JP2006174325A - 固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】画素電荷の加算を行って低解像度画像を出力する際の画質劣化を抑制すること。
【解決手段】本発明は、複数の光電変換素子を有する画素セル1が複数配列された画素アレイ部2と、画素アレイ部2の複数の光電変換素子から出力される複数の信号を特定の組み合わせで加算する際、複数の光電変換素子の配列による比率で加算を行うカラム回路4とを備える固体撮像装置である。また、本発明は、複数の光電変換素子から出力される複数の信号を特定の組み合わせで加算する際、複数の光電変換素子の配列による比率で光電変換素子での露光時間を制御する固体撮像装置である。
【選択図】図1

Description

本発明は、複数の光電変換素子によって画像信号を取得する固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法に関し、特に画素のデータを加算して出力する固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法に関する。
イメージセンサの駆動モードには通常の全画素読み出しと、高フレームレートのための低解像度読み出しがある。高フレームレートで行われる間引き読み出しはデータレートを下げるのに効果はあるが、サンプリング周波数が低くなるために折り返しノイズがきついという欠点がある。それに対して間引くのではなく、信号の読み出し時に隣接画素間で信号を加算・平均処理することにより折り返しを低減する方法がある(例えば、特許文献1参照)。
特開2004−356791号公報
しかしながらこの方法は信号の読み出し時に単純な加算平均を行うことから、演算の自由度が低いという問題がある。例えば、縦横配列される複数画素のうち偶数画素の加算を行う場合において、ベイヤー配列の色毎に隣接画素との加算を行うと、加算後に出力される画素の中心(加算後の仮想的な画素中心)は等間隔にならない。このため、本来要求される低解像度ベイヤー配列イメージと一致せず、これが画像処理を行う際の画質劣化の原因となる。
本発明はこのような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、複数の光電変換素子を有する画素セルが複数配列された画素アレイ部と、画素アレイ部の複数の光電変換素子から出力される複数の信号を特定の組み合わせで加算する際、複数の光電変換素子の配列による比率で加算を行う加算部とを備える固体撮像装置である。
このような本発明では、複数の光電変換素子から出力される複数の信号を特定の組み合わせで加算する際、複数の光電変換素子の配列による比率で加算しているため、加算後の見かけ上の画素中心を加算の比率によって制御できるようになる。
また、本発明は、複数の光電変換素子を有する画素セル部が複数配列された画素アレイ部と、画素アレイ部の複数の光電変換素子から出力される複数の信号を特定の組み合わせで加算する際、複数の光電変換素子の配列による比率で光電変換素子での露光時間を制御する制御部とを備える固体撮像装置である。
このような本発明では、複数の光電変換素子から出力される複数の信号を特定の組み合わせで加算する際、複数の光電変換素子の配列による比率で光電変換素子での露光時間を制御しているため、加算後の見かけ上の画素中心を露光時間の比率によって制御できるようになる。
また、本発明は、複数の光電変換素子を有する画素セルが複数配列された画素アレイ部と、画素アレイ部の複数の光電変換素子から出力される複数の信号を特定の組み合わせで加算する加算部とを備える固体撮像装置の駆動方法において、加算部が複数の信号の加算を行うにあたり複数の光電変換素子の配列による比率で加算を行う方法である。
このような本発明では、複数の光電変換素子から出力される複数の信号を特定の組み合わせで加算する際、複数の光電変換素子の配列による比率で加算しているため、加算後の見かけ上の画素中心を加算の比率によって制御できるようになる。
また、本発明は、複数の光電変換素子を有する画素セルが複数配列された画素アレイ部と、画素アレイ部における複数の光電変換素子での露光時間を制御する制御部とを備える固体撮像装置の駆動方法において、制御部が画素アレイ部の複数の光電変換素子から出力される複数の信号を特定の組み合わせで加算する際、複数の光電変換素子の配列による比率で露光時間を制御する方法である。
このような本発明では、複数の光電変換素子から出力される複数の信号を特定の組み合わせで加算する際、複数の光電変換素子の配列による比率で光電変換素子での露光時間を制御しているため、加算後の見かけ上の画素中心を露光時間の比率によって制御できるようになる。
したがって、本発明によれば、信号読み出し時の演算により、低解像度信号の出力における見かけ上の画素中心の間隔を等しくすることができ、画素アレイ部が色配列を有する場合にはその色配列を変えることなく高速に出力することが可能となる。また、複数画素で電荷−電圧変換部を共有する構成の固体撮像装置においても、その変換部共有単位と加算単位の差異に関わらず色配列を変えずに低解像度信号を出力することが可能となる。
以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。図1は、本実施形態に係る固体撮像装置の全体模式図である。
図1は、本発明が適用される固体撮像装置、例えばCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサの構成の一例を示すブロック図である。図1に示すように、複数の光電変換素子で構成される画素セル1、当該画素セル1が行列状に2次元配置されてなる画素アレイ部2、垂直走査回路3、信号処理回路であるカラム回路4、水平転送回路5、水平信号線51、出力回路6等を有する構成となっている。画素アレイ部2には、垂直画素列ごとに垂直信号線VSLが配線されている。
図2は、ある画素列のある1つの画素セルについての具体的な構成を示す回路図である。図2から明らかなように、画素セル1は、複数(ここでは4つ)の光電変換素子、例えばフォトダイオード11に加えて、転送トランジスタTRG、リセットトランジスタRST、増幅トランジスタTRPおよび選択トランジスタSELの4つのトランジスタを有する画素回路となっている。ここでは、これらトランジスタとして、例えばNchMOSトランジスタを用いている。
転送トランジスタTRGは、フォトダイオード11で光電変換され、ここに蓄積された信号電荷(ここでは、電子)をFD(フローティングディフュージョン)部12に転送する。リセットトランジスタRSTは、FD部12と電源VDDとの間に接続され、フォトダイオード11からの信号電荷の転送に先立ってFD部12の電位をリセットする。
増幅トランジスタTRPは、リセットトランジスタRSTによるリセット後のFD部15の電位をリセットレベルとして、さらに転送トランジスタTRGによる転送後のFD部12の電位を信号レベルとしてそれぞれ垂直信号線VSLに出力する。
選択トランジスタSELは、増幅トランジスタTRPと電源VDDとの間に接続され、画素セル1を選択するものである。
図1において、垂直走査回路3はシフトレジスタなどによって構成され、画素セル1の転送トランジスタTRGを駆動する転送信号や、リセットトランジスタRSTを駆動するリセット信号などの制御信号を行単位で順次出力することによって画素アレイ部2の各画素セル1を行単位で選択駆動する。
また、カラム回路4は、画素アレイ部2の水平方向の画素ごとに、すなわち垂直信号線VSLごとに配される信号処理回路であり、例えばS/H(サンプルホールド)回路およびCDS(Correlated Double Sampling:相関二重サンプリング)回路を有している。
<実施形態1>
図3は、本実施形態の概念図である。この図では、ある列においてG(緑)とB(青)に対応した画素が交互に配置された場合に同色2画素を混合した際の仮想的な画素中心を示している。図3(a)は従来の加算の場合であり、同色2画素の各画素信号を単に加算・平均処理していることから、加算後の仮想的な画素G’、B’中心のピッチが不均一になっている。
一方、図3(b)は本実施形態の加算の場合であり、アナログ状態の信号処理において、加算時の入力信号比率を変えることにより、加算後の仮想的な画素G’、B’中心のピッチを均一にすることができる。すなわち、色配列を変えずに低解像度化することが可能である。
例えば、同色2画素加算では、図中に示すように例えばG(緑)の画素信号とB(青)の画素信号との加算比率を3:1にする。これにより、加算後の仮想的な画素G’、B’の中心ピッチを全て2ピクセル(pix)に均一化することができる。
次に、実際の手法の一例を示す。図4はカラム回路のCDS回路に本実施形態を適用する例を説明する模式図である。本実施形態では、このサンプリング部の蓄積容量を分割可能な構成に設計しておき、画素加算比率に応じて、信号平均化を行う信号電荷量の調整を行うことを特徴とする。
つまり、蓄積容量を2系統設け(Q1側、Q2側)、そのうち1系統(例えば、Q1側)の容量は1つ、他の1系統(例えば、Q2側)をQ1の1/3容量とQ1の2/3容量とに分割できるようにしておく。そして、加算を行う場合には、例えばQ1側の1系統の容量とQ2側の1/3容量とを接続して平均化することで、上記のような3:1の比率での加算平均を行うようにする。
この方法は行方向、列方向の両方の信号処理に関して有効である。図5は行方向の加算処理を行う場合を説明する模式図、図6は列方向の加算処理を行う場合を説明する模式図である。
図5に示すように、行方向の加算処理を行う場合は、画素セルから出力される信号VSLを加算する2つの画素に応じて2系統に振り分けるようにする。一方の系統には容量C1、他方の系統には容量C2が接続され、容量C1は容量C2の3倍となっている。また、各系統にはスイッチa、bが設けられ、各系統の間にはスイッチcが設けられている。この構成により、i行の読み出しではスイッチaをON(閉)、スイッチbをOFF(開)、スイッチcをOFFにしておくことで容量C1に信号を蓄積し、同色のi行の読み出しではスイッチaをOFF、スイッチbをON、スイッチcをOFFにしておくことで容量C2に信号を蓄積する。その後、スイッチa、bをOFFにした状態でスイッチcをONにすることで容量C1、C2に蓄積された信号が加算され、各々容量比率に応じた加算平均信号を得ることができる。
また、図6に示すように、列方向の加算処理を行う場合は、画素セルから出力されるm列の信号VSLmとm列の信号VSLnとに各々容量C1、C2を接続する。この容量C1は容量C2の3倍となっている。また、信号VSLm側にはスイッチaが、信号VSLn側にはスイッチbが設けられ、各信号線の間にはスイッチcが設けられている。この構成により、m列およびn列の読み出しで同時にスイッチa、bをON(閉)にし、スイッチcをOFFにしておくことで容量C1および容量C2に各々m列およびn列の信号が蓄積される。その後、スイッチa、bをOFFにした状態でスイッチcをONにすることで容量C1、C2に蓄積された信号が加算され、各々容量比率に応じた加算平均信号を得ることができる。
<実施形態2>
実施形態1ではCDS回路のサンプリング部での加算であったが、画素セルにおいてFD部を共有する構成のイメージセンサでは、このFD部において電荷加算を行う方が感度、動作速度の点で有利である。この場合、図7に示すように、加算対象となる画素の光電変換時間を画素間で変えることにより、実施形態1で示した信号処理と同様な加算平均を実現できる。
すなわち、垂直走査回路3の制御により、加算対象となる一の画素の転送トランジスタTRG_aにおけるONの間隔(露光時間)を通常露光時間とし、加算対象となる他の画素の転送トランジスタTRG_bにおけるONの間隔を1/3にする。これにより、一の画素における電荷量と他の画素における電荷量とに露光時間に応じた比率が生じ、これらの電荷をFD部で加算して出力することによって、露光時間の比率に応じた加算平均信号を得ることができる。なお、電荷−電圧変換部で電荷加算を行う場合には、CDS回路は従来と同様に容量を分割する必要はない。
本実施形態では、FD部の共有構成は垂直方向画素間共有であるが、水平方向画素間の共有構成であっても同様の処理が可能である。また、光電変換時間に差をつけて加算比率を変える方法はFD部を共有しない場合でも適用可能である。
<実施形態3>
本発明は、CDS回路以外の信号読み出し構成であっても処理可能である。例えば、各列にアナログ−デジタル変換器(ADC)を有するカラム回路が設けられている場合においても、同様の処理が可能である。ADCにおける比較回路に関して、図8に示すようにサイズ(増幅率)の異なる差動回路(Standard Sizeと1/3 Size)を並列に接続することで実現できる。また、サイズの異なる差動回路を複数用意し、必要に応じて接続を切り替えれば、出力解像度のモードの切り替えが可能となる。
<実施形態4>
実施形態2で説明したFD部を共有する構成の場合、当該FD部を共有する画素間では電荷加算が可能であるが、共有しない画素とは電荷加算できない。例えば垂直方向4画素でFD部を共有する場合、同色2画素が電荷加算可能である。しかしながら3×3、4×4などの画素加算がしたい場合には加算単位がFD部共有単位と異なるため、前述の実施形態とは異なる駆動が必要である。
3×3画素加算の場合は図9に示すようにFD部での電荷加算した信号とその隣の非加算画素信号の平均をとることで要求される信号を得られる。ただし、図中A、Bの違いで示されるように電荷加算画素と非加算画素の行順が異なる2種類の演算ブロックができる。これについては転送ゲートの駆動順を駆動ロジックで設定する必要がある。
また、4×4画素加算の場合は図10に示すように、FD部で電荷加算した信号に対して比率を変えた加算をすれば良い。この場合、同色4画素を同じ比率で加算すると、例えば加算後のG(緑)の画素と隣接する加算後のB(青)の画素との中心ピッチが3ピクセル(pix):5ピクセル(pix)となるため、同色4画素加算を行う際にはこの比率を考慮して、4画素のうち一方側2画素の電荷(Q1、Q2)を加算したQ12と、他方側2画素の電荷(Q3、Q4)を加算したQ34とを5:3の比率で加算する。これにより、加算後のB(青)とG(緑)との仮想的な画素中心のピッチを4ピクセル(pix)にすることが可能となる。なお、具体的な加算手法は、実施形態1または実施形態2と同じ手法で演算することが可能である。
本実施形態に係る固体撮像装置の全体模式図である。 1つの画素セルについての具体的な構成を示す回路図である。 本実施形態の概念図である。 カラム回路のCDS回路に本実施形態を適用する例を説明する模式図である。 行方向の加算処理を行う場合を説明する模式図である。 列方向の加算処理を行う場合を説明する模式図である。 加算対象となる画素の光電変換時間の差を示すタイミングチャートである。 サイズの異なる差動回路の例を示す回路図である。 3×3画素加算の場合を説明する概念図である。 4×4画素加算の場合を説明する概念図である。
符号の説明
1…画素セル、2…画素アレイ部、3…垂直走査回路、4…カラム回路、5…水平転送回路、6…出力回路、11…フォトダイオード、12…FD部

Claims (11)

  1. 複数の光電変換素子を有する画素セルが複数配列された画素アレイ部と、
    前記画素アレイ部の複数の光電変換素子から出力される複数の信号を特定の組み合わせで加算する際、前記複数の光電変換素子の配列による比率で加算を行う加算部と
    を備えることを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記加算部による加算の比率は、加算後の画素中心の間隔が等しくなる値である
    ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
  3. 前記加算部は、前記光電変換素子で得た電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部に属する
    ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
  4. 前記加算部は、前記光電変換素子から出力される信号からノイズ成分を除去する相関二重サンプリング回路に属する
    ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
  5. 前記加算部は、前記光電変換素子から出力される信号をデジタル変換するアナログ−デジタル変換回路に属する
    ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
  6. 複数の光電変換素子を有する画素セルが複数配列された画素アレイ部と、
    前記画素アレイ部の複数の光電変換素子から出力される複数の信号を特定の組み合わせで加算する際、前記複数の光電変換素子の配列による比率で前記光電変換素子での露光時間を制御する制御部と
    を備えることを特徴とする固体撮像装置。
  7. 前記制御部による露光時間の比率は、加算後の画素中心の間隔が等しくなる値である
    ことを特徴とする請求項6記載の固体撮像装置。
  8. 複数の光電変換素子を有する画素セルが複数配列された画素アレイ部と、
    前記画素アレイ部の複数の光電変換素子から出力される複数の信号を特定の組み合わせで加算する加算部とを備える固体撮像装置の駆動方法において、
    前記加算部は、前記複数の信号の加算を行うにあたり前記複数の光電変換素子の配列による比率で加算する
    を備えることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
  9. 前記加算部による加算の比率は、加算後の画素中心の間隔が等しくなる値である
    ことを特徴とする請求項8記載の固体撮像装置の駆動方法。
  10. 複数の光電変換素子を有する画素セルが複数配列された画素アレイ部と、
    前記画素アレイ部における複数の光電変換素子での露光時間を制御する制御部とを備える固体撮像装置の駆動方法において、
    前記制御部は、前記画素アレイ部の複数の光電変換素子から出力される複数の信号を特定の組み合わせで加算する際、前記複数の光電変換素子の配列による比率で前記露光時間を制御する
    ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
  11. 前記制御部による露光時間の比率は、加算後の画素中心の間隔が等しくなる値である
    ことを特徴とする請求項10記載の固体撮像装置の駆動方法。
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