JP2008259179A - 固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents

固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 列毎にAD変換回路を有し、デジタル化した信号を演算処理する固体撮像装置において、
水平間引き動作を行い、複数のレジスタ回路にそれぞれ保持される信号で演算を行うと、間引かれる、すなわち読み出されない列のAD変換器及びレジスタ回路は動作に関与しない状態になり、回路の利用効率の面で検討の余地があった。
【解決手段】 ある列のレジスタ回路と、異なる列のレジスタ回路とを接続する手段を設ける。
【選択図】 図1

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特に、列毎にAD変換回路を有し、得られた複数のデジタル信号に演算処理を施すことを特徴とした固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法に関する。
従来の固体撮像装置においては、動画などの高速動作を必要とする用途では、行列状に配列された画素のうち、例えば各画素で入射光を変換したアナログ電気信号を1列おきに読み出す、いわゆる水平間引き読み出し(以下、水平間引き動作と同義)が知られている。
また、AD変換回路を画素の列毎に設け、デジタル化した信号を演算処理することが特許文献1に開示されている。具体的には、1画素列あたり2つのレジスタ回路を設け、同一画素の2つの異なる信号レベルを記憶した後、デジタル領域で両者の差分を演算するイメージセンサについての記載がある。
特開2006−025189号公報
上述の特許文献1に開示されるような回路構成で水平間引き動作を行い、複数のレジスタ回路にそれぞれ保持される信号で演算を行うと、間引かれる、すなわち読み出されない列のAD変換器及びレジスタ回路は動作に関与しない状態になる。これは、回路の利用効率の面で検討の余地がある。
上記課題を解決するための本発明は、各々が入射光をアナログ電気信号に変換して出力する、行列状に配列された複数の画素と、前記複数の画素の各列に設けられ、前記画素からのアナログ電気信号をデジタル信号に変換し、該デジタル信号を出力端子から出力するAD変換器と、前記複数の画素の各列に設けられ、前記AD変換器の前記出力端子から出力された前記デジタル信号を入力端子に受けて、該デジタル信号を保持するレジスタ回路と、前記AD変換器の出力端子と、該AD変換器とは異なる前記複数の画素の列に設けられた前記レジスタ回路の入力端子とを接続する、または、前記レジスタ回路の出力端子と、該レジスタ回路とは異なる前記複数の画素の列に設けられた前記レジスタ回路の入力端子とを接続する接続手段と、を有し、前記レジスタ回路の各々は、同一の前記画素を選択している同一期間において取得した、前記同一の前記画素の前記光電変換素子から溢れた電荷に基づくデジタル信号と、前記光電変換素子から溢れなかった電荷に基づくデジタル信号と、を保持することを特徴とする固体撮像装置である。
本発明によれば、水平間引き動作を行い、複数のレジスタ回路に保持されるデジタル信号を用いて演算を行う場合でも、動作に関与しないレジスタ回路の数を低減でき、回路の利用効率を向上させることができる。
以下では、本発明に係る実施の形態を説明する。
最初に本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の回路構成を説明する。次に、水平間引き動作において、読み出す列のレジスタ回路に保持されたデジタル信号を、読み出さない列のレジスタ回路に転送して、同列の異なる行の画素に基づく複数のデジタル信号に演算処理を施す動作を説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置を表すブロック図である。画素部100には、その各々が入射光を電荷に変換する光電変換素子を含み、アナログ電気信号として出力する画素103が行列状に水平6画素、垂直4画素で配列されている。一行を構成する画素103は行選択線104で共通に垂直走査回路101と接続されており、選択された行選択線104に接続された6画素が同時に選択される。行選択信号をPv1からPv4まで順次ハイにすることで1行目から4行目までの画素を順次選択する。
行選択線104によって選択された行の画素から出力されるアナログ電気信号は、一列の画素が共通に接続される垂直出力線105を介して、1列ごとに設けられたCDS(Correlated Double Sampling)回路114に入力される。CDS回路114は、アナログ電気信号に含まれるノイズレベルと、信号レベルとの差分処理を行うことでノイズキャンセルを行う。図1では垂直出力線105が直接CDS回路に接続されているが、画素部100と、CDS114との間に、画素からのアナログ電気信号を増幅するための増幅器を接続し、アナログ電気信号に重畳されるノイズ成分の影響を低減してもよい。ノイズキャンセルされた各列のアナログ電気信号は、1列毎に設けられているAD変換器(ADC)106に入力される。ADC106に入力されたアナログ電気信号は、デジタル信号へと変換される。デジタル信号は、AD変換器の出力端子から出力され、画素の1列毎に設けられたレジスタ回路107はこれを入力端子に受けて保持する。
レジスタ回路107に保持されたデジタル信号は、水平走査回路102でレジスタ回路107を適宜選択することでレジスタ回路107の出力端子から水平出力線に出力される。例えば、水平走査回路102が列選択信号をPh14、Ph24、・・・の順番でハイに遷移させると、各レジスタ回路に保持されているデジタル信号は、レジスタ回路1乃至レジスタ回路6から水平出力線112に順次出力される。水平出力線112に出力されたデジタル信号は、セレクタ110を介して出力される。
また、水平走査回路102は、列選択信号Ph15、Ph25、・・・の順番でハイにすることで、レジスタ回路1乃至6の各々に保持されたデジタル信号を順次水平出力線113に出力させる。水平出力線112及び113にデジタル信号を同時に出力すると、水平出力線112及び113が並列に接続されている演算回路109において、両デジタル信号で加算、減算、平均化などの演算処理を施し、その演算結果を、セレクタ110を介して出力する。ここでは2本の水平出力線が演算回路109に接続されているが、3本以上の水平出力線を接続する、すなわち3以上のデジタル信号に対して演算を施す構成であっても良い。
本実施形態では、水平出力線112と水平出力線113とに読み出された2つのデジタル信号に演算処理を施して得られた信号と、水平出力線112に読み出された演算処理を施されていないデジタル信号と、をセレクタ110によって選択して出力している。
本実施形態では、水平6画素列を、3画素列毎に2つのブロックとしているが、ブロックあたりの画素列を増やしたり、3以上のブロックに分割したりしても、本発明の効果は変わらない。
図2に示すタイミングチャートは、図1に示す固体撮像装置において、水平間引き動作を行いつつ、同一列の2画素の信号を加算する動作を表すものである。以下、図2に則して説明する。初期状態として、レジスタ回路1乃至レジスタ回路6に書き込まれているデータは0とする。
ここでは画素11から画素41が含まれる画素列に着目して説明する。まず、行選択信号Pv1がハイとなり、1行目の読み出し期間の動作が開始する。ステータスの水平ブランキング中には、画素11からアナログ電気信号が垂直出力線105に出力され、CDS1にてノイズキャンセルされる。ノイズキャンセルされた信号は、AD変換ステータスでADC1によってAD変換され、デジタル信号として出力される。ライトステータスでは、列選択信号Ph11がハイレベルに遷移することでADC1がレジスタ回路1と接続され、デジタル信号はレジスタ回路1に書き込まれる。
続いて、行選択信号Pv1のローレベルへの遷移と入れ替わりに行選択信号Pv2がハイレベルとなり、2行目の画素の読み出し動作が開始する。2行目の水平ブランキングステータスにおいては、2行目の画素の読み出しと並行して、レジスタ回路1からレジスタ回路2への転送動作が行われる。まず列選択信号Ph23がハイになり、レジスタ回路2に保持されているデジタル信号(ここでは0)がレジスタ回路3へ転送される。次に、列選択信号Ph13がハイとなり、レジスタ回路1に保持されていた画素11に基づくデジタル信号がレジスタ回路2へ転送される。
水平ブランキングステータスにおいてCDS1でノイズキャンセルされた画素21からのアナログ電気信号は、AD変換ステータスでデジタル信号に変換されてから、続くライトステータスで列選択信号Ph11のハイへの遷移によりレジスタ回路1に書き込まれる。レジスタ1への書き込みが終了し、行選択信号Pv2がローレベルとなり、2行目の動作が終了する。
3行目の動作は行選択信号Pv3のハイレベルへの遷移によって開始し、水平ブランキングステータスで、レジスタ回路2に保持されたデジタル信号、すなわち画素11に基づくデジタル信号がレジスタ3へ転送される。その後、列選択信号Ph13のハイレベルへの遷移によりレジスタ回路1に保持されたデジタル信号、すなわち画素21に基づくデジタル信号がレジスタ2へ転送される。同じく3行目の水平ブランキングステータスでは、画素31からのアナログ電気信号が垂直出力線105に読み出され、CDS1でノイズキャンセルされる。ノイズキャンセルされたアナログ電気信号はAD変換ステータスにおいてADC1でデジタル信号に変換されて出力され、ライトステータスでレジスタ回路1に書き込まれる。
続く水平転送のステータスでは、列選択信号Ph14及びPh35が同時にハイになり、レジスタ回路1及び3に保持された信号、すなわち画素31及び11に基づくデジタル信号がそれぞれ水平出力線112及び113に出力される。演算回路109に並列に入力された2つのデジタル信号は演算回路109の内部で加算されて、セレクタ110を介して出力される。ここでセレクタ110から出力される信号を模式的に表したものが図2の出力信号で、例えば11+31は、画素11に基づくデジタル信号と画素31に基づくデジタル信号を加算したものが出力されていることを表している。
4行目以降の動作においても3行目と同様の動作が繰り返され、同じ列の画素に基づくデジタル信号を1行おきに加算して出力する。このような1行おきの加算は、例えばベイヤー配列のように2×2の繰り返し単位を持つカラーフィルタが画素部の上に設けられている場合に、同じ色の画素からの信号同士を加算する場合に用いることができる。
上記では水平6画素のうち左側3列に着目して説明した。水平転送ステータスにおいてレジスタ回路4及び6に保持されたデジタル信号を水平出力線112及び113に出力させるタイミングが、左側のそれとは異なっている以外は、右側の3列も左側のブロックと同じタイミングで動作を行う。ここでは、加算を例にとって説明したが、演算回路109で行われる演算は、平均化処理や差分処理であっても良い。
次に、図1に示す固体撮像装置の駆動方法において、間引きも加算も行わずに出力する場合の動作を、図3を用いて説明する。この駆動方法は、静止画撮影等で、高い解像度が求められる場合に行う駆動方法である。
全ての画素から信号を読み出す本駆動方法においては、各行の読み出し期間中に水平転送動作が行われる。まず、1行目の水平ブランキング及びAD変換ステータスでは、1行目の画素からのアナログ電気信号が、CDSでノイズキャンセルされ、ADCからノイズキャンセルされたデジタル信号として出力される。
次のライトステータスでは列選択信号Ph11、Ph21、・・・が同時にハイになり、各列のADCから出力されるデジタル信号が各列のレジスタ回路に保持される。
続く水平転送ステータスにおいて、列選択信号Ph14、Ph24、・・・が順番にハイとなり、各レジスタ回路に保持されたデジタル信号が水平出力線112へ順次出力される。水平出力線112に出力されたデジタル信号は、セレクタ110を介して固体撮像装置の外部へと出力される。
2行目以降についても同様に動作を行うことで、図1に示す固体撮像装置において全画素の信号を順次出力することができる。
以上で説明した本発明の一実施形態によれば、レジスタ回路の出力端子と、このレジスタ回路とは異なる画素の列に設けられたレジスタ回路の入力端子とを接続する接続手段を有するので、水平間引き加算動作を行う場合に、従来と比較して動作に関与しないレジスタ回路の数を低減でき、回路の利用効率を向上させることができる。なお、本実施例において接続手段とは、図1において、n列目の画素について、列選択信号Phn3がハイになった時に導通する経路を指す。また、図3に示した駆動を行うことで、図1に示した固体撮像装置において、全画素の信号を読み出すことが可能となる。
光電変換素子から溢れた電荷に基づく信号と、光電変換素子から溢れなかった電荷に基づく信号とを異なるタイミングで読み出し、これらの信号に増幅や加算などの演算処理を施すことで、ダイナミックレンジを拡大する固体撮像装置が一般に知られている。ここでは、水平間引き動作において、読み出す画素列のレジスタ回路に保持されたデジタル信号を、読み出されない列のレジスタ回路に転送することで、同一の画素から得られた複数の信号を演算処理する駆動方法について説明する。
図4に示したタイミングチャート図は、本発明の別の実施形態による駆動方法を示すもので、水平6画素、垂直4画素のうち、2、3、5、及び6列目の画素を読み出さない水平間引き動作を示している。読み出される1及び4列目の画素については、1画素あたり2度の読み出し動作を行って得られた2つの異なる信号を演算処理して固体撮像装置の外部に出力している。
図4において、行選択信号Pv1がハイレベルの期間、1行目の画素が選択される。1行目の1度目の水平ブランキングステータスでは、1行目の画素の光電変換素子から溢れた電荷をアナログ電気信号に変換してそれぞれの垂直出力線に読み出し、読み出されたアナログ電気信号を、続く1度目のAD変換ステータスでデジタル信号に変換する。デジタル信号は、1度目のライトステータスでレジスタ回路1に保持される。
次に、2度目の水平ブランキングステータスでは、1度目の水平ブランキングステータスで読み出されなかった、つまりフォトダイオードから溢れなかった電荷に基づくアナログ電気信号が垂直信号線に読み出される。これと並行して列選択信号Ph13がハイレベルになり、1度目のライトステータスでレジスタ回路1に保持されたデジタル信号が、レジスタ回路2に転送される。2度目の水平ブランキングステータスで読み出されたアナログ電気信号は、続く2度目のAD変換ステータスでデジタル信号に変換され、2度目のライトステータスでレジスタ回路1に保持される。
レジスタ回路1及び2に保持されたデジタル信号は、水平転送ステータスにおいてそれぞれ水平信号線112及び113に出力され、演算回路109で加算や増幅等の演算処理を施されて広ダイナミックレンジの画素信号を生成している。図4中、出力信号において、例えば11´+11とあるのは、11´がフォトダイオードから溢れた信号、11がフォトダイオードから溢れなかった信号を意味している。
2行目以降についても、上と同様の動作を行うことによって、広ダイナミックレンジの画像を得ることができる。
以上で説明した本発明の一実施形態によれば、レジスタ回路の出力端子と、このレジスタ回路とは異なる画素の列に設けられたレジスタ回路の入力端子とを接続する接続手段を有するので、水平間引き動作を行いつつ広ダイナミックレンジの画像を得る場合に、従来と比較して動作に関与しないレジスタ回路の数を低減でき、回路の利用効率を向上させることができる。なお、本実施例において接続手段とは、図1において、n列目の画素について、列選択信号Phn3がハイに遷移した時に、異なるレジスタ回路同士を接続する経路を指す。
図5を用いて本発明に係る他の実施形態を説明する。本実施例では、水平間引き動作において、読み出さない画素列のレジスタ回路に、読みだす画素列の遮光画素に基づくデジタル信号を保持させて、読み出す画素列のレジスタ回路に保持された有効画素に基づくデジタル信号との差分信号を出力する。具体的には、行選択信号Pv1によって選択される1行目の画素が、光量に依存しないアナログ電気信号を出力する遮光画素(オプティカルブラック画素、OB画素)であり、奇数列目の画素列のみが読み出されるものとして1列目の画素列に着目して説明する。
図5において、1行目の水平ブランキングステータスでは上述の実施例と同様に、OB画素である画素11からアナログ電気信号が読み出され、CDS1においてノイズキャンセルされる。続くAD変換ステータスでデジタル変換された信号は、ライトステータスにおいて列選択信号Ph11及びPh12がハイレベルとなることでレジスタ回路1とレジスタ回路2に保持される。
行選択信号Pv2がハイレベルとなる2行目の選択期間では、水平ブランキング及びAD変換ステータスで画素21に基づくアナログ電気信号がノイズキャンセルされた上でデジタル信号に変換される。ライトステータスで列選択信号Ph11がハイレベルになり、有効画素である画素21に基づくデジタル信号がレジスタ回路1に保持される。
水平転送ステータスでは列選択信号Ph14及びPh25が同時にハイレベルになり、水平出力線112には画素21に基づくデジタル信号が、水平出力線113にはOB画素である画素11に基づくデジタル信号が出力される。これらのデジタル信号は演算回路109に入力され、画素21に基づくデジタル信号からOB画素に基づくデジタル信号を減算する処理を含む演算処理を施した信号がセレクタ110を介して出力される。
3行目以降においても、ライト期間で有効画素に基づくデジタル信号がレジスタ回路1に保持され、水平転送ステータスで、OB画素に基づくデジタル信号との差分演算を行う動作が繰り返される。
以上で説明した本発明の一実施形態によれば、AD変換器の出力端子と、このAD変換器とは異なる画素の列に設けられたレジスタ回路の入力端子とを接続する接続手段を有するので、水平間引き動作を行い、さらにOB画素を用いた補正処理を行う場合に、従来と比較して動作に関与しないレジスタ回路の数を低減でき、回路の利用効率を向上させることができる。本実施例において接続手段とは、列選択信号Ph12、Ph22、・・・がハイレベルになったときに導通する経路を指す。
なお、上述の各実施例ではセレクタ110を含む構成を示したが、例えば水平出力線112及び113のいずれか一方にのみ信号が出力された場合には、演算処理を施さずに出力するように演算回路109を構成することでセレクタ110を省略しても良い。
本発明の実施例4に係る撮像システム200の概略構成及び概略動作を、図6を用いて説明する。図6は、本実施例に係る撮像システム200の構成図である。
撮像システム200は、光学系110、固体撮像装置120、及び、信号処理部180を備える。信号処理部180は、信号処理回路部130、記録/通信部140、タイミング制御回路部150、システムコントロール回路部160、及び、再生/表示部170を含む。
光学系110は、固体撮像装置120の撮像面である画素配列へ被写体の像を形成する。
固体撮像装置120は、例えば実施例1に係る固体撮像装置である。固体撮像装置120は、画素配列に形成された被写体の像を画像信号に変換する。固体撮像装置120は、その画像信号を画素配列から読み出して信号処理回路部130へ出力する。
信号処理回路部130は、予め決められた方法にしたがって、固体撮像装置120から供給された画像信号に対して、例えば、画像データの圧縮処理のような信号処理を行う。信号処理回路部130は、信号処理された画像データを記録/通信部140及び再生/表示部170へ供給する。
記録/通信部140は、信号処理回路部130から供給された画像データを、不図示の記録媒体に記録したり、同じく不図示の外部装置へ送信したりする。あるいは、記録/通信部140は、記録媒体から画像データを読み出して再生/表示部170へ供給したり、不図示の入力部から所定の指示を受け取ってシステムコントロール回路部160へ供給したりする。
再生/表示部170は、信号処理回路部130又は記録/通信部140から供給された画像データを、表示デバイスに表示する。
タイミング制御回路部150は、固体撮像装置120を駆動するタイミングを制御するための信号を供給するもので、モード切り換え手段としての役割を有する。例えば、水平間引き動作を行うモードで駆動させるための信号を供給したり、全画素の信号を読み出すモードで駆動させるための信号を供給したりする。
システムコントロール回路部160は、所定の指示の情報を記録/通信部140から受け取る。システムコントロール回路部160は、所定の指示に応じて、光学系110、記録/通信部140、再生/表示部170、及びタイミング制御回路部150を制御する。例えば、全画素読み出しモードや間引き読み出しモードで、光学系110、記録/通信部140、再生/表示部170、及びタイミング制御回路部150をそれぞれのモードに応じて制御する。
本実施例によれば、間引き動作時において、信号を読み出されない画素の列に設けられたレジスタ回路にデジタル信号を保持させることができる。これにより、水平間引き動作を行う場合に、動作に関与しないレジスタ回路の数を低減でき、回路の利用効率を向上させながら、加算、平均、減算(差分)といった演算処理を実現できる。
上述の実施例ではいずれも、固体撮像装置の内部に演算回路109及びセレクタ110とが含まれる構成を挙げてきたが、これらは必ずしも固体撮像装置120の内部に設ける必要はない。例えば、図6において、信号処理回路部の中に設けられてもよい。この場合には、固体撮像装置120の半導体基板上の面積を低減でき、なおかつ、上述した効果が得られる。本発明において重要なのは、水平間引き動作を行う場合に、信号を読み出されない画素の列に設けられたレジスタ回路にデジタル信号を保持させることができる構成を有していることである。
本発明の実施形態に係る固体撮像装置のブロック図 本発明の第一の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャート図 本発明の第一の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャート図 本発明の他の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャート 本発明の第三の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャート図 本発明の第四の実施形態に係る撮像システムのブロック図
符号の説明
100 画素部
101 垂直走査回路
102 水平走査回路
103 画素
104 行選択線
105 垂直出力線
106 AD変換器
107 レジスタ回路
108 接続手段
109 演算回路
110 セレクタ
111 列選択信号
112、113 水平出力線
114 CDS回路
110 光学系
120 固体撮像装置
130 信号処理回路部
140 記録/通信部
150 タイミング制御回路部
160 システムコントロール回路部
170 再生/表示部
180 信号処理部
200 撮像システム

Claims (4)

  1. 各々が入射光をアナログ電気信号に変換して出力する、行列状に配列された複数の画素と、
    前記複数の画素の各列に設けられ、前記画素からのアナログ電気信号をデジタル信号に変換し、該デジタル信号を出力端子から出力するAD変換器と、
    前記複数の画素の各列に設けられ、前記AD変換器の前記出力端子から出力された前記デジタル信号を入力端子に受けて、該デジタル信号を保持するレジスタ回路と、
    前記AD変換器の出力端子と、該AD変換器とは異なる前記複数の画素の列に設けられた前記レジスタ回路の入力端子とを接続する、または、前記レジスタ回路の出力端子と、該レジスタ回路とは異なる前記複数の画素の列に設けられた前記レジスタ回路の入力端子とを接続する接続手段と、
    有し、
    前記レジスタ回路の各々は、
    同一の前記画素を選択している同一期間において取得した、
    前記同一の前記画素の前記光電変換素子から溢れた電荷に基づくデジタル信号と、前記光電変換素子から溢れなかった電荷に基づくデジタル信号と、を保持することを特徴とする固体撮像装置。
  2. 複数の前記レジスタ回路の出力端子の各々から並列に出力された前記デジタル信号に演算処理を施して出力しうる演算処理装置をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
  3. 前記演算処理は、加算、減算、及び平均化の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の固体撮像装置の駆動方法であって、
    水平間引き読み出しを行う場合には、
    読み出す列の前記画素に基づく前記デジタル信号を、読み出さない列の前記レジスタ回路に転送することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
JP2008012852A 2007-03-15 2008-01-23 固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法 Expired - Fee Related JP4587184B2 (ja)

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