JP2009284181A - Solid-state imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、行列状に配列された複数の画素から受光量に応じた電気信号を取り出して出力する固体撮像装置に係り、特に複数回の露光により広いダイナミックレンジを持った画像データを合成する機能を備えた固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device that extracts and outputs an electrical signal corresponding to the amount of received light from a plurality of pixels arranged in a matrix, and particularly has a function of synthesizing image data having a wide dynamic range by a plurality of exposures. The present invention relates to a solid-state imaging device including
周知の通り、CMOS固体撮像装置等の固体撮像装置では、行列をなす各画素が順次駆動され、各画素から画素信号の読み出しが行われる。最も基本的な構成では、一定時間長のフレーム(垂直走査期間)毎に全画素からアナログ画素信号を読み出す動作が繰り返される。このような構成では、1つの画素に着目すると、前回のアナログ画素信号の読み出しから今回のアナログ画素信号の読み出しまでの期間である1フレームが露光時間となり、今回読み出されるアナログ画素信号の信号値は露光期間内における画素の受光量を反映したものとなる。 As is well known, in a solid-state imaging device such as a CMOS solid-state imaging device, each pixel forming a matrix is sequentially driven, and a pixel signal is read from each pixel. In the most basic configuration, the operation of reading out the analog pixel signal from all the pixels is repeated every frame (vertical scanning period) having a fixed time length. In such a configuration, focusing on one pixel, one frame, which is a period from the previous reading of the analog pixel signal to the reading of the current analog pixel signal, is the exposure time, and the signal value of the analog pixel signal read this time is This reflects the amount of light received by the pixel within the exposure period.
図6は固体撮像装置における一画素分の信号伝達系を示したものである。図6に示すように、1つの画素201から読み出されるアナログ画素信号は、ADC(Analog Digital Converter)202によりデジタル画素信号Pに変換される。そして、画像処理部では、このADC202から得られる全画素分のデジタル画素信号Pを用いて一画面分の画像データが構成され、この画像データが記録媒体に記録され、あるいは表示装置に表示される。
FIG. 6 shows a signal transmission system for one pixel in the solid-state imaging device. As shown in FIG. 6, an analog pixel signal read from one
撮像により得られる画像データは、固体撮像装置において被写体からの光を受ける撮像面(画素の行列がなす面)の各部の照度Iを表現するデータである。この画像データが表現可能な照度の範囲、すなわち、ダイナミックレンジは、ADC202の量子化ノイズや撮像の際の露光時間等の影響を受ける。
Image data obtained by imaging is data representing illuminance I of each part of an imaging surface (surface formed by a pixel matrix) that receives light from a subject in a solid-state imaging device. The illuminance range that can be expressed by the image data, that is, the dynamic range is affected by quantization noise of the
まず、画素201から得られるアナログ画素信号は、それ自体が光ショットノイズ等の画素ノイズNpを含んでいる。そして、このアナログ画素信号がADC202によってA/D変換されるとき量子化ノイズNadが発生する。このため、ADC202から得られるデジタル画素信号Pは、ノイズNp+Nadを含んだものとなる。以下便宜上、このノイズNp+Nadのレベルをノイズフロアという。デジタル画素信号Pが撮像面照度Iの高低を表現し得るものであるためには、少なくともこのノイズフロアを越えるものである必要がある。従って、デジタル画素信号値Pがノイズフロアに対応した値となるときの撮像面照度Iが画像データのダイナミックレンジの下限値となる。
First, the analog pixel signal obtained from the
図7は撮像面照度Iとデジタル画素信号値Pとの関係を示すものである。この図7に示すように、画素201から得られるアナログ画素信号値は、撮像面照度Iに依存して大きくなるが、このアナログ画素信号値がA/D変換可能なアナログ電圧の最大値に達すると、ADC202から得られるデジタル画素信号値Pはある飽和値Psatに達する。そして、撮像面照度Iがそれ以上に高くなり、アナログ画素信号値が大きくなったとしても、もはやデジタル画素信号値Pは変化せず、撮像面照度Iの上昇を表現し得なくなる。このデジタル画素信号値Pが飽和値Psatに到達するときの撮像面照度Iが画像データのダイナミックレンジの上限値となる。
FIG. 7 shows the relationship between the imaging surface illuminance I and the digital pixel signal value P. As shown in FIG. 7, the analog pixel signal value obtained from the
ここで、デジタル画素信号値Pの撮像面照度Iに対する勾配は、図7に示すように、露光時間に依存する。図8は、横軸を図7における真数Iから対数Log(I)に置き換え、縦軸を図7における真数Pから対数Log(P)に置き換えて、デジタル画素信号値Pの撮像面照度Iに対する関係を示したものである。横軸および縦軸の両方を対数軸にすると、Log(P)のLog(I)に対する勾配は露光時間によらず常に45度となる。そして、図7におけるデジタル画素信号値Pの撮像面照度Iに対する勾配の変化は、図8では、Log(I)とLog(P)との関係を示す直線の横軸(Log(I)軸)方向の平行移動となって現れる。 Here, the gradient of the digital pixel signal value P with respect to the imaging surface illuminance I depends on the exposure time, as shown in FIG. 8, the horizontal axis is replaced from the true number I to the logarithmic log (I) in FIG. 7, and the vertical axis is replaced from the true number P to the logarithmic log (P) in FIG. The relationship to I is shown. When both the horizontal axis and the vertical axis are logarithmic axes, the gradient of Log (P) with respect to Log (I) is always 45 degrees regardless of the exposure time. The change in the gradient of the digital pixel signal value P with respect to the imaging surface illuminance I in FIG. 7 is the horizontal axis of the straight line (Log (I) axis) indicating the relationship between Log (I) and Log (P) in FIG. Appears as a translation of direction.
露光時間を短くした場合、図7ではデジタル画素信号値Pの撮像面照度Iに対する勾配が小さくなり、図8では、Log(I)とLog(P)との関係を示す直線がLog(I)軸方向に沿って高照度側に移動する。このため、画像データのダイナミックレンジの上限値および下限値は連動して高照度側にシフトする。一方、露光時間を長くした場合、図7ではデジタル画素信号値Pの撮像面照度Iに対する勾配が大きくなり、図8では、Log(I)とLog(P)との関係を示す直線がLog(I)軸方向に沿って低照度側に移動する。このため、画像データのダイナミックレンジの上限値および下限値は連動して低照度側にシフトする。 When the exposure time is shortened, the gradient of the digital pixel signal value P with respect to the imaging surface illuminance I decreases in FIG. 7, and in FIG. 8, the straight line indicating the relationship between Log (I) and Log (P) is Log (I). Move to the high-illuminance side along the axial direction. For this reason, the upper limit value and the lower limit value of the dynamic range of the image data are shifted to the high illuminance side in conjunction with each other. On the other hand, when the exposure time is increased, the gradient of the digital pixel signal value P with respect to the imaging surface illuminance I increases in FIG. 7, and in FIG. 8, the straight line indicating the relationship between Log (I) and Log (P) is Log ( I) Move to the low illuminance side along the axial direction. For this reason, the upper limit value and the lower limit value of the dynamic range of the image data are shifted to the low illuminance side in conjunction with each other.
照度の低い領域の画像を明瞭に撮像するためには、露光時間を長くすることによりダイナミックレンジの下限値を下げて低照度領域の感度を上げる必要がある。しかし、露光時間をこの要求を満たすような十分な長さにすることが困難な場合もある。そこで、露光時間の調整によらずダイナミックレンジの調整を可能にする手段として、図9に示すように、ADC202の前段にプリアンプ203を配置した構成が採用される場合がある。この構成において、低照度領域では、撮像結果であるアナログ画素信号は微弱なレベルの信号となるが、この微弱なアナログ画素信号がプリアンプ203によってフロアレベルを越えるアナログ画素信号に増幅されてADC202に与えられる。従って、ダイナミックレンジの下限値が下がり、低照度領域での感度が向上する。
以上述べた露光時間の調整やプリアンプの追加は、照度軸上におけるダイナミックレンジの位置をシフトする効果を奏する。従って、撮像に当たって、これらの技術を利用し、被写体が暗いときにはダイナミックレンジを低照度側に位置させ、被写体が明るいときにはダイナミックレンジを高照度側に位置させ、被写体の明暗を程よく表現した画像データを取得することが可能である。しかし、これらの技術は、ダイナミックレンジを拡張するものではない。従って、これらの技術を駆使したとしても、広いダイナミックレンジを持った画像データ、すなわち、被写体の明暗を全体として表現し、かつ、被写体の比較的暗い領域の微妙な明暗の変化も正確に表現した画像データを得ることはできない。 The adjustment of the exposure time and the addition of the preamplifier described above have the effect of shifting the position of the dynamic range on the illuminance axis. Therefore, when taking an image, these technologies are used, and when the subject is dark, the dynamic range is positioned on the low illuminance side, and when the subject is bright, the dynamic range is positioned on the high illuminance side. It is possible to obtain. However, these techniques do not extend the dynamic range. Therefore, even if these technologies are used, image data with a wide dynamic range, that is, the brightness of the subject as a whole, and the subtle changes in brightness in the relatively dark area of the subject are accurately expressed. Image data cannot be obtained.
ダイナミックレンジの拡張を可能にする技術としては、異なる露光時間で複数回の露光を行い、各露光により得られた複数種類の画素信号を用いて広いダイナミックレンジの画像データを合成する技術(以下、便宜上、複数露光という)が提案されている(例えば特許文献1参照)。 As a technology that enables expansion of the dynamic range, a technology that performs multiple exposures with different exposure times and synthesizes image data with a wide dynamic range using a plurality of types of pixel signals obtained by each exposure (hereinafter, referred to as a “dynamic range”). For the sake of convenience, multiple exposures) have been proposed (see, for example, Patent Document 1).
この複数露光の技術を利用した固体撮像装置を構成する場合において、複数の露光時間のうち最長の露光時間を十分な長さにするのが困難な場合、その対策としてADCの前段にプリアンプを配置した構成を採用することが考えられる。しかし、この構成を採用した場合、ADCの前段へのプリアンプの配置が、画像データのダイナミックレンジの拡大効果を減少させるという問題が生じる。 When configuring a solid-state imaging device using this multiple exposure technique, if it is difficult to set the longest exposure time among the multiple exposure times to a sufficient length, a preamplifier is placed in front of the ADC as a countermeasure. It is conceivable to adopt the configuration described above. However, when this configuration is employed, there is a problem that the arrangement of the preamplifier in the previous stage of the ADC reduces the effect of expanding the dynamic range of the image data.
以下、この問題について、図10(a)〜(c)を参照して説明する。図10(a)〜(c)において、横軸は撮像面照度Iの対数値Log(I)、縦軸はデジタル画素信号値Pの対数値Log(P)である。また、直線p1は長時間露光による撮像を行った場合のLog(I)とLog(P)との関係を、直線p2は短時間露光による撮像を行った場合のLog(I)とLog(P)との関係を各々示している。また、N(1)はADC202の前段のプリアンプ203のゲインが1である場合のノイズフロアを、N(α)は同プリアンプのゲインがα(>1)である場合のノイズフロアを各々示している。
Hereinafter, this problem will be described with reference to FIGS. 10A to 10C, the horizontal axis represents the logarithmic value Log (I) of the imaging surface illuminance I, and the vertical axis represents the logarithmic value Log (P) of the digital pixel signal value P. The straight line p1 represents the relationship between Log (I) and Log (P) when imaged by long exposure, and the straight line p2 represents Log (I) and Log (P) when imaged by short exposure. ). N (1) represents the noise floor when the gain of the
図10(a)に示す例では、プリアンプ203のゲインは1となっている。この例では、撮像面照度Iが閾値Ithになったとき、長時間露光により得られるデジタル画素信号値Pが飽和値Psatに到達する。そこで、長時間および短時間の各露光を行った場合において、撮像面照度Iが閾値Ithより低く、長時間露光により得られるデジタル画素信号値Pが飽和値Psat未満である低照度領域では、長時間露光により得られるデジタル画素信号値P(直線p1上のP)を合成画像の画像データに用いる。また、撮像面照度Iが閾値Ith以上であり、長時間露光により得られるデジタル画素信号値Pが飽和値Psatに達している高照度領域では、短時間露光により得られるデジタル画素信号値P(直線p2上のP)を合成画像の画像データに用いる。すなわち、この例に示す2回露光では、直線p1の太線部分と直線p2の太線部分のデジタル画素信号値Pを合成画像の画像データに用いる。
In the example shown in FIG. 10A, the gain of the
この例では、ノイズフロアN(1)から飽和値Psatまでの範囲がデジタル画素信号値Pの有効範囲d1となる。また、直線p1とノイズフロアN(1)との交点が長時間露光によるダイナミックレンジの下限値、直線p2と飽和値Psatとの交点が短時間露光によるダイナミックレンジの上限値となる。そして、この長時間露光によるダイナミックレンジの下限値から短時間露光によるダイナミックレンジの上限値までの区間が、長時間露光および短時間露光により得られる合成画像の画像データのダイナミックレンジd2となる。 In this example, the range from the noise floor N (1) to the saturation value Psat is the effective range d1 of the digital pixel signal value P. Further, the intersection of the straight line p1 and the noise floor N (1) is the lower limit value of the dynamic range due to long exposure, and the intersection of the straight line p2 and the saturation value Psat becomes the upper limit value of the dynamic range due to short exposure. A section from the lower limit value of the dynamic range by the long exposure to the upper limit value of the dynamic range by the short exposure becomes the dynamic range d2 of the image data of the composite image obtained by the long exposure and the short exposure.
合成画像の画像データのダイナミックレンジd2を広くするためには、短時間露光の露光時間をなるべく短くして直線p2と直線p1との高低差を大きくすることが望ましい。しかし、この高低差を大きくすると、撮像面照度Iが閾値Ithを越え、画像データの合成に用いるデジタル画素信号値Pを直線p1上のものから直線p2上のものへ切り換えるとき、デジタル画素信号値Pが大きく低下するため、デジタル画素信号PのS/N比が大きく低下する。このS/N比の低下が著しいと、ざらついた印象を与えるノイズが合成画像に現れる。そこで、撮像面照度Iが閾値Ithを越える近傍において、短時間露光のデジタル画素信号値PとノイズフロアN(1)との間に少なくとも30dB程度のS/N比snp2を確保できるように短時間露光の露光時間が決定される。このように短時間露光の露光時間を決定すると、長時間露光と短時間露光とにより得られる合成画像の画像データのダイナミックレンジd2は、次式に示すものとなる。
d2=2・d1−snp2 ……(1)
In order to widen the dynamic range d2 of the image data of the composite image, it is desirable to increase the difference in height between the straight line p2 and the straight line p1 by shortening the exposure time for short exposure as much as possible. However, if this height difference is increased, the imaging surface illuminance I exceeds the threshold value Ith, and when the digital pixel signal value P used for the synthesis of the image data is switched from the one on the straight line p1 to the one on the straight line p2, the digital pixel signal value Since P is greatly reduced, the S / N ratio of the digital pixel signal P is greatly reduced. When the S / N ratio is significantly reduced, noise that gives a rough impression appears in the composite image. Therefore, in the vicinity where the imaging surface illuminance I exceeds the threshold value Ith, the S / N ratio snp2 of at least about 30 dB is ensured between the digital pixel signal value P and the noise floor N (1) for the short time exposure. The exposure time of exposure is determined. When the exposure time for the short exposure is determined in this way, the dynamic range d2 of the image data of the composite image obtained by the long exposure and the short exposure is expressed by the following equation.
d2 = 2 · d1-snp2 (1)
低照度領域での感度を高くすることが要求されるが、長時間露光の露光時間を長くするのが困難な場合、プリアンプ203のゲインを1より大きなαとすることにより対処することとなる。図10(b)は、図10(a)と同じ条件においてプリアンプ203のゲインのみを1からαに増加させた場合の撮像面照度Iとデジタル画素信号値Pとの関係を示している。この場合、Log(I)とLog(P)との関係を示す直線p1(長時間露光)および直線p2(短時間露光)は、図10(a)の直線p1およびp2をLog(I)軸方向に低照度側へ各々Log(α)だけ平行移動したものとなる。
Although it is required to increase the sensitivity in the low illuminance region, when it is difficult to increase the exposure time of the long exposure, the gain of the
しかしながら、プリアンプ203のゲインが1からαに増えたことに伴い、ノイズフロアはN(1)=Np+Nadから次式に示すN(α)に上昇する。
N(α)=α・Np+Nad ……(2)
このノイズフロアの増加によりデジタル画素信号値Pの有効範囲が図10(a)に示すd1から図10(b)に示すd1’に減少する。
However, as the gain of the
N (α) = α · Np + Nad (2)
Due to the increase in the noise floor, the effective range of the digital pixel signal value P decreases from d1 shown in FIG. 10A to d1 ′ shown in FIG. 10B.
ノイズフロアの上昇は、ダイナミックレンジに影響を与える。まず、プリアンプ203のゲインの増加に伴ってノイズフロアが上昇すると、ダイナミックレンジの下限値の低照度側へのシフト量ΔIは、Log(α)とはならず、次式に示すように、Log(α)からノイズフロアの上昇分Log(N(α))−Log(N(1))だけ減少した量となる。
ΔI
=Log(α)−{Log(N(α))−Log(N(1))} ……(3)
An increase in the noise floor affects the dynamic range. First, when the noise floor rises as the gain of the
ΔI
= Log (α) − {Log (N (α)) − Log (N (1))} (3)
ここで、ノイズフロアの上昇量Log(N(α))−Log(N(1))は、次式に示すように、Log(α)より小さくなるため、上記式(3)のシフト量ΔIは正の値になる。従って、ダイナミックレンジの下限値を低照度側へシフトして、低照度領域の感度を向上させる目的は達成することができる。
Log(N(α))−Log(N(1))
=Log(N(α)/N(1))
=Log((α・Np+Nad)/(Np+Nad))
<Log((α・Np+α・Nad)/(Np+Nad))=Log(α) ……(4)
Here, the noise floor increase amount Log (N (α)) − Log (N (1)) is smaller than Log (α) as shown in the following equation, and therefore the shift amount ΔI of the above equation (3). Becomes a positive value. Therefore, the object of improving the sensitivity in the low illuminance region by shifting the lower limit value of the dynamic range to the low illuminance side can be achieved.
Log (N (α))-Log (N (1))
= Log (N (α) / N (1))
= Log ((α · Np + Nad) / (Np + Nad))
<Log ((α · Np + α · Nad) / (Np + Nad)) = Log (α) (4)
しかし、ノイズフロアがN(1)からN(α)に上昇すると、図10(b)に示すように、閾値Ithの近傍における短時間露光のデジタル画素信号値PとノイズフロアN(α)との間のS/N比snp2’は、図10(a)に示すS/N比snp2よりも減少した値となる。このため、何ら対策を講じないと、合成画像にざらついた印象のノイズが現れる不具合が生じる。このような不具合を発生させないためには、短時間露光の露光時間を増加させて、図10(c)に示すように、閾値Ithの近傍における短時間露光のデジタル画素信号値PとノイズフロアN(α)との間に30dB程度の十分なS/N比snp2を確保する必要がある。このため、ダイナミックレンジの上限値は、図10(b)に示すものからさらに低照度側へシフトすることとなる。結局、プリアンプ203のゲインが1であった場合のダイナミックレンジd2は、プリアンプ203のゲインをαにすると、次式に示すダイナミックレンジd2’に低下することとなる。
d2’
=2・d1’−snp2
=2{d1−(Log(N(α))−Log(N(1)))}−snp2
=2・d1−snp2−2(Log(N(α))−Log(N(1)))
=d2−2(Log(N(α))−Log(N(1))) ……(5)
However, when the noise floor increases from N (1) to N (α), as shown in FIG. 10B, the short-time exposure digital pixel signal value P and the noise floor N (α) in the vicinity of the threshold value Ith The S / N ratio snp2 ′ during the period is a value that is smaller than the S / N ratio snp2 shown in FIG. For this reason, if no countermeasures are taken, there arises a problem that noise of rough impression appears in the composite image. In order to prevent such a problem from occurring, the exposure time of the short exposure is increased and the digital pixel signal value P and the noise floor N of the short exposure in the vicinity of the threshold value Ith as shown in FIG. It is necessary to ensure a sufficient S / N ratio snp2 of about 30 dB between (α). For this reason, the upper limit value of the dynamic range is further shifted from the one shown in FIG. Eventually, the dynamic range d2 when the gain of the
d2 '
= 2 · d1′−snp2
= 2 {d1- (Log (N (α))-Log (N (1)))}-snp2
= 2 · d1-snp2-2 (Log (N (α))-Log (N (1)))
= D2-2 (Log (N (α)) − Log (N (1))) (5)
以上のように、複数露光の技術を利用した固体撮像装置において、ADCの前段へプリアンプを配置すると、このプリアンプの配置が、複数露光による画像データのダイナミックレンジの拡大効果を減少させるという問題が生じるのである。 As described above, in the solid-state imaging device using the multiple exposure technique, when the preamplifier is arranged in the front stage of the ADC, there is a problem that the arrangement of the preamplifier reduces the effect of expanding the dynamic range of the image data by the multiple exposure. It is.
この発明は、以上説明した事情に鑑みてなされたものであり、複数露光の技術を利用した固体撮像装置において、ADC前段のプリアンプにより低照度領域での感度を増加させつつ、プリアンプの配置に起因したダイナミックレンジの上限値の低下を防止し、全体として広いダイナミックレンジを持った画像データを得ることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the circumstances described above, and in a solid-state imaging device using a technique of multiple exposure, the sensitivity in a low illuminance region is increased by the preamplifier in front of the ADC, and is caused by the arrangement of the preamplifier. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of preventing the lowering of the upper limit value of the dynamic range and obtaining image data having a wide dynamic range as a whole.
この発明は、複数の画素を行列状に配列してなる画素行列部と、前記画素行列部の各画素に複数種類の露光時間での露光を順次行わせ、各露光の結果であるアナログ画素信号の読み出しを行わせる駆動制御手段と、前記画素行列部から読み出されるアナログ画素信号を増幅する可変ゲイン増幅手段と、前記可変ゲイン増幅手段により増幅されたアナログ画素信号をデジタル画素信号に変換するA/D変換手段と、前記複数種類の露光時間での露光の結果である各アナログ画素信号から得られた各デジタル画素信号から広いダイナミックレンジを持った画像データを合成する画像処理手段と、前記画素行列部の露光時間の切り換えに応じて前記可変ゲイン増幅手段のゲインを調整する手段であって、前記複数種類の露光時間のうち最長の露光時間での露光により得られるアナログ画素信号を増幅するときのゲインを1より大きな第1のゲインとし、かつ、最長の露光時間以外の露光により得られるアナログ画素信号を増幅するときのゲインを第1のゲインよりも小さな第2のゲインとするゲイン調整手段とを具備することを特徴とする固体撮像装置を提供する。 According to the present invention, a pixel matrix portion formed by arranging a plurality of pixels in a matrix, and each pixel of the pixel matrix portion is sequentially exposed at a plurality of types of exposure times, and an analog pixel signal as a result of each exposure Drive control means for performing reading, variable gain amplification means for amplifying an analog pixel signal read from the pixel matrix section, and A / A for converting the analog pixel signal amplified by the variable gain amplification means into a digital pixel signal. D conversion means, image processing means for synthesizing image data having a wide dynamic range from each digital pixel signal obtained from each analog pixel signal as a result of exposure at the plurality of types of exposure times, and the pixel matrix Means for adjusting the gain of the variable gain amplifying means in response to switching of the exposure time of a part, wherein the longest exposure time among the plurality of types of exposure time The gain when amplifying the analog pixel signal obtained by exposure at 1 is set to a first gain larger than 1, and the gain when amplifying the analog pixel signal obtained by exposure other than the longest exposure time is set to the first gain. Provided is a solid-state imaging device comprising gain adjusting means for setting a second gain smaller than the gain.
かかる発明によれば、最長の露光時間での露光により得られるアナログ画素信号は1より大きな第1のゲインで増幅されてデジタル画素信号に変換される。このアナログ画素信号の第1のゲインでの増幅に伴って、デジタル画素信号のノイズフロアは上昇するものの、デジタル画素信号値がノイズフロアを越える点であるダイナミックレンジの下限値は低下する。一方、最長以外の露光時間での露光により得られるアナログ画素信号は第1のゲインより小さな第2のゲインで増幅されてデジタル画素信号に変換される。従って、最長の露光時間での露光結果であるデジタル画素信号のノイズフロアに比べて、最長でない露光時間での露光結果であるデジタル画素信号のノイズフロアは低くなる。そして、この低いノイズフロアに対して最長でない露光時間での露光結果であるデジタル画素信号が十分なS/N比を持つように最長でない露光時間の長さを定めればよい。従って、ノイズフロアを避けるために最長でない露光時間の長さを不要に長くする必要がなく、ダイナミックレンジの上限の低下を抑えて、広いダイナミックレンジを得ることができる。 According to this invention, the analog pixel signal obtained by exposure with the longest exposure time is amplified with the first gain larger than 1 and converted into a digital pixel signal. As the analog pixel signal is amplified by the first gain, the noise floor of the digital pixel signal increases, but the lower limit value of the dynamic range, which is the point where the digital pixel signal value exceeds the noise floor, decreases. On the other hand, an analog pixel signal obtained by exposure with an exposure time other than the longest is amplified with a second gain smaller than the first gain and converted into a digital pixel signal. Therefore, the noise floor of the digital pixel signal that is the exposure result with the non-longest exposure time is lower than the noise floor of the digital pixel signal that is the exposure result with the longest exposure time. Then, the length of the exposure time that is not the longest may be determined so that the digital pixel signal that is the exposure result at the exposure time that is not the longest with respect to this low noise floor has a sufficient S / N ratio. Therefore, it is not necessary to unnecessarily increase the length of the exposure time that is not the longest in order to avoid the noise floor, and it is possible to obtain a wide dynamic range while suppressing a decrease in the upper limit of the dynamic range.
以下、図面を参照し、この発明の一実施形態について説明する。
まず、図1(a)〜(c)を参照し、この発明の一実施形態による固体撮像装置における撮像面照度Iとデジタル画素信号値Pとの関係を説明する。本実施形態による固体撮像装置は、長時間および短時間の2回の露光を行い、各露光の結果であるデジタル画素信号値Pを用いて広いダイナミックレンジを持った画像データを合成するものである。図1(a)〜(c)は、前掲図10(a)〜(c)に各々対応している。また、従来技術との比較を容易にするため、図1(a)および(b)は、前掲図10(a)および(b)と同じ内容になっている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, the relationship between the imaging surface illuminance I and the digital pixel signal value P in the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The solid-state imaging device according to the present embodiment performs two exposures for a long time and a short time, and synthesizes image data having a wide dynamic range using a digital pixel signal value P as a result of each exposure. . 1A to 1C correspond to FIGS. 10A to 10C, respectively. In order to facilitate comparison with the prior art, FIGS. 1A and 1B have the same contents as FIGS. 10A and 10B.
本実施形態の特徴は、図1(c)に示されている。前掲図10(c)の例では、長時間露光の場合および短時間露光の場合の両方においてプリアンプ203のゲインをα(>1)とした。このため、合成画像の画像データのノイズフロアが増加して、短時間露光の結果であるデジタル画素信号のうち合成画像の画像データに用いられるものの下限値のS/N比snp2が低下した。そして、このS/N比snp2の低下分を回復するために、短時間露光の露光時間を増加させ、直線p2を上方にシフトした。このような対処法を採用した場合、合成画像のダイナミックレンジの上限値が低下する、という弊害が生じる。そこで、本実施形態では、短時間露光を行う期間、プリアンプ203のゲインをαから1に戻し、ノイズフロアをN(α)からN(1)に低下させる。また、短時間露光における撮像面照度Iとデジタル画素信号値Pとの関係(直線p2)を変化させないようにするため、プリアンプ203のゲインのαから1への低下と相殺する程度に、短時間露光の露光時間を増加させる。具体的には、撮像面照度Iが一定である場合の露光時間とデジタル画素信号値Pとの関係のリニアリティが良好である場合には、ゲインをαから1に低下させるのに伴い、露光時間をα倍にする。
The features of this embodiment are shown in FIG. In the example shown in FIG. 10C, the gain of the
このようにすると、合成画像の画像データのダイナミックレンジの下限値は前掲図10(c)と同様になるが、ダイナミックレンジの上限値は前掲図10(c)のものよりも上昇する。これは、前掲図10(c)の例では、短時間露光におけるデジタル画素信号P(直線p2)がノイズフロアN(α)との間に十分なS/N比snp2を確保しなければならなかったのに対し、図1(c)の例ではノイズフロアN(1)との間に十分なS/N比snp2を確保すれば足りるからである。そして、図1(c)に示す例では、合成画像の画像データのダイナミックレンジは、次式に示すように、前掲図10(c)におけるダイナミックレンジd2’よりも大きなダイナミックレンジd2’’となる。
d2’’
=d1’+(d1−snp2)
=d1−(Log(N(α))−Log(N(1)))+(d1−snp2)
=2・d1−snp2−(Log(N(α))−Log(N(1)))
=d2’+(Log(N(α))−Log(N(1)))>d2’ ……(6)
In this way, the lower limit value of the dynamic range of the image data of the composite image is the same as that shown in FIG. 10C, but the upper limit value of the dynamic range is higher than that shown in FIG. 10C. In the example shown in FIG. 10C, it is necessary to ensure a sufficient S / N ratio snp2 between the digital pixel signal P (straight line p2) in the short-time exposure and the noise floor N (α). In contrast, in the example of FIG. 1C, it is sufficient to secure a sufficient S / N ratio snp2 with the noise floor N (1). In the example shown in FIG. 1C, the dynamic range of the image data of the composite image becomes a dynamic range d2 ″ larger than the dynamic range d2 ′ in FIG. .
d2 ''
= D1 '+ (d1-snp2)
= D1- (Log (N (α))-Log (N (1))) + (d1-snp2)
= 2 · d1-snp2- (Log (N (α))-Log (N (1)))
= D2 ′ + (Log (N (α)) − Log (N (1)))> d2 ′ (6)
図2は、本実施形態の具体例であるCMOS固体撮像装置の構成を示すブロック図である。このCMOS固体撮像装置において、画素行列部10Aは、画素10を行列状に配列してなるものである。
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a CMOS solid-state imaging device which is a specific example of the present embodiment. In this CMOS solid-state imaging device, the
図3はこの画素行列部10Aにおける1個の画素10の構成例を示すものである。図3に示すように、1個の画素10は、PD(Photo Diode;フォトダイオード)101と、各々MOS型トランジスタである転送トランジスタ102と、リセットトランジスタ103と、増幅トランジスタ104と、行選択トランジスタ105とにより構成されている。これらの各素子は、p型半導体基板に形成されている。そして、図3では、PD101、転送トランジスタ102およびリセットトランジスタ103についてはそれらの断面構造が図示され、増幅トランジスタ104および行選択トランジスタ105については回路シンボルを用いた図示がなされている。
FIG. 3 shows a configuration example of one
図3において、PD101は、p型半導体基板に低濃度のn型不純物の埋め込み層を形成してなるものであり、受光量に応じた信号電荷を発生する光電変換素子である。転送トランジスタ102は、ソースがPD101に接続され、ドレインがFD(Floating Diffusion;浮遊拡散層)102dとなっている。この転送トランジスタ102は、ゲートに転送パルスTXiが与えられることにより、PD101に蓄積された信号電荷をFD102dに転送する。リセットトランジスタ103は、ソースが電源VDDに接続されており、ドレインがFD102dとなっている。このリセットトランジスタ103は、ゲートにリセットパルスRTiが与えられることにより、FD102dを電源VDDの電位にリセットする。増幅トランジスタ104は、ドレインが電源VDDに接続され、ゲートがFD102dに接続されている。また、行選択トランジスタ105は、増幅トランジスタ104のソースと列信号線11との間に介挿されており、ゲートに行選択パルスSLiが与えられる。これらの増幅トランジスタ104および行選択トランジスタ105は、行選択パルスSLiが与えられることにより、FD102dに蓄積された電荷に応じた電圧を列信号線11に読み出す読出回路としての役割を果たす。
In FIG. 3, a
図3に示すように、列信号線11には、同様な構成の画素10が複数接続されるとともに、各画素Pの増幅トランジスタ104の負荷となる定電流源が接続されている(図示略)。さらに各列信号線11には、CDS(Correlated Double Sampling;相関2重サンプリング)回路が接続されている。図2におけるカラムCDS部20は、この列信号線11毎に設けられたCDS回路の集合体である。各CDS回路は、タイミングジェネレータ50からサンプリングパルスφrおよびφsが与えられる各タイミングにおいて、画素行列部10Aの各列信号線11に読み出される電圧を各々サンプリングして差分を検出し、アナログ画素信号を各々出力する。
As shown in FIG. 3, a plurality of
可変ゲイン増幅部25は、画素行列部10Aにおける画素10の列毎に設けられた可変ゲイン増幅器の集合体である。画素10の各列に対応した各可変ゲイン増幅器は、前掲図9のプリアンプ203としての役割を果たすものであり、各列に対応した各CDS回路から出力されるアナログ画素信号を増幅して出力する。
The
カラムADC部30は、画素10の列毎に設けられたADC(Analog to Digital
Converter)の集合体である。画素10の各列に対応した各ADCは、タイミングジェネレータ50による制御の下、各列に対応した各可変ゲイン増幅器から出力されるアナログ画素信号をデジタル画素信号に変換する。水平走査回路40は、画素行列部10Aの列数と同じステージ数のシフトレジスタである。この水平走査回路40は、タイミングジェネレータ50による制御の下、水平走査期間毎にカラムADC部30から出力される一行分のデジタル画素信号を取り込み、画像処理部70にシリアル転送する動作を繰り返す。
The
Converter). Each ADC corresponding to each column of
ゲイン調整部26は、タイミングジェネレータ50による制御の下、長時間露光が行われる期間のみ可変ゲイン増幅部25の各可変ゲイン増幅器のゲインをα(>1)とし、それ以外の期間はゲインを1とする制御を行う回路である。
The
垂直走査回路60は、タイミングジェネレータ50による制御の下、画素行列部10Aの各行に対する行選択パルスSLi、リセットパルスRTiおよび転送パルスTXiを発生する回路である。タイミングジェネレータ50は、垂直走査回路60、カラムCDS部20、カラムADC部30、水平走査回路40等、CMOS固体撮像装置の各部のタイミング制御のための信号を発生する回路である。本実施形態において、タイミングジェネレータ50および垂直走査回路60は、水平走査期間毎に画素行列部10Aの各行を順次選択し、選択した第i行の各画素10に対して行選択パルスSLiを出力するとともに、リセットパルスRTiおよび転送パルスTXiを順次出力し、転送パルスTXiの前後の各タイミングにおいてサンプリングパルスφrおよびφsを各々出力する駆動制御手段として機能する。
The
また、本実施形態において、この駆動制御手段としてのタイミングジェネレータ50および垂直走査回路60は、画素行列部10Aの各画素10に長時間での露光と短時間での露光を順次行わせるとともに、各露光の結果である画素信号の読み出しを行わせる役割を果たす。ここで、長時間露光の露光時間は、可変ゲイン増幅部25のゲインがαである場合に、画素10の撮像面照度Iとデジタル画素信号値Pとの関係が図1(c)に示す直線p1で与えられるように定められている。また、短時間露光の露光時間は、可変ゲイン増幅部25のゲインが1である場合に、画素10の撮像面照度Iとデジタル画素信号値Pとの関係が図1(c)に示す直線p2で与えられるように定められている。
Further, in the present embodiment, the
画像処理部70は、水平走査回路40を介して供給されるデジタル画素信号を処理して、フレーム毎に一画面分の画像データを合成する装置である。本実施形態では、1フレーム期間内に2回の露光が行われ、長時間露光および短時間露光の各露光結果である2種類のデジタル画素信号が画素毎に得られる。画像処理部70は、これらの露光時間の異なった各デジタル画素信号を用いて、広いダイナミックレンジを持った画像データを合成する。さらに詳述すると、画像処理部70は、ある画素10に関して、長時間露光の結果であるデジタル画素信号値Pが図1(c)に示す飽和値Psat未満である場合には、この長時間露光の結果であるデジタル画素信号値Pを、合成画像の画像データにおける当該画素10の画素値に用いる。一方、ある画素10に関して、長時間露光の結果であるデジタル画素信号値Pが図1(c)に示す飽和値Psatに到達している場合には、短時間露光の結果であるデジタル画素信号値Pに所定の係数βを乗算した結果を合成画像の画像データにおける当該画素10の画素値に用いる。ここで、係数βは、この係数βを図1(c)における直線p2に乗算した結果が直線p1の延長線(図1(c)では破線)となるような大きさに定められている。具体的には係数βは、次式により与えられる。
β=Psat/(N(1)・snp2)) ……(7)
この画像処理部70により合成された画像データは、図示しないモニタに表示され、あるいは図示しないHD(ハードディスク)等の記録媒体に記録される。
The
β = Psat / (N (1) · snp2)) (7)
The image data synthesized by the
U/I(ユーザインタフェース)部80は、液晶表示パネル等の表示装置と押しボタン等の各種の操作子により構成されている。U/I部80は、CMOS固体撮像装置の操作に関する各種の案内情報を表示し、操作子を介して撮像条件等に関する各種の情報をユーザから取得する役割を果たす。制御部90は、U/I部80を介して取得されるユーザからの指示に従い、CMOS固体撮像装置の各部の制御を行う装置である。
The U / I (user interface)
図4はタイミングジェネレータ50および垂直走査回路60の具体的な構成を示すブロック図である。図4に示すように、タイミングジェネレータ50は、クロックカウンタ52と、ラインカウンタ53と、パルス発生器55と、イネーブルパルス発生器56とを有する。
FIG. 4 is a block diagram showing specific configurations of the
クロックカウンタ52およびラインカウンタ53は、フレームの切り換え制御およびフレーム内の水平走査期間の切り換え制御を行うとともに、現在時刻を示す情報の管理を行う役割を果たす。本実施形態においてフレームは、複数の水平走査期間に区切られている。1つのフレームを構成する各水平走査期間は、1番からn番までのライン番号により特定される。各水平走査期間は、画素行列部10Aから一行分のアナログ画素信号を読み出してデジタル化し、画像処理部70にシリアル転送することが可能な時間長を有する。
The
本実施形態では、一定周波数のクロックをカウントすることにより、一水平走査期間の計時を行う。このクロックのカウントを行うのが図4におけるクロックカウンタ52である。このクロックカウンタ52のカウント値は、水平走査期間内における相対時刻を示す情報として利用される。
In the present embodiment, the time of one horizontal scanning period is counted by counting clocks having a constant frequency. The
クロックカウンタ52は、一水平走査期間分のクロックのカウントを終える度にラインクロックφHを出力する。ラインカウンタ53は、このラインクロックφHのカウントを行う。画素行列部10Aの行数がnである場合、ラインカウンタ53は、ラインクロックφHをn個カウントする毎にカウント値を初期化する。従って、ラインカウンタ53のカウント値は、常に現在の水平走査期間のライン番号を示すものとなる。
The
パルス発生器55は、画素行列部10Aの各行へ供給するリセットパルスRTiおよび転送パルスTXiの基となるリセットパルスRTGおよび転送パルスTXGを発生する回路である。このリセットパルスや転送パルスの他、パルス発生器55は、カラムCDS部20に相関2重サンプリングを行わせるためのサンプリングパルスφrおよびφsや、この相関2重サンプリングに続いてカラムADC部30にA/D変換を行わせるためのサンプリングパルスや、さらにそれに続いて水平走査回路40にシリアル転送を行わせるためのシフトクロックを発生する。制御部90は、各パルスの立ち上がりエッジや立ち下がりエッジのタイミング、シフトクロックの発生開始タイミングに対応したクロックカウンタ52のカウント値を指定する情報をパルス発生器55に与え、パルス発生器55は、この情報が示すタイミングにおいて、各パルスを立ち上げまたは立ち下げ、あるいはシフトクロックの発生を開始する。
The
イネーブルパルス発生器56は、一水平走査期間分のパルス幅を持った2種類のイネーブルパルスENaおよびENbを発生する。イネーブルパルスENaは、画素信号の読み出しを指令するパルスである。イネーブルパルスENbは、画素10のPD101の蓄積電荷の消去を指令するパルスである。制御部90は、フレーム内においてイネーブルパルスENaおよびENbを各々発生する各水平走査期間の各ライン番号をイネーブルパルス発生器56に対して指示し、イネーブルパルス発生器56は、この指示された各ライン番号の各水平走査期間においてイネーブルパルスENaおよびENbを各々発生する。
The enable
垂直走査回路60は、いずれも画素行列部10Aの行数nと同じステージ数を有するシフトレジスタ61および62と、画素行列部10Aの行毎に設けられたAND−ORゲート63および64とを有する。シフトレジスタ61および62の各ステージをなす各フリップフロップのクロック端子には、タイミングジェネレータ50のクロックカウンタ52が出力するラインクロックφHが与えられる。また、シフトレジスタ61の初段のデータ入力端子にはイネーブルパルス発生器56が出力するイネーブルパルスENaが、シフトレジスタ62の初段のデータ入力端子にはイネーブルパルス発生器56が出力するイネーブルパルスENbが各々与えられる。シフトレジスタ61は、イネーブルパルスENaをラインクロックφHにより順次後段にシフトし、シフトレジスタ62は、イネーブルパルスENbをラインクロックφHにより順次後段にシフトする。
The
シフトレジスタ61の各ステージi(i=1〜n)は、前段から到来するイネーブルパルスENaを画素行列部10Aの第i行に対応したAND−ORゲート63および64へイネーブルパルスENai(i=1〜n)として供給する。このイネーブルパルスENaiは、AND−ORゲート63および64へ供給される他、行選択パルスSLiとして、画素行列部10Aの第i行の各画素10に供給される。また、シフトレジスタ62の各ステージi(i=1〜n)は、前段から到来するイネーブルパルスENbを画素行列部10Aの第i行に対応したAND−ORゲート63および64へイネーブルパルスENbi(i=1〜n)として供給する。
Each stage i (i = 1 to n) of the
画素行列部10Aの第i行に対応したAND−ORゲート63は、イネーブルパルスENaiとリセットパルスRTGとの論理積およびイネーブルパルスENbiとリセットパルスRTGとの論理積を求め、両論理積の論理和をリセットパルスRTiとして出力する。画素行列部10Aの第i行に対応したAND−ORゲート64は、イネーブルパルスENaiと転送パルスTXGとの論理積およびイネーブルパルスENbiと転送パルスTXGとの論理積を求め、両論理積の論理和を転送パルスTXiとして出力する。
The AND-
イネーブルパルスENaiが発生する間、画素行列部10Aの第i行に対応したAND−ORゲート63は、パルス発生器55が出力するリセットパルスRTGを選択し、AND−ORゲート64は、転送パルスTXGを選択し、リセットパルスRTiおよび転送パルスTXiとして、画素行列部10Aの第i行の各画素10に各々供給する。そして、イネーブルパルスENaiは、行選択パルスSLiとして、画素行列部10Aの第i行の各画素10に供給される。従って、画素行列部10Aの第i行の各画素10では、FD102dの電圧が列信号線11に読み出され、画素信号の読み出しが行われる。
While the enable pulse ENai is generated, the AND-
一方、イネーブルパルスENbiが発生する間、画素行列部10Aの第i行に対応したAND−ORゲート63は、パルス発生器55が出力するリセットパルスRTGを選択し、AND−ORゲート64は、転送パルスTXGを選択し、リセットパルスRTiおよび転送パルスTXiとして、画素行列部10Aの第i行の各画素10に各々供給する。この場合、画素行列部10Aの第i行の各画素10に対し、行選択パルスSLiは供給されない。従って、画素行列部10Aの第i行の各画素10では、PD101の蓄積電荷の消去が行われる。
以上が本実施形態によるCMOS固体撮像装置の構成の詳細である。
On the other hand, while the enable pulse ENbi is generated, the AND-
The above is the details of the configuration of the CMOS solid-state imaging device according to the present embodiment.
次に本実施形態の動作について説明する。広いダイナミックレンジを持った画像データの取得が必要とされる場合、本実施形態では、1フレーム毎に図5(a)に示す2回露光を行う。すなわち、画素行列部10Aの1つの画素10に着目すると、本実施形態では、1フレーム内において、長時間露光Lおよび短時間露光Sを順次行う。
Next, the operation of this embodiment will be described. When it is necessary to acquire image data having a wide dynamic range, in this embodiment, the exposure is performed twice as shown in FIG. 5A for each frame. That is, paying attention to one
図5(b)は、このような複数露光を行うための具体的な撮像シーケンスを例示するものである。図5(b)において、上下方向に並んだ各ストライプは、画素行列部10Aの各行における画素信号の読み出しの様子および蓄積電荷の消去の様子を示すものである。
FIG. 5B illustrates a specific imaging sequence for performing such multiple exposure. In FIG. 5B, the stripes arranged in the vertical direction indicate a state of reading pixel signals and a state of erasing accumulated charges in each row of the
さらに詳述すると、図5(b)においてRなる表記のなされた各水平走査期間(以下、水平走査期間R)では、図5(c)に示すように、行選択パルスSLiがアクティブレベルとされ、この間、リセットパルスRTiおよび転送パルスTXiが順次発生され、さらに転送パルスTXiの前後の各タイミングにおいてサンプリングクロックφrおよびφsがカラムCDS部20に供給され、画素行列部10Aの第i行のアナログ画素信号の読み出しが行われる。さらに、図示は省略したが、カラムADC部30によるアナログ画素信号のデジタル画素信号への変換、水平走査回路40によるデジタル画素信号の画像処理部70へのシリアル転送が行われる。
More specifically, in each horizontal scanning period labeled R in FIG. 5B (hereinafter, horizontal scanning period R), as shown in FIG. 5C, the row selection pulse SLi is set to the active level. During this time, the reset pulse RTi and the transfer pulse TXi are sequentially generated, and the sampling clocks φr and φs are supplied to the
また、図5(b)においてrなる表記のなされた各水平走査期間(以下、水平走査期間r)では、図5(d)に示すように、行選択パルスSLiは非アクティブレベルとされ、リセットパルスRTiおよび転送パルスTXiが順次発生される。この水平走査期間では、画素信号の読み出しは行われず、画素行列部10Aの第i行の各画素10におけるPD101の蓄積電荷の消去のみが行われる。
In each horizontal scanning period labeled r in FIG. 5B (hereinafter, horizontal scanning period r), as shown in FIG. 5D, the row selection pulse SLi is set to an inactive level and reset. A pulse RTi and a transfer pulse TXi are sequentially generated. During this horizontal scanning period, the pixel signal is not read, and only the charge accumulated in the
1つの行に着目すると、あるフレームでは、直前のフレームの最後の水平走査期間R内の転送パルスTXiの発生タイミングが長時間露光L1の始点であり、その後の水平走査期間R内の転送パルスTXiの発生タイミングが長時間露光L1の終点である。また、この長時間露光L1の後の水平走査期間r内の転送パルスTXiの発生タイミングが短時間露光Sの始点であり、その後の水平走査期間R(すなわち、当該フレームの最後の水平走査期間R)内の転送パルスTXiの発生タイミングが短時間露光Sの終点であると同時にその次のフレームにおける長時間露光L1の始点である。長時間露光Lおよび短時間露光Sの各露光時間の長さの決定方法は、先に図1(c)を参照して説明した通りである。 Focusing on one row, in a certain frame, the generation timing of the transfer pulse TXi in the last horizontal scanning period R of the immediately preceding frame is the start point of the long exposure L1, and the transfer pulse TXi in the subsequent horizontal scanning period R. Is the end point of the long-time exposure L1. The generation timing of the transfer pulse TXi within the horizontal scanning period r after the long exposure L1 is the start point of the short exposure S, and the subsequent horizontal scanning period R (that is, the last horizontal scanning period R of the frame). The generation timing of the transfer pulse TXi in () is the end point of the short exposure S and at the same time the start point of the long exposure L1 in the next frame. The method of determining the length of each exposure time of the long exposure L and the short exposure S is as described above with reference to FIG.
本実施形態では、図5(b)に示す各水平走査期間Rにおいて画素行列部10Aの各行iの画素信号の読み出しを行わせるために如何なるタイミングにおいてイネーブルパルスENaをシフトレジスタ61に供給すべきかが予め求められている。また、本実施形態では、図5(b)に示す各水平走査期間rにおいて画素行列部10Aの各行iの蓄積電荷の消去を行うために如何なるタイミングにおいてイネーブルパルスENbをシフトレジスタ62に供給すべきかが予め求められている。そして、制御部90は、2回露光による撮像を行う場合に、このイネーブルパルスENaの供給タイミングを示すライン番号(以下、読み出し開始ライン番号という)と、イネーブルパルスENbの供給タイミングを示すライン番号(以下、消去開始ライン番号という)をイネーブルパルス発生器56に通知する。
In the present embodiment, at what timing the enable pulse ENa should be supplied to the
イネーブルパルス発生器56は、各フレームにおいて、ラインカウンタ53が出力するライン番号が読み出し開始ライン番号になったときイネーブルパルスENaをシフトレジスタ61に供給する。また、パルス発生器55は、このイネーブルパルスENaの供給タイミング以降の所定数の水平走査期間Rの各々において、サンプリングクロックφrおよびφs、A/D変換用クロック、シリアル転送のためのシフトクロックを発生する。これにより、各水平走査期間Rにおいて画素行列部10Aの各行iのアナログ画素信号の読み出しが行われる。
The enable
また、イネーブルパルス発生器56は、各フレームにおいて、ラインカウンタ53が出力するライン番号が消去開始ライン番号になったときイネーブルパルスENbをシフトレジスタ62に供給する。これにより、イネーブルパルスENaの供給タイミング以降の所定数の水平走査期間rの各々において画素行列部10Aの各行iの蓄積電荷の消去が行われる。
The enable
一方、本実施形態では、1フレーム内において長時間露光Lの結果である全画素分のアナログ画素信号の読み出しが行われる期間が予め求められ、この読み出し期間に相当するライン番号の範囲が制御部90からゲイン調整部26に通知される。2回露光の場合、ゲイン調整部26は、ラインカウンタ53が出力するライン番号を監視し、この監視結果に基づいて、現時点が長時間露光Lの結果であるアナログ画素信号の読み出し期間内の時点であるか否かを判定する。そして、現時点が長時間露光Lの結果であるアナログ画素信号の読み出し期間内の時点である場合には、可変ゲイン増幅部25のゲインをαとし、そうでない場合には同ゲインを1とする。
On the other hand, in this embodiment, a period during which analog pixel signals for all the pixels as a result of the long exposure L are read in one frame is obtained in advance, and the range of line numbers corresponding to this readout period is the control unit. The
以上のような制御が各部において行われる結果、長時間露光Lの終点を含む各水平走査期間Rでは、長時間露光Lの結果である1行分のアナログ画素信号が画素行列部10AからカラムCDS部20を介して読み出され、可変ゲイン増幅部25においてゲインαでの増幅が行われ、カラムADC部30によりデジタル画素信号に変換され、水平走査回路40を介して画像処理部70にシリアル転送される。一方、短時間露光Sの終点を含む各水平走査期間Rでは、短時間露光Sの結果である1行分のアナログ画素信号が画素行列部10AからカラムCDS部20を介して読み出され、可変ゲイン増幅部25においてゲイン1での増幅が行われ、カラムADC部30によりデジタル画素信号に変換され、水平走査回路40を介して画像処理部70にシリアル転送される。
As a result of the control as described above being performed in each unit, in each horizontal scanning period R including the end point of the long exposure L, one row of analog pixel signals as a result of the long exposure L is output from the
そして、画像処理部70は、既に述べた方法に従い、長時間露光Lの結果であるデジタル画素信号と短時間露光Sの結果であるデジタル画素信号とから、広いダイナミックレンジを持った画像データを合成するのである。
Then, the
以上のように、本実施形態においては、カラムADC部30の前段に可変ゲイン増幅部25を配置し、長時間露光により得られるアナログ画素信号を可変ゲイン増幅部25を介してカラムADC部30に供給するときには可変ゲイン増幅部25のゲインを1より大きなゲインαとし、かつ、短時間露光により得られるアナログ画素信号を可変ゲイン増幅部25を介してカラムADC部30に供給するときには可変ゲイン増幅部25のゲインを1に戻すようにしている。従って、本実施形態によれば、複数露光の技術を利用した固体撮像装置において、カラムADC部30の前段の可変ゲイン増幅部25のゲインαでの増幅動作により低照度領域での画像データの感度を増加させつつ、可変ゲイン増幅部25の挿入に伴うダイナミックレンジの上限値の低下を防止し、全体として広いダイナミックレンジを持った画像データを得ることができる。
As described above, in the present embodiment, the variable
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば次の通りである。
(1)上記実施形態では、2回露光の例を挙げたが、広いダイナミックレンジの画像データを合成するために、3種類以上の露光時間での露光を行い、各露光結果であるデジタル画素信号から画像データを合成してもよい。この場合、複数種類の露光時間のうち最長の露光時間での露光結果であるアナログ画素信号の増幅時のゲインのみを1より大きなαとし、他の露光時間での露光結果であるアナログ画素信号の増幅時のゲインを1とすればよい。
(2)上記実施形態では、長時間露光の結果であるアナログ画素信号の増幅時のゲインを1より大きなαとし、短時間露光の結果であるアナログ画素信号の増幅時のゲインを1とした。しかし、短時間露光の結果であるアナログ画素信号の増幅時のゲインは、αよりも小さなゲインにすれば、画像データのダイナミックレンジの上限値の低下を防止するのに役立つ。従って、短時間露光の結果であるアナログ画素信号の増幅時のゲインは、必ずしも1とする必要はない。
(3)上記実施形態では、この発明による固体撮像装置の一例としてCMOS固体撮像装置を示したが、この発明はCCD固体撮像装置等の他の固体撮像装置にも適用可能である。
Although one embodiment of the present invention has been described above, other embodiments are conceivable for the present invention. For example:
(1) In the above-described embodiment, an example of two-time exposure is given. However, in order to synthesize image data with a wide dynamic range, exposure is performed with three or more types of exposure time, and digital pixel signals that are the results of each exposure The image data may be synthesized from the image data. In this case, only the gain at the time of amplification of the analog pixel signal, which is the exposure result at the longest exposure time among a plurality of types of exposure time, is set to α larger than 1, and the analog pixel signal as the exposure result at the other exposure time is The gain at the time of amplification may be set to 1.
(2) In the above embodiment, the gain at the time of amplification of the analog pixel signal that is the result of the long-time exposure is set to α larger than 1, and the gain at the time of amplification of the analog pixel signal that is the result of the short-time exposure is set to 1. However, if the gain at the time of amplification of the analog pixel signal, which is the result of the short-time exposure, is set to a gain smaller than α, it is useful for preventing a decrease in the upper limit value of the dynamic range of the image data. Therefore, the gain at the time of amplification of the analog pixel signal that is the result of the short-time exposure is not necessarily set to 1.
(3) In the above embodiment, a CMOS solid-state imaging device is shown as an example of the solid-state imaging device according to the present invention. However, the present invention can also be applied to other solid-state imaging devices such as a CCD solid-state imaging device.
10……画素、11……列信号線、10A……画素行列部、20……カラムCDS部、25……可変ゲイン増幅部、26……ゲイン調整部、30……カラムADC部、40……水平走査回路、50……タイミングジェネレータ、60……垂直走査回路、70……画像処理部、80……U/I部、90……制御部、52……クロックカウンタ、53……ラインカウンタ、56……イネーブルパルス発生器、55……パルス発生器、61,62……シフトレジスタ、63,64……AND−ORゲート。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記画素行列部の各画素に複数種類の露光時間での露光を順次行わせ、各露光の結果であるアナログ画素信号の読み出しを行わせる駆動制御手段と、
前記画素行列部から読み出されるアナログ画素信号を増幅する可変ゲイン増幅手段と、
前記可変ゲイン増幅手段により増幅されたアナログ画素信号をデジタル画素信号に変換するA/D変換手段と、
前記複数種類の露光時間での露光の結果である各アナログ画素信号から得られた各デジタル画素信号から広いダイナミックレンジを持った画像データを合成する画像処理手段と、
前記画素行列部の露光時間の切り換えに応じて前記可変ゲイン増幅手段のゲインを調整する手段であって、前記複数種類の露光時間のうち最長の露光時間での露光により得られるアナログ画素信号を増幅するときのゲインを1より大きな第1のゲインとし、かつ、最長の露光時間以外の露光により得られるアナログ画素信号を増幅するときのゲインを第1のゲインよりも小さな第2のゲインとするゲイン調整手段と
を具備することを特徴とする固体撮像装置。 A pixel matrix portion formed by arranging a plurality of pixels in a matrix,
Drive control means for causing each pixel of the pixel matrix unit to sequentially perform exposure at a plurality of types of exposure times and reading out an analog pixel signal as a result of each exposure;
Variable gain amplification means for amplifying an analog pixel signal read from the pixel matrix unit;
A / D conversion means for converting the analog pixel signal amplified by the variable gain amplification means into a digital pixel signal;
Image processing means for synthesizing image data having a wide dynamic range from each digital pixel signal obtained from each analog pixel signal as a result of exposure at the plurality of types of exposure times;
A means for adjusting the gain of the variable gain amplifying means in response to switching of the exposure time of the pixel matrix section, and amplifies an analog pixel signal obtained by exposure with the longest exposure time among the plurality of types of exposure time The gain when the first gain is greater than 1 and the gain when the analog pixel signal obtained by exposure other than the longest exposure time is amplified is the second gain smaller than the first gain. And a solid-state imaging device.
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011120101A (en) * | 2009-12-04 | 2011-06-16 | Canon Inc | Imaging apparatus and imaging system |
JP2017028513A (en) * | 2015-07-23 | 2017-02-02 | キヤノン株式会社 | Imaging apparatus, imaging system and signal processing method |
US10158816B2 (en) | 2016-06-10 | 2018-12-18 | Canon Kabushiki Kaisha | Imaging sensor, imaging system, and moving body having signals amplified in two different accumulation periods |
JP2019208291A (en) * | 2016-12-27 | 2019-12-05 | キヤノン株式会社 | Imaging apparatus, imaging system, and moving body |
WO2021187333A1 (en) * | 2020-03-16 | 2021-09-23 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Image capturing device, and gain ratio acquisition method for same |
-
2008
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Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011120101A (en) * | 2009-12-04 | 2011-06-16 | Canon Inc | Imaging apparatus and imaging system |
JP2017028513A (en) * | 2015-07-23 | 2017-02-02 | キヤノン株式会社 | Imaging apparatus, imaging system and signal processing method |
US10158816B2 (en) | 2016-06-10 | 2018-12-18 | Canon Kabushiki Kaisha | Imaging sensor, imaging system, and moving body having signals amplified in two different accumulation periods |
US10785433B2 (en) | 2016-06-10 | 2020-09-22 | Canon Kabushiki Kaisha | Imaging sensor, imaging system, and moving body having signals amplified in two different accumulation periods |
JP2019208291A (en) * | 2016-12-27 | 2019-12-05 | キヤノン株式会社 | Imaging apparatus, imaging system, and moving body |
JP7171529B2 (en) | 2016-12-27 | 2022-11-15 | キヤノン株式会社 | Processing circuit, imaging device, imaging system, and moving object |
WO2021187333A1 (en) * | 2020-03-16 | 2021-09-23 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Image capturing device, and gain ratio acquisition method for same |
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