JP2008278044A - 撮像装置及びその制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】撮像素子に印加される駆動パルスが原因となるノイズの混入を防止するとともに、撮像素子からの読み出し時間を短縮させること。
【解決手段】撮像素子105は、行方向及び列方向に配列された複数の光電変換手段2と、、複数の光電変換手段2のn−1行目(ただし、nは2以上の整数)から読み出した信号を記憶する転送容量14、15と、複数の光電変換手段2のn行目から読み出した信号を記憶するる転送容量16、17と、を有する。撮像装置は、システム制御CPU111を備える。システム制御CPU111は、転送容量14、15に記憶されたn−1行目の1行分の信号を転送容量14、15から読み出す期間に、n行目の光電変換手段2の信号を転送容量16、17に読み出し、かつ、前記撮像素子105内の駆動パルスの少なくとも1つが変化する時に、転送容量14、15に記憶されたn−1行目の1行分の信号の出力を一時的に停止させるように制御する。
【選択図】図1

Description

本発明は、デジタルカメラ等の撮像装置及びその制御方法に関する。
従来より、XYアドレス式の撮像素子として、CMOSイメージセンサが用いられている(非特許文献1を参照)。CMOSイメージセンサは、高S/N、低消費電力であり、また、周辺回路をオンチップ化できる等の利点がある。このようなCMOSイメージセンサを用いた場合に、画素から1行分の信号出力を読み出し容量まで読み出す動作と、読み出し容量から撮像素子外部に信号を出力する水平走査期間を重複させる。これによって、撮像素子からの読み出し時間を短縮させる撮像素子及びその読み出し方法が開示されている(特許文献1を参照)。
特開2001−45375号公報 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICE VOL41、PP452〜453、1994
しかしながら、特許文献1に開示された読み出し方法では、撮像素子に印加される駆動パルスの影響により、読み出し容量に記憶された信号又は水平出力線における信号出力にノイズが混入するという課題がある。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、撮像素子に印加される駆動パルスが原因となるノイズの混入を防止するとともに、撮像素子からの読み出し時間を短縮させることを目的とする。
本発明の第1の側面は、撮像装置に係り、行方向及び列方向に配列された複数の光電変換手段と、前記複数の光電変換手段のn−1行目(ただし、nは2以上の整数)から読み出した信号を記憶する第1の記憶手段と、前記複数の光電変換手段のn行目から読み出した信号を記憶する第2の記憶手段と、を有する撮像素子と、前記撮像素子を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記第1の記憶手段に記憶されたn−1行目の1行分の信号を前記第1の記憶手段から読み出す期間に、n行目の前記光電変換手段の信号を前記第2の記憶手段に読み出すようにし、かつ、前記撮像素子内の駆動パルスの少なくとも1つが変化する時に、前記第1の記憶手段に記憶されたn−1行目の1行分の信号の出力を一時的に停止させるように制御することを特徴とする。
本発明の第2の側面は、行方向及び列方向に配列された複数の光電変換手段と、前記複数の光電変換手段のn−1行目(ただし、nは2以上の整数)から読み出した信号を記憶する第1の記憶手段と、前記複数の光電変換手段のn行目から読み出した信号を記憶する第2の記憶手段とをを備える撮像素子の制御方法に係り、前記第1の記憶手段に記憶されたn−1行目の1行分の信号を前記第1の記憶手段から読み出す期間に、n行目の前記光電変換手段の信号を前記第2の記憶手段に読み出すようにし、かつ、前記撮像素子内の駆動パルスの少なくとも1つが変化する時に、前記第1の記憶手段に記憶されたn−1行目の1行分の信号の出力を一時的に停止させるように制御することを特徴とする。
本発明によれば、撮像素子に印加される駆動パルスが原因となるノイズの混入を防止するとともに、撮像素子からの読み出し時間を短縮させることができる。
以下、本発明の好適な実施形態に係る撮像装置及びその制御方法について、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の好適な実施の形態に係る撮像素子の構成を示す図である。
図1において、1は垂直走査回路、2は被写体像を光源変換するためのフォトダイオードなどの光電変換素子、3は光電変換素子2の電荷を後述するフローティングディフージョンアンプの蓄積容量5に転送するための転送スイッチである。4は光電変換素子2や蓄積容量5に蓄積されている不要な電荷をリセットするリセットスイッチである。6は蓄積容量5に蓄積された信号電荷を増幅し電圧に変換するソースフォロワアンプ、7はソースフォロワアンプ6の出力を垂直出力線8に接続する行選択スイッチである。リセットスイッチ4と蓄積容量5とソースフォロワアンプ6とでフローティングディフージョンアンプが構成されている。9は行選択スイッチ7により選択された行のソースフォロワアンプ6を駆動するための負荷電流源である。10、11、12、13は垂直出力線8に出力された信号を第1、第2の記憶手段としての転送容量14、15、16、17に、それぞれ転送するための転送ゲートである。18及び20は転送容量14及び16に記憶された信号を水平読み出し線22に出力する読み出しスイッチである。19及び21は転送容量15、17に記憶された信号を水平読み出し線23に出力する読み出しスイッチである。24は転送容量14、15、16、17から水平読み出し線22、23へ信号を順次出力するための駆動手段としての水平走査回路である。25は水平読み出し線22に出力された信号と水平読み出し線23に出力された信号との差を撮像素子外部に出力する出力手段としての出力アンプである。26、27は、水平読み出し線22、23を、所定電圧にリセットするためのリセットスイッチである。28、29は、水平走査回路24に接続されたANDゲートである。撮像装置は、後述する図3の制御手段としてのシステム制御CPU111を備え、システム制御CPU111により撮像素子を制御する。なお、図1において、説明の都合上、各構成の参照番号に符号’を付加している。即ち、2’は光電変換素子、3’は転送スイッチ、4’はリセットスイッチ、5’は蓄積容量、6’ソースフォロワアンプ、7’は行選択スイッチにそれぞれ対応する。
図6は、従来の撮像素子における駆動タイミングを示す図である。なお、図6では、図1に示す撮像素子を同様の構成を持つ撮像素子を動作させている。
時刻t1では、水平駆動信号HDとφHSTとφLSELがローレベル(以下「ロー」という。)になる。このとき、φHSTのローの信号を反転したハイレベル(以下「ハイ」という。)の信号が、水平走査クロックφHの立ち上がりで1クロック毎にシフトする。t1〜t9までの1行分の信号を読み出す水平走査期間では、φLSELがローとなっているため、ANDゲート28の出力はローとなり、ANDゲート28の出力はハイとなる。これにより、読み出しスイッチ18、19はオフされ、読み出しスイッチ20、21はオンされる。従って、水平走査回路24に入力される水平走査クロックφHに同期して、第1の記憶手段としての転送容量16に記憶された信号が、読み出しスイッチ20を介して水平読み出し線22に順次読み出される。また、第1の記憶手段としての転送容量17に記憶された信号が、読み出しスイッチ21を介して水平読み出し線23に順次読み出される。このとき、第2の記憶手段としての転送容量14、15に記憶された信号は、読み出しスイッチ18、19がオフされているため、読み出されない。そして、出力アンプ25は、水平読み出し線22と水平読み出し線23の差分信号を外部に出力する出力動作を行う。このとき、出力される信号はn−1行目(ただし、nは2以上の整数である。以下も同様。)の信号となる。
次に、上述した外部への信号の出力と同時に行われる、n行目の光電変換素子2に蓄積された信号電荷の読み出し容量への転送を説明する。
まず、時刻t2では、φSELnがハイとなって行選択スイッチ7がオンされ、n行目の画素回路が垂直出力線8に接続される。同様に、φRESnがハイとなってリセットスイッチ4がオンされ、蓄積容量5に蓄積された不要な電荷がリセットされる。このとき、駆動されるリセットスイッチ4は、撮像素子の水平方向画素数だけ存在する。従って、リセットスイッチ4を駆動するためのパルスは、多数のリセットスイッチ4のゲート容量を駆動するために十分な電流を流す必要がある。このように、撮像素子内で大きな電流のパルスが存在すると、撮像素子を構成する回路等にある寄生容量や寄生抵抗により、撮像素子の基準電位や接地電位が不安定となり、出力信号にノイズが混入する。このような現象は、特に、そのパルスのエッジ部(パルスが変化する時)において発生する。
時刻t3では、φRESnがローとなってリセットが終了するとともに、φTN1がハイとなって転送ゲート11がオンされ、画素回路で発生するノイズ成分が読み出し容量15に記憶される。ここで、駆動パルスφTN1の影響により、n−1行目の読み出し容量15に記憶された信号、或いは、水平出力線におけるn−1行目の信号出力にノイズが混入する。
時刻t4では、φTN1がローとなって転送ゲート11がオフされ、画素回路で発生するノイズ成分の読み出し容量15への記憶を終了する。
時刻t5では、φTXnがハイとなって転送スイッチ3がオンされ、光電変換素子2に蓄積された信号電荷が、蓄積容量5に転送される。
時刻t6では、φTS1がハイとなって転送ゲート10がオンされ、蓄積容量5の信号電荷がソースフォロワアンプ6により、増幅されて電圧に変換され、読み出し容量14に記憶される。ここで、駆動パルスφTS1の影響により、n−1行目の読み出し容量14に記憶された信号、或いは、水平出力線におけるn−1行目の信号出力にノイズが混入する。
時刻t7では、φTS1がローとなって転送ゲート10がオフされ、読み出し容量14への記憶を終了する。
その後、n行目の信号は、時刻t9から開始される次の1水平走査期間で、出力アンプ25から出力される。
このように、n行目の読み出し容量への記憶と、n−1行目の信号の出力(即ち、水平走査)とを同時に行う。これによって、撮像素子からの読み出し時間が短縮されるが、時刻t3や時刻t6のように、n−1行目の読み出し容量に記憶された信号、或いは、水平出力線におけるn−1行目の信号出力にノイズが混入する。
図2は、本発明の好適な実施の形態に係る撮像素子の駆動タイミングを示す図である。図1及び図2を用いて本実施形態の撮像素子の動作を説明する。
時刻t1では、水平駆動信号HDとφHSTとφLSELとがローとなる。このとき、φHSTのローの信号を反転したハイの信号が、水平走査クロックφHの立ち上がりで1クロック毎にシフトする。t1〜t9までの水平走査期間では、φLSELがローとなっているため、ANDゲート28の出力はローとなり、ANDゲート28の出力はハイとなる。これにより、読み出しスイッチ18、19はオフされ、読み出しスイッチ20、21はオンされる。従って、水平走査回路24に入力される水平走査クロックφHに同期して、転送容量16に記憶された信号が、読み出しスイッチ20を介して水平読み出し線22に順次読み出される。また、転送容量17に記憶された信号が、読み出しスイッチ21を介して水平読み出し線23に順次読み出される。このとき、転送容量14、15に記憶された信号は、読み出しスイッチ18、19がオフされているため、読み出されない。
出力アンプ25は、水平読み出し線22と水平読み出し線23の差分信号を外部に出力する。このとき、出力される信号はn−1行目の信号となる。本実施形態では、水平走査クロックφHは、図2に示すように、後述する所定の時刻においては、間引かれたクロック信号となっている。
次に、上述した外部への信号の出力と同時に行われる、n行目の光電変換素子2に蓄積された信号電荷の読み出し容量への転送を説明する。
まず、時刻t2では、φSELnがハイとなって行選択スイッチ7がオンされ、n行目の画素回路が垂直出力線8に接続される。同様に、φRESnがハイとなってリセットスイッチ4がオンされ、蓄積容量5に蓄積された不要な電荷がリセットされる。時刻t2では、水平走査クロックφHがローのままとなる(即ち、水平走査クロックφHの供給が一時的に停止される)。その結果、水平走査回路24の動作が一時的に停止する。
時刻t3では、φRESnがローとなってリセットが終了するとともに、φTN1がハイとなって転送ゲート11がオンされ、画素回路で発生するノイズ成分が読み出し容量15に記憶される。時刻t3においても、水平走査クロックφHがローのままとなり、水平走査回路24の動作が一時的に停止する。
時刻t4では、φTN1がローとなって転送ゲート11がオフされ、画素回路で発生するノイズ成分の読み出し容量15への記憶を終了する。時刻t4においても、水平走査クロックφHがローのままとなり、水平走査回路24の動作が一時的に停止する。
時刻t5では、φTXnがハイとなって転送スイッチ3がオンされ、光電変換素子2に蓄積された信号電荷が、蓄積容量5に転送される。
時刻t6では、φTS1がハイとなって転送ゲート10がオンされ、蓄積容量5の信号電荷がソースフォロワアンプ6により、増幅されて電圧に変換され、読み出し容量14に記憶される。時刻t6においても、水平走査クロックφHがローのままとなり、水平走査回路24の動作が一時的に停止する。
時刻t7では、φTS1がローとなって転送ゲート10がオフされ、読み出し容量14への記憶を終了する。時刻t7においても、水平走査クロックφHがローのままとなり、水平走査回路24の動作が一時的に停止する。
その後、n行目の信号は、時刻t9から開始される次の1水平走査期間で、出力アンプ25から出力される。このとき、水平走査クロックφHは、上記のn−1行目での信号読み出し期間と同様に、時刻t10、t11、t12、t14、t15でローのままとなり、水平走査回路24の動作が一時的に停止される。
このように、n行目の読み出し容量への記憶と、n−1行目の信号の出力(即ち、水平走査)とを同時に行うことにより、撮像素子からの読み出し時間が短縮される。また、撮像素子の信号出力に対し、ノイズ混入の原因となる駆動パルスのエッジ付近において、読み出しの停止(即ち、水平走査クロックφHの停止)を行うことにより、ノイズが抑えられた信号を出力することができる。
本実施形態では、撮像素子の3種類の駆動パルスのエッジにおいて、水平走査クロックを停止しているが、本発明はこれらに限定されない。例えば、構造上、ノイズ混入の原因となり得る駆動パルス(即ち、撮像素子に印加される駆動パルス)のエッジ部で水平走査クロックφHをローのままとし、水平走査回路24の動作を一時的に停止させればよい。
また、本実施形態では、水平走査クロックφHがローとする期間を、駆動パルスのエッジに重なった1クロック期間としているが、本発明はこれに限定されない。例えば、駆動パルスに起因するノイズの混入が複数クロック期間にわたる場合、少なくともその期間の間、水平走査クロックφHの供給を停止してもよい。
なお、本実施形態のように、水平走査クロックφHの供給を停止する期間があると、停止させたクロック数分だけ、水平走査期間が長くなる。しかしながら、その停止期間は僅かであり、近年のように画素数の多い撮像素子では、1水平走査期間が長く、ほとんど無視できる。
次に、上記実施形態の撮像装置及びその制御方法を用いた撮像システムについて説明する。
図3は、本実施形態に係る撮像装置としてのデジタルスチルカメラを示すブロック図である。
図3において、101は被写体の光学像を撮像素子105に結像させるレンズ、102はレンズ101を通った光量を可変にするための絞りであり、絞り制御部113で制御される。103はレンズ101で結像された被写体像の撮像素子105への入射を制御するメカニカルシャッターであり、シャッター制御部114により制御される。104は撮像素子105に入射する光の波長又は空間周波数を制限する光学フィルタ、105はレンズ101で結像された被写体像を画像信号として取り込むための撮像素子である。撮像素子105には、図1に示すように行方向及び列方向に光電変換手段としての光電変換素子2を含む画素が複数配列されている。106は撮像素子105から出力される画像信号のアナログ処理とアナログ−ディジタル変換処理とを行うアナログフロントエンドである。アナログフロントエンド106は、ノイズを除去するCDS回路107、信号ゲインを調整するアンプ108、アナログ信号をデジタル化するA/D変換器109で構成される。110はアナログフロントエンド106から出力されたデジタル画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮したりするデジタル信号処理部である。115は撮像素子105、アナログフロントエンド106、デジタル信号処理部110に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部である。111は各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御するシステム制御CPU、112は画像データを一時的に記憶するための画像メモリである。116は撮影された画像を表示するための表示インターフェース部(表示I/F)、117は液晶ディスプレイ等の表示部である。118は記録媒体に記録又は読み出しを行うための記録インターフェース部(記憶I/F)である。119は画像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、120は外部コンピュータ121等と通信するための外部インターフェース部(外部I/F)である。なお、撮像素子105は、本実施形態に係る撮像素子であり、また、本実施形態に係る駆動タイミングで駆動される。
次に、図3の構成における撮影時の撮像システムの動作について説明する。
不図示の電源スイッチがオンされると、メイン電源がオンされる。次に、コントロール系の電源がオンされ、さらに、アナログフロントエンド106等の撮像系回路の電源がオンされる。
そして、露光量を制御するために、システム制御CPU111は、絞り制御部113を介して絞り102を開放にし、また、シャッター制御部114を介してメカニカルシャッター103を開ける。撮像素子105から出力された信号は、A/D変換器109でデジタル画像データに変換された後、デジタル信号処理部110に入力される。そのデータに基づいて露出の演算をシステム制御CPU111で行う。
この測光を行った結果により、明るさを判断し、その結果に応じてシステム制御CPU111は絞りを制御する。
次に、撮像素子105から出力された信号に基づいて、高周波成分を取り出し、被写体までの距離をシステム制御CPU111で演算する。その後、レンズ101を駆動して合焦しているか否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再びレンズ101を駆動し焦点調整処理を行う。
そして、合焦が確認された後に、撮像素子105の電子シャッター機能を利用して、本露光の開始及び本露光の終了を行う。なお、本露光の開始と終了をメカニカルシャッター103の開閉で行ってもよい。その後、各行毎に画像信号を順次出力する。撮像素子105から出力された画像信号は、アナログフロントエンド106で相関2重サンプリング等のノイズ除去、増幅、A/D変換が行われる。そして、デジタル化された画像信号が、デジタル信号処理部110を介してシステム制御CPU111により画像メモリ112に書き込まれる。その後、画像メモリ112に記憶された画像データは、システム制御CPU111の制御により、記録インターフェース部118を介して半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体119に記録される。また、撮影された画像データは、表示インターフェース部116を介して液晶ディスプレイ等の表示部117に表示される。或いは、外部インターフェース部120を介してコンピュータ121等に直接入力して画像の加工を行ってもよい。
次に、本実施形態に係る撮像装置及びその制御方法を図3に示す撮像システムに適用したときの動作において、図4を用いて説明する。
図4は、デジタル画像データDATAとクロックパルスDCLKとの関係を示すタイミング図である。デジタル画像データDATAは、アナログフロントエンド106から出力され、デジタル信号処理部110に入力される信号である。クロックパルスDCLKは、デジタル画像データDATAに同期して、デジタル画像データDATAをデジタル信号処理部110に取り込むためのタイミングを規定する同期信号である。なお、クロックパルスDCLKは、図3のタイミング発生部115により供給される。
図4において、h3のタイミングで出力されるデジタル画像データDATAは、上述のように水平走査クロックφHの供給が停止したときの出力信号に相当し、実際の画像信号としては不要の信号であり、その出力値は不定である。このとき、クロックパルスDCLKをローのままにして、その供給を停止させることにより、デジタル信号処理部にこの不要な信号を取り込むことが無くなり、画像メモリを節約することができる。また、この不要な信号部分を後で削除するといった余分な処理を行う必要も無くなる。
図5は、デジタル画像データDATAとクロックパルスDCLKとの関係を示す他のタイミング図である。
図5において、h3のタイミングで出力されるデジタル画像データDATAは、上述のように、水平走査クロックφHの供給が停止したときの出力信号に相当し、実際の画像信号としては不要の信号である。そこで、図5に示す方法では、アナログフロントエンド106において、そのデジタル画像データ値を予め定められた規定値、例えば16進数の0000(0x0000)に固定する。ここでは、デジタル信号処理部110は、上記の規定値(例えば、0x0000)が入力された場合、デジタル画像データ値の取り込みを行わないように構成されている。そのため、デジタル信号処理部110にこの不要な信号を取り込むことが無くなり、画像メモリを節約することができる。また、この不要な信号部分を後で削除するといった余分な処理を行う必要も無くなる。なお、図5では、水平走査クロックφHの供給を停止させたときの出力信号に相当するデジタル画像データ値を0x0000としたが、他の値にしてもよい。
なお、本実施形態に係る撮像システムでは、タイミング発生部115が独立して構成されているが、例えば、撮像素子105と同一の半導体基板上に構成し、撮像素子105と一体化してもよい。同様に、タイミング発生部115を、アナログフロントエンド106又はデジタル信号処理部110などと一体化してもよい。
本発明の好適な実施の形態に係る撮像素子の構成を示す図である。 本発明の好適な実施の形態に係る撮像素子の駆動タイミングを示す図である。 本実施形態に係る撮像システムをデジタルスチルカメラに適用した場合を示すブロック図である。 デジタル画像データDATAとクロックパルスDCLKとの関係を示すタイミング図である。 デジタル画像データDATAとクロックパルスDCLKとの関係を示す他のタイミング図である。 従来の撮像素子における駆動タイミングを示す図である。
符号の説明
2 光電変換手段
14、15、16、17 転送容量
24 水平走査回路
25 出力アンプ
105 撮像素子
111 システム制御CPU

Claims (4)

  1. 行方向及び列方向に配列された複数の光電変換手段と、前記複数の光電変換手段のn−1行目(ただし、nは2以上の整数)から読み出した信号を記憶する第1の記憶手段と、前記複数の光電変換手段のn行目から読み出した信号を記憶する第2の記憶手段と、
    を有する撮像素子と、
    前記撮像素子を制御する制御手段と、
    を備え、
    前記制御手段は、前記第1の記憶手段に記憶されたn−1行目の1行分の信号を前記第1の記憶手段から読み出す期間に、n行目の前記光電変換手段の信号を前記第2の記憶手段に読み出し、かつ、前記撮像素子内の駆動パルスの少なくとも1つが変化する時に、前記第1の記憶手段に記憶されたn−1行目の1行分の信号の出力を一時的に停止させるように制御することを特徴とする撮像装置。
  2. 前記撮像素子から出力された信号をデジタル信号に変換するA/D変換手段と、
    前記デジタル信号に同期させた同期信号を発生するタイミング発生部と、
    前記同期信号に同期させて前記デジタル信号を取り込むデジタル信号処理部と、
    を備え、
    前記制御手段は、前記出力を一時的に停止させる期間に前記撮像素子から出力された信号に対応する前記デジタル信号に同期させるべき同期信号の供給を、前記タイミング発生部が停止するように制御することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
  3. 前記撮像素子から出力された信号をデジタル信号に変換するA/D変換手段と、
    前記デジタル信号に同期させた同期信号を発生するタイミング発生部と、
    前記同期信号に同期させて前記デジタル信号を取り込むデジタル信号処理部と、
    を備え、
    前記制御手段は、前記出力を一時的に停止させる期間に前記撮像素子から出力された信号に対応する前記デジタル信号の値を予め定められた値にすることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
  4. 行方向及び列方向に配列された複数の光電変換手段と、前記複数の光電変換手段のn−1行目(ただし、nは2以上の整数)から読み出した信号を記憶する第1の記憶手段と、前記複数の光電変換手段のn行目から読み出した信号を記憶する第2の記憶手段とを備える撮像素子の制御方法であって、
    前記第1の記憶手段に記憶されたn−1行目の1行分の信号を前記第1の記憶手段から読み出す期間に、n行目の前記光電変換手段の信号を前記第2の記憶手段に読み出すようにし、かつ、前記撮像素子内の駆動パルスの少なくとも1つが変化する時に、前記第1の記憶手段に記憶されたn−1行目の1行分の信号の出力を一時的に停止させるように制御することを特徴とする撮像素子の制御方法。
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