JP2006203308A - Imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換により得られた画像信号を、利得を制御してからデジタル信号に変換する撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging apparatus that converts an image signal obtained by photoelectric conversion into a digital signal after controlling gain.
近年撮像素子の高画素化が進む一方、フレームレートを確保するため撮像素子の読出しレートの高速化が進んでいる。また、撮像素子からの画像信号を画像圧縮しながら大容量のメモリへの格納や液晶モニタへの映像出力など、多機能化しつつ小型化も進んでいる。さらには、電源投入から撮影開始までの時間を短くし使い勝手の向上も求められている。このように、撮像装置では処理速度の高速化と小型化が進んでおり、撮像素子で得られるアナログ信号をデジタルデータに変換する過程で混入するノイズを低減することが求められている。 In recent years, while the number of pixels of the image sensor has increased, the readout rate of the image sensor has been increased to ensure the frame rate. In addition, the image signal from the image sensor is being compressed while being stored in a large-capacity memory while the image signal is output to a liquid crystal monitor while being compressed. Furthermore, there is a demand for improved usability by shortening the time from power-on to the start of shooting. As described above, in the imaging apparatus, the processing speed is increased and the size is reduced, and it is required to reduce noise mixed in the process of converting the analog signal obtained by the imaging element into digital data.
これに対し、撮像素子を有する撮像装置から、基準信号をクランプさせた画像信号と、基準信号とをそれぞれ同一の特性を有する第1、第2ドライバにより信号処理部側に出力させ、信号処理部側で減算処理を行う撮像装置が提案されている(特許文献1)。 On the other hand, an image signal obtained by clamping the reference signal from the image pickup apparatus having the image pickup element and the reference signal are output to the signal processing unit side by the first and second drivers having the same characteristics. An imaging apparatus that performs subtraction processing on the side has been proposed (Patent Document 1).
特許文献1の撮像装置は、増幅回路等の信号処理回路を撮像素子と離れた信号処理部側に設け、撮像素子及び撮像素子基板の小型化を実現するものであり、基準信号にクランプさせた画像信号と基準信号とをそれぞれ第1、第2ドライバから出力させ、信号処理部側で減算することにより伝送中の画像信号に混入するノイズの低減が図られている。
The image pickup apparatus of
しかし、撮像素子からの画像信号を基準信号にクランプさせるためにクランプ回路を用いるため、クランプ回路において発生するノイズが画像信号に混入されることが問題であった。また、クランプ回路が安定するまでに要する過渡応答時間に関しては考慮されていなかった。
従って、本発明では、従来の問題点に鑑み、高画素の信号を高速で処理する撮像装置の提供を目的とする。 Therefore, in view of the conventional problems, an object of the present invention is to provide an imaging apparatus that processes a high-pixel signal at high speed.
本発明の撮像装置は、受光量に応じた電荷を発生させる第1光電変換手段と、第1光電変換手段と同一の特性を有し受光面が遮光される第2光電変換手段と、第1光電変換手段及び/或いは第2光電変換手段において発生した電荷を受取り受取った電荷に応じた第1信号を生成する第1信号生成手段と、第1信号生成手段に受取られた電荷をリセットしリセットされた状態におけるリセット信号を出力させる第1リセット手段と、第1信号とリセット信号とに基づいて生成される画像信号をサンプルホールドする第1サンプリング手段と、第2光電変換手段において発生した電荷に基づいて生成される画像信号である黒色画像信号を第1サンプリング手段から取得してサンプルホールドする第2サンプリング手段と、画像信号を出力するための第1出力手段と、第1出力手段と同一の特性を有し第2サンプリング手段にサンプルホールドされた黒色画像信号を出力するための第2出力手段とを備えることを特徴としている。 The imaging apparatus of the present invention includes a first photoelectric conversion unit that generates an electric charge according to the amount of received light, a second photoelectric conversion unit that has the same characteristics as the first photoelectric conversion unit and shields the light receiving surface, and a first First signal generation means for generating a first signal corresponding to the received charge received by the photoelectric conversion means and / or the second photoelectric conversion means, and resetting and resetting the charge received by the first signal generation means A first reset means for outputting a reset signal in the generated state, a first sampling means for sample-holding an image signal generated based on the first signal and the reset signal, and a charge generated in the second photoelectric conversion means. A second sampling means for acquiring and sampling a black image signal, which is an image signal generated based on the first sampling means, and outputting the image signal; A first output means, and further comprising a second output means for outputting the sampled and held black image signal to the second sampling means has the same characteristics as the first output means.
なお、第1サンプリング手段から第2サンプリング手段に取得される期間中の黒色画像信号の平均値が、第2サンプリング手段にサンプルホールドされ、第2出力手段から出力されることが好ましい。 The average value of the black image signal during the period acquired from the first sampling means to the second sampling means is preferably sampled and held by the second sampling means and output from the second output means.
また、第1リセット手段によりリセットされるときに第1信号生成手段の出力端の電位が入力端の電位である基準入力電位に応じてリセット信号に相当するリセット電位に変わり、第1信号生成手段と同一の特性を有し出力端が第2サンプリング手段の一端に接続される第2信号生成手段と、第1リセット手段と同一の特性を有し第2信号生成手段の入力端の電位を基準入力電位にセットする第2リセット手段とを備えることが好ましい。 Further, when reset by the first reset means, the potential at the output end of the first signal generating means changes to a reset potential corresponding to the reset signal according to the reference input potential which is the potential at the input end, and the first signal generating means The second signal generating means having the same characteristics as the output terminal connected to one end of the second sampling means, and having the same characteristics as the first reset means, the potential of the input terminal of the second signal generating means as a reference It is preferable to include a second reset unit that sets the input potential.
さらに、第1サンプリング手段が、第1サンプリング手段の入力端に接続されるリセット信号保持手段と、リセット信号保持手段の出力端と第2信号生成手段の出力端との導通のON/OFFを切替える第1スイッチと、リセット信号保持手段の出力端と第1サンプリング手段の出力端との導通のON/OFFを切替える第2スイッチと、第1サンプリング手段の出力端と第2スイッチとの間に設けられ画像信号を保持するための画像信号保持手段とを備えることが好ましい。 Further, the first sampling means switches ON / OFF of the conduction between the reset signal holding means connected to the input terminal of the first sampling means, the output terminal of the reset signal holding means, and the output terminal of the second signal generating means. Provided between the first switch, the second switch for switching ON / OFF of conduction between the output terminal of the reset signal holding means and the output terminal of the first sampling means, and the output terminal of the first sampling means and the second switch And image signal holding means for holding the image signal.
また、第1、第2光電変換手段、第1信号生成手段、第1リセット手段、及び第1、第2サンプリング手段が単一のチップに集積されることが好ましい。さらには、第2信号生成手段と第2リセット手段とも、第1、第2光電変換手段、第1信号生成手段、第1リセット手段、及び第1、第2サンプリング手段とともに単一のチップに集積されることが好ましい。 Further, it is preferable that the first and second photoelectric conversion means, the first signal generation means, the first reset means, and the first and second sampling means are integrated on a single chip. Further, both the second signal generation means and the second reset means are integrated on a single chip together with the first and second photoelectric conversion means, the first signal generation means, the first reset means, and the first and second sampling means. It is preferred that
本発明によれば、高画素の信号を高速で処理した場合でも高精度の画像信号を得ることが可能となる。また、本発明によれば、クランプ回路を必要としないのでノイズが増加することなく、起動時の速度を早くすることが可能となる。また、画像信号の黒レベルと略等しい基準電位を作成でき、後段で用いる増幅器の増幅率を幅広く設定することが出来るので高感度の設定が可能となる。 According to the present invention, it is possible to obtain a highly accurate image signal even when a high-pixel signal is processed at high speed. Further, according to the present invention, since a clamp circuit is not required, it is possible to increase the startup speed without increasing noise. In addition, a reference potential that is substantially equal to the black level of the image signal can be created, and the amplification factor of the amplifier used in the subsequent stage can be set widely, so that high sensitivity can be set.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態を適用した撮像装置と撮像装置に接続される信号処理部の内部構成を概略的に示すブロック図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram schematically showing an internal configuration of an image pickup apparatus to which the first embodiment of the present invention is applied and a signal processing unit connected to the image pickup apparatus.
撮像装置10と信号処理部60とは、第1、第2線路L1、L2を介して接続される。撮像装置10に受光された被写体像を形成する光は画像信号として、第1、第2線路L1、L2を通じて信号処理部60に出力される。信号処理部60において、出力された画像信号に所定の信号処理が行われる。
The
撮像装置10は、画像信号生成ユニット11、タイミングジェネレータ(TG)12、サンプルホールド(SH)回路50(第2サンプリング手段)、第1出力部13(第1出力手段)、及び第2出力部14(第2出力手段)によって構成される。画像信号生成ユニット11は、第1出力部13と、SH回路50を介して第2出力部14とに並列に接続される。
The
画像信号生成ユニット11によって、被写体像に相当する被写体画像信号及び基準となる黒色に相当する黒色画像信号が生成される。両画像信号は、第1出力部13を介して撮像装置10から出力される。また、黒色画像信号は、TG12から出力される第1サンプルホールド(SH)信号ΦSH1に基づいてSH回路50によってサンプルホールドされる。SH回路50によって保持された黒色画像信号は、第2出力部14を介して撮像装置10から出力される。
The image
なおSH回路50は、SHスイッチ51と第1サンプルホールド(SH)キャパシタ52とによって構成される。画像信号生成ユニット11と第2出力部14との間に、第1SH信号ΦSH1によってON/OFFが切替えられるSHスイッチ51が設けられる。第1SHキャパシタ52は、SHスイッチ51と第2出力部14との間に設けられる。SHスイッチ51がONとなるときに、画像信号生成ユニット11から出力される画像信号が第1SHキャパシタ52にサンプルホールドされる。
The
信号処理部60には、差分出力回路61、増幅回路62、及びクランプ回路63が設けられる。撮像装置10の第1、第2出力部13、14は、それぞれ第1、第2線路L1、L2を介して差分出力回路61に接続される。差分出力回路61において、第1出力部13から伝送される画像信号から第2出力部14から伝送される黒色画像信号が減算される。
The
第1出力部13と第2出力部14は特性が同じものであり、撮像装置10から信号処理部60への画像信号の伝送中にノイズが発生した場合であっても、第1、第2出力部13、14から伝送されるそれぞれの信号には同じノイズ成分が混入する。従って、差分出力回路61における減算により、ノイズ成分の除去された被写体画像信号及び黒色画像信号が得られる。
The
ノイズ成分の除去された被写体画像信号及び黒色画像信号が、増幅回路62によって増幅される。増幅回路62の出力端にはクランプ回路63が設けられ、増幅回路62から出力される信号にクランプ処理が行われる。クランプ処理が行われた信号は信号処理回路(図示せず)に出力され、AD変換、色補完処理等の所定の信号処理が行われた後に、LCD(図示せず)に送られ、画像が表示される。
The subject image signal and the black image signal from which the noise component has been removed are amplified by the
次に図2を用いて、画像信号生成ユニット11の構成について説明する。図2は撮像装置10の概略構成を示す図である。画像信号生成ユニット11はCMOS撮像素子であり、撮像部20と相関2重サンプリング・サンプルホールド(CDS/SH)回路40(第1サンプリング手段)とが設けられる。撮像部20は2次元状に配列された画素によって構成される。
Next, the configuration of the image
撮像部20は、撮像領域PAと黒色検出領域BAとを有する。撮像領域PAを構成する撮像画素21Pから受光量に応じた信号電荷が発生する。一方、黒色検出領域BAを構成する黒色画素21Bの撮像面は遮光膜(図示せず)によって遮光されており、黒色画素21Bからは黒色に相当する信号電荷が発生する。撮像画素21Pにおいて発生する信号電荷に基づいて、被写体画像信号が生成される。黒色21Bにおいて発生する信号電荷に基づいて、黒色画像信号が生成される。
The
図3を用いて、画像信号が生成される過程を説明する。図3は撮像画素21PとCDS/SH回路40の構成を示す図である。任意の撮像画素21Pの構成について説明するが、他の撮像画素21Pの構成も同様である。撮像画素21Pには、フォトダイオード(PD)22(第1光電変換手段)、フローティングディフュージョン(FD)23、転送トランジスタ24、リセットトランジスタ25(第1リセット手段)、増幅トランジスタ26、及び選択トランジスタ27が設けられる。
A process in which an image signal is generated will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the
PD22において、撮像画素21Pにおける受光量に応じた電荷が発生し、発生した電荷が蓄積される。PD22は、転送トランジスタ24を介してFD23に接続される。転送トランジスタ24にON信号が入力されるとき、PD22に蓄積された電荷はFD23に転送される。FD23の電位は、転送された電荷に応じた電位に変わる。
In the
FD23は、リセットトランジスタ25を介して所定の電位(基準入力電位)に維持された電源線VDDに接続される。リセットトランジスタ25にON信号が入力されるとき、FD23に転送された電荷は電源線VDDに掃出されてリセットされる。またFD23の電位は、電源線VDDの電位にリセットされる。
The
また、FD23は増幅トランジスタ26の副電極に接続される。FD23の電位に応じた信号電圧が、画素信号として撮像画素21Pから出力可能になる。従って、FD23と増幅トランジスタ26とが、PD22から受取った電荷に応じた画素信号を生成する信号生成ユニット(第1信号生成手段)として機能する。
The
増幅トランジスタ26の主電極は、選択トランジスタ27を介して垂直読出し線28に接続される。選択トランジスタ27にON信号が出力されるとき、画素信号は垂直読出し線28に出力される。なお、垂直読出し線28は、撮像画素21P、或いは黒色画素21Bが並ぶ各列に設けられる。
The main electrode of the
なお、転送トランジスタ24、リセットトランジスタ25、及び選択トランジスタ27にはパルス状のON/OFF信号であるΦT、ΦR、ΦSLが交互に出力される。トランジスタ24、25、27それぞれに出力されるON/OFF信号のタイミングは、TG12により制御される。
Note that Φ T , Φ R , and Φ SL that are pulsed ON / OFF signals are alternately output to the
後述するタイミングで転送トランジスタ24、リセットトランジスタ25、及び選択トランジスタ27のON/OFFの切替を行うことにより、PD22から電荷が転送されたときの画素信号である第1画素信号(第1信号)、或いはFD23に転送された電荷がリセットされたときの画素信号であるリセット信号が垂直読出し線28に出力される。
A first pixel signal (first signal) which is a pixel signal when charge is transferred from the
なお、黒色画素21Bの構成は、前述のように遮光膜(図示せず)によって遮光されるPD(第2光電変換手段)が用いられる以外、撮像画素21Pの構成と同じである。撮像部20の製造プロセスにおいて撮像画素21Pと黒色画素21Bとは同時に一体的に形成され、撮像画素21P及び黒色画素21Bを構成するPD22、FD23、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、及び選択トランジスタ27の特性は同じになる。
Note that the configuration of the
垂直読出し線28の一端は、CDS/SH回路40に接続される。他端は電流源Issに接続される。CDS/SH回路40は、クランプキャパシタ41(リセット信号保持手段)、第2サンプルホールド(SH)キャパシタ42(画像信号保持手段)、クランプトランジスタ43(第1スイッチ)、サンプルホールド(SH)トランジスタ44(第2スイッチ)によって構成される。
One end of the
クランプキャパシタ41の一端は、CDS/SH回路40の入力端として垂直読出し線28に接続される。クランプキャパシタ41の他端は、クランプトランジスタ43とSHトランジスタ44とに並列に接続される。クランプトランジスタ43にON信号が出力されるとき、リセット信号がクランプキャパシタ41によって保持される。
One end of the
SHトランジスタ44の出力端は、第2SHキャパシタ42とCDS/SH回路40の出力端とに並列に接続される。すなわち、第2SHキャパシタ42は、SHトランジスタ44の出力側とCDS/SH回路40の出力端との間に設けられる。SHトランジスタ44にON信号が出力されるとき、第1画素信号からリセット信号が減算された画像信号が第2SHキャパシタ42にサンプルホールドされる。
The output terminal of the
CDS/SH回路40の出力端は列選択トランジスタ29を介して、水平信号線30に接続される。列選択トランジスタ29にON信号が出力されるとき、第2SHキャパシタ42にサンプルホールドされた画像信号が画像信号生成ユニット11から出力される。
The output terminal of the CDS /
なお、撮像画素21Pから出力される第1画素信号とリセット信号とに基づいて生成される画像信号が、被写体画像信号として後段の回路において処理される。また黒色画素21Bから出力される第1画素信号とリセット信号とに基づいて生成される画像信号が、黒色画像信号として後段の回路において処理される。
Note that an image signal generated based on the first pixel signal and the reset signal output from the
なお、クランプトランジスタ43、SHトランジスタ44、及び列選択トランジスタ29にはパルス状のON/OFF信号であるΦCL、ΦSH2、ΦSが交互に出力される。トランジスタ43、44、29それぞれに出力されるON/OFF信号のタイミングは、TG12により制御される。
Note that Φ CL , Φ SH2 , and Φ S that are pulse-like ON / OFF signals are alternately output to the
なお、画像信号生成ユニット11から出力される黒色画像信号はアナログ信号であるため、黒色画像信号の信号電圧は時間の変化に対して変動する。従って、画像信号生成ユニット11からSH回路50に出力される間も信号電圧は変動するが、信号電圧の変動は第1SHキャパシタ52により平均化される。すなわち、第1SHキャパシタ52にサンプルホールドされる黒色画像信号である信号電圧は、SHスイッチ51がONである間に変動しながら第1SHキャパシタ52に取得される信号電圧の平均値である。
Since the black image signal output from the image
従って、差分出力回路61において、減算のために用いられる第2出力部14から伝送される黒色画像信号は、変動しながら第1SHキャパシタ52にサンプルされる信号電圧の平均値である。
Therefore, in the
次に、上述のような構成である撮像装置10の動作について図4のタイミングチャートを用いて説明する。n行j〜j+m列の画素の動作について説明するが、他の画素の動作も同様である。なお、j+m列の画素は、黒色画素21Bである。
Next, the operation of the
まず、t0のタイミングにおいてn行のすべての画素の選択トランジスタ27にON信号が出力され(符号ΦSLn参照)、n行の画素が選択される。すなわち、n行の画素からj〜j+m列垂直信号線28j〜28j+mに画素信号が出力可能になる。
First, at timing t0, an ON signal is output to the
次に、t1のタイミングでは、リセットトランジス25と転送トランジスタ24とにON信号が出力されることによりFD23とPD22とがリセットされ、j〜j+m列垂直信号線28j〜28j+mにリセット信号が出力される。t2のタイミングでは、クランプトランジスタ43にON信号が出力され、j〜j+m列のCDS/SH回路40において、リセット信号がクランプキャパシタ41によってクランプされる。
Next, at the timing t1, the
t3のタイミングで、転送トランジスタ24にON信号が出力され、PD22に蓄積された電荷がFD23に転送され、j〜j+m列垂直信号線28j〜28j+mに第1画素信号が出力される。t4のタイミングで、SHトランジスタ44にON信号が出力される。SHトランジスタ44がONになると、第1画素信号からリセット信号が減算されることによりリセットノイズが除去された画像信号が第2SHキャパシタ42にサンプルホールドされる。
At the timing t3, an ON signal is output to the
t5のタイミングで、j列選択トランジスタ29にON信号が出力される(符号Φsj参照)。j列選択トランジスタ29がONになることにより、j列の第2SHキャパシタ42にサンプルホールドされた画像信号が水平信号線30を介して画像信号生成ユニット11から出力される。
At timing t5, an ON signal is output to the j column selection transistor 29 (see symbol Φ sj ). When the j
t6のタイミングで、j+1列選択トランジスタ29にON信号が出力される(符号Φsj+1参照)。j+1列選択トランジスタ29がONになることにより、j+1列の第2SHキャパシタ42にサンプルホールドされた画像信号が画像信号生成ユニット11から出力される。同様にして、j+2列〜j+m−1列の第2SHキャパシタ42にサンプルホールドされた画像信号が出力される。
At the timing of t6, an ON signal is output to the j + 1 column selection transistor 29 (see symbol Φsj + 1 ). When the j + 1
t7のタイミングでは、j+m列選択トランジスタ29にON信号が出力され(符号Φsj+m参照)、黒色画像信号が出力される。t5〜t7のタイミングで画像信号生成ユニット11から出力される画像信号は、第1出力部13を介して撮像装置10から出力される。
At the timing t7, an ON signal is output to the j + m column selection transistor 29 (see symbol Φ sj + m ), and a black image signal is output. The image signal output from the image
また、t7のタイミングでは、SH回路50にON信号が入力され、黒色画像信号がSH回路50にサンプルホールドされる。サンプルホールドされた黒色画像信号は、n+1行の画素の画像信号が第1出力部を介して出力される間、第2出力部14から出力される。なお、n行の画素の画像信号が第1出力部13を介して出力される間は、n−1行j+m列の黒色画素から生成された黒色画像信号が第2出力部14から出力される。
At the timing t7, the ON signal is input to the
次にt8のタイミングでは、n行の選択トランジスタ27にOFF信号が出力され、n行の画素の選択が解除される。また、t8のタイミングでは、n+1行のすべての画素の選択トランジスタ27にON信号が出力され(符号ΦSLn+1参照)、n+1行の画素が選択される。以後、n+1行の画素において、t1〜t8のタイミングの処理が行われる。さらに全行の画素について同様の動作が行われ、全画素の画像信号が撮像装置10から出力される。
Next, at the timing of t8, an OFF signal is output to the n-
以上のような構成である本実施形態を適用した撮像装置によれば、画像信号と画像信号の基準となる黒色画像信号の両者を同時に後段の信号処理部に供給することにより、伝送中に発生するノイズ成分を信号処理部で除去することが可能になる。また、後段の回路に送る前の画像信号にクランプ処理を行わないため、クランプ処理を行うためのクランプ回路で発生するノイズの混入を回避することが可能になる。 According to the imaging apparatus to which the present embodiment having the above-described configuration is applied, both an image signal and a black image signal serving as a reference of the image signal are simultaneously supplied to a subsequent signal processing unit, and thus generated during transmission. It is possible to remove the noise component to be removed by the signal processing unit. In addition, since the clamp process is not performed on the image signal before being sent to the subsequent circuit, it is possible to avoid mixing noise generated in the clamp circuit for performing the clamp process.
また、SH回路において、キャパシタを用いて黒色画像信号である信号電圧の取得期間中の平均値を伝送中のノイズ除去用の信号として用いるので、サンプル期間中の変動の影響が除去される。 In the SH circuit, since the average value during the acquisition period of the signal voltage, which is a black image signal, is used as a noise removal signal during transmission using the capacitor, the influence of fluctuations during the sampling period is eliminated.
次に本発明の第2の実施形態について説明する。本実施形態においては、CDS/SH回路のクランプキャパシタの基準となる電位及び第1SHキャパシタの基準となる電位が第1の実施形態と異なる。なお、第1の実施形態と同じ機能を有する部位は同じ符号をつけている。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the reference potential of the clamp capacitor of the CDS / SH circuit and the reference potential of the first SH capacitor are different from those of the first embodiment. In addition, the part which has the same function as 1st Embodiment attaches | subjects the same code | symbol.
図5は、本実施形態を適用した撮像装置100の概略構成を示す図である。画像信号生成ユニット110の撮像部200には、撮像領域PA、黒色検出領域BA、及び基準領域SAが設けられる。基準領域SAは基準画素21Sを有する。基準画素21SはCDS/SH回路400及びSH回路500に接続される。
FIG. 5 is a diagram illustrating a schematic configuration of the
撮像領域PA、黒色検出領域BA、TG12、及び第1、第2出力部13、14の構成及び機能は第1の実施形態と同じである。従って、第1出力部13からは、被写体画像信号及び黒色画像信号が出力される。第2出力部14からは、SH回路500にサンプルホールドされた黒色画像信号が出力される。
The configurations and functions of the imaging area PA, the black detection areas BA, TG12, and the first and
基準画素21S、CDS/SH回路400、及びSH回路500の構成について、図6を用いて説明する。基準画素21Sは、FD23S、リセットトランジスタ25S(第2リセット手段)、増幅トランジスタ26S、及び選択トランジスタ27Sによって構成される。
The configurations of the
増幅トランジスタ26Sの主電極は、電源線VDDと基準画素出力線31とに接続される。増幅トランジスタ26Sと基準画素出力線31との間は、選択トランジスタ27Sと定電流源Issを介して接地される。リセットトランジスタ25Sの主電極は、電源線VDDとFD23Sに接続され、FD23Sは増幅トランジスタ26Sの副電極に接続される。
The main electrode of the
リセットトランジスタ25Sの副電極と選択トランジスタ27Sの副電極とが、電源線VDDに接続される。すなわち、基準画素21Sは、PDと転送トランジスタが省かれ、リセットトランジスタの副電極と選択トランジスタの副電極とが電源線VDDに接続される点で撮像画素21Pと異なっている。
The sub electrode of the
なお、撮像部200の製造プロセスにおいて撮像画素21P、黒色画素21B、基準画素21Sは同時に形成される。基準画素21Sを構成するFD23S、リセットトランジスタ25S、増幅トランジスタ26S、及び選択トランジスタ27Sの特性は、撮像画素21P或いは黒色画素21Bを構成するFD23、リセットトランジスタ25、増幅トランジスタ26、及び選択トランジスタ27の特性と同じである。
Note that in the manufacturing process of the
以上のような基準画素21Sの構成により基準画素出力線31の電位は、リセットトランジスタ25Sと増幅トランジスタ26Sとを介した基準電位となる。基準電位は、撮像画素21Pまたは黒色画素21Bから出力されるリセット信号に相当するリセット電位と略等しく、リセット電位からリセットトランジスタ25をOFFにしたときに生じるリセットノイズを除去した電位と同じ電位である。また、黒色画像信号に相当する電位も基準電位と略等しくなる。
With the configuration of the
基準画素出力線31はクランプトランジスタ43を介してクランプキャパシタ41の一端に接続される。また、基準画素出力線31は第1SHキャパシタ52の一端に接続される。従って、クランプトランジスタ43をONにしたときのクランプキャパシタ41の基準となる電位、及び第1SHキャパシタ52の基準となる電位は、基準画素出力線31の電位である基準電位となる。
The reference
以上のような構成である本実施形態の撮像装置によれば、第1の実施形態の撮像装置と同じ効果が得られる。また、クランプキャパシタ41及び第1SHキャパシタ52の基準となる電位が基準電位となるため、クランプキャパシタ41によってリセット信号がクランプされるとき、或いはSH回路に黒色画素信号がサンプルホールドされるときにキャパシタ41、52の両端の電位差が小さく、動作開始時の過渡電流を低減させるとともに、動作速度を早くすることが可能になる。
According to the imaging device of the present embodiment having the above-described configuration, the same effect as that of the imaging device of the first embodiment can be obtained. Further, since the reference potential of the
なお、第1、第2の実施形態において画像信号生成ユニットがCMOS撮像素子、すなわちCMOS/LSI製造プロセスを元に製造された撮像素子であるが、TG、SH回路も一体的に集積させたCMOS撮像素子として得ることも可能である。このように一体的に単一のチップに集積させた撮像素子によれば、画像信号生成ユニット、TG、及びSH回路間に混入するノイズ成分を低減させることが可能であり、更に撮像装置全体の小型化を可能にする。 In the first and second embodiments, the image signal generation unit is a CMOS image sensor, that is, an image sensor manufactured based on a CMOS / LSI manufacturing process. However, a CMOS in which TG and SH circuits are also integrated. It can also be obtained as an image sensor. Thus, according to the imaging element integrated on a single chip, it is possible to reduce noise components mixed between the image signal generation unit, the TG, and the SH circuit, and further, Enables miniaturization.
次に第1の実施形態の変形例について説明する。第1の実施形態においては画像信号生成ユニットをCMOS撮像素子としたが、本変形例では画像信号生成ユニットにCCDが用いられる点で異なっている。 Next, a modification of the first embodiment will be described. In the first embodiment, the image signal generation unit is a CMOS image sensor, but this modification is different in that a CCD is used for the image signal generation unit.
図7は、本変形例における撮像装置101を示す図である。画像信号生成ユニット111は、撮像部201、CDS/SH回路401によって構成される。撮像部201はCCDイメージセンサである。なお、第1の実施形態と同じ機能を有する部位は同じ符号をつけている。
FIG. 7 is a diagram illustrating the
撮像部201の受光面には、撮像画素21Pと黒色画素21Bとがマトリックス状に配列される。画素が並ぶ列毎に垂直CCD32が設けられる。各垂直CCD32は、下端において水平CCD33に接続される。水平CCD33の出力端はFD231に接続される。
On the light receiving surface of the
撮像画素21PにはPDが設けられ、受光量に応じた電荷が発生し、発生した電荷が蓄積される。黒色画素21Bには撮像画素21PのPDと同じ特性を持ち、受光面が遮光されたPDが設けられる。撮像画素21PのPD及び黒色画素21BのPDで蓄積された電荷は、垂直CCD32及び水平CCD33を介してFD231に出力される。垂直CCD32及び水平CCD33はTG121から発せられる駆動パルスによって各画素からの電荷をFD231まで転送するように駆動される。
The
FD231は、リセットトランジスタ251を介して電源線VDDに接続される。リセットトランジスタ251にON信号が入力されるとき、FD231に転送された電荷は電源線VDDに掃出されてリセットされる。またFD231の電位は、電源線VDDの電位にリセットされる。
The
また、FD231は、増幅トランジスタ261の副電極に接続される。FD231の電位に応じた信号電圧が、画素信号としてCDS/SH回路401に出力される。FD231に電荷が転送されたときの画素信号である第1画素信号、或いはFD231がリセットされたときの画素信号であるリセット信号がCDS/SH回路401に出力される。
The
第1の実施形態と同様に第1画素信号とリセット信号とに基づいて画像信号が生成され、出力される。SH回路50、及び第1、第2出力部13、14の構成及び機能は第1の実施形態と同じである。以上のように第1の実施形態にCCDを用いることも可能であり、同じ効果を得ることが可能である。
As in the first embodiment, an image signal is generated and output based on the first pixel signal and the reset signal. The configurations and functions of the
また、第2の実施形態も第1の実施形態の変形例と同様に変形させることが可能である。図8に示すように基準画素211Sを設け、基準画素211Sによって作成される電位をクランプキャパシタ41の基準となる電位、及び第1SHキャパシタ52の基準となる電位とすることにより、第2の実施形態と同じ効果を得ることが可能になる。
Also, the second embodiment can be modified in the same manner as the modification of the first embodiment. As shown in FIG. 8, the
第2の変形例では、第1の変形例と同様に画像信号生成ユニットにCCDが用いられる点、及び基準画素の構成が第2の実施形態と異なっている。第2の変形例について図8を用いて説明する。なお、第1、第2の実施形態と同じ機能を有する部位は同じ符号をつけている。 The second modification is different from the second embodiment in that a CCD is used for the image signal generation unit and the configuration of the reference pixel is the same as in the first modification. A second modification will be described with reference to FIG. In addition, the part which has the same function as 1st, 2nd embodiment attaches | subjects the same code | symbol.
本変形例において、基準画素211Sは、FD231S、リセットトランジスタ251S、及び増幅トランジスタ261Sによって構成される。増幅トランジスタ261Sの主電極は、電源線VDDと基準画素出力線31とに接続される。また、基準画素出力線31に接続される増幅トランジスタ261Sの主電極は、定電流源Issを介して接地される。リセットトランジスタ251Sの主電極は、電源線VDDとFD231Sに接続され、FD231Sは増幅トランジスタ261Sの副電極とに接続される。
In this modification, the
リセットトランジスタ251Sの副電極が、電源線VDDに接続される。すなわち、基準画素211Sは、CCDにおける水平CCD33からCCDの出力端までの回路と同様の回路であって、リセットトランジスタ251Sの副電極が電源線VDDに接続される構成である。
A sub electrode of the
なお、撮像部201の製造プロセスにおいて、リセットトランジスタ251S、FD231S、増幅トランジスタ261S、は基準画素211Sと同時に一体的に形成される。基準画素211Sを構成するFD231S、リセットトランジスタ251S及び増幅トランジスタ261Sの特性はそれぞれ、水平CCD33に接続されるFD231、FD231に接続されるリセットトランジスタ251、及び撮像部201の出力端に接続される増幅トランジスタ261(図7参照)の特性と同じである。
In the manufacturing process of the
以上の基準画素211によって、第2の実施形態における基準画素21Dと同様にリセット電位と略同じ電位である基準電位が作成される。 With the reference pixel 211 described above, a reference potential that is substantially the same as the reset potential is created in the same manner as the reference pixel 21D in the second embodiment.
なお、第1、第2の実施形態においてCMOS撮像素子、変形例においてCCDを用いたがどのような撮像素子でもよく、被写体像を受光するための光電変換手段、遮光された光電変換手段、光電変換手段から出力される電荷を信号として出力する出力手段、出力される電荷をリセットしてリセットした状態における信号を出力手段に出力させるリセット手段を備える撮像素子であれば、これらの実施形態或いは変形例と同じ効果が得られる。 In the first and second embodiments, a CMOS image sensor and a CCD in the modification are used. However, any image sensor may be used. Photoelectric conversion means for receiving a subject image, light-shielded photoelectric conversion means, photoelectric Any of these embodiments or modifications as long as the image pickup device includes an output unit that outputs the charge output from the conversion unit as a signal and a reset unit that resets the output charge and outputs a signal in a reset state to the output unit. The same effect as the example is obtained.
なお、第1、第2の実施形態及び変形例では、CDS/SH回路において画像信号と黒色画像信号とを信号電圧としてサンプルホールドし、SH回路、第1、第2出力部に出力する構成であるが、信号電流などの他の形態の信号としてサンプルホールドなど行う構成であってもよい。 In the first and second embodiments and modifications, the CDS / SH circuit samples and holds the image signal and the black image signal as signal voltages, and outputs them to the SH circuit and the first and second output units. However, it may be configured to perform sample and hold as another form of signal such as a signal current.
なお、第1、第2の実施形態及び変形例では、SH回路にキャパシタを用いる構成であるが、黒色画像信号に相当する信号電圧の平均値をサンプルホールド可能である機器を用いてもよい。あるいは前述のように信号電圧でなく他の形態の信号としてSH回路にサンプルホールドする場合は、他の形態の信号の平均値をサンプルホールド可能である機器を用いれば、本実施形態及び本変形例の効果を有する。 In the first and second embodiments and the modifications, the capacitor is used in the SH circuit. However, a device that can sample and hold the average value of the signal voltage corresponding to the black image signal may be used. Alternatively, in the case where the signal is not sampled but is held in the SH circuit as another form of signal as described above, this embodiment and this modification can be used by using a device that can sample and hold the average value of the other form of signal. It has the effect of.
なお、第1、第2の実施形態及び変形例では、SH回路に黒色画像信号の平均値をサンプルホールドする構成であるが、平均値でなくてもよく、SH回路に取得される期間中の任意の1ポイントをサンプルホールドする構成であっても、または、ピークホールドする構成であっても、本発明の効果を十分に得ることが可能である。 In the first and second embodiments and the modification, the average value of the black image signal is sampled and held in the SH circuit. However, the average value may not be the average value, and the average value may be obtained during the period acquired by the SH circuit. Even if it is the structure which samples and holds arbitrary 1 points, or the structure which carries out peak hold, it is possible to fully obtain the effect of the present invention.
なお、第1、第2の実施形態及び変形例では、行毎に黒色画素を設ける構成であるが、単一の黒色画素を設け、黒色画像信号を出力させる構成であってもよい。 In the first and second embodiments and the modification, the black pixel is provided for each row. However, a single black pixel may be provided and a black image signal may be output.
また、第1、第2の実施形態において、撮像面における画素の配列はマトリックス状であるが、2次元状のいかなる配列であってもよい。 In the first and second embodiments, the pixel arrangement on the imaging surface is a matrix, but may be any two-dimensional arrangement.
10、100、101 撮像装置
11、110、111 画像信号生成ユニット
12、121 タイミングジェネレータ(TG)
13 第1出力部
14 第2出力部
21P 撮像画素
21B 黒色画素
21S、211S 基準画素
22 フォトダイオード(PD)
23、23S、231、231S フローティングディフュージョン(FD)
25、25S、251、251S リセットトランジスタ
26、26S、261、261S 増幅トランジスタ
40、400、401 相関2重サンプリング・サンプルホールド(CDS/SH)回路
41 クランプキャパシタ
42 第2サンプルホールド(SH)キャパシタ
43 クランプトランジスタ
44 サンプルホールド(SH)トランジスタ
50、500 サンプルホールド(SH)回路
51 SHスイッチ
52 第1サンプルホールド(SH)キャパシタ
60 信号処理部
61 差分出力回路
L1、L2 第1、第2線路
BA 黒色検出領域
PA 撮像領域
SA 基準領域
10, 100, 101
13
23, 23S, 231, 231S Floating diffusion (FD)
25, 25S, 251,
Claims (6)
前記第1光電変換手段と同一の特性を有し、受光面が遮光される第2光電変換手段と、
前記第1光電変換手段、及び/または第2光電変換手段において発生した電荷を受取り、受取った前記電荷に応じた第1信号を生成する第1信号生成手段と、
前記第1信号生成手段に受取られた電荷をリセットし、リセットされた状態におけるリセット信号を出力させる第1リセット手段と、
前記第1信号と前記リセット信号とに基づいて生成される画像信号をサンプルホールドする第1サンプリング手段と、
前記第2光電変換手段において発生した電荷に基づいて生成される前記画像信号である黒色画像信号を前記第1サンプリング手段から取得して、サンプルホールドする第2サンプリング手段と、
前記画像信号を出力するための第1出力手段と、
前記第1出力手段と同一の特性を有し、第2サンプリング手段にサンプルホールドされた前記黒色画像信号を出力するための第2出力手段とを備える
ことを特徴とする撮像装置。 First photoelectric conversion means for generating a charge corresponding to the amount of received light;
Second photoelectric conversion means having the same characteristics as the first photoelectric conversion means, wherein the light receiving surface is shielded;
First signal generation means for receiving a charge generated in the first photoelectric conversion means and / or the second photoelectric conversion means and generating a first signal corresponding to the received charge;
First reset means for resetting the charge received by the first signal generating means and outputting a reset signal in the reset state;
First sampling means for sample-holding an image signal generated based on the first signal and the reset signal;
A second sampling means for obtaining a black image signal, which is the image signal generated based on the electric charge generated in the second photoelectric conversion means, from the first sampling means, and for sample-holding;
First output means for outputting the image signal;
An image pickup apparatus comprising: second output means for outputting the black image signal having the same characteristics as the first output means and sampled and held by the second sampling means.
前記第1信号生成手段と同一の特性を有し、出力端が前記第2サンプリング手段の一端に接続される第2信号生成手段と、
前記第1リセット手段と同一の特性を有し、前記第2信号生成手段の入力端の電位を前記基準入力電位にセットする第2リセット手段とを備える
ことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 When reset by the first reset means, the potential at the output end of the first signal generating means changes to a reset potential corresponding to the reset signal according to a reference input potential that is the potential at the input end,
Second signal generating means having the same characteristics as the first signal generating means and having an output terminal connected to one end of the second sampling means;
The second reset means having the same characteristics as the first reset means and setting the potential of the input terminal of the second signal generating means to the reference input potential. Imaging device.
前記第1サンプリング手段の入力端に接続されるリセット信号保持手段と、
前記リセット信号保持手段の出力端と、前記第2信号生成手段の出力端との導通のON/OFFを切替える第1スイッチと、
前記リセット信号保持手段の出力端と、前記第1サンプリング手段の出力端との導通のON/OFFを切替える第2スイッチと、
前記第1サンプリング手段の出力端と前記第2スイッチとの間に設けられ、前記画像信号を保持するための画像信号保持手段とを備える
ことを特徴とする請求項4に記載の撮像装置。 The first sampling means comprises:
A reset signal holding means connected to an input terminal of the first sampling means;
A first switch for switching ON / OFF of conduction between the output terminal of the reset signal holding unit and the output terminal of the second signal generation unit;
A second switch for switching ON / OFF of conduction between the output terminal of the reset signal holding unit and the output terminal of the first sampling unit;
The imaging apparatus according to claim 4, further comprising an image signal holding unit that is provided between an output terminal of the first sampling unit and the second switch and holds the image signal.
The first and second photoelectric conversion means, the first and second signal generation means, the first and second reset means, and the first and second sampling means are integrated on a single chip. The imaging device according to claim 4.
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