JP2012023466A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】格段の回路増加をせず、回路の利用効率を向上させ、かつ、ダイナミックレンジの拡大を可能とする固体撮像装置を提供する。
【解決手段】ある列のカラムアンプと、異なる列のカラムアンプとを接続する手段を設けるとともに、間引き動作において、読み出される列のカラムアンプと異なる読み出されない列のカラムアンプを利用してニー補正をかけることによりＡＤ入力時の画像信号のダイナミックレンジの拡大を図る。読み出されない列のカラムアンプに通常動作の設定ゲインより低いゲイン値を設定し特定のニー電圧分だけオフセットして出力をさせる。通常出力側の出力レベルが特定のニー電圧を越えた時点で出力を読み出されない列に切り替える動作を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特にニー補正を行う固体撮像装置に関するものである。

従来、固体撮像装置では、動画撮像など高速動作を必要とする場合に、水平間引き動作または混合動作を行うことにより対応する方法が知られている。ここで、水平間引き動作とは、固体撮像装置における行列状に配列された画素のうち１列おきの画素から、その１列おきの画素で入射光を変換したアナログ電気信号を読み出す動作（いわゆる水平間引き読み出し動作）である。また、混合動作とは、複数の画素から読み出したアナログ電気信号を加算して１つの列として読み出す動作である。

また、固体撮像装置では、ダイナミックレンジを広くすることが求められ、それに対して様々な手法が提案されている。

例えば、より長い蓄積動作による信号とより短い蓄積動作による信号とに基づいてダイナミックレンジを拡大する手法が提案されている。また、例えば、画素から得られる被写体画像の画素信号のうち高輝度領域にある画素信号に対して、ニースロープを用いて圧縮するニー補正を行う手法が提案されている。ここで、ニー補正とは、例えば図６に示す様に、露光量（入力）に対する信号レベル（出力）の比例関係を途中（低輝度領域と高輝度領域との境界）で変更する補正である。以下、これについて説明する。

図６は、一般的なニー補正による擬似ダイナミックレンジ拡大の手法を示す図である。

固体撮像装置では、画素から得られる信号電荷量は、アナログ信号であり次段に備える増幅回路により増幅される。そして、この増幅回路のゲイン値は、照度によって最適化に制御され調整されている。この増幅信号を例えば１２ビットのデジタル信号に変換したとき、１２ビットの信号では値「４０９５」（これがクリップレベルとなる。）を越えるレベルの信号を表現できず、データは飽和してしまう。そこで、クリップレベル手前（標準光量範囲内）の、例えば値「３０００」をニーポイントとして、それより大きい値の光量に対する信号レベルの比例関係を示すスロープ（以下、これをニースロープという。）を図６に示すように寝かすよう補正する。そうすることで、なるべく高輝度領域までデータが飽和しないようにできる。このニー補正により、人間の目の画像感知特性に応じて、擬似的にダイナミックレンジを拡大することができるので、良好な画質を得ることができる。

特開２００１−０１２３４５号公報

しかしながら、固体撮像装置が動画撮像など高速動作を必要とする場合において、水平間引き動作または画素混合動作を行うと、複数のコラム回路では、間引かれる（読み出されない）列のカラムアンプ及びＡＤ変換器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る。

また、同時に、動画など高速動作時においては取得できる光量が低下するため、画像のダイナミックレンジを拡大したいという要求がある。

本発明は、上述の事情を鑑みてなされたもので、格段の回路増加をせず、回路の利用効率を向上させ、かつ、ダイナミックレンジの拡大を可能とする固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、ある列のカラムアンプと、異なる列のカラムアンプとを接続する手段を設けるとともに、間引き動作において、読み出される列のカラムアンプと異なる読み出されない列のカラムアンプを利用してニー補正をかけることによりＡＤ入力時の画像信号のダイナミックレンジの拡大を図る。つまり、読み出されない列のカラムアンプに通常動作の設定ゲインより低いゲイン値を設定し特定のニー電圧分だけオフセットして出力をさせる。そして、通常出力側の出力レベルが特定のニー電圧を越えた時点で出力を読み出されない列に切り替える動作を行う。

本発明によれば、格段の回路増加をせず、カラムアンプの回路の利用効率を向上させ、かつ、ダイナミックレンジの拡大を可能とする固体撮像装置を実現できる。

本発明の一実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの概略を示すシステム構成図である。 従来の固体撮像装置のシステム構成の概略を等価的に示す図である。 本実施の形態における固体撮像装置１０のニー補正による入出力特性を示す図である。 本実施の形態における固体撮像装置の主要構成要素の回路構成を示す図である。 本実施の形態における撮像装置のセット構成の一例を示すブロック図である。 一般的なニー補正による擬似ダイナミックレンジ拡大の手法を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置のシステム構成の概略を示す図である。

なお、本実施の形態では、固体撮像装置１０として、可視光の光量（入射光量）に応じた電荷量を物理量として画素単位で検知するＣＭＯＳイメージセンサを例に挙げて説明するものとする。

図１に示す固体撮像装置１０は、行列状に配列された複数の画素を備える固体撮像装置であって、例えばＣＭＯＳイメージセンサである。この固体撮像装置１０は、画素部１００と、垂直走査回路１０１と、メモリ部１０２と、ＡＤ変換器１０６と、制御信号生成回路１０８と、画素列選択回路１０９と、カラムアンプ１２０と、比較回路１１０と、出力選択回路１２２と、レベル設定回路部１３０とを備える。また、固体撮像装置１０は、垂直信号線１０５（１０５−１、１０５−２）は、画素部１００（各画素１０３）の信号を列方向に伝達する。

画素部１００は、入射される可視光をその光量に応じた電荷量に光電変換する光電変換素子を含む単位画素（単位センサ）１０３が行列状（マトリックス状）に２次元配置されてなる。

制御信号生成回路１０８は、システム全体の制御を行う制御手段である。

垂直走査回路１０１は、画素部１００の各画素１０３を駆動する駆動手段である。

画素列選択回路１０９は、ｎ系統（ｎは２以上の整数）からなり、垂直信号線１０５−１および垂直信号線１０５−２の２列を束ねた一単位に対応して設けられ、垂直信号線１０５（１０５−１、１０５−２）とカラムアンプ１２０（１２０−１、１２０−２）との接続状態を選択する。具体的には、画素列選択回路１０９は、通常動作時では、各々垂直信号線１０５（１０５−１、１０５−２）より読み出された画素１０３列のアナログの画素信号（伝達信号）をそれぞれ、次段の各々カラムアンプ１２０（１２０−１、１２０−２）に伝える。一方、画素列選択回路１０９は、間引き動作もしくは画素混合動作時には、読み出される列の垂直信号線１０５（１０５−１）からの出力（伝達信号）を、カラムアンプ１２０−１およびカラムアンプ１２０−２に並列入力する。

換言すると、画素列選択回路１０９は、高速動作時には、垂直信号線１０５−２とカラムアンプ１２０−２とを切断し、垂直信号線１０５−１をカラムアンプ１２０−１と接続するだけでなくカラムアンプ１２０−２とも接続する並列接続状態を選択する。

カラムアンプ１２０は、画素部１００の画素１０３列すなわち垂直信号線１０５（１０５−１、１０５−２）それぞれに対応して配設されている。カラムアンプ１２０は、伝達された信号を増幅する。具体的には、カラムアンプ１２０は、垂直信号線１０５より読み出された画素１０３列のアナログの画素信号（伝達信号）を増幅し、出力選択回路１２２に出力（伝達）する。

また、カラムアンプ１２０は、カラムアンプ１２０−１およびカラムアンプ１２０−２で構成されている。ここで、カラムアンプ１２０−１は、間引き動作もしくは画素混合動作時に、読み出される列のカラムアンプ１２０であり、カラムアンプ１２０−２は、読み出されない列のカラムアンプ１２０である。

なお、後述するが、通常動作時、カラムアンプ１２０は、すべて例えば６ｄＢの同じカラムゲイン（通常照度のゲイン）が設定され、入力信号（画素列選択回路１０９より入力された画素１０３列のアナログの画素信号）を６ｄＢゲインアップ（増幅）して出力選択回路１２２に出力（伝達）する。一方、高速動作時すなわち間引き動作または画素混合動作時、カラムアンプ１２０−１とカラムアンプ１２０−２とは、異なるゲインおよびオフセットが設定される。例えばカラムアンプ１２０−１は、通常照度のゲインである標準ゲイン値が設定され、カラムアンプ１２０−２は、高輝度用の低ゲインであるニーゲイン値が設定される。そして、選択列の垂直信号線１０５−１より読み出された画素１０３列のアナログの画素信号がニーポイント以下なら、カラムアンプ１２０−１の出力が出力選択回路１２２に選択され、ニーポイントより大きい場合には、カラムアンプ１２０−２の出力が出力選択回路１２２に選択される。

比較回路１１０は、カラムアンプ１２０−１から伝達される信号（画素信号）の大きさと、カラムアンプ１２０−２のオフセットの大きさとを比較して、出力選択回路１２２に、カラムアンプ１２０−１またはカラムアンプ１２０−２とＡＤ変換器１０６−１とを接続する接続状態を選択させる制御を行う。具体的には、比較回路１１０は、高速動作時、標準ゲイン値が設定されているカラムアンプ１２０−１の出力（出力電圧）と、高輝度基準バイアス電圧（ＶＫＮＥＥ＝１．７５Ｖ）とを比較する。そして、比較回路１１０は、その比較結果に従って、出力選択回路１２２に、カラムアンプ１２０−１またはカラムアンプ１２０−２の出力を選択させる。なお、比較回路１１０は、標準ゲイン値が設定されているカラムアンプ１２０−１の出力（出力電圧）と、低輝度基準バイアス電圧（ＶＢ＝１Ｖ）とを比較させて、比較結果に従って、出力選択回路１２２に、カラムアンプ１２０−１またはカラムアンプ１２０−２の出力を選択させるとしてもよい。

ＡＤ変換器１０６は、カラムアンプ１２０−１またはカラムアンプ１２０−２それぞれに対応して設けられ、出力選択回路１２２より出力（伝達）された信号をアナログ−デジタル（ＡＤ）変換する。そして、ＡＤ変換器１０６は、ＡＤ変換した信号を、メモリ部１０２に出力する。

また、ＡＤ変換器１０６は、ＡＤ変換器１０６−１およびＡＤ変換器１０６−２で構成されており、通常動作時には、ＡＤ変換器１０６−１およびＡＤ変換器１０６−２ともに動作する一方で、高速動作時には、ＡＤ変換器１０６−１は動作するもののＡＤ変換器１０６−２は休止している。

出力選択回路１２２は、ＡＤ変換器１０６（１０６−１、１０６−２）に出力（伝達）する信号を選択する。具体的には、出力選択回路１２２は、ＡＤ変換器１０６（１０６−１、１０６−２）に対応して設けられ、カラムアンプ１２０（１２０−１、１２０−２）とＡＤ変換器１０６（１０６−１、１０６−２）との接続状態を選択する。

例えば、出力選択回路１２２は、通常動作時には、カラムアンプ１２０により入力された画素１０３列のアナログの画素信号（伝達信号）をそのまま通す。一方、高速動作時には、比較回路１１０の比較結果に従い選択されたカラムアンプ１２０−１またはカラムアンプ１２０−２の出力をＡＤ変換器１０６に出力する。換言すると、出力選択回路１２２は、高速動作時には、カラムアンプ１２０−２とＡＤ変換器１０６−２との接続を切断し、カラムアンプ１２０−１またはカラムアンプ１２０−２とＡＤ変換器１０６−１とを接続する接続状態を選択する。

メモリ部１０２は、ＡＤ変換器１０６でＡＤ変換されたデジタル信号を一時的に蓄積して出力する。

レベル設定回路部１３０は、カラムアンプ１２０（１２０−１、１２０−２）のゲインとオフセットとを設定する。レベル設定回路部１３０は、例えば、通常時には、カラムアンプ１２０（１２０−１、１２０−２）に例えば標準ゲイン値を設定する。また、レベル設定回路部１３０は、例えば、高速動作時にはカラムアンプ１２０−１には標準ゲイン値、カラムアンプ１２０−２にはニーゲイン値を設定する。

また、レベル設定回路部１３０は、標準輝度基準レベルの基準電圧（低輝度基準バイアス電圧）と高輝度基準レベルの基準電圧（高輝度基準バイアス電圧）の２つの基準電圧レベルを発生し、カラムアンプ１２０に、オフセット値として与える。具体的には、レベル設定回路部１３０は、通常時には、標準輝度基準レベルの基準電圧（低輝度基準バイアス電圧）をオフセットとしてカラムアンプ１２０（１２０−１、１２０−２）に設定する。一方、レベル設定回路部１３０は、高速動作時、標準輝度基準レベルの基準電圧（低輝度基準バイアス電圧）をオフセットとしてカラムアンプ１２０−１に設定し、高輝度基準レベルの基準電圧（高輝度基準バイアス電圧）をオフセットとしてカラムアンプ１２０−２に設定する。

なお、固体撮像装置１０では、説明を簡易にするため、１系統の信号処理手段、すなわち画素列選択回路１０９、カラムアンプ１２０（１２０−１、１２０−２）、比較回路１１０、出力選択回路１２２、ＡＤ変換器１０６及びメモリ部１０２が画素部１００の片側に配置されたシステム構成としているが、それに限らない。２系統の信号処理手段を画素部１００の両側に配置する構成としてもよい。

また、上記では言及していないが、画素１０３は、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）またはＢ（青色）に対応している。そして、カラムアンプ１２０（１２０−１、１２０−２）にはそれぞれ、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）またはＢ（青色）の画素１０３に対応するゲインが設定されている。

ここで、比較のため、一般的なＣＭＯＳイメージセンサの通常の駆動形態について説明する。

図２は、従来の固体撮像装置のシステム構成の概略を等価的に示す図である。

図２に示す固体撮像装置５０は、一般的なＣＭＯＳイメージセンサであり、画素部１００と、垂直走査回路１０１と、メモリ部１０２と、ＡＤ変換器５０６と、制御信号生成回路５０８と、画素列選択回路５０９と、カラムアンプ５２０とを備える。

接続スイッチ５９２は、垂直信号線１０５（具体的には非選択列の垂直信号線１０５−２）とカラムアンプ５２０とを接続するためのスイッチである。接続スイッチ５９２は、接続する垂直信号線１０５とカラムアンプ５２０とに対して１対１で動作する。例えば、通常動作時には、接続スイッチ５９２は、対応する垂直信号線１０５（非選択列の垂直信号線１０５−２）とカラムアンプ５２０とを接続する。一方、間引き動作もしくは画素混合動作時には、接続スイッチ５９２は、対応する垂直信号線１０５（非選択列の垂直信号線１０５−２）とカラムアンプ５２０とを接続しないすなわち切断された状態にする。それにより、カラムアンプ５２０は、画素部１００の画素１０３列に対応して配設され、垂直信号線１０５（具体的には選択列の垂直信号線１０５−１）より読み出された画素１０３列のアナログの画素信号（伝達信号）を増幅する。

ＡＤ変換器５０６は、カラムアンプ５２０より出力された増幅後のアナログの画素信号をＡＤ変換し、メモリ部１０２に出力する。

メモリ部１０２は、ＡＤ変換器５０６でＡＤ変換されたデジタル信号を一時的に蓄積して出力する。

以上のように構成された固体撮像装置５０は、間引きもしくは画素混合時には、接続スイッチ５９２を切断された状態にして、１列おきにカラムアンプ５２０以降の回路（カラムアンプ５２０、ＡＤ変換器５０６、メモリ部１０２）を動作させることにより水平方向動作を早くし、同時に接続スイッチ５９２が切断された列のカラムアンプ５２０、ＡＤ変換器５０６を休止させる。このように、従来の固体撮像装置５０では、間引かれる列のカラムアンプ及びＡＤ変換器は動作に関与しない状態になるので、回路の利用が十分されていると言えない。

次に、図１に示す固体撮像装置１０の動作について説明する。

まず、通常動作時における動作について説明する。

画素列選択回路１０９は、通常動作時、例えば複数の垂直信号線１０５の２列（１０５−１、１０５−２）を束ねて、各々垂直信号線１０５（１０５−１、１０５−２）より読み出された画素１０３列のアナログの画素信号を、次段の各々カラムアンプ１２０（１２０−１、１２０−２）に出力（伝達）する。

次に、カラムアンプ１２０は、画素列選択回路１０９より入力された画素１０３列のアナログの画素信号を増幅して出力選択回路１２２に出力（伝達）する。ここで、通常動作時、カラムアンプ１２０（１２０−１、１２０−２）はすべて、例えば６ｄＢの同じカラムゲインが設定されている。そのため、カラムアンプ１２０（１２０−１、１２０−２）は、入力信号（画素列選択回路１０９より入力された画素１０３列のアナログの画素信号）を６ｄＢゲインアップ（増幅）して出力選択回路１２２に出力（伝達）する。

次に、出力選択回路１２２は、入力された画素１０３列のアナログの画素信号を、スルーして各々ＡＤ変換器１０６（１０６−１、１０６−２）に出力（伝達）する。ここで、出力選択回路１２２では、各々（２列毎に）に画素１０３列のアナログの画素信号が入力される。そして、通常動作時、出力選択回路１２２が有する内部スイッチは入力された信号をスルーする設定がなされている。そのため、入力された画素１０３列のアナログの画素信号は、そのまま各々ＡＤ変換器１０６に出力（伝達）される。

次に、ＡＤ変換器１０６（１０６−１、１０６−２）は、入力された画素１０３列のアナログの画素信号をＡＤ変換し、ＡＤ変換されたデジタルの画素信号をメモリ部１０２に出力する。

次に、メモリ部１０２は、入力されたデジタルの画素信号が一時的に蓄積され、その後、出力（デジタル出力）される。なお、通常動作は上述した従来のＣＭＯＳイメージセンサ（固体撮像装置５０）と同じである。

以上のようにして、固体撮像装置１０は通常動作時の動作を行う。

次に、間引き動作または画素混合動作時における高速動作について説明する。

間引き動作または画素混合時の動作において、垂直信号線１０５（１０５−１、１０５−２）以降から信号処理を見た場合、複数の垂直信号線１０５のうちの数列の束毎（本例では２列毎）から１列のみ（以後、選択列の垂直信号線１０５−１と呼ぶ）の出力（伝達）が読み出されてくる。また、読み出されない列を非選択列の垂直信号線１０５−２と呼ぶ。

画素列選択回路１０９は、高速動作時、非選択列の垂直信号線１０５−２のカラムアンプ１２０−２への入力を遮断して、選択列の垂直信号線１０５−１をカラムアンプ１２０−１だけでなくカラムアンプ１２０−２にも接続する。このようにして、画素列選択回路１０９は、高速動作時、選択列の垂直信号線１０５−１より読み出された画素１０３列のアナログの画素信号をカラムアンプ１２０−１とカラムアンプ１２０−２とに並列に入力（接続）する。

次に、カラムアンプ１２０−１およびカラムアンプ１２０−２はそれぞれ、画素列選択回路１０９より入力された画素１０３列のアナログの画素信号を増幅して出力選択回路１２２に出力（伝達）する。ここで、カラムアンプ１２０−１は、標準ゲイン値として６ｄＢが設定されており、出力における基準電圧として低輝度基準バイアス電圧ＶＢ＝１Ｖが設定されている。一方、カラムアンプ１２０−２は、ニーゲイン値として（標準ゲイン値−９ｄＢ）＝−３ｄＢが設定されており（ニーゲイン設定）、出力における基準電圧として高輝度基準バイアス電圧ＶＫＮＥＥ＝１．７５Ｖが設定されている。なお、カラムアンプ１２０−１とカラムアンプ１２０−２とに設定される基準電圧の差（差分電圧）は任意に設定できる。ただし、上述したニー補正の考察により、ＡＤの入力レンジを１Ｖｐｐとすると３０００／４０９５であることにより約０．７５Ｖを好ましい値としている。

次に、比較回路１１０は、出力選択回路１２２に、カラムアンプ１２０−１またはカラムアンプ１２０−２の出力を選択させる。具体的には、比較回路１１０は、標準ゲイン値が設定されているカラムアンプ１２０−１の出力（出力電圧）と、高輝度基準バイアス電圧（ＶＫＮＥＥ＝１．７５Ｖ）とを比較する。そして、比較回路１１０は、カラムアンプ１２０−１の出力（出力電圧）の方が高輝度基準バイアス電圧より大きい場合には、出力選択回路１２２に、ニーゲイン設定されているカラムアンプ１２０−２の出力を選択させる。一方、比較回路１１０は、カラムアンプ１２０−１の出力（出力電圧）の方が高輝度基準バイアス電圧より小さい場合には、出力選択回路１２２に、カラムアンプ１２０−１の出力を選択させる。

次に、選択側の（高速動作時に動作するよう選択される側の）ＡＤ変換器１０６−１は、出力選択回路１２２により入力（伝達）された出力（画素１０３列のアナログの画素信号）をＡＤ変換し、ＡＤ変換されたデジタルの画素信号をメモリ部１０２に出力する。

以上のようにして、固体撮像装置１０は高速動作時の動作を行う。

なお、比較回路１１０は、非選択側の休止しているＡＤ変換器１０６−２が備える比較回路であってもよい。

図３は、本実施の形態における固体撮像装置１０のニー補正による入出力特性を示す図である。図３では、上述した高速動作時に、選択側のＡＤ変換器１０６−１に入力される信号レベルの特性を示している。

具体的には、固体撮像装置１０が示す画質特性は、ニーポイント以下の低輝度側では標準ゲイン設定となり通常の画像を再現する一方で、ニーポイント以上の高輝度側ではニーゲイン（低ゲイン）設定となり例えば、強く光っている画像の輝度を緩めて再現する。

つまり、例えば、固体撮像装置１０を用いて、逆光状態で人物を映した場合に、背景の高輝度を抑えながら、低輝度側である人物の顔の詳細を再現できることになり、擬似的にダイナミックレンジが拡大された、良好な画質を得ることができる。もちろん、ニー補正によるダイナミックレンジの拡大、または、画質の改善は、被写体の測光状態に応じてニーポイントと高輝度側のゲイン値との最適化が必要である。しかし、図３に示したように、本構成での動作を考えると、ニーポイント電圧に相当する高輝度基準バイアス電圧（ＶＫＮＥＥ）と高輝度側のニーゲインとは、独立に設定することができ、さらに、可能な限り任意の値を設定できるので最適化も容易である。そして、これは、後述するカメラセットにおいて、外部ＤＳＰによる測光制御を容易にすることができるという効果を奏する。

（実施例）
次に、図１に示すカラムアンプ１２０−１およびカラムアンプ１２０−２の詳細について図を用いて説明する。

図４は、本実施の形態における固体撮像装置の主要構成要素の回路構成を示す図である。図４では、画素列選択回路１０９−１と、カラムアンプ列（カラムアンプ１２０−１およびカラムアンプ１２０−２）と、出力選択回路１２２とについての回路構成を示している。図１と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。

画素列選択回路１０９−１は、接続スイッチ１０９２と接続スイッチ１０９３とを有する。

接続スイッチ１０９２は、非選択列の垂直信号線１０５−２とカラムアンプ１２０−２との間に設けられ、非選択列の垂直信号線１０５−２とカラムアンプ１２０−２との接続を遮断することが可能である。接続スイッチ１０９２は、固体撮像装置１０の高速動作時には、オフされて、非選択列の垂直信号線１０５−２とカラムアンプ１２０−２との接続を切断する。一方、接続スイッチ１０９２は、固体撮像装置１０の通常動作時には、オンされるので、非選択列の垂直信号線１０５−２とカラムアンプ１２０−２とを接続する。

接続スイッチ１０９３は、選択列の垂直信号線１０５−１と非選択列の垂直信号線１０５−２との間に設けられ、選択列の垂直信号線１０５−１と非選択列の垂直信号線１０５−２とを固体撮像装置１０の高速動作時に接続するためのものである。そのため、接続スイッチ１０９３は、固体撮像装置１０の通常動作時には、オフされている。

このように、画素列選択回路１０９−１では、選択列の垂直信号線１０５−１は、次段のカラムアンプ１２０−１へのスルー配線であり、非選択列の垂直信号線１０５−２は、次段のカラムアンプ１２０−２と接続スイッチ１０９２を介して接続されており、接続スイッチ１０９２により遮断可能である。そして、接続スイッチ１０９３は、高速動作時すなわち間引き動作または混合動作時にカラムアンプ列２列（カラムアンプ１２０−１およびカラムアンプ１２０−２）を接続して並列入力とする。

カラムアンプ１２０−１は、コンデンサ１２０４と、コンデンサ１２０５と、インバータアンプ１２０７と、フィードバックスイッチ１２０８と、イニシャルスイッチ１２０９とを備える。ここで、インバータアンプ１２０７と、フィードバックスイッチ１２０８とは、フィードバックアンプを構成している。また、カラムアンプ１２０−１には、高速動作時、上述したように、６ｄＢのゲインと１Ｖのオフセット電圧とが設定される。

コンデンサ１２０４では、サンプリング容量Ｃｓを有し、その一端が垂直信号線１０５−１に接続されており、他端がフィードバックアンプを構成するインバータアンプ１２０７とフィードバックスイッチ１２０８との入力に接続されている。

コンデンサ１２０５は、フィードバック容量Ｃｆを有し、その一端がインバータアンプ１２０７に接続され、他端がイニシャルスイッチ１２０９に接続されている。ここで、コンデンサ１２０５の他端とイニシャルスイッチ１２０９とを接続する配線は、同時にカラムアンプ出力線１２１６となっている。

イニシャルスイッチ１２０９は、インバータアンプ１２０７のカソード側（出力）または低輝度基準バイアス線１２１１と接続するためのスイッチである。イニシャルスイッチ１２０９は、インバータアンプ１２０７のカソード側（出力）または低輝度基準バイアス線１２１１と接続を選択できる。

そして、イニシャルスイッチ１２０９とフィードバックスイッチ１２０８とは接続極性が反転している。具体的には、イニシャルスイッチ１２０９は、フィードバックスイッチ１２０８がオンのとき、カラムアンプ出力線１２１６と低輝度基準バイアス線１２１１との接続をショートさせている。反対に、イニシャルスイッチ１２０９は、フィードバックスイッチ１２０８がオフのとき、カラムアンプ出力線１２１６とインバータアンプ１２０７のカソード側との接続をショートさせている。

この構成により、垂直信号線１０５−１の信号入力電圧Ｖｇａに対してカラムアンプ出力線１２１６の出力レベルは以下の（式１）のように表せる。

Ｖａｍｐ＝Ｃｓ／Ｃｆ＊Ｖｇａ＋ＶＢ （式１）

従って、カラムアンプ１２０−１の出力に任意のゲインＣｓ／Ｃｆと任意のオフセットＶＢを与えることができる。

なお、カラムアンプ１２０−２は、コンデンサ１２０４と、コンデンサ１２０５と、インバータアンプ１２０７と、フィードバックスイッチ１２０８と、イニシャルスイッチ１２０９とを備える。ここで、インバータアンプ１２０７と、フィードバックスイッチ１２０８とは、フィードバックアンプを構成している。また、カラムアンプ１２０−２には、高速動作時、上述したように、−３ｄＢのゲインと１．７５Ｖのオフセットとが設定される。なお、カラムアンプ１２０−２の構成は、イニシャルスイッチ１２１０が、インバータアンプ１２０７のカソード側（出力）または高輝度基準バイアス線１２１２と接続するためのスイッチであることと、比較回路１１０と接続されないこととを除いてカラムアンプ１２０−１と同様であるため説明を省略する。

このように、高速動作時のカラムアンプ列（カラムアンプ１２０−１およびカラムアンプ１２０−２）では、選択側のカラムアンプ１２０−１は、レベル設定回路部１３０により、６ｄＢのゲインと１Ｖのオフセット電圧とが設定され、非選択側のカラムアンプ１２０−２には、レベル設定回路部１３０により、−３ｄＢのゲインと１．７５Ｖのオフセットとが設定される。

また、出力選択回路１２２は、出力選択スイッチ２１４と出力選択スイッチ２１５とを有する。

出力選択スイッチ２１４は、カラムアンプ出力線１２１６と次段のＡＤ変換器１０６−１との間に設けられ、カラムアンプ出力線１２１６またはカラムアンプ出力線１２１７とＡＤ変換器１０６−２とを接続する。出力選択スイッチ２１４は、通常動作時、カラムアンプ出力線１２１６と次段のＡＤ変換器１０６−１とを接続する。また、出力選択スイッチ２１４は、高速動作時、比較回路１１０により制御され、カラムアンプ出力線１２１６またはカラムアンプ出力線１２１７と接続される。

出力選択スイッチ２１５は、カラムアンプ出力線１２１７と次段のＡＤ変換器１０６−２との間に設けられ、カラムアンプ出力線１２１７とＡＤ変換器１０６−２との接続を遮断するためのものである。出力選択スイッチ２１５は、固体撮像装置１０の高速動作時には、オフされて、カラムアンプ出力線１２１７とＡＤ変換器１０６−２との接続を切断する。一方、出力選択スイッチ２１５は、固体撮像装置１０の通常動作時には、オンされるので、カラムアンプ出力線１２１７とＡＤ変換器１０６−２とを接続する。

ここで、比較回路１１０は、低輝度基準バイアス線１２１１とカラムアンプ出力線１２１６（カラムアンプ１２０−１の出力電圧に相当）とを比較し、出力選択スイッチ２１４を制御する。

以上のように構成された固体撮像装置１０は、図３に示されるニー特性すなわちニー補正により入出力特性を示す。

以上、本実施の形態によれば、高速動作時すなわち間引き動作または画素混合動作に、格段の回路増加をせず、カラムアンプの回路の利用効率を向上させ、かつ、ダイナミックレンジの拡大を可能とする固体撮像装置を実現できる。

具体的には、ＡＤの入力レンジを有効活用して擬似的にダイナミックレンジの拡大を可能とすることができる。それにより、ＡＤ変換の入力レンジを外れることによる情報の損失無く、Ｓ／Ｎのよい画像を得ることができる利点が得られる。

（実施の形態２）
実施の形態２では、実施の形態１における固体撮像装置１０を利用した応用例について説明する。

図５は、本実施の形態における撮像装置のセット構成の一例を示すブロック図である。図５に示す撮像装置６００は、レンズ群を含む光学系６５１と、固体撮像装置６５２と、カメラ信号処理回路であるＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）６５３と、フレームメモリ６５４と、表示装置６５５と、記録装置６５６と、操作系６５７と、電源系６５８とを備える。また、ＤＳＰ６５３と、フレームメモリ６５４と、表示装置６５５と、記録装置６５６と、操作系６５７と、電源系６５８とは、バスライン６５９を介して相互に接続された構成となっている。

光学系６５１は、被写体からの入射光（像光）を取り込んで固体撮像装置６５２の撮像面上に結像する。

固体撮像装置６５２は、光学系６５１によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。ここで、この固体撮像装置６５２は、例えばＣＭＯＳイメージセンサであり、上述した実施の形態１に係る固体撮像装置１０に相当する。

ＤＳＰ６５３は、固体撮像装置６５２から出力される画素信号に対して種々の信号処理を行う。ＤＳＰ６５３は、その処理の一つとして、モニター動作や動画の撮像時に、広ダイナミックレンジ化のための信号処理を行う。また、ＤＳＰ６５３は、この信号処理の外に、周知の種々のカメラ信号処理を行う。

例えば、ＤＳＰ６５３は、広ダイナミックレンジ化のための信号処理において、固体撮像装置６５２からの出力信号を元に測光処理を行う。ＤＳＰ６５３は、この測光処理の結果より、シーンごとに設定された条件から判断して、画面に最適な標準ゲインとニーゲインとニーポイントを選択する。そして、ＤＳＰ６５３は、この選択された標準ゲインとニーゲインとニーポイント（電圧）を固体撮像装置６５２に再度設定する。このようなフィードバックを繰り返すことにより、固体撮像装置６５２は、最適に調整された画像出力信号を得る。

表示装置６５５は、液晶表示装置や有機ＥＬ（ｅｌｅｃｔｒｏ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）表示装置等のパネル型表示装置からなり、固体撮像装置６５２で撮像された動画または静止画を表示する。

記録装置６５６は、固体撮像装置６５２で撮像された動画または静止画を、例えばビデオテープやＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）等の記録媒体に記録する。

操作系６５７は、ユーザによる操作に基づいて、撮像装置６００が持つ様々な機能について操作指令を発する。

電源系６５８は、供給対象（具体的には、ＤＳＰ６５３、フレームメモリ６５４、表示装置６５５、記録装置６５６および操作系６５７）の動作電源となる各種の電源を、供給対象に対して適宜供給する。

以上、本実施の形態によれば、高速動作時すなわち間引き動作または画素混合動作に、格段の回路増加をせず、カラムアンプの回路の利用効率を向上させ、かつ、ダイナミックレンジの拡大を可能とする固体撮像装置６５２を有する撮像装置６００を実現できる。具体的には、ＡＤの入力レンジを有効活用して擬似的にダイナミックレンジの拡大を可能とすることができる。

それにより、モニター動作や動画の撮像時に、ニー補正による広ダイナミックレンジ化を図り、アナログゲインを上げたときに、ＡＤ変換の入力レンジを外れることによる情報の損失無く、Ｓ／Ｎのよい画像を得ることができるので、撮像画像の画質をより向上できる。

以上、本発明の固体撮像装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。

本発明は、固体撮像装置に利用でき、特に、例えばＣＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像装置や、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラおよび携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールなどの撮像装置が備える固体撮像装置に利用することができる。

１０、５０、６５２ 固体撮像装置
１００ 画素部
１０１ 垂直走査回路
１０２ メモリ部
１０３ 画素
１０５ 垂直信号線
１０６、５０６ ＡＤ変換器
１０８、５０８ 制御信号生成回路
１０９、５０９ 画素列選択回路
１１０ 比較回路
１２０、５２０ カラムアンプ
１２２ 出力選択回路
２１４、２１５ 出力選択スイッチ
５９２、１０９２、１０９３ 接続スイッチ
６５１ 光学系
６５３ ＤＳＰ
６５４ フレームメモリ
６５５ 表示装置
６５６ 記録装置
６５７ 操作系
６５８ 電源系
６５９ バスライン
１２０４、１２０５ コンデンサ
１２０７ インバータアンプ
１２０８ フィードバックスイッチ
１２０９、１２１０ イニシャルスイッチ
１２１１ 低輝度基準バイアス線
１２１２ 高輝度基準バイアス線
１２１６、１２１７ カラムアンプ出力線

Claims (9)

1. 行列状に配列された複数の画素を備える固体撮像装置であって、
   前記画素の信号を列方向に伝達する第１の列信号線および第２の列信号線と、
   前記第１の列信号線および第２の列信号線それぞれに対応して設けられ、伝達された信号を増幅する第１のカラムアンプおよび第２のカラムアンプと、
   前記第１の列信号線および第２の列信号線に対応して設けられ、第１のカラムアンプおよび第２のカラムアンプに対する前記第１の列信号線および第２の列信号線の接続状態を選択する第１選択回路と、
   前記第１のカラムアンプおよび第２のカラムアンプそれぞれに対応して設けられ、伝達された信号をアナログ−デジタル変換する第１のＡＤ変換器および第２のＡＤ変換器と、
   前記第１のＡＤ変換器および第２のＡＤ変換器に対応して設けられ、前記第１のカラムアンプおよび第２のカラムアンプに対する前記第１のＡＤ変換器および第２のＡＤ変換器の接続状態を選択する第２選択回路とを備え、
   前記第１選択回路は、前記第１の列信号線と前記第１のカラムアンプとを接続し、前記第２の列信号線と前記第２のカラムアンプとを切断する場合、前記第１の列信号線を前記第１のカラムアンプに接続するだけでなく第２のカラムアンプにも接続する並列接続状態を選択し、
   前記第１のカラムアンプと前記第２のカラムアンプとは、前記並列接続状態が選択される場合、異なるゲインおよびオフセットが設定され、
   前記第２選択回路は、前記並列接続状態が選択される場合、前記第２のカラムアンプと前記第２のＡＤ変換器との接続を切断し、前記第１のカラムアンプまたは前記第２のカラムアンプと前記第１のＡＤ変換器とを接続する接続状態を選択する
   固体撮像装置。
2. 前記第１のカラムアンプは、前記並列接続状態が選択された場合、通常照度用のゲインが設定され、
   前記第２のカラムアンプは、前記並列接続状態が選択された場合、高輝度用の低ゲインが設定される
   請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記固体撮像装置は、さらに
   前記並列接続状態が選択された場合に、前記第１のカラムアンプから伝達される信号の大きさと、前記第２のカラムアンプのオフセットの大きさとを比較して、前記第２選択回路に、前記第１のカラムアンプまたは前記第２のカラムアンプと前記第１のＡＤ変換器とを接続する接続状態を選択させる制御を行う比較部を備える
   請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 前記比較部は、前記第１のカラムアンプから伝達される信号の大きさが、前記第２のカラムアンプのオフセットの大きさより大きい場合には、前記第２選択回路に、前記第２のカラムアンプと前記第１のＡＤ変換器とを接続する接続状態を選択させる制御を行い、
   前記第１のカラムアンプから伝達される信号の大きさが、前記第２のカラムアンプのオフセットの大きさより小さい場合には、前記第２選択回路に、前記第１のカラムアンプと前記第１のＡＤ変換器とを接続する接続状態を選択させる制御を行う
   請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 前記固体撮像装置は、さらに
   記第１のカラムアンプと前記第２のカラムアンプとにそれぞれ、オフセットを設定するレベル設定回路部を備える
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記レベル設定回路部は、標準輝度基準レベルの基準電圧と高輝度基準レベルの基準電圧とを発生し、前記標準輝度基準レベルの基準電圧をオフセットとして前記第１のカラムアンプに設定し、前記高輝度基準レベルの基準電圧をオフセットとして前記第２のカラムアンプに設定する
   請求項５に記載の固体撮像装置。
7. 前記比較部は、第２のＡＤ変換器に内蔵されている
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
8. 前記複数の画素は、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）またはＢ（青色）に対応しており、
   前記第１のカラムアンプおよび第２のカラムアンプにはそれぞれ、当該複数の画素に対応するゲインが設定されている
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
   前記固体撮像装置からの出力信号を基にして測光処理を行う信号処理回路とを備え、
   前記第１のカラムアンプおよび第２のカラムアンプはそれぞれ、前記測光処理の結果を用いてオフセットが設定される
   カメラシステム。

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