb的钳位电压Vb的方法。
具体而言，在假设斜波电压的每单位时间的电压变化量为α时，根据在赋予了Vc＝0V这一点时的计数值C0，可以用以下的式(1)的一次函数来赋予计数值C与钳位电压Vc之间的关系。
c＝－αVc+C0…(1)
根据式(1)，针对暗电平目标值Cb的钳位电压Vb可以用以下的式(2)来赋予。
Vb＝(C0－Cb)/α…(2)
通过基于式(2)，对一点量的钳位电压进行A/D变换值的运算，从而不使用反馈系统，就能够决定出赋予期望的暗电平数据输出的钳位电压。
图6是示出图5的钳位电压设定时的基准电压的波形的时序图。
在图6中，在垂直同步信号Hsync的第1发信号中，钳位电压Vc被设定为0V。然后，取得在赋予了Vc＝0V这一点时的计数值C0，并基于此时的计数值C0和变化量α，计算针对暗电平的目标值Cb的钳位电压Vb。然后，在垂直同步信号Hsync的第2发信号中，钳位电压Vc被设定为针对目标值Cb的钳位电压Vb。
(第二实施方式)
图7是示出适用了第二实施方式涉及的固体摄像装置的数字摄像机的概略结构的框图。
在图7中，数字摄像机21具有摄像机组件22和后段处理部23。摄像机组件22具有摄像光学系统24和固体摄像装置25。后段处理部23具有图像信号处理器(ISP)26、存储部27和显示部28。再有，固体摄像装置25可以使用图1的结构。另外，ISP 26的至少一部分结构也可以与固体摄像装置25一起单芯片化。另外，AD钳位电路102、OB钳位电路103、增益调整电路104、色分离电路105和自动电平控制电路106也可以设置在ISP26中。
摄像光学系统24取入来自被摄体的光，并使被摄体像成像。固体摄像装置25对被摄体像进行摄像。ISP 26对由固体摄像装置25摄像所得的图像信号进行信号处理。存储部27对经过ISP 26中的信号处理后的图像进行存储。存储部27按照用户的操作等，向显示部28输出图像信号。显示部28按照从ISP 26或者存储部27输入的图像信号来显示图像。显示部28例如是液晶显示器。再有，除了数字摄像机2以外，摄像机组件22还适用于例如带摄像机的便携式电话或智能手机等电子设备。
已经说明了本发明的几个实施方式，但是这些实施方式是作为例子而提出的，并不是想限定发明范围。这些新的实施方式可以以其他各种各样的方式实施，可以在不脱离发明主旨的范围内进行各种各样的省略、置换和变更。这些实施方式或其变形包含在发明范围或主旨内，并且也包含在权利要求范围中记载的发明及其均等的范围内。

Claims (20)

1.一种固体摄像装置，其中，具备：
有效像素部，设置有有效像素；
遮光像素部，设置有遮光像素；
ADC电路，基于与重叠有钳位电压的基准电压相比较的比较结果，对从所述有效像素读出的信号成分进行AD变换；以及
AD钳位电路，基于在赋予了规定的钳位电压时从所述遮光像素读出的暗电平的AD变换值与所述钳位电压之间的关系、以及所述暗电平相对于所述钳位电压的变化量，计算针对从所述遮光像素读出的暗电平的目标值的钳位电压。
2.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中，所述AD钳位电路使用将所述变化量作为斜率的一次函数，赋予从所述遮光像素读出的暗电平的AD变换值与所述钳位电压之间的关系。
3.根据权利要求2所述的固体摄像装置，其中，所述AD钳位电路赋予一点量的钳位电压作为所述规定的钳位电压。
4.根据权利要求3所述的固体摄像装置，其中，根据赋予给所述AD钳位电路的模拟增益，唯一地决定所述变化量。
5.根据权利要求4所述的固体摄像装置，其中，所述基准电压在钳位电压发生期间和斜波发生期间以时间分割方式进行切换。
6.根据权利要求5所述的固体摄像装置，其中，所述ADC电路在所述斜波发生期间，基于直到所述信号成分的电平与所述斜波的电平相一致为止的时钟的计数结果，对所述信号成分进行AD变换。
7.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中，
所述AD钳位电路以使得所述暗电平接近于目标值的方式设定控制参数，
所述基准电压是基于所述控制参数而设定的。
8.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中，所述AD钳位电路通过至少仅一次地取得在赋予了所述规定的钳位电压时的暗电平的AD变换值，来计算针对所述暗电平的目标值的所述钳位电压。
9.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中，具备：
OB钳位电路，基于从所述遮光像素读出的暗电平，对从所述有效像素读出的图像信号进行钳位限制；
增益调整电路，基于数字增益，对从所述OB钳位电路输出的图像信号的增益进行调整；
色分离电路，将从所述增益调整电路输出的图像信号变换成色分离信号；以及
自动电平控制电路，基于所述色分离信号，调整所述数字增益和模拟增益。
10.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其中，所述AD钳位电路具备：
像素平均值计算部，通过将从所述遮光像素读出的暗电平按照每个水平线进行平均化，来计算HOB像素平均值；
遮光像素平均值保持寄存器，保持所述HOB像素平均值；
钳位电压控制值运算部，基于所述HOB像素平均值和所述变化量，计算针对所述暗电平的目标值的钳位电压控制值；以及
A/D变换控制部，基于所述钳位电压控制值，设定控制参数，该控制参数赋予针对所述暗电平的目标值的钳位电压。
11.一种固体摄像装置，其中，具备：
CMOS传感器，被赋予针对暗电平的目标值的钳位电压；以及
AD钳位电路，基于在赋予了规定的钳位电压时从所述CMOS传感器读出的暗电平的值、以及所述暗电平相对于所述钳位电压的变化量，计算针对所述暗电平的目标值的钳位电压。
12.根据权利要求11所述的固体摄像装置，其中，
所述AD钳位电路基于经过在赋予了所述钳位电压时从所述CMOS传感器读出的暗电平的一点量的值、并以所述暗电平相对于所述钳位电压的变化量作为斜率的一次函数，计算针对所述暗电平的目标值的钳位电压。
13.根据权利要求12所述的固体摄像装置，其中，根据模拟增益，唯一地决定所述变化量。
14.根据权利要求13所述的固体摄像装置，其中，具备：
OB钳位电路，基于从所述CMOS传感器读出的暗电平，对从有效像素读出的图像信号进行钳位限制；
增益调整电路，基于数字增益，对从所述OB钳位电路输出的图像信号的增益进行调整；
色分离电路，将从所述增益调整电路输出的图像信号变换成色分离信号；以及
自动电平控制电路，基于所述色分离信号，调整所述数字增益和所述模拟增益。
15.根据权利要求14所述的固体摄像装置，其中，所述CMOS传感器具备：
遮光像素部，设置有读出所述暗电平的遮光像素；
有效像素部，设置有读出像素信号的有效像素；以及
ADC电路，基于与重叠有所述钳位电压的基准电压相比较的比较结果，对从所述有效像素读出的信号成分进行AD变换。
16.根据权利要求15所述的固体摄像装置，其中，所述AD钳位电路具备：
像素平均值计算部，通过将从所述CMOS传感器读出的暗电平按照每个水平线进行平均化，来计算HOB像素平均值；
遮光像素平均值保持寄存器，保持所述HOB像素平均值；
钳位电压控制值运算部，基于所述HOB像素平均值和所述变化量，计算针对所述暗电平的目标值的钳位电压控制值；以及
A/D变换控制部，基于所述钳位电压控制值，设定控制参数，该控制参数赋予针对所述暗电平的目标值的钳位电压。
17.根据权利要求16所述的固体摄像装置，其中，所述AD钳位电路具备定时信号发生部，所述定时信号发生部在钳位电压发生期间和斜波发生期间以时间分割方式进行切换。
18.根据权利要求17所述的固体摄像装置，其中，所述A/D变换控制部以使得在所述钳位电压发生期间赋予规定的钳位电压的方式设定所述控制参数。
19.根据权利要求18所述的固体摄像装置，其中，所述A/D变换控制部以使得在所述斜波发生期间按照所述模拟增益控制所述基准电压的斜波的斜率的方式设定控制参数。
20.根据权利要求19所述的固体摄像装置，其中，所述ADC电路在所述斜波发生期间，基于直到所述信号成分的电平与所述斜波的电平相一致为止的时钟的计数结果，对所述信号成分进行AD变换。
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