JP2010093745A - 固体撮像素子、光学装置、信号処理装置及び信号処理システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】固体撮像素子1Aは、光を電気信号に変換する画素部10Aと、画素部10Aから読み出される信号をディジタル信号に変換するA/D変換部11Aと、A/D変換部11Aでディジタル化された信号を、光信号に変換して出力する光通信部12Aと、画素部10AとA/D変換部11Aと光通信部12Aで、信号の入出力を同期させる駆動クロックを生成するタイミングジェネレータ13Aと、信号の読み出しを制御する制御部16Aを備える。
【選択図】 図1
Description
図1は、第1の実施の形態の固体撮像素子の概要を示す機能ブロック図である。第1の実施の形態の固体撮像素子1Aは、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサ、またはCCD(Charge Coupled Device)イメージセンサで構成される。固体撮像素子1Aは、光を電気信号に変換して出力する画素部10Aと、画素部10Aから出力される電気信号をディジタル信号に変換するA/D変換部11Aを備える。画素部10Aは、光を電気に変換する画素が2次元または1次元に配列され、入射された光の強度に応じた電気信号が出力される。
図2は、光学装置と信号処理装置を備えた信号処理システムの概要を示す機能ブロック図で、まず、固体撮像素子を備えた光学装置の概要について説明する。第1の実施の形態の光学装置2Aは、上述した固体撮像素子1Aと、レンズ部20と、固体撮像素子1Aとレンズ部20等が実装されるハウジング21を備える。レンズ部20は光学素子の一例で、1枚のレンズまたは複数枚のレンズを組み合わせて構成される。
次に、図2を参照して信号処理装置の概要について説明する。第1の実施の形態の信号処理装置3Aは、光信号を電気信号に変換する光通信部30Aと、制御信号等の入出力が行われる制御I/O31Aを備え、上述した光学装置2Aと接続される。信号処理装置3Aは、光学装置2Aが接続されると、光通信部30Aが固体撮像素子1Aの光通信部12Aと光学的に結合される。また、制御I/O31Aが固体撮像素子1Aの制御I/O14Aと接続される。
次に、図2を参照して信号処理システムの概要について説明する。第1の実施の形態の信号処理システム4Aは、上述した光学装置2Aと信号処理装置3Aを備え、例えば、光学装置2Aが信号処理装置3Aに対して着脱可能で交換できるように構成される。
図3は、電源オン時の処理の流れを示すフローチャート、図4は、電源オフ時の処理の流れを示すフローチャートで、次に、電源オン時及び電源オフ時の電源供給制御例について説明する。
図5は、第1の実施の形態の固体撮像素子の具体例を示す機能ブロック図である。以下の説明では、固体撮像素子1Aは、CMOSイメージセンサで構成される。
図8は、第1の実施の形態の信号処理システムの具体例を示す機能ブロック図である。固体撮像素子1AとしてCMOSイメージセンサが用いられる信号処理システム4Aとして、カメラシステム401Aが構成される。
次に、カメラシステム401Aにおける画素信号の読み出し動作について、各図を参照して説明する。
(2)画素部10Aの画素100に光が入射されることで光電変換が行われ、電荷の蓄積が開始される。
(3)電子シャッタまたはメカニカルシャッタによる露光制御の時間に応じて、蓄積時間の制御が行われ、電荷の蓄積期間が完了する。
(4)垂直走査回路102によって信号を読み出す行選択線109を選択する。
(5)電荷検出部110をリセット線113でリセットして、リセットレベルを読み出す。読み出されたリセットレベルはFDアンプ107で増幅される。
(6)リセットレベルをカラムCDS回路104に保持する。
(7)フォトダイオード106から行読み出し線114により電荷検出部110に信号電荷を読み出す。読み出された信号電荷はFDアンプ107で増幅される。
(8)信号レベルをカラムCDS回路104に保持する。
(9)カラムCDS回路104において、信号レベルとリセットレベルを減算する。
(10)水平走査回路103により列選択を順次行うことで、カラムCDS回路104から列毎の画素信号を得る。
(11)得られた画素信号をA/D変換部11AでA/D変換し、固体撮像素子1Aの光通信部12Aに転送する。
(12)固体撮像素子1Aの光通信部12Aでは、入力されたディジタル信号に従って光の変調を行う。
図9は、カメラシステムで実行される動作モードの一例を示す状態遷移図である。カメラシステム401Aで実行される動作モードには、後述するドラフトモードや静止画モードの他に、例えば、隣接数画素間での演算をする画素演算モードがある。画素演算モードは、微分や積分の他、特徴量抽出、重心抽出、計数、計測等にも利用できる。更に、動作モードには、間引き選択の代替としての画素加算モード、フレーム加算モード、顔認識等に代表される認識パラメータを算出する認識モード等もある。次に、カメラシステム401Aで実行される動作モードについて、ここではドラフトモードと静止画モードを例に説明する。カメラシステム401Aは、低解像度で動画を出力するドラフトモードM1と、高解像度で静止画を出力する静止画モードM2が実行される。カメラシステム401Aは、撮像前の構図を決める動作等では、ドラフトモードM1を実行し、シャッタが押されることによるシャッタトリガで、静止画モードM2を実行し、ドラフトモードM1から静止画モードM2に遷移する。静止画モードM2で撮像が行われ、静止画の取り込みが終了すると、ドラフトモードM1を実行し、静止画モードM2からドラフトモードM1に遷移する。
図10は、ドラフトモードにおけるデータの流れを示すデータフロー図、図11は、ドラフトモードにおける固体撮像素子での処理の一例を示すフローチャートであり、次に、ドラフトモードの詳細について説明する。
図12は、静止画モードにおけるデータの流れを示すデータフロー図である。また、図13は、静止画モードにおけるカメラ本体部での処理の一例を示すフローチャート、図14は、静止画モードにおける固体撮像素子での処理の一例を示すフローチャートであり、次に、静止画モードの詳細について説明する。
図15は、ドラフトモードと静止画モードにおける各信号のタイミングチャート、図16は、ドラフトモードにおける各信号のタイミングチャート、図17は、静止画モードにおける各信号のタイミングチャートである。
次に、光通信部と、画素部及びA/D変換部等の電気動作部で、画素データの読み出しの同期タイミングを確保する方法について説明する。
図21は、画素データの読み出しの同期タイミングを確保する構成例を示す固体撮像素子の機能ブロック図である。上述した図18〜図20の方法で生成した駆動クロックを、画素部10AとA/D変換部11Aと光通信部12Aの各機能ブロックで、遅延を生じさせずに供給するためには、配線長を等しくすれば良い。
図22は、シリアルインタフェースを備えた固体撮像素子の一例を示す機能ブロック図、図23は、シリアルインタフェースを備えた固体撮像素子におけるデータの流れを示すデータフロー図である。
図26は、複数の光変調部で画素データの読み出しの同期タイミングを確保する構成例を示す固体撮像素子の機能ブロック図である。配線130Hは、タイミングジェネレータ13Aから水平走査回路103に駆動クロックφhを供給する配線である。配線130ADは、タイミングジェネレータ13AからA/D変換部11Aに駆動クロックφADCを供給する配線である。配線130OPは、タイミングジェネレータ13Aから光通信部12Aのパラレル/シリアル変換部120Aに駆動クロックφOptを供給する配線である。これら配線130H、配線130AD及び配線130OPを等長配線とすることで、配線長の差に伴う駆動クロックの遅延を防ぐ。
図36は、光通信部の具体例を示す信号処理システムの機能ブロック図である。固体撮像素子1Aの光通信部12Aは、シリアルインタフェース120と、駆動部121aと、発光部121を備える。発光部121は駆動部121aに駆動され、画素部10Aから読み出され、シリアルインタフェース120でシリアル化された画素データで変調された信号光を出力する。信号処理装置3Aの光通信部30Aは、光受信部を構成する受光部310と、シリアル/パラレル変換部を構成するパラレルインタフェース311を備える。
(1)p型電極128aとn型電極128bに電圧を印加し外部から電流を流すことにより、活性層128dにおけるエネルギー準位において、反転分布状態を生じさせる。
(2)活性層128dにおいて、エネルギーギャップに対応するエネルギーを持つ光子が自然放出し、そのホトンが誘導放出を引き起こすことにより、光を増幅する。
(3)活性層128dの上下のミラーにより光は反射され、その一部は再び活性層128d内へ導かれ、誘導放出により増幅される。
(4)増幅された光の一部がp型電極128a側の端面を通過して外部に出射される。
光通信部を発光部で構成した固体撮像素子では、外部からの光を受けて出力する機構が不要であり、受発光部間での位置合わせが容易に行なえる。また、固体撮像素子の1チップ化により、駆動回路と発光部を集積化して、シンプルな構成を実現できる。これにより、低コスト化、低電力化、低ノイズを実現できる。更に、発光部を並列するアレイ化も容易に行なえる。
図39〜図41は、第1の実施の形態の信号処理システムの応用例を示す機能ブロック図である。図39では、信号処理システムとして測距装置401Bが構成される。測距装置401Bは、光学装置20Aに、測距対象物を照射する発光部410と、発光制御部411と、データ比較演算部412を備える。また、信号処理装置3Aに、距離データ算出部413を備える。
Claims (14)
- 光を電気信号に変換する画素部と、
前記画素部から読み出される信号をディジタル信号に変換するA/D変換部と、
前記A/D変換部でディジタル化された信号を、光信号に変換して出力する光通信部と、
前記画素部と前記A/D変換部と前記光通信部で、信号の入出力を同期させる同期信号を生成するタイミング発生部と、
信号の読み出しを制御する制御部を備えた
固体撮像素子。 - 前記画素部、前記A/D変換部、前記光通信部、前記タイミング発生部及び前記制御部が単一の基板に集積形成され、1チップ化される
請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記タイミング発生部から前記画素部に同期信号を供給する配線と、前記タイミング発生部から前記A/D変換部に同期信号を供給する配線と、前記タイミング発生部から前記光通信部に同期信号を供給する配線を、等長配線とした
請求項2記載の固体撮像素子。 - 前記画素部は、光電変換が行われる画素が配列され、前記各画素から読み出された信号が非圧縮で光信号に変換される
請求項2記載の固体撮像素子。 - 前記制御部は、電源のオン時には、前記光通信部の駆動部に電源の供給を開始してから、前記駆動部に駆動される前記光通信部の発光部に電源を供給して、前記光通信部に電源を供給した後、前記画素部に電源を供給し、
電源のオフ時には、前記画素部への電源の供給を停止した後、前記発光部への電源の供給を停止してから、前記駆動部への電源の供給を停止して、前記光通信部への電源の供給を停止する電源供給制御を行う
請求項2記載の固体撮像素子。 - 前記制御部は、前記画素部の全画素の中から所定の画素を選択して信号を読み出す動作モードと、前記画素部の全画素を所定の順番で選択して信号を読み出す動作モードが切り替えられる
請求項2記載の固体撮像素子。 - 前記画素部から読み出され、前記A/D変換部でディジタル化された信号を、シリアルデータに変換するシリアルインタフェースを備えた
請求項2記載の固体撮像素子。 - 前記画素部は、各画素から読み出された信号のノイズ成分を除去するノイズ除去部を備えた
請求項2記載の固体撮像素子。 - 入射された光を電気信号に変換する固体撮像素子と、
前記固体撮像素子に光を入射させる光学素子を備え、
前記固体撮像素子は、
光を電気信号に変換する画素部と、
前記画素部から読み出される信号をディジタル信号に変換するA/D変換部と、
前記A/D変換部でディジタル化された信号を、光信号に変換して出力する光通信部と、
前記画素部と前記A/D変換部と前記光通信部で、信号の入出力を同期させる同期信号を生成するタイミング発生部と、
信号の読み出しを制御する制御部を備え、
前記画素部、前記A/D変換部、前記光通信部、前記タイミング発生部及び前記制御部が単一の基板に集積形成され、1チップ化される
光学装置。 - 入射された光を電気信号に変換する固体撮像素子及び前記固体撮像素子に光を入射させる光学素子を有し、
前記固体撮像素子は、
光を電気信号に変換する画素部と、
前記画素部から読み出される信号をディジタル信号に変換するA/D変換部と、
前記A/D変換部でディジタル化された信号を、光信号に変換して出力する光通信部と、
前記画素部と前記A/D変換部と前記光通信部で、信号の入出力を同期させる同期信号を生成するタイミング発生部と、
信号の読み出しを制御する制御部とを有した光学装置が接続され、
前記固体撮像素子の前記光通信部から出力される光信号が入力される光通信部と、
前記固体撮像素子に前記画素部からの信号の読み出しを制御する読み出し制御部と、
前記画素部から読み出されて前記固体撮像素子から光通信で入力される信号に処理を行う信号処理部と
を備えた信号処理装置。 - 入射された光を電気信号に変換する固体撮像素子及び前記固体撮像素子に光を入射させる光学素子を有した光学装置と、
前記光学装置が接続される信号処理装置を備え、
前記固体撮像素子は、
光を電気信号に変換する画素部と、
前記画素部から読み出される信号をディジタル信号に変換するA/D変換部と、
前記A/D変換部でディジタル化された信号を、光信号に変換して出力する光通信部と、
前記画素部と前記A/D変換部と前記光通信部で、信号の入出力を同期させる同期信号を生成するタイミング発生部と、
信号の読み出しを制御する制御部とを備え、
前記信号処理装置は、
前記固体撮像素子の前記光通信部から出力される光信号が入力される光通信部と、
前記固体撮像素子に前記画素部からの信号の読み出しを制御する読み出し制御部と、
前記画素部から読み出されて前記固体撮像素子から光通信で入力される信号に処理を行う信号処理部とを備えた
信号処理システム。 - 前記信号処理装置で電源がオンにされると、前記信号処理装置の前記光通信部に電源を供給した後、前記固体撮像素子に電源を供給し、前記固体撮像素子の前記光通信部に電源を供給してから前記画素部に電源を供給し、
前記信号処理装置で電源がオフにされると、前記固体撮像素子の前記画素部への電源の供給を停止してから前記固体撮像素子の前記光通信部への電源の供給を停止し、前記固体撮像素子への電源の供給を停止した後、前記信号処理装置の前記光通信部への電源の供給を停止する電源供給制御を行う
請求項11記載の信号処理システム。 - 前記固体撮像素子は、前記画素部の全画素の中から所定の画素を選択して信号を読み出す動作モードと、前記画素部の全画素を所定の順番で選択して信号を読み出す動作モードが切り替えられ、
前記信号処理装置は、操作部での操作に基づき前記固体撮像素子で実行される動作モードを切り替える指示を出力する。
請求項11記載の信号処理システム。 - 前記固体撮像素子は、前記画素部から読み出され、前記A/D変換部でディジタル化された信号を、シリアルデータに変換するシリアルインタフェースを備え、
前記信号処理装置は、前記固体撮像素子から入力されたシリアルデータを変換するパラレルインタフェースを備えた
請求項11記載の信号処理システム。
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