JP2009130828A - Solid imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、列並列A/D変換方式の固体撮像装置に関するものである。 The present invention relates to a column parallel A / D conversion type solid-state imaging device.
近年、CMOSイメージセンサの高速動作を実現するために、A/D変換をCMOSイメージセンサの各列内で行う列並列A/D変換方式のCMOSイメージセンサが開発されている。列並列A/D変換方式は、列毎に並列処理するA/Dコンバータにより画素の固定パターンノイズを抑圧しながらデジタル信号に変換するものである(非特許文献1、特許文献1)。具体的には、列信号線毎にコンパレータを設け、各コンパレータに対応する画素からの画素信号とランプ信号とを入力し、ランプ信号の入力を開始してからランプ信号の電圧レベルが画素信号の電圧レベルに到達するまでの時間をカウントすることでA/D変換が行われる。
In recent years, in order to realize a high-speed operation of a CMOS image sensor, a CMOS image sensor of a column parallel A / D conversion type in which A / D conversion is performed in each column of the CMOS image sensor has been developed. The column parallel A / D conversion method is a method of converting into a digital signal while suppressing fixed pattern noise of a pixel by an A / D converter that performs parallel processing for each column (Non-patent
また、非特許文献2及び特許文献2には、基準成分をダウンカウントモードによりカウントした後、信号成分をアップカウントモードによりカウントする減算処理を行い、単位画素ごとのばらつきを含んだリセット成分と、カラムAD回路ごとのオフセット成分とを除去するAD変換方法が開示されている(特許文献2段落[0165]〜[0169])。
しかしながら、上述した列並列A/D変換方式のイメージセンサにおいては、列信号線の数が増大すると、各コンパレータに入力されるランプ信号は、信号源と各コンパレータとを繋ぐランプ信号線の配線長の増大に伴う配線負荷の増大により傾きが小さくなる。その結果、入射光量が同じであっても、ランプ信号線の配線長が長い列のA/D変換後の画素信号は、短い列の画素信号に比べて値が大きくなるというようにA/D変換後の画素信号にばらつきが生じ、出力画像にシェーディングが現れるという問題があった。 However, in the above-described column parallel A / D conversion type image sensor, when the number of column signal lines increases, the ramp signal input to each comparator is the wiring length of the ramp signal line connecting the signal source and each comparator. The inclination becomes smaller due to the increase in the wiring load accompanying the increase in. As a result, even if the amount of incident light is the same, the pixel signal after A / D conversion in a column with a long wiring length of the lamp signal line has a larger value than the pixel signal in a short column. There is a problem in that the pixel signals after conversion vary and shading appears in the output image.
本発明の目的は、各列のランプ信号の傾きの相違により出力画像にシェーディングが現れることを抑制することができる固体撮像装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of suppressing the appearance of shading in an output image due to a difference in slope of a ramp signal in each column.
(1)本発明による固体撮像装置は、列並列A/D変換方式の固体撮像装置であって、N(Nは1以上の整数)行×M(Mは2以上の整数)列に配列された複数の画素を備え、各列に対応するM本の列信号線に画素信号を出力する画素部と、ランプ信号を生成してランプ信号線に出力するランプ信号生成部と、前記列信号線を介して前記画素信号が入力されると共に、前記ランプ信号線を介して前記ランプ信号が入力され、前記ランプ信号の電圧レベルが前記画素信号の電圧レベルに達したときに検出信号を出力する各列に対応するM個の比較部と、前記ランプ信号生成部が前記ランプ信号の出力を開始してから、各比較部により前記検出信号が出力されるまでの時間をカウントすることで、前記画素信号をアナログ−デジタル変換するA/D変換部と、前記ランプ信号線の配線長に起因する各比較部に入力されるランプ信号の傾きの相違に基づく各列のアナログ−デジタル変換後の画素信号のばらつきを低減にする補正処理を行う補正部とを備えることを特徴とする。 (1) A solid-state imaging device according to the present invention is a column-parallel A / D conversion type solid-state imaging device, and is arranged in N (N is an integer of 1 or more) rows × M (M is an integer of 2 or more) columns. A pixel unit that outputs a pixel signal to M column signal lines corresponding to each column, a ramp signal generation unit that generates a ramp signal and outputs the ramp signal to the column signal line, and the column signal line The pixel signal is input via the ramp signal line, the ramp signal is input via the ramp signal line, and a detection signal is output when the voltage level of the ramp signal reaches the voltage level of the pixel signal. By counting the time from the start of the output of the ramp signal by the M comparison units corresponding to the columns to the output of the detection signal by each comparison unit, the pixels A / to convert the signal from analog to digital Correction processing is performed to reduce variation in pixel signals after analog-to-digital conversion in each column based on a difference in slope of the ramp signal input to the conversion unit and each comparison unit due to the wiring length of the ramp signal line. And a correction unit.
この構成によれば、ランプ信号線の配線長に起因する各比較部に入力されるランプ信号の傾きの相違に基づく各列のアナログ−デジタル変換後の画素信号のばらつきを低減にするための補正処理が行われるため、出力画像にシェーディングが現れることを抑制することができる。 According to this configuration, correction for reducing variations in pixel signals after analog-to-digital conversion in each column based on a difference in slope of the ramp signal input to each comparison unit due to the length of the ramp signal line. Since the process is performed, it is possible to suppress the appearance of shading in the output image.
(2)前記補正部は、前記ランプ信号の傾きが最大又は最小の列を基準として、前記補正処理を行うことが好ましい。この構成によれば、ランプ信号線の配線長が最短の列、又は最長の列を基準に補正処理が行われるため、処理の簡略化を図ることが可能となる。 (2) It is preferable that the correction unit performs the correction process on the basis of a column having the maximum or minimum slope of the ramp signal. According to this configuration, the correction process is performed based on the shortest column or the longest column of the lamp signal line, so that the process can be simplified.
(3)前記補正部は、アナログ−デジタル変換後の画素信号に対して前記補正処理を行うことが好ましい。この構成によれば、補正処理がデジタル的に行われるため、出力画像にシェーディングが現れることを精度良く抑制することができる。 (3) It is preferable that the correction unit performs the correction process on the pixel signal after analog-digital conversion. According to this configuration, since the correction process is performed digitally, it is possible to accurately suppress the appearance of shading in the output image.
(4)前記補正部は、各比較部に入力される画素信号のゲインをそれぞれ調節することで前記補正処理を行うことが好ましい。この構成によれば、各列のA/D変換後の画素信号のばらつきが低減されるように画素信号のゲインが調節されるため、出力画像にシェーディングが現れることを精度良く抑制することができる。 (4) It is preferable that the correction unit performs the correction process by adjusting a gain of a pixel signal input to each comparison unit. According to this configuration, since the gain of the pixel signal is adjusted so as to reduce the variation in the pixel signal after A / D conversion of each column, it is possible to accurately suppress the occurrence of shading in the output image. .
(5)前記補正部は、各列信号線において、各比較部の手前に接続されたM個の増幅回路により構成されていることが好ましい。この構成によれば、各列に設けられた増幅回路により画素信号のゲイン調節が行われるため、ゲイン調節を精度良く調節することができる。 (5) The correction unit is preferably configured by M amplifier circuits connected in front of the comparison units in each column signal line. According to this configuration, since the gain adjustment of the pixel signal is performed by the amplifier circuit provided in each column, the gain adjustment can be adjusted with high accuracy.
(6)前記ゲインは、1列毎又は複数列毎に異なる値であることが好ましい。この構成によれば、各列の増幅回路に好ましいゲインを設定することで、出力画像にシェーディングが現れることを精度良く抑制することができる。また、複数列毎に予め好ましい増幅回路のゲインを設定することで、処理の簡便化を図ることができる。 (6) The gain is preferably a different value for each column or for each of a plurality of columns. According to this configuration, it is possible to accurately suppress the occurrence of shading in the output image by setting a preferable gain for the amplifier circuit in each column. In addition, by setting a preferable gain of the amplifier circuit in advance for each of a plurality of columns, the processing can be simplified.
(7)前記補正部は、各比較部に入力されるランプ信号のゲインをそれぞれ調節することで前記補正処理を行うことが好ましい。この構成によれば、各比較部に入力されるランプ信号の傾きのばらつきを低減することが可能となり、出力画像にシェーディングが現れることを抑制することができる。 (7) It is preferable that the correction unit performs the correction process by adjusting the gain of the ramp signal input to each comparison unit. According to this configuration, it is possible to reduce variation in the slope of the ramp signal input to each comparison unit, and it is possible to suppress the appearance of shading in the output image.
(8)前記補正部は、前記ランプ信号生成部と前記比較部との間に接続された増幅回路により構成されていることが好ましい。この構成によれば、増幅回路によりランプ信号のゲイン調節が行われるため、ゲイン調節を精度良く行うことができる。 (8) It is preferable that the correction unit is configured by an amplifier circuit connected between the ramp signal generation unit and the comparison unit. According to this configuration, since the gain adjustment of the ramp signal is performed by the amplifier circuit, the gain adjustment can be performed with high accuracy.
(9)前記増幅回路は、1列毎又は複数列毎に設けられていることが好ましい。この構成によれば、各列の増幅回路にランプ信号の傾きを一定にするゲインを設定することでA/D変換後の画素信号のばらつきを低減することが可能となり、出力画像にシェーディングが現れることを抑制することができる。また、複数列毎の増幅回路にランプ信号の傾きを一定にするための好ましいゲインを予め設定することで、処理の簡便化を図ることができる。 (9) The amplifier circuit is preferably provided for each column or for each of a plurality of columns. According to this configuration, it is possible to reduce variation in pixel signals after A / D conversion by setting a gain that makes the slope of the ramp signal constant in the amplifier circuit of each column, and shading appears in the output image. This can be suppressed. In addition, it is possible to simplify the processing by setting in advance a preferable gain for making the slope of the ramp signal constant in the amplifier circuits for each of a plurality of columns.
(10)前記補正部は、ランプ信号の各列の傾きの変化量を定期的に検出し、検出結果に基づいて、前記補正処理に用いる補正値を求めることが好ましい。この構成によれば、定期的にランプ信号の各列の遅延量が検出され、その検出結果に基づいて、補正処理に用いられる補正値が求められるため、環境温度の変化によるA/D変換後の画素信号のばらつきの変化に対して柔軟に対応することができる。 (10) It is preferable that the correction unit periodically detects an amount of change in inclination of each column of the ramp signal, and obtains a correction value to be used for the correction process based on a detection result. According to this configuration, the delay amount of each column of the ramp signal is periodically detected, and the correction value used for the correction process is obtained based on the detection result. Therefore, after the A / D conversion due to the change in the environmental temperature It is possible to flexibly cope with changes in the variation of the pixel signal.
本発明によれば、各列のランプ信号の傾きの相違により出力画像にシェーディングが現れることを抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress the appearance of shading in the output image due to the difference in the slope of the ramp signal in each column.
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1による固体撮像装置について説明する。図1は、本発明の実施の形態1による固体撮像装置のブロック図を示している。図1に示す固体撮像装置は、列並列A/D(アナログデジタル)変換方式のCMOSイメージセンサを備える固体撮像装置であり、画素部10、垂直走査回路20、ランプ信号生成回路30、GCA・CDS回路40、コンパレータ(CMP)50(比較部の一例)、エッジ検出回路(ED:Edge Detector:比較部の一例)60、カウンタ70(A/D変換部の一例)、ラッチ部80(A/D変換部の一例)、センスアンプ(SA:Sense Amp)90、水平走査回路100、タイミングジェネレータ(TG)110、及び制御部300(補正部の一例)を備える。なお、本実施の形態では、図1に示す制御部300以外の各回路が1チップ化されたCMOSイメージセンサを構成する。なお、CMOSイメージセンサを構成する各回路を1チップ化することなく、個別の回路で構成してもよい。
(Embodiment 1)
The solid-state imaging device according to
画素部10は、N(Nは1以上の整数)行×M(Mは2以上の整数)列に配列された複数の画素11を備え、各列に対応するM本の列信号線L2に画素信号を出力する。なお、図1では、説明の便宜上、2行×3列の合計6個の画素11のみを示している。画素11は、フォトダイオード及び増幅回路等を備え、フォトダイオードで光電変換された信号電荷を増幅回路で増幅して電気信号に変換し、画素信号として列信号線L2に出力する。本実施の形態では、画素11は、入射光量が多くなるにつれて、電圧レベルの小さな画素信号を出力するが、これに限定されず、入射光量が多くなるにつれて、電圧レベルの大きな画素信号を出力してもよい。列信号線L2は、各列に対応してM本存在し、各列に配列されたN個の画素のそれぞれと接続されている。
The
垂直走査回路20は、例えばシフトレジスタから構成され、タイミングジェネレータ110から出力されるクロック信号CLKに従って行信号線L3を行方向にサイクリックに選択し、画素11から画素信号を出力させる。
The
ランプ信号生成回路30は、クロック信号CLKに従ってランプ信号を生成してランプ信号線L1に出力する。ここで、ランプ信号生成回路30は、垂直走査回路20が1つの行を選択している間に1つのランプ信号を出力するというように、垂直走査回路20と同期して、行単位でランプ信号を出力する。なお、本実施の形態では、ランプ信号は、時間が経過するにつれて線形に減少する波形を採用するが、これに限定されず、時間が経過するにつれて線形に増大する波形を採用してもよい。GCA・CDS回路40は、GCA(Gain Control Amp)及びCDS(Correlated Double Sampling)回路を含み、画素信号に含まれる固定パターンノイズを除去する。
The ramp
コンパレータ50は、各列に対応してM個存在し、列信号線L2を介して画素信号が入力されると共に、ランプ信号線L1を介してランプ信号が入力され、ランプ信号の電圧レベルが画素信号の電圧レベルに達したときに、クロック信号CLKに従って、出力する信号をハイレベルからローレベルにする又はローレベルからハイレベルにする。具体的には、コンパレータ50は、一方の入力端子がランプ信号線L1を介してランプ信号生成回路30に接続され、他方の入力端子が列信号線L2に接続され、出力端子がエッジ検出回路60に接続されている。
There are
エッジ検出回路60は、各列に対応してM個存在し、タイミングジェネレータ110から出力されるクロック信号に従ってコンパレータ50から出力される信号のエッジを検出し、パルス状の検出信号をラッチ部80に出力する。
There are M
カウンタ70は、4ビットカウンタから構成され、クロック信号CLKに従ってカウント動作を行う。ここで、カウンタ70は、最下位ビットから最上位ビットまでの4ビットのそれぞれに対応する4本のカウント信号線CL1〜CL4を介して、ラッチ部80と接続されている。カウント信号線CL1は、例えばクロック信号CLKと同一周期のカウント信号を出力し、カウント信号線CL2は、例えばクロック信号CLKを2分周したカウント信号を出力し、カウント信号線CL3は、例えばクロック信号CLKを4分周したカウント信号を出力し、カウント信号線CL4は、例えばクロック信号を8分周したカウント信号を出力する。
The
ラッチ部80は、4本のカウント信号線CL1〜CL4及びM本の列信号線L2のそれぞれに対応する4行×M列のマトリックス状に配列された4M個のラッチ回路81を備える。ラッチ回路81は、エッジ検出回路60からエッジ検出信号が出力されたときにカウンタ70から出力されたカウント信号がハイレベルである場合、1の信号をラッチし、ローレベルである場合、0の信号をラッチする。これにより、各列の4個のラッチ回路81により、対応する列の1つの画素11から出力された画素信号の4ビットのデジタル値がラッチされる。すなわち、カウンタ70とラッチ部80とによって、各画素11から出力されたアナログの画素信号が4ビットのデジタルの画素信号にA/D変換される。
The
センスアンプ90は、4本のカウント信号線CL1〜CL4のそれぞれに対応して4個存在し、ラッチ回路81から出力された信号を増幅し、制御部300に出力する。ここで、ラッチ回路81は、省エネルギー化の観点から電圧振幅の小さな信号を出力しているため、センスアンプ90は、この電圧振幅の小さな信号を増幅することで0の信号と1の信号との差を顕在化している。これにより、制御部300は、0の信号と1の信号とを明確に区別することが可能となる。
There are four
水平走査回路100は、例えばシフトレジスタから構成され、クロック信号CLKと同期して、M本の列信号線L2を列方向にサイクリックに選択し、各列を構成する4個のラッチ回路81にラッチした信号を出力させる。タイミングジェネレータ110は、クロック信号CLKを生成し、垂直走査回路20、ランプ信号生成回路30、コンパレータ50、エッジ検出回路60、カウンタ70、及び水平走査回路100等に供給し、これらの各回路の動作を同期させる。
The
制御部300は、CPU、ROM、RAM等を含み、固体撮像装置の全体制御を司る。更に、制御部300は、ランプ信号線L1の配線長に起因する各コンパレータ50に入力されるランプ信号の傾きの相違に基づく各列のA/D変換後の画素信号のばらつきを低減する補正処理を行う。ここで、制御部300に入力されるA/D変換された画素信号の最下位ビットをVS[0]と表し、VS[0]の1桁上のビットをVS[1]と表し、VS[1]の1桁上のビットをVS[2]と表し、最上位ビットをVS[3]と表す。なお、制御部300の処理の詳細については後述する。
The
なお、図1では、説明の便宜上、カウンタ70を4ビットカウンタとしたが、これに限定されず、2ビット以上の任意のカウンタを採用してもよい。この場合、カウンタ70が12ビットカウンタであれば、1列あたりのラッチ回路81の個数を12個、カウンタ70が8ビットカウンタであれば、1列あたりのラッチ回路81の個数を8個とするように、カウンタ70のビット数に応じて、各列のラッチ回路の個数を適宜変更すればよい。
In FIG. 1, for convenience of explanation, the
次に、図1に示す固体撮像装置の動作について説明する。垂直走査回路20により1行の行信号線L3が選択されると、選択された行に配列された各画素11は画素信号を列信号線L2に出力する。列信号線L2に出力された各列の画素信号は、各列のラッチ回路81によりラッチされ、4ビットのデジタル画素信号とされる。そして、水平走査回路100により、列信号線L2が順次選択され、4ビットのデジタル画素信号がセンスアンプ90を介して順次制御部300に出力される。
Next, the operation of the solid-state imaging device shown in FIG. 1 will be described. When one row signal line L3 is selected by the
図2は、カウンタ70として2ビットカウンタを採用したときの固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートであり、(a)はランプ信号を示し、(b)はコンパレータ50に入力されるクロック信号CLKを示し、(c)はコンパレータ50から出力される信号を示し、(d)はエッジ検出回路60から出力される検出信号を示し、(e)はカウンタ70のカウント値を示している。
FIG. 2 is a timing chart showing the operation of the solid-state imaging device when a 2-bit counter is adopted as the
図2(a)の時刻t0において、ランプ信号生成回路30からランプ信号が出力される。ランプ信号は、時間が経過するにつれて線形に減少する。このとき、図2(e)に示すように、カウンタ70によりクロック信号CLKのカウントが開始される。時刻t1において、図2(a)に示すように、ランプ信号の電圧レベルが画素11から出力される画素信号の電圧レベルに到達すると、図2(c)に示すように、コンパレータ50により出力される信号がハイレベルからローレベルに立ち下げられる。
A ramp signal is output from the ramp
コンパレータ50から出力される信号が立ち下げられると、図2(d)に示すように、エッジ検出回路60により検出信号が出力される。そして、検出信号が出力された列に対応する2個のラッチ回路81は、図2(e)に示すように、検出信号の受け付け時にカウンタから「01」のカウント信号が出力されているため、「01」の信号をラッチする。
When the signal output from the
画素11からは、入射光量が大きいほど低い電圧レベルの画素信号が出力されているため、入射光量が大きいほどランプ信号の電圧レベルが画素信号の電圧レベルに到達するまでの時間が長くなる結果、入射光量が大きいほどデジタルの画素信号のレベルは高くなる。なお、図2では、右下がりのランプ信号を採用したが、右上がりのランプ信号を採用してもよく、この場合、入射光量が大きいほどデジタルの画素信号のレベルは低くなる。
Since the
図3は、ランプ信号の傾きの変化を示した図であり、(a)はランプ信号線L1を示し、(b)はランプ信号を示し、(c)はA/D変換後の画素信号の光電変換特性を示している。図3(a)に示すようにランプ信号線L1は、寄生抵抗及び寄生容量からなる配線負荷を有している。そのため、図3(b)の点線に示すように、ランプ信号は信号源であるランプ信号生成回路30から離れるにつれて傾き及び振幅が減少する。したがって、入射光量が同じであっても、ランプ信号生成回路30から離れた列ほどエッジ検出回路60から出力される検出信号の出力タイミングが遅れてしまう。その結果、A/D変換後の画素信号のレベルと画素11への入射光量との関係を示す光電変換特性は、図3(c)の点線に示すようにランプ信号生成回路30から離れた列ほど傾きが増大する。また、ランプ信号の振幅が小さくなると、図3(c)に示すように光電変換特性の飽和レベルも小さくなる。このように、ランプ信号の波形が相違すると入射光量が同じであっても各列におけるA/D変換後の画素信号にばらつきが発生し、出力画像の明るさが領域に応じて異なってしまい、シェーディングが発生する。
FIG. 3 is a diagram showing a change in the slope of the ramp signal, where (a) shows the ramp signal line L1, (b) shows the ramp signal, and (c) shows the pixel signal after A / D conversion. The photoelectric conversion characteristics are shown. As shown in FIG. 3A, the ramp signal line L1 has a wiring load composed of a parasitic resistance and a parasitic capacitance. Therefore, as shown by the dotted line in FIG. 3B, the slope and amplitude of the ramp signal decrease with distance from the ramp
そこで、本実施の形態では、A/D変換後の画素信号であるデジタルの画素信号に補正処理を施して出力画像に現れるシェーディングを抑制している。ここで、制御部300は、各列のランプ信号の傾き(ゲイン)を検出し、検出した傾きに基づいて、各列の補正値を求め、この補正値をデジタル画素信号に乗じることで補正処理を行う。
Therefore, in this embodiment, shading appearing in the output image is suppressed by performing correction processing on the digital pixel signal that is the pixel signal after A / D conversion. Here, the
具体的に、制御部300は、各列信号線L2にレベルの異なる2つの直流電圧V1、V2を入力し、画素信号を取り込む場合と同じ要領でCMOSイメージセンサに直流電圧V1,V2をA/D変換させ、各列のデジタルの直流電圧V1´,V2´を得る。次に、制御部300は、(V1−V2)/(V1´−V2´)により各列のランプ信号の傾きを求め、これらの傾きから画素信号のばらつきを低減させる補正値を求め、メモリに記憶させる。そして、制御部300は、CMOSイメージセンサから画素信号が入力されると、入力された画素信号に対応する列の補正値を乗じることで、画素信号を補正する。
Specifically, the
ここで、制御部300は、ランプ信号の傾きが最大又は最小の列を基準とし、各列のランプ信号の傾きを用いて、配線長が長い列ほど値が小さくなるように各列の補正値を求めればよい。
Here, the
また、制御部300は、補正値の算出処理を定期的に行ってもよい。これにより環境温度等の変化によるランプ信号の傾きの変化に柔軟に対応することが可能となる。更に、制御部300は、予め実験により得られた各列の補正値を記憶しておき、この補正値を用いて補正処理を行ってもよい。更に、ランプ信号の傾きが最大又は最小以外の所定の列のランプ信号の傾きを基準として、各列のデジタルの画素信号を補正してもよい。
Further, the
以上説明したように、本固体撮像装置によれば、ランプ信号線L1の配線長に起因する各コンパレータ50に入力されるランプ信号の傾きの相違に基づく各列のアナログ−デジタル変換後の画素信号のばらつきを低減するための補正処理が行われるため、出力画像にシェーディングが現れることを抑制することができる。また、補正処理がデジタル的に行われるため、出力画像にシェーディングが現れることを精度良く抑制することができる。
As described above, according to the present solid-state imaging device, the pixel signals after analog-digital conversion in each column based on the difference in the slope of the ramp signal input to each
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2による固体撮像装置について説明する。図4は、実施の形態2による固体撮像装置のブロック図を示している。本実施の形態による固体撮像装置は、コンパレータ50とランプ信号生成回路30との間に増幅回路120(補正部の一例)を接続したことを特徴とする。なお、本実施の形態において、実施の形態1と同一のものは説明を省略し、相違点のみ説明する。
(Embodiment 2)
Next, a solid-state imaging device according to
図4に示す増幅回路120は、各列に対応してM個存在し、それぞれランプ信号線L1において、コンパレータ50の入力端子の手前に接続され、ランプ信号線L1の配線長に起因する各コンパレータ50に入力されるランプ信号の傾きの相違に基づく各列のA/D変換後の画素信号のばらつきを低減するために、コンパレータ50に入力されるランプ信号のゲインを調節する。
There are
図5は、ランプ信号生成回路30と増幅回路120との接続関係を示した図である。図5に示す抵抗及びコンデンサはランプ信号線L1による配線負荷を示している。なお、図5に示すA点は、ランプ信号生成回路30の出力端子の直近のランプ信号線L1上の点を示す。また、B〜D点は、左から数えて1〜3列目のコンパレータ50の入力端子の直近のランプ信号線L1上の各点を示している。また、図5では、説明の便宜上、3列目を最終列としているが、実際には、M列存在する。A点はランプ信号生成回路30の出力端子の直近に位置するため、A点においてランプ信号は、配線負荷の影響を受けず、RAで示す波形を描く。しかしながら、B点、C点、D点とランプ信号線L1の配線長が長くなると、B〜D点のそれぞれにおけるランプ信号はRB〜RDで示す波形を描くことになり、A点から離れるにつれてランプ信号の傾きが小さくなっていることが分かる。
FIG. 5 is a diagram illustrating a connection relationship between the ramp
そこで、増幅回路120は、ランプ信号線L1の各点で傾きが低下したランプ信号が、RBで示す1列目の波形となるようにゲインアップする補正を行い、各列のランプ信号の傾きを一定にする。具体的には、増幅回路120は、抵抗R1,R2を備える反転増幅回路により構成され、抵抗R1,R2により定まるゲインによりランプ信号を増幅する。ここで、増幅回路120のゲインは、ランプ信号の傾きが最大又は最小の列を基準とし、各列のランプ信号の傾きを用いて配線長が長い列ほど値が大きくなるような値を採用すればよく、具体的には、入力されるランプ信号の波形がRBで示す波形にすることが可能な値であって予め実験によって得られた値を採用すればよい。なお、図5では、B´〜D´点のそれぞれにおけるランプ波形を下り波形で示しているが、詳細には、増幅回路120として反転増幅回路を採用した場合、これらのランプ波形は上り波形となり、正転増幅回路を採用した場合、これらのランプ波形は下り波形となる。
Therefore, the
また、増幅回路120として、ゲインが調節可能なものを採用し、制御部300は、各列のコンパレータ50に入力されるランプ信号の傾きを定期的に検出し、この傾きをRBで示す波形にするための各列の増幅回路120のゲインを求め、得られたゲインを各列の増幅回路120のゲインとして設定してもよい。この場合、制御部300は、実施の形態1と同じ要領で各列のランプ信号の傾きを求めればよい。定期的にゲインを設定することで環境温度の変化によるA/D変換後の画素信号のばらつきの変化に対して柔軟に対応することができる。
Further, the
また、ゲインの調整可能な増幅回路120としては、抵抗R1又はR2に複数の抵抗を並列接続させると共に、並列接続された各抵抗を抵抗R1又はR2に並列接続させるためのスイッチを各抵抗に接続したものを採用すればよく、この場合、制御部300は、これらのスイッチをオン・オフすることで、増幅回路120のゲインを調節することができる。
In addition, as the amplifying
以上によって、1〜3列目のコンパレータ50の入力端子の直近のB´〜D´点から、RBの波形を有するランプ信号が出力され、各列のコンパレータ50に入力されるランプ信号の傾きを一定にすることができる。このように、本固体撮像装置によれば、各列のコンパレータ50の入力端子の手前に増幅回路120を接続したため、A/D変換後の画素信号のばらつきを低減して、出力画像にシェーディングが現れることを抑制することができる。
As described above, the ramp signal having the RB waveform is output from the points B ′ to D ′ closest to the input terminals of the
なお、上記説明では、各列のランプ信号を傾きが最大である1列目のランプ信号に合わせたが、これに限定されず、ランプ信号の傾きが最小である3列目のランプ信号に、各列のランプ信号を合わせてもよい。また、各列のランプ信号が所定の基準の波形となるように、各列のランプ信号を補正してもよい。更に、ランプ信号の傾きが最大又は最小以外の所定の列の傾きとなるように各列のランプ信号を補正してもよい。 In the above description, the ramp signal of each column is matched with the ramp signal of the first column having the maximum inclination. However, the present invention is not limited to this, and the ramp signal of the third column having the minimum inclination of the ramp signal is used. The ramp signals in each column may be combined. Further, the ramp signal of each column may be corrected so that the ramp signal of each column has a predetermined reference waveform. Further, the ramp signal of each column may be corrected so that the ramp signal has a gradient of a predetermined column other than the maximum or minimum.
また、本実施の形態では、図4に示すように、1列毎に増幅回路120を設けたが、これに限定されず、図6に示すように複数列毎に増幅回路120を設けてもよい。図6は、2列毎に増幅回路120を設けた場合の増幅回路120とコンパレータ50との接続関係を示した図である。図6に示すように、1列目の増幅回路120の出力端子は、1列目及び2列目のコンパレータ50の入力端子に接続され、3列目の増幅回路120の出力端子は、3列目及び4列目のコンパレータ50の入力端子に接続されていることが分かる。こうすることで、出力画像に現れるシェーディングを抑制しつつ、回路規模を小さくすることができる。
In this embodiment, the
また、本実施の形態では、図4に示す増幅回路120のゲインを列毎に異なる値に設定したがこれに限定されず、1〜M列を複数のブロックに分け、各ブロックにおいて、増幅回路120のゲインを同じ値に設定してもよい。更に、増幅回路120としては、反転増幅回路に限らず、正転増幅回路等の他の増幅回路を採用してもよい。
In this embodiment, the gain of the
(実施の形態3)
次に、本発明の実施の形態3による固体撮像装置について説明する。図7は、実施の形態3による固体撮像装置の列信号線L2とコンパレータ50との接続関係を示した図である。本実施の形態による固体撮像装置は、列信号線L2のコンパレータ50の手前に増幅回路130(補正部の一例)を接続したことを特徴とする。なお、本実施の形態において、実施の形態と同一のものは説明を省略し、相違点のみ説明する。また、全体構成は実施の形態1と同一であるため、図1を用いる。
(Embodiment 3)
Next, a solid-state imaging device according to
図7に示すように増幅回路130は、各列信号線において、コンパレータ50の上流側に接続されたGCA・CDS回路40に含まれるスイッチトキャパシタアンプにより構成されている。
As shown in FIG. 7, the
スイッチトキャパシタアンプのゲインは2つのコンデンサの容量比で決まり、図7の左から1列目の増幅回路130においては、ゲインは入力端子側に接続されたコンデンサCBを、入出力端子間に接続されたコンデンサCoで除した値、すなわちCB/Coで表される。そのため、増幅回路130から出力される信号VBoは、入力される信号をVBiとすると、VBo=(CB/Co)・VBiで表される。また、2、3列目の増幅回路130から出力される信号VCo,VDoは、入力される信号をVCi,VDiとすると、VCo=(CC/Co)・VCi、VDo=(CD/Co)・VDiと表される。
The gain of the switched capacitor amplifier is determined by the capacitance ratio of the two capacitors. In the
ランプ信号生成回路30から出力されるランプ信号は、図3(b)の点線に示すように信号源から離れるにつれて配線負荷により傾きが小さくなるため、1列目から3列目に向かうにつれてランプ信号の傾きは小さくなる。これにより、1〜3列目のコンパレータ50に同一レベルの画素信号が入力されても、1〜3列目に向かうにつれて、ランプ信号のレベルが画素信号のレベルに到達するまでの時間が遅れ、エッジ検出回路60から出力される検出信号の出力タイミングが遅れ、A/D変換後の画素信号の値が大きくなる。そこで、増幅回路130は、ランプ信号の傾きの相違によるA/D変換後の画素信号のばらつきが低減されるように入力される画素信号のゲインを調節する。
The ramp signal output from the ramp
ここで、増幅回路130のゲインは、ランプ信号の傾きが最大又は最小の列を基準とし、各列のA/D変換後の画素信号のばらつきを低減させるような値を予め実験により求め、この値を採用すればよい。
Here, the gain of the
また、増幅回路130として、ゲインが調節可能なものを採用し、制御部300は、実施の形態1と同じ要領で、各列のランプ信号の傾きを検出し、検出した傾きを用いて、各列のA/D変換後の画素信号のばらつきを低減させるような各列の増幅回路130のゲインを求めてもよい。この場合、制御部300は、増幅回路130のゲインの設定処理を定期的に行っても良い。これにより環境温度等の変化によるランプ信号の傾きの変化によるA/D変換後の画素信号のばらつきの変化に柔軟に対応することが可能となる。
Further, the
具体的には、1〜3列目に向かうにつれて、ランプ信号の傾きは小さくなっているため、この傾きによるA/D変換後の画素信号のばらつきを低減させるために、1〜3列目に向かうにつれて増幅回路130のゲインが小さくなるようにCB、CC、CDの値を設定する、すなわち、CD<CC<CBとなるように、CB、CC、CDの値を設定すればよい。
Specifically, since the slope of the ramp signal becomes smaller toward the first to third columns, the first to third columns are used in order to reduce variations in pixel signals after A / D conversion due to this slope. The values of CB, CC, and CD are set so that the gain of the
なお、ゲインの調整可能な増幅回路130としては、1列目の増幅回路130を例に挙げて説明すると、コンデンサCB又はコンデンサCoに複数のコンデンサを並列接続させると共に、並列接続された各コンデンサをCB又はCoに並列接続させるためのスイッチを各コンデンサに接続したものを採用すればよく、この場合、制御部300は、これらのスイッチをオン・オフすることで、増幅回路130のゲインを調節することができる。
As an example of the
このように、本固体撮像装置によれば、各列のランプ信号の傾きの相違に基づくA/D変換後の画素信号のばらつきが低減されるように増幅回路130により画素信号のゲインが調節されてコンパレータ50に出力されるため、出力画像にシェーディングが現れることを抑制することができる。
As described above, according to the solid-state imaging device, the gain of the pixel signal is adjusted by the
なお、増幅回路130としてスイッチトキャパシタアンプを採用したが、これに限定されず、実施の形態2に示すような抵抗からなる増幅回路を採用してもよい。また、増幅回路130をGCA・CDS回路40に含ませたが、GCA・CDS回路40とは別に設けても良い。
Although a switched capacitor amplifier is used as the
また、上記実施の形態1〜3では、ランプ信号生成回路30を1つとしたが、これに限定されず、複数個設けても良い。この場合、奇数列にランプ信号を出力するランプ信号生成回路と、偶数列にランプ信号を出力するランプ信号生成回路との合計2個のランプ生成回路を設けてもよいし、左側半分の列と右側半分の列とにランプ信号を生成する合計2個のランプ信号生成回路を設けてもよいし、各列を複数のブロックに分け、各ブロックにランプ信号を生成する複数個のランプ信号生成回路を設けてもよい。
In the first to third embodiments, one ramp
10 画素部
11 画素
20 垂直走査回路
30 ランプ信号生成回路
40 GCA・CDS回路
50 コンパレータ
60 エッジ検出回路
70 カウンタ
80 ラッチ部
81 ラッチ回路
90 センスアンプ
100 水平走査回路
110 タイミングジェネレータ
120 増幅回路
130 増幅回路
300 制御部
CL1〜CL4 カウント信号線
L1 ランプ信号線
L2 列信号線
L3 行信号線
10
Claims (10)
N(Nは1以上の整数)行×M(Mは2以上の整数)列に配列された複数の画素を備え、各列に対応するM本の列信号線に画素信号を出力する画素部と、
ランプ信号を生成してランプ信号線に出力するランプ信号生成部と、
前記列信号線を介して前記画素信号が入力されると共に、前記ランプ信号線を介して前記ランプ信号が入力され、前記ランプ信号のレベルが前記画素信号のレベルに達したときに検出信号を出力する各列に対応するM個の比較部と、
前記ランプ信号生成部が前記ランプ信号の出力を開始してから、各比較部により前記検出信号が出力されるまでの時間をカウントすることで、前記画素信号をアナログ−デジタル変換するA/D変換部と、
前記ランプ信号線の配線長に起因する各比較部に入力されるランプ信号の傾きの相違に基づく各列のアナログ−デジタル変換後の画素信号のばらつきを低減する補正処理を行う補正部とを備えることを特徴とする固体撮像装置。 A solid-state imaging device of a column parallel A / D conversion method,
A pixel unit that includes a plurality of pixels arranged in N (N is an integer of 1 or more) rows × M (M is an integer of 2 or more) columns, and outputs pixel signals to M column signal lines corresponding to each column. When,
A ramp signal generation unit that generates a ramp signal and outputs the ramp signal to the ramp signal line;
The pixel signal is input via the column signal line, and the ramp signal is input via the ramp signal line, and a detection signal is output when the level of the ramp signal reaches the level of the pixel signal. M comparison units corresponding to each column to be
A / D conversion for analog-digital conversion of the pixel signal by counting the time from when the ramp signal generation unit starts outputting the ramp signal to when the detection signal is output by each comparison unit And
A correction unit that performs correction processing to reduce variations in pixel signals after analog-digital conversion in each column based on a difference in slope of the ramp signal input to each comparison unit due to the wiring length of the ramp signal line. A solid-state imaging device.
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