JP2012085063A - Image pick-up device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging apparatus.
エリア型撮像装置の一つに、CMOS型イメージセンサ(以下、CMOSセンサという)がある。CMOSセンサは、センサと同一半導体基板上に、センサ駆動回路、アナログ/デジタル(A/D)変換器、データ処理回路などを混載することができるという利点がある。近年、読み出し速度を高速化するために、行列状に配置した画素部からの行毎のアナログ信号を各列に一つずつ設けたA/D変換器によりNビットのデジタルデータ信号に変換するCMOSセンサの開発が行われている。変換されたデジタルデータ信号は、水平転送回路を用いて、出力回路に順次転送される。転送されたデジタルデータ信号は出力回路を介してCMOSセンサから出力される。列毎にA/D変換器を内蔵したCMOSセンサでは、A/D変換動作、水平転送動作をパイプライン動作させることで、フレームレートを向上させることが可能である。特許文献1には、N行目の各列の画素信号をA/D変換動作する期間と並列に、直前にA/D変換しメモリー部に保持した(N−1)行目のデジタルデータ信号を順次転送する方式が記載されている。 One of the area type imaging devices is a CMOS type image sensor (hereinafter referred to as a CMOS sensor). The CMOS sensor has an advantage that a sensor driving circuit, an analog / digital (A / D) converter, a data processing circuit, and the like can be mixedly mounted on the same semiconductor substrate as the sensor. In recent years, in order to increase the reading speed, a CMOS that converts an analog signal for each row from a pixel unit arranged in a matrix into an N-bit digital data signal by an A / D converter provided for each column. Sensors are being developed. The converted digital data signal is sequentially transferred to the output circuit using a horizontal transfer circuit. The transferred digital data signal is output from the CMOS sensor via the output circuit. In a CMOS sensor incorporating an A / D converter for each column, the frame rate can be improved by performing a pipeline operation for the A / D conversion operation and the horizontal transfer operation. In Patent Document 1, the digital data signal of the (N−1) th row which is A / D converted immediately before the pixel signal of each column of the Nth row is held in the memory unit in parallel with the period of the A / D conversion operation. Describes a method of sequentially transferring.
一般的に、動画や静止画など撮影モードにより、出力する画素領域や画素数、フレームレートが大きく異なる。特許文献1では、画素からの信号読み出しのインターバル、すなわち一行の読み出し時間は、A/D変換時間とデータ転送時間の長いほうの時間が決定すると記述している。一行から出力する画素数が少ない場合、一定の時間で水平転送するべきデータ信号が少なくなるため、水平転送時間がA/D変換時間に対して短くなる。A/D変換時間より水平転送時間が短くなると、A/D変換動作中に水平転送動作が行われている期間と、行われていない期間が存在する。水平転送期間は、水平転送回路が動作するため、消費電流が増加する。このため水平転送動作が行われている期間と、行われていない期間ではCMOSセンサ内の電源配線やグランド配線の抵抗による電位が変動し、この変動分がA/D変換誤差として発生している。 In general, the output pixel area, the number of pixels, and the frame rate vary greatly depending on the shooting mode such as a moving image or a still image. Patent Document 1 describes that the interval between signal readout from pixels, that is, the readout time for one row, is determined as the longer of the A / D conversion time and the data transfer time. When the number of pixels to be output from one line is small, the number of data signals to be horizontally transferred in a certain time is reduced, so that the horizontal transfer time is shortened with respect to the A / D conversion time. When the horizontal transfer time becomes shorter than the A / D conversion time, there are a period during which the horizontal transfer operation is performed during the A / D conversion operation and a period during which the horizontal transfer operation is not performed. During the horizontal transfer period, current consumption increases because the horizontal transfer circuit operates. For this reason, the potential due to the resistance of the power supply wiring and the ground wiring in the CMOS sensor fluctuates between the period during which the horizontal transfer operation is performed and the period when the horizontal transfer operation is not performed, and this variation occurs as an A / D conversion error. .
本発明の目的は、アナログ/デジタル変換動作中に転送回路による転送動作が行われない期間を無くし、転送回路の消費電流変動がアナログ/デジタル変換動作に及ぼす悪影響を抑制することができる撮像装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide an imaging apparatus that eliminates a period during which no transfer operation is performed by a transfer circuit during an analog / digital conversion operation and can suppress adverse effects of fluctuations in current consumption of the transfer circuit on the analog / digital conversion operation. Is to provide.
本発明の撮像装置は、画素が行列状に配置された画素部と、前記画素部の画素から読み出した各行の信号を列毎にアナログからデジタルに変換する列アナログ/デジタル変換器群と、前記列アナログ/デジタル変換器群により変換された各行のデジタルの信号のうちの前記画素部の読み出し領域の列の画素の信号を選択して出力する選択部と、前記選択部により出力された各行の画素の信号を転送する転送回路とを有し、前記転送回路は、前記画素部の読み出し領域の行の画素数に応じて転送周波数を変えることを特徴とする。 The imaging apparatus of the present invention includes a pixel unit in which pixels are arranged in a matrix, a column analog / digital converter group that converts a signal of each row read from the pixel of the pixel unit from analog to digital for each column, and A selection unit that selects and outputs a signal of a pixel in a column in a readout region of the pixel unit from among digital signals of each row converted by a column analog / digital converter group, and each row output by the selection unit A transfer circuit for transferring a pixel signal, wherein the transfer circuit changes a transfer frequency in accordance with the number of pixels in a row of a readout region of the pixel portion.
画素数に応じて転送周波数を変えることにより、アナログ/デジタル変換動作期間中に転送回路の消費電流の変化を防止し、アナログ/デジタル変換誤差を低減することができる。 By changing the transfer frequency according to the number of pixels, it is possible to prevent a change in current consumption of the transfer circuit during the analog / digital conversion operation period, and to reduce an analog / digital conversion error.
図1は、本発明の実施形態に係る撮像装置の構成例を示すブロック図である。図1に示す撮像装置は、駆動回路100と、画素部111と、列アナログ/デジタル変換器群(列A/D変換器群)112と、選択手段(選択部)113と、水平転送回路114とを有する。駆動回路100は、A/D駆動クロック回路102と、転送クロック回路104とを有する。この撮像装置は、列A/D変換器群112を画素部(センサ)111と同一半導体基板上に形成したエリア型撮像装置である。A/D駆動クロック回路102は、列A/D変換器群112を駆動するためのクロック信号ADCKを出力する。このクロック信号ADCKは、一定の周波数を有する。また、転送クロック回路104は、水平転送回路114を駆動するためのクロックHSCK信号を出力する。このクロック信号HSCKは、1行当たりに読み出す画素数に応じて可変できる。画素部111は、画素が行列状に配置されている。画素は、光電変換により信号を生成する光電変換素子を有する。画素部111は、所望の読み出し領域120〜122の行の画素の信号を行選択により選択し、選択した行の画素の信号を行単位で列A/D変換器群112に出力する。列A/D変換器群112は、列毎のA/D変換器を有し、クロック信号ADCKに同期して、画素部111の画素から各行のアナログの画素信号を読み出し、読み出した各行の画素信号を列毎にアナログからNビットのデジタルに変換する。ここで、列A/D変換器群112のA/D変換器には、画素からの出力を読み出す動作と、1行前に読み出した信号をA/D変換する動作を同時に行うために、画素信号を保持するためのサンプルホールド回路を含む場合がある。列A/D変換器群112で変換したデジタルデータ信号は、選択手段113に備えたデータ信号を保持するための記憶装置により記憶される。選択手段113は、記憶装置に記憶された各行のデジタル信号のうちの画素部111の所望の読み出し領域120〜122の列の画素の信号を選択し、バスを有する水平転送回路114に出力する。画素部111の読み出し領域120〜122は、画素部111の行選択により行数が決まり、選択手段113の列選択により列数が決まる。すなわち、画素部111の読み出し領域120〜122は、何行毎及び何列毎に読み出すかの設定により決まる。水平転送回路114は、クロック信号HSCKに同期して、選択手段113により出力された各行の画素の信号を出力回路に順次転送する。水平転送回路114のバスは、Nビットバスを有する転送回路ユニット115をM個並列に設けることで(N×M)ビットバスとして構成される(Mは自然数)。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of an imaging apparatus according to an embodiment of the present invention. The imaging apparatus shown in FIG. 1 includes a
図1に示す撮像装置の動作について、図2に示すタイミングチャートを用いて説明する。ある行の画素信号を水平転送回路114から出力するには、まず、最初に列A/D変換器群112のA/D変換器が画素部111の画素から列毎に画素信号を読み出す画素信号読み出し動作を行う。次に、列A/D変換器群112のA/D変換器が列毎に読み出した画素(アナログ)信号をアナログからデジタルに変換するA/D変換動作を行う。最後に、水平転送回路114が列A/D変換器群112により変換されたデジタルデータ信号を出力回路に転送する水平転送動作を行う。これらをパイプライン動作することで、N行目のデータ信号の水平転送動作と、N+1行目のA/D変換動作と、N+2行目の画素信号読み出し動作を並列に行う。図2は、図1の画素部の読み出し領域120を設定した場合のタイミングを示しており、このとき、画素信号読み出しに必要な時間と、A/D変換動作に必要な時間と、水平転送動作に必要な時間とがそれぞれTであるとする。ここで単純化のため、設定した領域の画素信号はすべて出力すると考える。第1の期間Tでは、N行目の画素信号読み出しが行われる。第2の期間Tでは、N行目のA/D変換動作と、N+1行目の画素信号読み出し動作が並列に行われる。第3の期間Tでは、N行目の水平転送動作と、N+1行目のA/D変換動作と、N+2行目の画素信号読み出し動作が並列に行われる。第4の期間Tでは、N+1行目の水平転送動作と、N+2行目のA/D変換動作が並列に行われる。第5の期間Tでは、N+2行目の水平転送動作が行われる。ここでは、3行の画素を例に説明しているが、実際には4行以上の画素が存在し、各期間Tで、並列処理が行われる。
The operation of the imaging apparatus illustrated in FIG. 1 will be described with reference to the timing chart illustrated in FIG. In order to output a pixel signal of a certain row from the
図3は、図1の画素部111の読み出し領域120より狭い領域122を設定した場合のタイミングチャートを示す。画素信号読み出し動作及びA/D変換動作は図2に示すタイミングと同じ時間Tにて行うものとする。これに対して、水平転送回路114を駆動するクロック信号HSCKが読み出し領域120を設定したときと同じ周波数である場合には、読み出す画素数が少ないため水平転送動作はTよりも短い時間T2で終了する。ここで、水平転送回路114の転送回路ユニット115のうち使用するユニットを減らすかクロック信号HSCKの周波数を下げる、又は両者を行うことで水平転送動作を期間Tにわたって行う。画素信号読み出し動作及びA/D変換動作中に水平転送動作が行われていない期間を無くすことで、水平転送回路114の消費電流変動による電源電圧及びグランド電圧の変動を最小にし、画素信号読み出し動作及びA/D変換動作に対する悪影響を抑制する。
FIG. 3 shows a timing chart when a
次に、図4は、図1の画素部111の読み出し領域120より広い領域121を設定した場合のタイミングチャートを示す。水平転送回路114を駆動するクロック信号HSCKが読み出し領域120を設定したときと同じ周波数である場合には、読み出す画素数が多いため水平転送動作は期間Tより長い時間T1が必要となり、フレームレートを律速する。ここで、水平転送回路114の転送回路ユニット115のうち使用するユニットを増やすかクロック信号HSCKの周波数を上げる、又は両者を行うことで水平転送動作を期間Tで終了する。これにより、1行から出力する画素数が多い場合でも、A/D変換時間で決まるフレームレートを維持することが可能となる。
Next, FIG. 4 shows a timing chart when a
以上のように、本実施形態によれば、水平転送回路114は、画素部111の読み出し領域120〜122の行の画素数に応じて転送周波数を変える。第1の方法では、転送クロック回路104は、画素部111の読み出し領域112の行の画素数に応じて異なる周波数のクロック信号HSCKを出力する。そして、水平転送回路114は、転送クロック回路104により出力されたクロック信号HSCKに同期して上記の信号を転送する。転送クロック回路104は、画素部111の読み出し領域120〜122の行の画素数が少ないときにはクロック信号HSCKの周波数を低くし、画素部111の読み出し領域120〜122の行の画素数が多いときにはクロック信号HSCKの周波数を高くする。
As described above, according to the present embodiment, the
第2の方法では、水平転送回路114は、少なくとも2個以上の並列動作する転送回路ユニット115を有し、画素部111の読み出し領域120〜122の行の画素数に応じて転送回路ユニット115の動作個数を変える。具体的には、転送回路ユニット115は、画素部111の読み出し領域120〜122の行の画素数が少ないときには動作個数を少なくし、画素部111の読み出し領域120〜122の行の画素数が多いときには動作個数を多くする。第3の方法では、第1の方法と第2の方法の両方を行う。
In the second method, the
なお、図4の制御は必ずしも必要でない。本実施形態は、図3のように、読み出し領域122の行の画素数が少ない場合に、水平転送動作の期間T2が短くなり、A/D変換動作中に、水平転送動作が行われている期間と水平転送動作が行われている期間が存在する場合の課題を解決するものである。水平転送動作の期間T2は、水平転送回路114が動作するため、消費電流が増加する。このため、水平転送動作が行われている期間T2と、行われていない期間では、撮像装置内の電源配線やグランド配線の抵抗による電位が変動し、この変動分がA/D変換誤差として発生する問題点がある。本実施形態では、図3のように、水平転送回路114の転送周波数を低くすることにより、水平転送動作の期間をTにする。これにより、A/D変換動作中は、水平転送動作が常に行われている状態となり、水平転送回路114の消費電流が一定となり、A/D変換誤差を防止することができる。この目的を達成するためには、水平転送動作の期間は、A/D変換動作の期間と同じかそれよりも長ければよい。したがって、図4の制御は必ずしも必要ではなく、水平転送動作の期間は、A/D変換動作の期間Tよりも長い期間T1のままでもよい。画素数に応じて転送周波数を変えることにより、A/D変換動作期間中に水平転送回路114の消費電流の変化を防止し、A/D変換誤差を低減することができる。
Note that the control in FIG. 4 is not necessarily required. In this embodiment, as shown in FIG. 3, when the number of pixels in the row of the
水平転送回路114は、水平転送回路114の転送期間が列アナログ/デジタル変換器群112の変換期間に対して同じ又は長くなるように転送周波数を変えればよい。第1の方法では、転送クロック回路104は、図2のように、画素部111の読み出し領域120の行の画素数が第1の画素数であるときには第1の周波数のクロック信号HSCKを出力する。これに対して、転送クロック回路104は、図3のように、画素部111の読み出し領域122の行の画素数が上記の第1の画素数よりも少ない第2の画素数であるときには上記の第1の周波数よりも低い第2の周波数のクロック信号HSCKを出力する。
The
第2の方法では、転送回路ユニット115は、図2のように、画素部111の読み出し領域120の行の画素数が第1の画素数であるときには動作個数を第1の動作個数とする。これに対し、転送回路ユニット115は、図3のように、画素部111の読み出し領域122の行の画素数が上記の第1の画素数よりも少ない第2の画素数であるときには動作個数を上記の第1の動作個数よりも少ない第2の動作個数とする。第3の方法では、第1の方法と第2の方法の両方を行う。
In the second method, the
本実施形態において、列A/D変換器群112を駆動するためのクロック信号ADCKの周波数が固定で、水平転送回路114を駆動するためのクロック信号HSCKが可変としている。これは、クロック信号ADCKの周波数が変化することによって、A/D変換精度などに影響を及ぼすのを避けたるためである。水平転送回路114で扱うデータ信号はロジック信号である。そのため、水平転送回路114が動作可能な上限及び下限周波数に対して十分余裕がある範囲でクロック信号HSCKの周波数を可変にしても、扱うデータ値が変化してしまうというような影響を及ぼす可能性が低い。しかしながら、クロック信号ADCKの周波数が変化しても、列A/D変換器群112の変換精度などに影響を及ぼさないのであれば、クロック信号ADCKの周波数は固定でなくてもよい。
In this embodiment, the frequency of the clock signal ADCK for driving the column A /
また、本実施形態において、クロック信号の周波数を可変する手段は、例えば、位相ロックループ(PLL)回路の逓倍数を可変にする方法や、クロック信号の分周率を可変にする方法など、いかなる方法を用いてもよい。 In the present embodiment, the means for changing the frequency of the clock signal may be any method such as a method of changing the multiplication number of the phase lock loop (PLL) circuit or a method of changing the frequency division ratio of the clock signal. A method may be used.
本実施形態によれば、列毎のA/D変換器を有する撮像装置において、1行から出力する画素数に応じて、データ信号を転送するための水平転送回路114の駆動クロック信号HSCKの周波数、及び/又は、水平転送回路114の動作回路数を制御する。これにより、A/D変換動作と水平転送動作を同等の時間で行うことが可能となる。その結果、A/D変換動作中に水平転送動作が行われない期間を無くし、水平転送回路114の消費電流変動がA/D変換に及ぼす悪影響を抑制することができる。
According to the present embodiment, in the imaging device having an A / D converter for each column, the frequency of the drive clock signal HSCK of the
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。 The above-described embodiments are merely examples of implementation in carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed in a limited manner. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or the main features thereof.
100 駆動回路、111 画素部、112 列A/D変換器群、113 選択手段、114 水平転送回路、115 転送回路ユニット
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記画素部の画素から読み出した各行の信号を列毎にアナログからデジタルに変換する列アナログ/デジタル変換器群と、
前記列アナログ/デジタル変換器群により変換された各行のデジタルの信号のうちの前記画素部の読み出し領域の列の画素の信号を選択して出力する選択部と、
前記選択部により出力された各行の画素の信号を転送する転送回路とを有し、
前記転送回路は、前記画素部の読み出し領域の行の画素数に応じて転送周波数を変えることを特徴とする撮像装置。 A pixel portion in which pixels are arranged in a matrix; and
A column analog / digital converter group for converting the signal of each row read from the pixel of the pixel unit from analog to digital for each column;
A selection unit that selects and outputs a signal of a pixel in a column in a readout region of the pixel unit among digital signals of each row converted by the column analog / digital converter group;
A transfer circuit that transfers a signal of each row of pixels output by the selection unit;
The image pickup apparatus, wherein the transfer circuit changes a transfer frequency in accordance with the number of pixels in a row of a readout region of the pixel portion.
前記転送回路は、前記転送クロック回路により出力されたクロック信号に同期して前記信号を転送することを特徴とする請求項1又は2記載の撮像装置。 And a transfer clock circuit that outputs a clock signal having a different frequency according to the number of pixels in the row of the readout region of the pixel unit,
The imaging apparatus according to claim 1, wherein the transfer circuit transfers the signal in synchronization with a clock signal output from the transfer clock circuit.
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