JP2006203775A - Driving method of solid state imaging element and imaging device and system using imaging element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To carry out high-speed electronic shutter operation with no distortion of an image caused by reading-out scanning time without adding a circuit for total electronic shutter operation. <P>SOLUTION: The imaging device has an imaging element having a light receiving element for generating an optical charge according to the receiving amount and accumulating it and a storage unit for accumulating the optical charge temporarily, a first scanning means for carrying out charge storage initiation scan of the imaging element, a second scanning means for carrying out storage finish scanning of the imaging element by transferring the optical charge of the receiving unit to the storage unit, and a third scanning means for reading out the signal of the storage unit. The storage initiation is performed by the first scanning means, and after transfer finish is performed by the second scanning means, the read-out is performed by the third scanning means. In this case, the first scanning means and the second scanning means scan in a nonlinear way. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体撮像素子を用いた撮像装置およびシステムで、正確で高速なシャッタ動作を実現するための固体撮像素子の構成、駆動方法に関する。   The present invention relates to a configuration and a driving method of a solid-state imaging device for realizing an accurate and high-speed shutter operation in an imaging apparatus and system using the solid-state imaging device.

従来、撮像装置においては機械的な遮光部材であるシャッタを用いて撮像素子の露光時間を制御していた。この場合、短秒時の露光では、シャッタを非常に高速に動作させる必要があり、機械的な精度、制御が難しくなる。一部の撮像素装置においては、制御精度を向上させたフォーカルプレーンシャッタを用いている物もあるが、複雑な機構と、精度が要求され、コストが高くなってしまう。また、機械的なシャッタでは限界があり、さらなる高速シャッタを実現するためには、電子的なシャッタ動作が必要不可欠である。   Conventionally, in an imaging apparatus, an exposure time of an imaging element is controlled using a shutter that is a mechanical light shielding member. In this case, in the exposure at a short time, it is necessary to operate the shutter at a very high speed, and mechanical accuracy and control become difficult. Some image pickup devices use a focal plane shutter with improved control accuracy, but a complicated mechanism and accuracy are required, which increases costs. In addition, there is a limit to mechanical shutters, and electronic shutter operations are indispensable for realizing higher-speed shutters.

以下、従来のXYアドレス型の走査方法を採る撮像素子を用いた電子シャッタ動作について説明する。   Hereinafter, an electronic shutter operation using an image sensor employing a conventional XY address type scanning method will be described.

まず、画素毎に又はライン毎に画素に蓄積された不要電荷を除去する走査すなわちリセット走査を実行し、その後、一画素又はライン毎に、それぞれ所定の時間を経過してから信号電荷を読み出す走査を行う事で実現出来る事が知られている。このような電子シャッタを以下ローリング電子シャッタとよぶ。   First, a scan for removing unnecessary charges accumulated in a pixel for each pixel or line, that is, a reset scan is executed, and then a signal charge is read for each pixel or line after a predetermined time has elapsed. It is known that it can be realized by doing. Such an electronic shutter is hereinafter referred to as a rolling electronic shutter.

図1、図3を用いて従来の撮像素子の構造と駆動方法について述べ、ローリング電子シャッタ動作を説明する。   The structure and driving method of a conventional image sensor will be described with reference to FIGS. 1 and 3, and the rolling electronic shutter operation will be described.

図1はXYアドレス型の走査方法を採る撮像素子の構成を表したものである。101は単位画素である。102は光を電荷に変換するフォトダイオード(以下PDと表す)である。103は転送パルスφTXによってPDで発生した電荷を後述するFDに転送する転送スイッチである。104は電荷を一時的に蓄積しておく領域(以下FDと表す) であり、105はソースフォロアとして機能する増幅MOSアンプである。106は選択パルスφSELによって画素を選択する選択スイッチであり、107はリセットパルスφRESによってFDに蓄積された電荷を除去するリセットスイッチである。FD104、増幅MOSアンプ105、及び後述する定電流源109でフローティングディフュージョンアンプが構成され、選択スイッチ106で選択された画素の信号電荷が電圧に変換され信号出力線108を経て読み出し回路113に出力される。109は増幅MOSアンプ105の負荷となる定電流源である。   FIG. 1 shows the configuration of an image sensor that employs an XY address type scanning method. Reference numeral 101 denotes a unit pixel. Reference numeral 102 denotes a photodiode (hereinafter referred to as PD) that converts light into electric charge. Reference numeral 103 denotes a transfer switch that transfers charges generated in the PD by the transfer pulse φTX to an FD described later. Reference numeral 104 denotes a region for temporarily storing charges (hereinafter referred to as FD), and reference numeral 105 denotes an amplification MOS amplifier that functions as a source follower. Reference numeral 106 denotes a selection switch that selects a pixel by a selection pulse φSEL, and reference numeral 107 denotes a reset switch that removes charges accumulated in the FD by a reset pulse φRES. The FD 104, the amplification MOS amplifier 105, and a constant current source 109 described later constitute a floating diffusion amplifier, and the signal charge of the pixel selected by the selection switch 106 is converted into a voltage and output to the readout circuit 113 via the signal output line 108. The Reference numeral 109 denotes a constant current source serving as a load for the amplification MOS amplifier 105.

110は読み出し回路113から出力信号を選択する選択スイッチであり、水平走査回路114によって駆動される。また、112はスイッチ103、106、107を選択するための垂直走査回路である。   Reference numeral 110 denotes a selection switch that selects an output signal from the readout circuit 113 and is driven by the horizontal scanning circuit 114. Reference numeral 112 denotes a vertical scanning circuit for selecting the switches 103, 106, and 107.

φTX、φRES、φSELそれぞれにおいて垂直走査回路112によって走査選択されたn番目の走査ラインをφTXn、φRESn、φSELnとする。   The nth scanning line selected by the vertical scanning circuit 112 in each of φTX, φRES, and φSEL is defined as φTXn, φRESn, and φSELn.

図3はローリング電子シャッタ動作における駆動パルスと動作シーケンスを表したものである。なお図3では垂直走査回路112によって走査選択されたnラインからn+3ラインに関して記述している。   FIG. 3 shows a driving pulse and an operation sequence in the rolling electronic shutter operation. In FIG. 3, description is made with respect to n + 3 lines from n lines selected by the vertical scanning circuit 112.

ローリング電子シャッタ動作では、nラインにおいて、まず時刻t31からt32の間、φRESnとφTXnにパルスを印加され転送スイッチ103及びリセットスイッチ107をオンにし、nライン目のPD102とFD104に蓄積されている不用電荷を除去するリセット動作を行う。時刻t32で転送スイッチ103がオフになり、PDに発生した光電荷が蓄積される蓄積動作が始まる。次に時刻t34においてφTXnにパルスを印加され転送スイッチ103をオンにし、PD102に蓄積された光電荷をFD104に転送する転送動作を行う。なお、リセットスイッチ107は、転送動作に先んじてオフする必要があり、本図では、時刻t32で転送スイッチ103と同時にオフとなる。ここで、時刻t32から時刻t35までが蓄積時間となる。nライン目の転送動作終了後φSELnにパルスが印加され選択スイッチ106がオンする事により、FD104で保持した電荷が電圧に変換され、読み出し回路113に出力される。読み出し回路113で一時的に保持された信号が水平走査回路112によって時刻t36より順次出力される。時刻t34の転送開始から時刻t37の読み出し終了までをT3readとし、時刻t31から時刻t33までの時間をT3waitとする。他のラインにおいても同様に、転送開始から読み出し終了までの時間がT3readとなり、あるラインのリセット開始から次のラインのリセット開始までの間の時間がT3waitとなる。   In the rolling electronic shutter operation, at time n31 to time t31, first, pulses are applied to φRESn and φTXn to turn on transfer switch 103 and reset switch 107, and are stored in PD102 and FD104 on the nth line. A reset operation for removing charges is performed. At time t32, the transfer switch 103 is turned off, and an accumulation operation for accumulating the photocharge generated in the PD is started. Next, at time t <b> 34, a pulse is applied to φTXn to turn on the transfer switch 103, and a transfer operation for transferring the photocharge accumulated in the PD 102 to the FD 104 is performed. Note that the reset switch 107 needs to be turned off prior to the transfer operation, and in this figure, the reset switch 107 is turned off simultaneously with the transfer switch 103 at time t32. Here, the accumulation time is from time t32 to time t35. After the transfer operation for the nth line is completed, a pulse is applied to φSELn and the selection switch 106 is turned on, whereby the charge held in the FD 104 is converted into a voltage and output to the reading circuit 113. The signals temporarily held by the readout circuit 113 are sequentially output from the time t36 by the horizontal scanning circuit 112. The time from the start of transfer at time t34 to the end of reading at time t37 is T3read, and the time from time t31 to time t33 is T3wait. Similarly, in other lines, the time from the start of transfer to the end of reading is T3read, and the time from the start of resetting of one line to the start of resetting of the next line is T3wait.

図3の上段のシーケンスよりローリング電子シャッタは画面の上部と下部で蓄積時刻が画面の走査に要した時間だけずれるという問題がある。これは、あるラインのリセットおよび転送走査から次のラインのリセットおよび転送走査の時間T3waitがT3read以上の時間を設定しないといけないためである。このT3wait時間がT3read時間より短いと読み出し動作が完了していない画素の情報が次のラインの情報が読み出し回路に入り欠落してしまうためである。従って、高速に信号出力の読み出し走査ができないと、特に画素数が多い場合、このずれが大きくなってしまう。   From the upper sequence of FIG. 3, the rolling electronic shutter has a problem that the accumulation time is shifted by the time required for scanning the screen at the top and bottom of the screen. This is because the time T3wait from the reset and transfer scan of a line to the reset and transfer scan of the next line must be set to a time longer than T3read. This is because if the T3wait time is shorter than the T3read time, the information of the pixel for which the reading operation has not been completed enters the reading circuit and the information of the next line is lost. Therefore, if the readout scanning of the signal output cannot be performed at high speed, this deviation becomes large especially when the number of pixels is large.

また、特開2003−17677に記載されていているような、リセット動作および読み出し動作を一括で行うMOS型撮像素子も存在する。このような動作における各ラインのシーケンスを図4に示す。図4において、時刻t41から時刻t42にすべてのラインのリセット動作が同時に行われる。時刻t43から時刻t44までの転送動作も同時に行われる。このような電子シャッタを以下一括電子シャッタとよぶ。一括電子シャッタを行うと蓄積時間は全ラインでt42からt44までとなり、蓄積時刻が画面の上下でずれない電子シャッタが得られる。しかしながら、リセット動作、転送動作は一括で選択が行われ、読み出し動作は行毎に走査が行われるため、一括選択動作を実現するための回路が新たに必要となるので、チップ面積の増大にともないコストの上昇を招いてしまう。
特開2003−17677号公報
Further, there is a MOS type image pickup device that performs a reset operation and a read operation collectively as described in JP-A-2003-17677. A sequence of each line in such an operation is shown in FIG. In FIG. 4, the reset operation of all lines is performed simultaneously from time t41 to time t42. The transfer operation from time t43 to time t44 is also performed at the same time. Such an electronic shutter is hereinafter referred to as a batch electronic shutter. When the collective electronic shutter is performed, the accumulation time is from t42 to t44 for all lines, and an electronic shutter in which the accumulation time does not deviate up and down the screen is obtained. However, since the reset operation and the transfer operation are selected at once and the read operation is scanned for each row, a circuit for realizing the collective selection operation is newly required. The cost will increase.
JP 2003-17677 A

ところで電子シャッタで静止画を撮影する場合、電子シャッタでの蓄積終了後にメカニカルシャッタで遮光後に読み出しを行う場合が多い。これは、撮像素子で電子シャッタ動作を行った後も撮像素子面には光が当たっているため、その撮像素子にCCDを用いている場合、CCDのうち特にフレームトランスファー型CCDやインターラインの2フィールド読出し型のCCDを用いた場合、電荷の読出しは光を遮断した状態で行う必要があったからである。また、その他のCCDでもスミア(CCD画素からあふれた電荷が転送部に流れ込み、画面の上下方向に光が筋を引くように現れる現象)を積極的に防止して高画質化を追求するには、同様にCCDへの光を遮断して読出しを行う必要がある。   By the way, when a still image is taken with an electronic shutter, reading is often performed after light is shielded with a mechanical shutter after the accumulation with the electronic shutter is completed. This is because, even after the electronic shutter operation is performed by the image pickup device, the surface of the image pickup device is still exposed to light. Therefore, when a CCD is used as the image pickup device, the frame transfer type CCD or interline 2 among the CCDs is used. This is because, when a field readout type CCD is used, it is necessary to read out the charges in a state where light is blocked. In addition, in other CCDs as well, in order to pursue high image quality by actively preventing smears (a phenomenon in which charges overflowing from CCD pixels flow into the transfer section and light appears to pull up and down the screen) Similarly, it is necessary to read out the light while blocking the light to the CCD.

また、MOS型の撮像素子を用いる場合は、FDに光が漏れこむような撮像素子があると、FDにおいて光電子が発生してしまうので、転送後はメカニカルシャッタにより遮光しなければならない。   In addition, when a MOS type image pickup device is used, if there is an image pickup device in which light leaks into the FD, photoelectrons are generated in the FD. Therefore, after transfer, the image must be shielded by a mechanical shutter.

ここで、メカニカルなフォーカルプレーンシャッタを用いて一括電子シャッタを用いる場合にシャッタの走査時間がメカニカルシャッタと一括電子シャッタで異なるのでメカニカルシャッタの走査方向に蓄積部での露光むらが発生してしまう。   Here, when a collective electronic shutter is used using a mechanical focal plane shutter, the scanning time of the shutter is different between the mechanical shutter and the collective electronic shutter, so that uneven exposure occurs in the storage unit in the scanning direction of the mechanical shutter.

そこで本発明では、一括電子シャッタ動作のための回路を付加する事なく読み出し走査にかかる時間による画像のゆがみのない高速電子シャッタを行うことを課題とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a high-speed electronic shutter that does not distort an image due to the time required for readout scanning without adding a circuit for batch electronic shutter operation.

メカニカルシャッタは本来リニアに動くことが理想であるが、どうしても動き始めは遅く、徐々に早くなるという性質を持っている。   Although it is ideal that the mechanical shutter should move linearly, the mechanical shutter has the property that the movement starts slowly and gradually becomes faster.

この動きと同様なセンサー駆動を行うと、ラインによってパルスが重なったり重ならなかったりすることで、ラインごとに信号のオフセットが変化したりすることで、帯状のノイズになることとなる。   When sensor driving similar to this movement is performed, the pulse may or may not overlap depending on the line, and the offset of the signal changes for each line, resulting in belt-like noise.

周期性があれば、すべてのラインで同様なオフセットが発生するため、画像としては問題が発生しない。   If there is periodicity, the same offset occurs in all the lines, so there is no problem as an image.

パルスの周期性がなくなるために、パルスのオーバーラップ量が変化し固定パターンの発生要因となる。   Since the periodicity of the pulse is lost, the overlap amount of the pulse changes and becomes a factor for generating a fixed pattern.

また、同時に駆動するラインの本数が異なると、多い時には駆動能力が足りなくなり固定パターンノイズの発生の可能性が生じる。   Also, if the number of lines that are driven simultaneously is different, the driving capability becomes insufficient when the number of lines is large, and there is a possibility of occurrence of fixed pattern noise.

上記課題を解決するために、本発明は、受光量に応じて光電荷を発生し蓄積する受光部と受光部の光電荷を一時的に蓄える蓄積部を有する撮像素子および、前記撮像素子の電荷蓄積開始走査を行う第1の走査手段と、受光部の光電荷を蓄積部に転送する事で前記撮像素子の蓄積終了走査を行う第2の走査手段と、前記蓄積部の信号を読み出す第3の走査手段を有する撮像装置において、第1の走査手段により行または列を順次蓄積開始し、第2の走査手段により転送終了した行または列より順次、第3の走査手段により読み出しを行う事を特徴とする。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides a light receiving unit that generates and accumulates photocharges according to the amount of received light, and an image pickup device having a storage unit that temporarily stores the light charges of the light receiving unit, and the charge of the image pickup device A first scanning unit that performs accumulation start scanning; a second scanning unit that performs accumulation end scanning of the image sensor by transferring photocharges of the light receiving unit to the accumulation unit; and a third unit that reads out signals from the accumulation unit. In the imaging apparatus having the scanning means, the first scanning means sequentially starts to accumulate rows or columns, and the third scanning means sequentially reads out the rows or columns that have been transferred by the second scanning means. Features.

また、上記撮像装置において、前記第1の走査手段および第2の走査手段は複数行または複数列を同時に走査することが可能である事を特徴とする。   In the imaging apparatus, the first scanning unit and the second scanning unit can simultaneously scan a plurality of rows or a plurality of columns.

また、上記撮像装置において、読み出し終了後にメカニカルシャッタを第1の走査手段および第2の走査手段と同じ方向に走査するメカニカルシャッタを有する事を特徴とする撮像装置。   In the imaging apparatus, the imaging apparatus further comprises a mechanical shutter that scans the mechanical shutter in the same direction as the first scanning unit and the second scanning unit after completion of reading.

また、上記撮像装置において、前記第1の走査手段および第2の走査手段の走査時間とメカニカルシャッタの走査時間を合わせてある事を特徴とする撮像装置
ノンリニアの場合、パルスの周期性がなくなった場合であっても、パルスのオーバーラップがないようにすることで、固定パターンの発生要因となることを排除している。
Further, in the above imaging apparatus, in the case of the imaging apparatus nonlinear, characterized in that the scanning time of the first scanning means and the second scanning means is combined with the scanning time of the mechanical shutter, the periodicity of the pulse is lost. Even in such a case, the occurrence of a fixed pattern is eliminated by avoiding the overlap of pulses.

また、同時駆動のライン数に応じてパルスの幅を調整することで、ドライブ能力による特性のばらつきを改善している。   In addition, by adjusting the pulse width according to the number of lines that are driven simultaneously, variation in characteristics due to drive capability is improved.

チップ面積増大が伴わない高速電子シャッタ動作を実現し、転送後にメカニカルシャッタで遮光することで、より精度の高い露出を得ている。   A high-speed electronic shutter operation without increasing the chip area is realized, and light is shielded by a mechanical shutter after transfer, thereby obtaining a more accurate exposure.

このとき、ノンリニアなメカニカルシャッタにおいても、第1の走査手段および第2の走査手段のタイミングをノンリニアに合わせることで転送後の露出むらのない静止画撮影が可能とし、このとき各パルスがオーバーラップしないようにすることで、帯状のノイズ発生しないようにしている。   At this time, even with a non-linear mechanical shutter, the timing of the first scanning means and the second scanning means can be adjusted to be non-linear so that still images can be taken without exposure unevenness after transfer. By doing so, no band-like noise is generated.

また、同時駆動のライン数が異なることで駆動負荷が異なりパルスの実際のゲートででの波形に差が生じることになるが、パルスの幅を調整することで、特性のばらつき、固定パターンノイズを排除可能にしている。   In addition, the drive load differs due to the difference in the number of lines that are driven simultaneously, resulting in a difference in the waveform at the actual gate of the pulse, but by adjusting the pulse width, variations in characteristics and fixed pattern noise are reduced. It can be eliminated.

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は撮像素子を示したものである。101は単位画素を表す。102は光を電荷に変換するフォトダイオード(以下PDと表す)である。104は電荷を一時的に蓄積しておく蓄積領域(以下FDと表す)であり、103はPDで発生した電荷を転送パルスφTXによってFDに転送する転送スイッチである。105はソースフォロアとして機能する増幅MOSアンプである。107はリセットパルスφRESによってFDをリセットするリセットスイッチである。106は選択パルスφSELによって画素を選択する選択スイッチであり、選択された画素信号が信号出力線108にて読み出し回路113に転送される。読み出し回路113では転送された画素信号を保持する機能を持つ。109は負荷電流源である。110は読み出し回路で保持された出力信号を選択する選択スイッチであり、水平走査回路114によって順次選択される。また、112はスイッチ103、106、107を選択するための垂直走査回路である。水平走査回路114によって選択された画素信号は出力アンプ111で増幅され出力される。φTX、φRES、φSELそれぞれにおいてn番目の走査ラインをφTXn、φRESn、φSELnとする。ここでは、簡単のため単位画素が行4×列4で構成された撮像素子を示しているが、画素数を行4×4に限ることではない。   FIG. 1 shows an image sensor. 101 represents a unit pixel. Reference numeral 102 denotes a photodiode (hereinafter referred to as PD) that converts light into electric charge. Reference numeral 104 denotes an accumulation region (hereinafter referred to as FD) for temporarily accumulating charges, and reference numeral 103 denotes a transfer switch for transferring charges generated in the PD to the FD by a transfer pulse φTX. Reference numeral 105 denotes an amplification MOS amplifier that functions as a source follower. Reference numeral 107 denotes a reset switch that resets the FD by a reset pulse φRES. Reference numeral 106 denotes a selection switch that selects a pixel by a selection pulse φSEL, and the selected pixel signal is transferred to the readout circuit 113 through the signal output line 108. The readout circuit 113 has a function of holding the transferred pixel signal. Reference numeral 109 denotes a load current source. Reference numeral 110 denotes a selection switch for selecting an output signal held by the readout circuit, which is sequentially selected by the horizontal scanning circuit 114. Reference numeral 112 denotes a vertical scanning circuit for selecting the switches 103, 106, and 107. The pixel signal selected by the horizontal scanning circuit 114 is amplified by the output amplifier 111 and output. In each of φTX, φRES, and φSEL, the nth scan line is set to φTXn, φRESn, and φSELn. Here, for the sake of simplicity, an image sensor in which the unit pixel is composed of 4 × 4 rows is shown, but the number of pixels is not limited to 4 × 4.

図5は本発明の実施の形態における駆動方法と動作シーケンスを示したものである。まず時刻t51からt52までφRESnとφTXnにパルスを印加することによって、スイッチ107と103をオンにし、nライン目のPD102とFD104をリセットするリセット動作を行う。時刻t52よりnライン目のPDに光電荷が発生する蓄積動作が始まりt53に最終ラインまでのリセット動作が完了する。時刻t54からt55においてφTXnにパルスを印加してスイッチ103をオンにし、PD102で溜まった光電荷をFD104に転送する転送動作を行う。時刻t52から時刻t54までがnライン目の蓄積時間となる。N+1ライン目以降の転送動作についてはt55以降の時刻に順次行われ、時刻t57ですべてのラインの転送が完了する。ここで、Nライン目の転送動作終了後、時刻t56にφSELnにパルスが印加されスイッチ106がオンする事により、104で保持した電荷が105によって電圧に変換され、読み出し回路113に読み出される。読み出し回路113で一時的に保持された信号が水平走査回路112によって時刻15より順次出力される。n+1ライン目の読み出しは時刻t58以降に行われる。   FIG. 5 shows a driving method and an operation sequence in the embodiment of the present invention. First, by applying a pulse to φRESn and φTXn from time t51 to t52, switches 107 and 103 are turned on, and a reset operation is performed to reset PD102 and FD104 on the nth line. From time t52, an accumulation operation in which photoelectric charges are generated in the PD on the n-th line starts, and the reset operation up to the final line is completed at t53. From time t54 to t55, a pulse is applied to φTXn to turn on the switch 103, and a transfer operation for transferring the photocharge accumulated in the PD 102 to the FD 104 is performed. The accumulation time from the time t52 to the time t54 is the nth line accumulation time. The transfer operation from the (N + 1) th line is sequentially performed at time after t55, and transfer of all lines is completed at time t57. Here, after the transfer operation for the Nth line is completed, a pulse is applied to φSELn at time t56 and the switch 106 is turned on, whereby the charge held at 104 is converted into a voltage by 105 and read out to the reading circuit 113. The signals temporarily held in the reading circuit 113 are sequentially output from the time 15 by the horizontal scanning circuit 112. Reading of the (n + 1) th line is performed after time t58.

なお、図4において時刻t53とt54の前後関係とt56とt57の前後関係は逆であってもよい。   In FIG. 4, the anteroposterior relationship between times t53 and t54 and the anteroposterior relationship between t56 and t57 may be reversed.

上記駆動方法によってあるラインの走査開始から次のラインの走査開始までの時間が読み出し時間に依存せず決定できるため、ローリング電子シャッタによる画像の歪みを低減することができる。   Since the time from the start of scanning of one line to the start of scanning of the next line can be determined by the above driving method without depending on the readout time, image distortion due to the rolling electronic shutter can be reduced.

図2に基づいて、上記で説明した実施の撮像素子の駆動方法を撮像装置であるデジタルカメラに適用した場合の一実施例について詳述する。   Based on FIG. 2, an embodiment in the case where the above-described driving method of the imaging element is applied to a digital camera which is an imaging apparatus will be described in detail.

図2において、201は被写体の光学像を撮像素子203に結像させるレンズ部で、レンズ駆動装置202によってズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などがおこなわれる。203はシャッタでいわゆる一眼レフカメラに使用されるフォーカルプレーン型のシャッタの後幕に相当するシャッタ幕を有するシャッタ手段であり、シャッタ制御手段204によって制御される。205はレンズ部201で結像された被写体を画像信号として取り込むための撮像素子、206は固体撮像素子204より出力される画像信号の増幅や、アナログーディジタル変換を行うA/D変換、A/D変換後の画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する撮像信号処理回路である。207は固体撮像素子205、撮像信号処理回路206に、各種タイミング信号を出力する駆動手段であるタイミング発生回路、209は各種演算と撮像装置全体を制御する制御回路、208は画像データを一時的に記憶する為のメモリ、210は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース、211は画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、212は外部コンピュータ等と通信する為のインターフェースである。   In FIG. 2, reference numeral 201 denotes a lens unit that forms an optical image of a subject on the image sensor 203, and zoom control, focus control, aperture control, and the like are performed by the lens driving device 202. A shutter unit 203 has a shutter curtain corresponding to the rear curtain of a focal plane type shutter used in a so-called single-lens reflex camera, and is controlled by a shutter control unit 204. Reference numeral 205 denotes an image pickup device for capturing an object imaged by the lens unit 201 as an image signal, and 206 denotes an A / D conversion for performing amplification of an image signal output from the solid-state image pickup device 204 or analog-digital conversion, and A / This is an imaging signal processing circuit that performs various corrections on the image data after D conversion and compresses the data. Reference numeral 207 denotes a solid-state imaging device 205, a timing generation circuit that is a driving unit that outputs various timing signals to the imaging signal processing circuit 206, 209 a control circuit that controls various operations and the entire imaging apparatus, and 208 temporarily stores image data. Memory for storing, 210 an interface for recording or reading on a recording medium, 211 a removable recording medium such as a semiconductor memory for recording or reading image data, and 212 communicating with an external computer or the like Interface.

次に、前述の構成における撮影時のデジタルカメラの動作について説明する。   Next, the operation of the digital camera at the time of shooting in the above configuration will be described.

メイン電源がオンされると、コントロール系の電源がオンし、更に撮像信号処理回路204などの撮像系回路の電源がオンされる。   When the main power supply is turned on, the power supply for the control system is turned on, and the power supply for the image pickup system circuit such as the image pickup signal processing circuit 204 is turned on.

それから、図示しないレリーズボタンが押されると、露光量を制御する為に、制御回路206は測光装置213で測光を行って明るさを判断し、その結果に応じてレンズ駆動装置は光学系の絞りを制御する。   Then, when a release button (not shown) is pressed, in order to control the exposure amount, the control circuit 206 performs photometry with the photometry device 213 to determine the brightness, and the lens driving device determines the aperture of the optical system according to the result. To control.

次に、測距装置214から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を制御回路206で行う。その後、レンズ駆動装置202によりレンズ部を駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズ部を駆動し測距を行う。   Next, based on the signal output from the distance measuring device 214, a high frequency component is extracted and the distance to the subject is calculated by the control circuit 206. Thereafter, the lens driving device 202 drives the lens unit to determine whether or not it is in focus. When it is determined that the lens unit is not in focus, the lens unit is driven again to perform distance measurement.

そして、合焦が確認された後に撮影動作が開始する。   Then, after the in-focus state is confirmed, the photographing operation starts.

撮影動作のシーケンスを図6に基づいて説明する。まず撮像素子のリセット開始が行われる。リセット開始されると、リセット動作の走査が撮像素子のライン方向に順次行われる。その後、一定の蓄積時間T61後に転送開始が行われる。転送開始が行われると電荷の転送動作が撮像素子のライン方向に順次行われる。その後、電荷の読み出しが開始されるが、電荷の読み出し中に撮像素子が露光するのを防ぐためにメカニカルなシャッタを走査する。メカニカルシャッタの走査方向は撮像素子の走査方向と同じとすることで、蓄積後露光時間T62の撮像素子上の差を低減できる。このメカニカルシャッタは蓄積時間を規定するために設けられるのではなく、蓄積時間は撮像素子で規定される。リセット走査と転送動作は撮像素子での電子シャッタなので、時間T61は撮像素子の上下で大きく異なることなく、精度の高いシャッタ動作が可能となる。電荷転送後に撮像素子の遮光を行うために用いられるので、通常の一眼レフカメラタイプのいわゆる先幕と後幕の2枚羽根タイプのものでもよいが、後幕のみの1枚羽根タイプのものでもよい。1枚羽根タイプのものでは、従来の2枚羽根タイプのフォーカルプレーンシャッタに比べてシャッタユニットの厚さを薄くすることが可能となり、スペース的に有利となる。   A sequence of photographing operations will be described with reference to FIG. First, resetting of the image sensor is started. When the reset is started, scanning of the reset operation is sequentially performed in the line direction of the image sensor. Thereafter, transfer is started after a certain accumulation time T61. When the transfer is started, the charge transfer operation is sequentially performed in the line direction of the image sensor. Thereafter, reading of charges is started, but a mechanical shutter is scanned to prevent the image sensor from being exposed during the reading of charges. By making the scanning direction of the mechanical shutter the same as the scanning direction of the image sensor, the difference on the image sensor in the post-accumulation exposure time T62 can be reduced. This mechanical shutter is not provided to define the accumulation time, but the accumulation time is defined by the image sensor. Since the reset scanning and the transfer operation are electronic shutters in the image sensor, the time T61 is not significantly different between the upper and lower sides of the image sensor, and a highly accurate shutter operation is possible. Since it is used to shield the image sensor after the charge transfer, it may be a conventional single-lens reflex camera type, so-called front and rear curtain two-blade type, or a single-blade type with only the rear curtain. Good. In the single blade type, the thickness of the shutter unit can be reduced as compared with the conventional two-blade type focal plane shutter, which is advantageous in terms of space.

さらに、メカニカルシャッタは撮像素子上を走査するときに、その走査時間にばらつきがあるのでメカニカルシャッタの走査時間と撮像素子の走査時間をほぼ同じにすることで、この差はより低減できる。   Furthermore, since the scanning time of the mechanical shutter varies when the image sensor is scanned, this difference can be further reduced by making the scanning time of the mechanical shutter substantially the same as the scanning time of the image sensor.

撮影動作が終了すると、固体撮像素子204から出力された画像信号は撮影信号処理回路206で増幅、A/D変換などの処理をされ、制御回路209によりメモリに書き込まれる。   When the photographing operation is completed, the image signal output from the solid-state imaging device 204 is subjected to processing such as amplification and A / D conversion by the photographing signal processing circuit 206 and written to the memory by the control circuit 209.

その後、メモリ208に蓄積されたデータは、制御回路209の制御により記録媒体制御I/F部210を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体211に記録される。   Thereafter, the data stored in the memory 208 is recorded on a removable recording medium 211 such as a semiconductor memory through the recording medium control I / F unit 210 under the control of the control circuit 209.

また、外部I/F部213を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。   Further, the image may be processed by directly inputting to a computer or the like through the external I / F unit 213.

また、上記撮像素子で時間T62でPDが飽和するような被写体からの光量が多い場合には、PDで発生した電荷がFDにもれこんでしまうが、これは特開2000−260971のような余った電荷をはき捨てる機能のある撮像素子を使用することで防ぐことが可能である。   In addition, when the image pickup device has a large amount of light from the subject whose PD is saturated at time T62, the charge generated in the PD leaks into the FD. This can be prevented by using an image sensor having a function of discarding surplus charges.

また、上記撮像素子では垂直走査回路は図7のタイミングチャートに示す一段ずつシフトする垂直走査回路を用いたが、図8のタイミングチャートに示す走査動作をブロック分割で行える走査回路を用いることで、さらに高速で歪みの少ない電子シャッタを実現してもよい。   In the imaging device, the vertical scanning circuit that shifts by one stage shown in the timing chart of FIG. 7 is used as the vertical scanning circuit, but by using a scanning circuit that can perform the scanning operation shown in the timing chart of FIG. Furthermore, an electronic shutter with high speed and less distortion may be realized.

図9はノンリニアで作動するメカニカルシャッタに対応した、垂直走回路のタイミングチャートを示している。   FIG. 9 shows a timing chart of a vertical running circuit corresponding to a mechanical shutter that operates nonlinearly.

図10は、ノンリニアなメカニカルシャッタを使ったときの撮影シーケンスを示しており、図6の動作と同様である。   FIG. 10 shows a photographing sequence when a non-linear mechanical shutter is used, and is the same as the operation of FIG.

図9において、図8と異なるのは同時に駆動されるライン数が一定ではなく徐々に増えている点である。   9 differs from FIG. 8 in that the number of lines driven simultaneously is not constant but gradually increases.

ここで、駆動する本数が異なっても、ライン間でパルスは一致しているか、オーバーラップしていないことが重要である。オーバーラップすると走査中に他の走査パルスがノイズとして入ってくる可能性がある。リニアに駆動されているときは全てのラインに同様なノイズが乗ってキャンセルされるが、ノンリニアの場合はキャンセルされずに残ることとなる。   Here, it is important that the pulses match or do not overlap even if the number of driven lines is different. If they overlap, another scanning pulse may come in as noise during scanning. When driving linearly, the same noise is applied to all lines and canceled, but in the case of non-linear driving, they remain without being canceled.

また、同時に駆動する本数が異なっているために、ドライブ能力不足から負荷の差による固定パターンの発生を抑えるためにパルスの時間を長くして余裕を持たせてある。   Further, since the number of simultaneously driven lines is different, the pulse time is lengthened in order to suppress the occurrence of a fixed pattern due to a load difference due to insufficient drive capability.

図9では、一律パルスの時間を長くしているが、同時に駆動する本数に応じて時間を可変させてもよい。   In FIG. 9, the time of the uniform pulse is lengthened, but the time may be varied according to the number of simultaneously driven pulses.

また、これまで第一と第二の走査手段各々について説明をしてきたが、第一と第二が時間的にオーバーラップする場合においては、第一と第二のパルスがオーバーラップしないようにすることは言うまでも無い。   Further, the first and second scanning means have been described so far, but when the first and second are overlapped in time, the first and second pulses are not overlapped. Needless to say.

本発明の実施の形態の撮像装置に用いられる撮像素子。An image sensor used in the image pickup apparatus according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態の撮像装置。The imaging device of embodiment of this invention. 従来の駆動方法のタイミングチャート。The timing chart of the conventional drive method. 従来の駆動方法のタイミングチャート。The timing chart of the conventional drive method. 駆動方法のタイミングチャート。A timing chart of a driving method. 撮影動作のタイミングチャート。Timing chart of shooting operation. 順次走査の走査回路のタイミングチャート。6 is a timing chart of a scanning circuit for sequential scanning. ブロック分割の走査回路のタイミングチャート。The timing chart of the scanning circuit of a block division. ノンリニアな走査回路のタイミングチャート。The timing chart of a non-linear scanning circuit. ノンリニアな撮影動作のタイミングチャート。Non-linear shooting operation timing chart.

符号の説明Explanation of symbols

101 単位画素
102 フォトダイオード
103 転送スイッチ
104 蓄積領域
105 増幅MOSアンプ
106 選択スイッチ
107 リセットスイッチ
108 信号出力線
109 負荷電流源
110 水平選択スイッチ
111 出力アンプ
112 垂直走査回路
113 読み出し回路
114 水平走査回路
201 レンズ部
202 レンズ駆動装置
203 シャッタ
204 シャッタ駆動装置
205 撮像素子
206 撮像信号処理回路
207 タイミング発生部
208 メモリ部
209 全体制御・演算部
210 記録媒体制御I/F部
211 記録媒体
212 外部I/F部
213 測光装置
214 測距装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Unit pixel 102 Photodiode 103 Transfer switch 104 Storage area 105 Amplification MOS amplifier 106 Selection switch 107 Reset switch 108 Signal output line 109 Load current source 110 Horizontal selection switch 111 Output amplifier 112 Vertical scanning circuit 113 Reading circuit 114 Horizontal scanning circuit 201 Lens Unit 202 Lens driving device 203 Shutter 204 Shutter driving device 205 Imaging device 206 Imaging signal processing circuit 207 Timing generation unit 208 Memory unit 209 Overall control / calculation unit 210 Recording medium control I / F unit 211 Recording medium 212 External I / F unit 213 Photometry device 214 Distance measurement device

Claims (5)

受光量に応じて光電荷を発生し蓄積する受光部と受光部の光電荷を一時的に蓄える蓄積部を有する撮像素子および、前記撮像素子の電荷蓄積開始走査を行う第1の走査手段と、
受光部の光電荷を蓄積部に転送する事で前記撮像素子の蓄積終了走査を行う第2の走査手段と、
前記蓄積部の信号を読み出す第3の走査手段を有し、
第1の走査手段により蓄積開始し、第2の走査手段により転送終了した後、第3の走査手段により読み出しを行う装置において
第1の走査手段および第2の走査手段は、ノンリニアに走査することを特徴とする。
An image sensor having a light receiving unit that generates and accumulates photocharge according to the amount of received light and a storage unit that temporarily stores the photocharge of the light receiving unit, and a first scanning unit that performs a charge accumulation start scan of the image sensor;
A second scanning means for performing an accumulation end scan of the image pickup device by transferring the photocharge of the light receiving unit to the accumulation unit;
A third scanning unit for reading out signals from the storage unit;
In the apparatus in which accumulation is started by the first scanning unit and transfer is completed by the second scanning unit, and then reading is performed by the third scanning unit, the first scanning unit and the second scanning unit scan non-linearly. It is characterized by.
請求項1の撮像装置において、前記第1の走査手段および第2の走査手段は複数行または複数列を同時に走査することが可能である事を特徴とする撮像装置。   2. The imaging apparatus according to claim 1, wherein the first scanning unit and the second scanning unit can simultaneously scan a plurality of rows or a plurality of columns. 請求項1の撮像装置において、第2の走査手段と同じ方向に走査するメカニカルシャッタを有する事を特徴とする撮像装置。   2. The imaging apparatus according to claim 1, further comprising a mechanical shutter that scans in the same direction as the second scanning unit. 請求項2の撮像装置において、第1の走査手段および第2の走査手段のノンリニア走査は、パルスが相互に干渉しないように制御することを特徴とする。   3. The imaging apparatus according to claim 2, wherein the non-linear scanning of the first scanning unit and the second scanning unit is controlled so that the pulses do not interfere with each other. 請求項2において、同時走査のラインが多いときにはパルスの幅を調整することを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, the pulse width is adjusted when there are many lines for simultaneous scanning.
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