JP2006148828A - 撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ａ／Ｄ変換機能を簡潔かつ、コンパクトな構成で実現するデジタル出力の撮像素子を提供する。
【解決手段】 撮像素子は、光を電気信号に変化するフォトダイオード１１と、フォトダイオード１１の電気信号により生ずる電圧Ｖｐｄとある任意の基準電圧Ｖｒｅｆを比較する比較器１２と、比較器１２が出力する比較結果を微分してトリガパルスを生成する微分回路１３と、トリガパルスＰＤｒｓｔをカウントするカウンタ１５と、カウンタ１５によるトリガパルスＰＤｒｓｔのカウント結果を一時的に格納するレジスタ１６と、指定した座標のレジスタ１６に格納されたトリガパルスＰＤｒｓｔのカウント結果を選択して出力する出力スイッチとにより構成される。ある任意の時間（設定露光時間）にフォトダイオード１１の受光量は、その繰り返される電荷の蓄積と放出をカウンタ１５がカウントする回数であるデジタルデータとして取得される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、カメラ撮像技術等において用いられる光電変換機能を有する撮像素子に関する。

従来、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）撮像素子とそれを用いた撮像装置が一般的に広く知られている。ＣＣＤ撮像素子は、格子状に並べられたフォトダイオードと電荷を垂直方向に転送する垂直ＣＣＤと水平方向に転送する水平ＣＣＤとで構成されるのが最も一般的である。ＣＣＤ撮像素子は、フォトダイオードを露光することで該フォトダイオードに蓄えられた電荷を、該フォトダイオードに接続された垂直ＣＣＤと該垂直ＣＣＤ接続された水平ＣＣＤを介在して外部に読み出すことで、撮像情報を反映した電気信号を得ている。また、ＣＣＤ撮像素子を用いた撮像装置では、相関二重サンプリングにより、ＣＣＤ撮像素子から読み出された電気信号から撮像情報を示す撮像信号成分を取り出して、それを信号処理にかけて画像信号（データ）を生成する。

図６は、相関二重サンプリングの様子を図示したものである。相関二重サンプリングは、基準電圧（サンプリングポイント１）と信号電圧（サンプリングポイント２）をサンプルホールドして、その差分を信号成分として取り出すものである。

ところで、従来、デジタルスチルカメラの用途としては、撮影画像をＰＣやテレビモニタに表示して楽しむことが主な目的であった。ところが、近年、デジタルスチルカメラの撮影画素数が飛躍的に増えて解像度が向上したことにより、撮影画像を従来のフイルムカメラのようにプリントして楽しむという目的で使用されるようになった。画素数が増大化したことで解像度が向上した反面、信号処理においては、撮像素子から撮像信号を読み出すレート（単位時間内に読み出す撮像信号の数）の限界から、動画処理の際に撮像素子の有効領域全ての画素データを読み出すことが困難になる場合が生じてきた。その場合、撮像素子の利用領域を限定して切り出し読み出しを行うことで対応することが可能であるが、静止画撮影時と動画撮影時とで画角（カメラが受光する視野角）の差を生み出すこととなる。

静止画撮影と動画撮影とで画角の差を生じさせないために、撮像素子のスルーレートを向上させるための技術が重要になってきている。そこで、最近の撮像素子技術では撮像素子の撮像信号のスルーレートを向上する手段として、画素毎にアクセス可能なＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）センサのような固体撮像素子において、画素毎の撮像信号をデジタル的な数値に変換する技術が考案されている。例えば、撮像素子のフォトダイオードに照射された際にフォトダイオードから流出する電流を帰還容量素子と電荷増幅器とで構成される積分回路が時間積分するとともに、ステップ電荷発生器がクロック信号に同期して帰還容量素子に電荷を供給することでΣΔ変調を実行することで、ΣΔ変調の結果からＡＤ変換値を得る技術が提案されている（特許文献１）。このような技術を用いれば、フォトダイオードでの受光量に応じた撮像信号をデジタルデータとして出力する固体撮像素子を構築することが可能である。

一般的に、動画撮影時には、動画規格の画面更新レートに応じて撮像素子から撮像信号を読み出すことが望ましい。しかしながら、撮像素子の画素数が多大で撮像素子又は撮像素子後段のＡ／Ｄ変換部のスルーレートの限界により、全画素データが読み出せない場合は、切り出しにより撮像画像の一部を読み出す処理を行う必要が生ずる場合がある。デジタル信号処理に適した上、撮像信号のスルーレートを良好にする手段としては、上述した撮像素子内で撮像信号をデジタル化するのが有効であるが、撮像信号をＡ／Ｄ変換するための仕掛けを如何に簡潔にするかが撮像素子の集積度を向上する上で重要となる。
特開平９−２９８６９４号公報（段落［００５３］、［００５９］〜［００８１］、図１〜図３）

そこで、現在のＣＣＤのような撮像素子では、画素数の増大に伴い、動画処理において全画素出力の読み出しに要する時間がネックになりつつあることを考慮して、デジタル出力の撮像素子における画素毎のＡ／Ｄ変換機能を簡潔かつ、コンパクトな構成する点で解決すべき課題がある。

この発明の目的は、デジタル出力の撮像素子における画素毎のＡ／Ｄ変換機能を簡潔かつ、コンパクトな構成で実現して、読み出し速度を向上させることができる撮像素子を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明による撮像素子は、格子状に並べられた画素、及び当該画素に保持されたデジタルデータを選択して出力する出力スイッチを有しており、前記画素は、照射される光のエネルギーを電気的な信号に変換するフォトダイオード、当該フォトダイオードの出力電圧と基準電圧の比較を行ってその比較結果を出力する比較器、当該比較器の比較結果に基づいてトリガパルスを出力する微分回路、前記トリガパルスの数をカウントし、外部から供給される露光時間の制御パルスによりリセットされるカウンタ、前記露光時間の制御パルスと前記微分回路が生成する前記トリガパルスとの論理和をリセットパルスとして前記フォトダイオードに供給する論理和回路、及び前記カウンタがリセットされる直前のカウント値を前記カウンタから受け取り、次のリセットタイミングまでその値を前記デジタルデータとして保持するレジスタを備えており、前記出力スイッチは、前記露光時間の間に前記カウンタがカウントした前記カウント値を前記デジタルデータとして出力することから成っている。

この発明の撮像素子によれば、格子状に並べられた多数の画素において、各画素を構成するフォトダイオードは、照射によって受光した光のエネルギーを電気信号に変換させる。比較器はフォトダイオードの電気信号により生ずる電圧とある任意の基準電圧とを比較し、微分回路は比較器が出力する比較結果を微分して、フォトダイオードの出力電圧が基準電圧を横切る時に合わせてトリガパルスを生成する。論理和回路は、トリガパルスのオンの入力を受けるときにフォトダイオードをリセットさせるので、フォトダイオードは、露光時間中において、トリガパルスのオンの状態毎に電荷の蓄積及び放出を繰り返す。したがって、カウンタは、リセットされる直前までの露光時間中に発生したトリガパルスをカウントする。露光時間の制御パルスがオンのときには、論理和回路はフォトダイオードをリセットさせるとともに、カウンタはこの制御パルスによってリセットされる。露光時間中のカウンタによるトリガパルスのカウント結果は、露光時間の間におけるフォトダイオードによる電荷の蓄積及び放出の回数であって、フォトダイオードが照射される光量に対応しており、画素の出力として捉えることができる。レジスタは、カウンタがリセットされる直前のカウント値をカウンタから受け取り、次のリセットタイミングまでその値をデジタルデータとして一時的に格納し保持する。出力スイッチは、指定した座標のレジスタに格納されたトリガパルスのカウント結果を選択して出力する。

この撮像素子において、露光時間を制御する制御パルスを生成するタイミング発生回路を内部に備えることができる。即ち、タイミング発生回路が生成する制御パルスの、例えばオフの期間を、カウンタがトリガパルスのカウントを続けることができる露光時間として制御することができる。タイミング発生回路は撮像素子に一つ設ければよく、その生成する制御パルスを、すべての画素に共通なものとして入力させることが好ましい。

この撮像素子において、微分回路は、比較器の比較結果を高速クロックでサンプリングしてその変化点を検出してトリガパルスを生成し、当該トリガパルスはカウンタの駆動タイミングとフォトダイオードのリセットタイミングを示すパルスとして用いることができる。即ち、微分回路は比較器の比較結果を高速クロックでサンプリングしてその変化点を検出してトリガパルスを生成する。トリガパルスは、一方ではカウンタに入力されて、カウントアップのための駆動タイミングとして用いられ、他方では、論理和回路に入力されて、フォトダイオードのリセットタイミングを示すパルスとして用いることができる。

この撮像素子において、露光時間からフォトダイオードのリセット時間を差し引いた正味の露光時間に対する露光時間の比をカウント値に乗じることにより求めた補正カウント値を、デジタルデータとすることができる。フォトダイオードのリセット時間は露光時間に含まれる時間であるが、リセット時間の間は、各画素のフォトダイオードが露光されている時間にもかかわらず信号レベルが変化しない。したがって、何も対処しない場合には、カウンタのカウント値は、露光（受光）量を正確には反映していない。そこで、補正前のカウント値が露光時間からフォトダイオードのリセット時間を差し引いた正味の露光時間に対する値であることに着目し、正味の露光時間に対する全露光時間野比をカウント値に乗じることで、補正カウント値をデジタルデータとする。即ち、露光時間の全期間に渡って（リセット時間を含めて）、フォトダイオードが露光されているときにはカウント値が露光時間に比例して増加するとして、比例計算にてカウント値（光量）を補正する。

この発明による撮像素子では、極めて簡潔な構成で撮像データをアナログからデジタルに変換した数値で出力する撮像素子を作ることができる。即ち、露光時間中のカウンタによるトリガパルスのカウント結果は、露光時間の間におけるフォトダイオードによる電荷の蓄積及び放出の回数であり、フォトダイオードが照射される光量に対応している。光量が多いほど、フォトダイオードによる電荷の蓄積及び放出の回数が増加する。したがって、画素は、光量の多少をカウント値に置き換えて出力としている。レジスタは、カウンタがリセットされる直前のカウント値をカウンタから受け取り、次のリセットタイミングまでその値をデジタルデータとして一時的に格納し保持する。出力スイッチは、指定した座標のレジスタに格納されたトリガパルスのカウント結果であるデジタルデータを選択して出力する。その結果、各画素の出力はデジタル値として得られ、画素の集合体としての撮像素子の出力をデジタルの形式で高速で得ることができ、動画処理においても全画素出力の読み出しに要する時間を短くして、動画にも対応することができる。

以下、図面を参照して、この発明による撮像素子の実施の形態を説明する。

図１は、本発明による撮像素子の画素の構成を示したブロック図である。図１に示す画素２０において、フォトダイオード１１は光を電気的な信号に変換する素子であり、フォトダイオード１１の受光部に対して光が照射されると電流を発生し、フォトダイオード１１内にある容量素子に電荷を蓄積する。更に、フォトダイオード１１では、電荷の蓄積に伴い出力電圧Ｖｐｄが降下して、リセットパルスがリセット端子より印加されると、蓄積電荷が外部に排出され出力電圧が初期値Ｖｉｎｉｔに戻る。

比較器１２は、フォトダイオード１１の出力電圧Ｖｐｄと基準電圧Ｖｒｅｆの比較を行う。比較結果は、比較器１２の出力端子よりＣＭＰ＿０として出力され、出力信号ＣＭＰ＿０は、ＨＩＧＨ又はＬＯＷの２値データとして扱われる。微分回路１３は、後述するタイミング発生回路２０からの高速のクロック（クロックＡ）により比較器１２の出力結果であるＣＭＰ＿０のサンプリングを行い、立下り若しくは立ち上がりエッジを検出してトリガパルスＰＤｒｓｔを出力する。微分回路１３の出力側にはカウンタ１５が接続されており、カウンタ１５はトリガパルスＰＤｒｓｔによってカウントアップを行う。また、カウンタ１５によるトリガパルスＰＤｒｓｔのカウント値ＣＮＴは、タイミング発生回路２０からの低速クロック（クロックＢ）によりクリアされる。更に、カウンタ１５は、カウントアップによりカウント値ＣＮＴがオーバーフローしてしまう場合には、カウントアップを行わずカウントアップ前のカウントＣＮＴを保持すると共に、オーバーフローフラッグＯＶＦをアサートする。

カウンタ１５の出力側に接続されるレジスタ１６は、タイミング発生回路２０からの低速クロック（クロックＢ）の入力を受けており、トリガパルスＰＤｒｓｔのカウンタ１５におけるカウント結果とオーバーフローフラッグＯＶＦとを低速クロック（クロックＢ）に同期して取り込み、次に低速クロック（クロックＢ）が供給されるまでの間その値を保持する。タイミング発生回路２１は、比較器１２の出力ＣＭＰ＿０を微分する高速クロック（クロックＡ）と該高速クロックに同期してレベルが変動する周期の長い低速クロック（クロックＢ）を発生させて、画素２０の動作タイミングをコントロールする。微分回路１３が作るトリガパルスＰＤｒｓｔとタイミング発生回路２１が出力する低速クロック（クロックＢ）とは論理和回路１４に入力され、論理和回路１４は、両者の論理和をとってフォトダイオード１１にリセットパルス供給する。

図２は、本発明における撮像素子の全体構成イメージを示すブロック図である。同図に示したように撮像素子には、複数の画素２０が格子状に並べられ、各々のレジスタ出力は出力スイッチ２２に接続されている。出力スイッチ２０は、アドレス端子２２ａに供給されるアドレスで示される画素のレジスタの値を選択して出力端子２２ｂから出力する。

以下、撮像素子の各構成要素がどのように動作して、撮像が行われるかについて説明する。図４は、本発明による撮像素子の動作タイミングを示した図である。図４において、横方向には時間変化とレジスタ１６及びカウンタ１５の変動の関係、縦方向には各パルスの電圧変動を示している。また、図４において、フォトダイオード１１の出力Ｖｐｄはアナログ信号、比較器１２の出力であるＣＭＰ＿０、微分回路１３の出力であるトリガパルスＰＤｒｓｔ、及び、タイミング発生回路２１の出力である（クロックＢ）は２値のデジタル的な信号として扱われる。

各パルスと各構成要素の因果関係としては、まず、初期状態として、低速クロック（クロックＢ）がアサートされる。低速クロック（クロックＢ）のアサートにより、フォトダイオード１１、カウンタ１５がリセットされると同時に、カウンタ１５のカウント値ＣＮＴとオーバーフローフラグＯＶＦがレジスタ１６に転送される。低速クロック（クロックＢ）がネゲートされると、光の照射量にあわせてフォトダイオード１１は電荷の蓄積を開始し、出力電圧Ｖｐｄが徐々に下降する。出力電圧Ｖｐｄは、比較器１２によって基準電圧Ｖｒｅｆと比較され、出力電圧Ｖｐｄと基準電圧Ｖｒｅｆが同電位となったところで、比較器１２の出力ＣＭＰ＿０がＨＩＧＨレベルに変化する。

そして、微分回路１３は比較器１２の出力ＣＭＰ＿０を高速クロック（クロックＡ）でサンプリングし、比較器１２の出力ＣＭＰ＿０がＬＯＷレベルからＨＩＧＨレベルに変化するアサートエッジを捕らえ、このエッジに同期してトリガパルスＰＤｒｓｔを出力する。トリガパルスＰＤｒｓｔは、カウンタ１５のカウント値ＣＮＴの値を任意の一定量だけカウントアップさせる（図４は１ＬＳＢずつカウントアップする場合を示している）。このとき、カウントアップにより、カウント値ＣＮＴが用意されたｂｉｔ数を超えてしまう場合は、カウントアップ動作をせずにオーバーフローフラグＯＶＦをアサートする。同時に、トリガパルスＰＤｒｓｔは、論理和回路１４を介してフォトダイオード１１のリセットを実行し、フォトダイオード１１の容量素子に蓄積された電荷を排出する。電荷の排出に伴って、比較器１２の出力ＣＭＰ＿０はＨＩＧＨレベルからＬＯＷレベルに戻り、トリガパルスＰＤｒｓｔがネゲートされると、フォトダイオード１１は再び電荷の蓄積を開始する。そして、出力電圧Ｖｐｄが基準電圧Ｖｒｅｆと同レベルになると、比較器１２の出力ＣＭＰ＿０がＨＩＧＨレベルに変化して、再びフォトダイオード１１のリセット動作とカウンタのカウントアップ動作を行う。

以上のようにフォトダイオード１１で、電荷の蓄積と排出を繰り返しながら、次に低速クロック（クロックＢ）がアサートされるまでの間、カウンタ１５のカウントアップ動作を行う。一方、レジスタ１６に転送されたカウント値ＣＮＴとオーバーフローフラグＯＶＦは次に低速クロック（クロックＢ）がアサートされるまでの間その値を保持し、この保持されている期間にレジスタ１６の値を読み出すことで、該当画素２０における信号レベルを取得する。

以上動作によれば、フォトダイオード１１が電荷の蓄積を開始してから、微分回路１３がトリガパルスを発生するまでの時間は、フォトダイオード１１に照射される光の強さに反比例するので、フォトダイオードに照射される光が強力で有るほど、低速クロック（クロックＢ）がネゲートされてから次にアサートされるまでの間（露光時間：Ｔｃ）に、カウンタ１５のカウントアップ回数は多くなる。従って、ある任意の時間ごとの各画素２０におけるレジスタの値を読み出して、それを反映するデータ列を作ることでデジタル画像データを生成することができる。

但し、これは、トリガパルスＰＤｒｓｔがＨＩＧＨとなっている時間が無視して良いほど短い場合に限り、正確な輝度分布を反映したデジタル画像データとなる。一方、トリガパルスＰＤｒｓｔの時間が無視して良いほど短くない場合は、撮像素子から読み出したレジスタの値に補正をかける必要がある。そこで、次に読み出したレジスタの値に補正をかける方法について説明する。

図３は、本発明における撮像素子の露光時間とフォトダイオードの出力する電力の関係を示したグラフである。図３において実線で示した部分は露光時間Ｔｃの間にフォトダイオード１１が容量素子に積分される電力を示しており、破線で示した部分はフォトダイオードの容量素子が無限に電荷を蓄積できる（実際には、フォトダイオードの特性上、そのような蓄積は困難である。したがって、電荷の蓄積と放出の特性が良い限定された作動領域を繰り返して利用し、その繰り返し数をカウントする。）とした場合に積分される電力を示している。また、図３では、設定した露光時間Ｔｃの間に、各々合計６回にわたり、フォトダイオードで電荷の蓄積と放電とを繰り返した場合について示したものである。図３から見て取れるように、カウンタの値が６までカウントアップされた場合、最高で６回のリセットが行われることになる。リセット期間Ｔｒは、電荷の蓄積が止まるため、設定した露光時間Ｔｃの間に撮像素子で積分される電力と、フォトダイオードの容量素子の電荷蓄積容量が無限であった場合の電力との間に、補正を行うべく誤差が生じる。

このとき生じる誤差は、カウンタ１５のカウント値ＣＮＴと設定した露光時間Ｔｃに対する正味の露光時間の比で計算（比例計算）することができ、その計算式は以下の通りとなる。
［正味の露光時間］：［設定した露光時間］＝［撮像素子で積分した電力］：［補正後の電力］
上式を元に［補正後の電力］の計算式であらわすと、以下の通りとなる。
［補正後の電力］＝［撮像素子で積分した電力］×［設定した露光時間］÷［正味の露光時間］
一方、［正味の露光時間］は、［設定した露光時間］から、［リセット時間］と［リセット回数］を掛け合わせたものを減算したものであるから、［補正後の電力］即ち、撮像素子のレジスタ時から読み出されるべき補正後のカウント値（以下、ＣＮＴｒとする）は、読み出されたカウント値ＣＮＴ、設定した露光時間Ｔｃ、一回あたりのリセット時間Ｔｒを用いて、以下の式にまとめることができる。
ＣＮＴｒ＝ＣＮＴ×Ｔｃ÷（Ｔｃ−ＣＮＴ×Ｔｒ）
以上のように、補正計算をおこなえば、おのおのフォトダイオードが受けた光の強度を反映したデジタル画像データ列を生成することができる。

以上、本発明実施するための形態の一例であり、以上によれば、光を電気信号に変化するフォトダイオードと、フォトダイオードの電気信号により生ずる電圧とある任意の基準電圧を比較する比較器と、該比較器が出力する比較結果を微分してトリガパルスを生成する微分回路と、該トリガパルスをカウントするカウンタと、該カウンタによるトリガパルスのカウント結果を一時的に格納するレジスタと、指定した座標の該レジスタに格納されたトリガパルスのカウント結果を選択して出力するセレクタにより、フォトダイオードのアナログ信号をデジタル処理に適したデジタル出力に変換するスルーレートの良好な撮像素子を構成することができる。また、本実施例におけるタイミング発生回路は、必ずしも撮像素子の内部に設ける必要はなく、外部に設けてもよい。

図５は、図４に示す動作タイミングにおいてオーバーフローフラッグが立つ場合の撮像素子の動作タイミングを示す図である。カウント値ＣＮＴがオーバーフロー（値としては７）したときは、フラッグを立て、カウント値をリセットせずにその値を保持する。レジスタ１６の出力はそのカウント値となる。

光電変換結果からデジタルデータを生成する撮像素子の画素の構成図。 撮像素子の構成イメージ図。 撮像素子における露光時間とフォトダイオードの出力する電力の関係を示す図。 撮像素子の動作タイミングを示す図。 オーバーフローフラッグが立つ場合の撮像素子の動作タイミングを示す図。 ＣＣＤ撮像素子を用いた撮像装置における相関二重サンプリング動作の説明図。

符号の説明

１１ フォトダイオード
１２ 比較器
１３ 微分回路
１４ 論理和回路
１５ カウンタ
１６ レジスタ
２０ 画素
２１ タイミング発生回路
２２ 出力スイッチ
Ｖｐｄ フォトダイオード１１の出力電圧
Ｖｉｎｉｔ 出力電圧Ｖｐｄの初期値
Ｖｒｅｆ 基準電圧
ＣＭＰ＿０ 比較器１２の出力
ＰＤｒｓｔ トリガパルス
ＣＮＴ トリガパルスＰＤｒｓｔのカウント値
ＯＶＦ オーバーフローフラッグ
Ｔｃ 露光時間
Ｔｒ リセット期間
ＣＮＴｒ 補正後のカウント値

Claims (4)

1. 格子状に並べられた画素、及び当該画素に保持されたデジタルデータを選択して出力する出力スイッチを有しており、
   前記画素は、照射される光のエネルギーを電気的な信号に変換するフォトダイオード、当該フォトダイオードの出力電圧と基準電圧の比較を行ってその比較結果を出力する比較器、当該比較器の比較結果に基づいてトリガパルスを出力する微分回路、前記トリガパルスの数をカウントし、外部から供給される露光時間の制御パルスによりリセットされるカウンタ、前記露光時間の制御パルスと前記微分回路が生成する前記トリガパルスとの論理和をリセットパルスとして前記フォトダイオードに供給する論理和回路、及び前記カウンタがリセットされる直前のカウント値を前記カウンタから受け取り、次のリセットタイミングまでその値を前記デジタルデータとして保持するレジスタを備えており、
   前記出力スイッチは、前記露光時間の間に前記カウンタがカウントした前記カウント値を前記デジタルデータとして出力することから成る撮像素子。
2. 前記露光時間を制御する制御パルスを生成するタイミング発生回路を内部に備えたことから成る請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記微分回路は、前記比較器の比較結果を高速クロックでサンプリングしてその変化点を検出して前記トリガパルスを生成し、前記トリガパルスは前記カウンタの駆動タイミングと前記フォトダイオードのリセットタイミングを示すパルスとして用いられることから成る請求項１又は２に記載の撮像素子。
4. 前記露光時間から前記フォトダイオードのリセット時間を差し引いた正味の露光時間に対する前記露光時間の比を前記カウント値に乗じることにより求めた補正カウント値を、前記デジタルデータとすることから成る請求項 1〜３のいずれか１項に記載の撮像素子。

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