JP2013009051A - Solid state image pickup device and driving method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像装置およびその駆動方法に関し、特にダイナミックレンジを広げる技術に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device and a driving method thereof, and more particularly to a technique for expanding a dynamic range.
従来の固体撮像装置により検出できる光信号(画素信号)のダイナミックレンジは、60dBから80dB程度であり、肉眼や銀塩フィルムにより検出できる光信号のダイナミックレンジに匹敵する100dBから120dB程度、あるいは車載カメラや監視カメラ等の用途によってはそれ以上のレベルにまで向上させることが望まれている。そこで、特許文献1は、隣接行に対して電子シャッタにより露光時間を独立して制御し、高感度と低感度の画素信号を出力し、外部信号処理にて混合を行うことで、検出できる光信号のダイナミックレンジを広げている。
The dynamic range of an optical signal (pixel signal) that can be detected by a conventional solid-state imaging device is about 60 dB to 80 dB, about 100 dB to 120 dB that is comparable to the dynamic range of an optical signal that can be detected by the naked eye or a silver salt film, or an in-vehicle camera. In some applications such as surveillance cameras and the like, it is desired to improve to a higher level. Therefore, in
しかしながら、特許文献1の技術では、行毎に露光時間を変えているため、垂直方向の解像度が劣化するという課題がある。また、固体撮像装置内に混合手段を持たないため、外部信号処理にラインメモリまたはフレームメモリが必要という課題もある。
However, the technique of
そこで、本発明は、垂直方向の解像度を劣化させることなく、検出できる光信号のダイナミックレンジが広い固体撮像装置およびその駆動方法を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device having a wide dynamic range of a detectable optical signal and a driving method thereof without degrading the vertical resolution.
上記目的を達成するために、本発明では、光電変換素子を有する複数の単位画素が行列状に2次元配置されている画素部と、画素信号が読み出される前記複数の単位画素を、前記画素部の行毎に選択する行選択回路と、前記行選択回路により選択される行の複数の単位画素における露光時間を行毎に変更するように、前記行選択回路に制御信号を与える制御部と、前記行選択回路により選択された行の複数の単位画素から読み出された画素信号を列毎に混合する混合部とを備える。 In order to achieve the above object, in the present invention, a pixel unit in which a plurality of unit pixels having photoelectric conversion elements are two-dimensionally arranged in a matrix and the plurality of unit pixels from which a pixel signal is read out include the pixel unit. A row selection circuit that selects each row, and a control unit that provides a control signal to the row selection circuit so as to change the exposure time in a plurality of unit pixels of the row selected by the row selection circuit for each row; A mixing unit that mixes, for each column, pixel signals read from a plurality of unit pixels in a row selected by the row selection circuit.
この構成によれば、2つの異なる露光時間で検出された画素信号の混合を行うため、検出できる画素信号のダイナミックレンジを拡大することができる。また、フレーム毎に混合する行の組み合わせを切り替えることにより、連続する画像の垂直方向の解像度を維持することができる。 According to this configuration, since the pixel signals detected at two different exposure times are mixed, the dynamic range of the pixel signals that can be detected can be expanded. Further, by switching the combination of rows to be mixed for each frame, it is possible to maintain the vertical resolution of continuous images.
また、前記制御部は、前記露光時間を、フレーム毎に変更するように、前記行選択回路に制御信号を与えてもよい。 Further, the control unit may give a control signal to the row selection circuit so as to change the exposure time for each frame.
この構成によれば、さらにフレーム毎に各行の露光時間を変更するので、異なる画像の垂直方向の解像度を劣化させることなく、検出できる画素信号のダイナミックレンジを広げることができる。 According to this configuration, since the exposure time for each row is changed for each frame, the dynamic range of pixel signals that can be detected can be expanded without degrading the vertical resolution of different images.
また、前記混合部は、前記行選択回路であり、前記制御部は、前記行選択回路に、前記画素部の行を2行以上同時に選択させてもよい。 The mixing unit may be the row selection circuit, and the control unit may cause the row selection circuit to simultaneously select two or more rows of the pixel unit.
この構成によれば、読み出された画素信号をアナログ信号で混合することができる。 According to this configuration, the read pixel signal can be mixed with the analog signal.
また、前記混合部は、ADCカウンタであってもよい。 The mixing unit may be an ADC counter.
この構成によれば、読み出されたアナログ信号の画素信号を、デジタル信号に変換するときに画素信号を混合することができる。 According to this configuration, the pixel signal can be mixed when the pixel signal of the read analog signal is converted into a digital signal.
また、前記ADCカウンタは、アップダウンカウンタで構成されてもよい。 The ADC counter may be an up / down counter.
この構成によれば、アップカウントとダウンカウントを連続して行うので、基準信号と画素信号の両方の信号に重畳する誤差信号をキャンセルすることができる。 According to this configuration, since the up-counting and the down-counting are continuously performed, it is possible to cancel the error signal superimposed on both the reference signal and the pixel signal.
また、前記混合部は、ラインメモリと信号処理回路とで構成されてもよい。 The mixing unit may be composed of a line memory and a signal processing circuit.
この構成によれば、異なる露光時間の画素信号をラインメモリに保持し、信号処理回路で混合を行うため、画像の領域によって画素信号の混合をするかしないかを切り替えることができる。 According to this configuration, since pixel signals having different exposure times are held in the line memory and mixed by the signal processing circuit, it is possible to switch whether or not the pixel signals are mixed depending on the image area.
また、固体撮像装置の駆動方法であって、光電変換素子を有し、行列状に2次元配置されている複数の単位画素に対して、行毎に露光時間を変更した制御信号を与えて、行毎に前記複数の単位画素から画像信号を読み出す読み出しステップと、同列に配置された前記複数の単位画素から、異なる露光時間により読み出された画素信号を、混合部により混合する混合ステップとを含む。 Further, in the solid-state imaging device driving method, a control signal in which an exposure time is changed for each row is given to a plurality of unit pixels that have photoelectric conversion elements and are two-dimensionally arranged in a matrix. A reading step of reading out image signals from the plurality of unit pixels for each row, and a mixing step of mixing pixel signals read out from the plurality of unit pixels arranged in the same column with different exposure times by a mixing unit. Including.
この構成によれば、2つの異なる露光時間で検出された画素信号の混合を行うため、検出できる画素信号のダイナミックレンジを拡大することができる。 According to this configuration, since the pixel signals detected at two different exposure times are mixed, the dynamic range of the pixel signals that can be detected can be expanded.
また、前記読み出しステップにおいて、前記露光時間は、1フレーム内でN(Nは2以上の自然数)行毎に変更されてもよい。 In the reading step, the exposure time may be changed every N (N is a natural number of 2 or more) rows within one frame.
また、前記読み出しステップにおいて、前記露光時間は、フレーム毎に変更されてもよい。 In the reading step, the exposure time may be changed for each frame.
この構成によれば、さらにフレーム毎に各行の露光時間を変更するので、異なる画像の垂直方向の解像度を劣化させることなく、検出できる画素信号のダイナミックレンジを広げることができる。 According to this configuration, since the exposure time for each row is changed for each frame, the dynamic range of pixel signals that can be detected can be expanded without degrading the vertical resolution of different images.
また、前記混合ステップにおいて、前記混合部は、フレーム毎に、前記画素信号を混合する前記複数の画素が配置された行の組み合わせを変更してもよい。 In the mixing step, the mixing unit may change a combination of rows in which the plurality of pixels for mixing the pixel signals are arranged for each frame.
この構成によれば、フレーム毎に混合する行の組み合わせを切り替えることにより、連続する画像の垂直方向の解像度を維持することができる。 According to this configuration, the vertical resolution of continuous images can be maintained by switching the combination of rows to be mixed for each frame.
また、前記混合ステップにおいて、前記混合部は、前記単位画素の行を2行以上同時に選択してもよい。 In the mixing step, the mixing unit may simultaneously select two or more rows of the unit pixels.
また、前記混合ステップにおいて、ADCカウンタは、前記ADCカウンタを2行以上リセットせずに、読み出された前記画素信号を順に加算してもよい。 In the mixing step, the ADC counter may sequentially add the read pixel signals without resetting the ADC counter for two or more rows.
この構成によれば、ADCカウンタをリセットしないで、読み出された画像信号を順にAD変換するので、アナログ信号をデジタル信号に変換するときに、2行以上の単位画素から読み出された画素信号を加算することができる。 According to this configuration, since the read image signals are sequentially AD converted without resetting the ADC counter, the pixel signals read from the unit pixels in two or more rows when the analog signals are converted into digital signals. Can be added.
垂直方向の解像度を劣化させることなく、検出できる光信号のダイナミックレンジが広い固体撮像装置およびその駆動方法を提供することができる。 A solid-state imaging device having a wide dynamic range of a detectable optical signal and a driving method thereof can be provided without degrading the resolution in the vertical direction.
以下、本発明の一態様にかかる実施の形態1について説明する。なお、本発明について、以下の実施の形態および添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明がこれらに限定されることを意図しない。
本発明は、光電変換素子を有する複数の単位画素が行列状に2次元配置されている画素部と、画素信号が読み出される前記複数の単位画素を、前記画素部の行毎に選択する行選択回路と、前記行選択回路により選択される行の複数の単位画素における露光時間を行毎に変更するように、前記行選択回路に制御信号を与える制御部と、前記行選択回路により選択された行の複数の単位画素から読み出された画素信号を列毎に混合する混合部とを備える。 The present invention provides a pixel portion in which a plurality of unit pixels having photoelectric conversion elements are two-dimensionally arranged in a matrix, and a row selection that selects the plurality of unit pixels from which pixel signals are read out for each row of the pixel portion. A circuit, a control unit for supplying a control signal to the row selection circuit so as to change an exposure time for each of the plurality of unit pixels in the row selected by the row selection circuit, and the row selection circuit. A mixing unit that mixes pixel signals read from a plurality of unit pixels in a row for each column.
この構成により、垂直方向の解像度を劣化させることなく、検出できる光信号のダイナミックレンジを広げることができる。 With this configuration, the dynamic range of an optical signal that can be detected can be expanded without degrading the vertical resolution.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における固体撮像装置100の全体構成を示す図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a solid-state imaging device 100 according to
本実施の形態における固体撮像装置100は、撮像部1と、画素(単位画素)2と、行選択回路3と、画素電流源回路4と、クランプ回路5と、サンプルホールド(S/H)回路6と、マルチプレクサ(MUX)7と、列選択回路8と、制御部9と、出力アンプ10とを備える。なお、画素電流源回路4、クランプ回路5、サンプルホールド回路6により、列回路部20が構成される。
The solid-state imaging device 100 according to the present embodiment includes an
撮像部1は、光電変換を行う画素2が行列状に2次元配置された撮像領域である。本実施の形態では、6×4の行列状に2次元配置された24画素の例が示されているが、実際の総画素数は、数百万個以上である。
The
行選択回路3は、横1行毎にSEL、RST、TRANの3本の制御線を備え、撮像部1の各画素2に対して、行単位でリセット(初期化)、リード(読み出し)、およびラインセレクト(行選択)を制御する。
The
画素電流源回路4は、各列に画素電流源回路の基本単位4aを備え、列方向に画素電流源回路の基本単位4aがアレイ状にならび、画素2からの信号を垂直信号線に供給するための電流を生成する。
The pixel
クランプ回路5は、各列にクランプ回路の基本単位5aを備え、列方向にクランプ回路の基本単位5aがアレイ状にならび、垂直信号線19からの行単位の出力から画素2で発生する固定パターンノイズ成分を除去する。
The
S/H回路6は、各列にS/H回路の基本単位6aを備え、列方向にS/H回路の基本単位6aがアレイ状にならび、クランプ回路5からの行単位の出力を保持する。
The S /
MUX7は、S/H回路6の各基本単位6aと出力アンプ10との接続を切り替える。
The
列選択回路8は、列選択信号線30を備え、MUX7の列を順次選択する。
The
出力アンプ10は、MUX7を介してS/H回路6の出力を受け取り、増幅した後にチップ外部に出力する。
The
制御部9は、駆動モードに応じて、行選択回路駆動信号を行選択回路3に供給する。
The
図2は、画素2の詳細を示す回路図である。画素2の回路は、初期化時の電圧を増幅したリセット電圧と読み出し時の電圧を増幅したリード電圧とを垂直信号線19に出力することを特徴とする。画素2は、入射した光を光電変換し電荷を出力するフォトダイオード(PD)11と、PD11により発生した電荷を蓄積して、蓄積した電荷を電圧信号として出力するフローティングディフュージョン(FD)13と、FD13の示す電圧が初期電圧(ここではVDD)になるようにリセットするリセットTr14と、PD11により出力される電荷をFD13に供給する転送Tr12と、FD13の示す電圧に追従して変化する電圧を出力する増幅Tr15と、行選択回路3からラインセレクト信号を受けたときに増幅Tr15の出力を垂直信号線19に接続する選択Tr16とを備えている。リセットTr14及び増幅15のソースは、画素電源17に接続されている。PD11はグランド18に接続されている。
FIG. 2 is a circuit diagram showing details of the
図3は、画素電流源回路4と、クランプ回路5と、S/H回路6とで構成される本発明の実施の形態1における列回路部20の詳細を示す図である。列回路部20の機能は、画素2の回路から出力されるリセット電圧とリード電圧との差分を示す信号を一時保持した後にMUX7に出力することである。
FIG. 3 is a diagram showing details of the
画素電流源回路4は、ゲートに電流源バイアス電位21aが供給され、画素2からの信号読み出し時に増幅Tr15に電流を供給する電流源トランジスタ21を備えている。
The pixel
クランプ回路5は、サンプリングTr22と、画素出力を入力しリセット信号とリード信号の差分、すなわち、画素信号を求めるクランプ容量23(容量値Ccl)と、該クランプ容量23の反対側の端子電位をクランプ電位(VCL)に設定するためのクランプ電圧入力端子25と、クランプTr24とを備えている。
The
S/H回路6は、ゲートにS/H容量入力信号が供給され画素信号を一時保持するS/H容量27(容量値Csh)と、S/H容量27に信号を入力するS/H回路6の基本単位6aとを備えている。
The S /
図4は、MUX7周辺の詳細を示す図である。各S/H容量27と水平共通信号線29の間には、列選択Tr28が配置されている。列選択Tr28は、ゲートに供給される列選択信号(H[n])に応じてS/H容量27に保持された信号を順次、水平共通信号線29に出力する。
FIG. 4 is a diagram showing details around the
水平共通信号線29を介して出力アンプ10に供給された信号は、増幅された後にチップ外部に出力される。
The signal supplied to the
図5は、行選択回路3の詳細を示す図である。行選択回路3は、アドレスデコーダ31と、各行毎に配置された行選択用論理回路32とを備えている。行選択用論理回路32は、フリップフロップ43と、ANDゲート34とを有している。アドレスデコーダ31は、制御部9から供給されるアドレス信号に応じて、対応する行選択用論理回路32のANDゲート34にH信号を出力し、同時にフリップフロップ43のライトイネーブル信号を入力すると、選択された行のフリップフロップ43にはHが設定され、その行は選択状態になる。
FIG. 5 is a diagram showing details of the
次に、選択行設定完了後に画素制御用のパルスSEL_s、TRAN_s、RST_sを入力すると、選択された行の画素2にそれぞれのパルスが供給される。画素2の駆動が完了したら、各フリップフロップ43の値をLにリセットし、行選択を解除する。
Next, when the pixel control pulses SEL_s, TRAN_s, and RST_s are input after the setting of the selected row is completed, the respective pulses are supplied to the
次に、本装置の動作を説明する。図6は、1つの画素2に着目したときの1フレームの画素信号を読み出す動作に関する制御信号のタイミングを示す図である。1フレームの画素信号を読み出す期間は、各画素2のフォトダイオード11に蓄積される電荷をゼロにするリセット期間と、光信号(画素信号)により生成された電荷をフォトダイオード11に蓄積する露光期間と、蓄積された電荷量に相当した電圧信号を読み出す読出し期間とを含む。出力信号は、この露光期間の長さと光信号の大きさの積に比例する。
Next, the operation of this apparatus will be described. FIG. 6 is a diagram illustrating the timing of the control signal related to the operation of reading out the pixel signal of one frame when focusing on one
次に、1フレームの画像信号を読み出す動作を説明する。図7は、画素2と列回路部20に供給される各制御信号のタイミングを示す図である。
Next, an operation for reading out an image signal of one frame will be described. FIG. 7 is a diagram illustrating the timing of each control signal supplied to the
図7に示すように、タイミングt1においては、行選択信号SEL[1]、SEL[2]がHiで1行目と2行目が同時に選択されており、転送Tr12がオフでリセットTr14はオンであり、FD13の電位(以下ではVfd)はFDリセット電位Vfdrst(=VDD)に初期化される。2つの行に同時に行選択信号SEL、リセット信号RSTを入力するには、行選択回路3のアドレスデコーダ31に、2つの行のアドレス信号を順次供給し、行選択用論理回路32のフリップフロップ43に選択状態を順次設定すれば可能になる(TRANについても同様)。
As shown in FIG. 7, at timing t1, the row selection signals SEL [1] and SEL [2] are Hi and the first and second rows are simultaneously selected, the transfer Tr12 is off, and the reset Tr14 is on. And the potential of the FD 13 (hereinafter, Vfd) is initialized to the FD reset potential Vfdrst (= VDD). In order to simultaneously input the row selection signal SEL and the reset signal RST to two rows, the address signals of the two rows are sequentially supplied to the
タイミングt2では、転送Tr12、リセットTr14がオフなので、FD電位のリセット状態は保持される。この時、選択Tr16はオンのため、Vfdrst−Vthがリセット電圧として垂直信号線19に出力される(正確には、Vfdrst−Vth−αであるが、ここではαは省略)。 At timing t2, since the transfer Tr12 and the reset Tr14 are off, the reset state of the FD potential is maintained. At this time, since the selection Tr16 is on, Vfdrst−Vth is output as a reset voltage to the vertical signal line 19 (precisely, Vfdrst−Vth−α, but α is omitted here).
さらに、このリセット電圧Vfdrst−Vthは、クランプ容量23の一方の端子に出力される。一方、クランプ信号(クランプTr24のゲート信号)とS/H容量入力信号(S/H容量入力Tr26のゲート信号)はHiであり、クランプ容量23の他方の端子ならびにS/H容量27の電位はVCLに設定される。
Further, the reset voltage Vfdrst−Vth is output to one terminal of the
タイミングt3では、転送Trがオンとなるため、1行目と2行目のPD11に蓄積された電荷がFD13に転送され、それぞれのFD電位Vfd1、Vfd2はこの信号電荷量に応じた電圧Vfdsig1、Vfdsig2だけ低下し、Vfdrst−Vfdsig1、Vfdrst−Vfdsig2となる。なお、このステップが、本発明における読み出しステップに相当する。 At the timing t3, the transfer Tr is turned on, so that the charges accumulated in the PD11 in the first and second rows are transferred to the FD13, and the FD potentials Vfd1 and Vfd2 are voltages Vfdsig1, Decrease by Vfdsig2, and become Vfdrst-Vfdsig1, Vfdrst-Vfdsig2. This step corresponds to the reading step in the present invention.
タイミングt4では、転送Tr12がオフで選択Tr15がオンであり、Vfdsig1とVfdsig2の平均をVfdsigとしたときに、Vfdrst−Vfdsig−Vth−RI/2が、リード電圧として垂直信号線19に出力される。このリード信号(リード電圧)は、1行目と2行目の同一の列に配置された画素信号を混合(垂直混合)した信号に相当する。この垂直信号線19の電位変化により、クランプ容量23の入力信号もVfdsigだけ変化する。なお、本実施の形態では、行選択回路3および制御部9が本発明における混合部に相当する。また、このステップが、本発明における混合ステップに相当する。
At timing t4, when the transfer Tr12 is off and the selection Tr15 is on, and the average of Vfdsig1 and Vfdsig2 is Vfdsig, Vfdrst−Vfdsig−Vth−RI / 2 is output to the
さらに、クランプTr24はオフなので、クランプ容量23の他方の端子の電位、すなわちS/H容量27の電位は、Vfdsig×Ccl/(Ccl+Csh)だけ変化する。この電位変化は、垂直信号線19におけるリセット電圧とリード電圧の差分に対応した電圧、すなわち、1行目と2行目の平均化された画素信号(垂直画素混合信号)であり、タイミングt5で行選択信号SEL[1]、SEL[2]とS/H入力信号がLoとなり、S/H容量27に蓄積される。
Further, since the clamp Tr24 is off, the potential of the other terminal of the
次に、タイミングt11では、H[1]がHiとなり、1列目の選択Trがオンとなる。これにより1列目のS/H容量27の信号が水平共通信号線29に出力され、出力アンプ10を介して外部に出力される。
Next, at timing t11, H [1] becomes Hi, and the selection Tr in the first column is turned on. As a result, the signal of the S /
タイミングt12では、H[2]がHiとなり、2列目の選択Tr16がオンとなる。これにより、2列目のS/H容量27の信号が水平共通信号線29に出力され、出力アンプ10を介して外部に出力される。同様に、順次列選択信号をHiにすれば、各列のS/H容量27の信号が順次出力される。以上より、垂直2画素混合された画素信号が順次出力される。
At timing t12, H [2] becomes Hi and the selection Tr16 in the second column is turned on. As a result, the signal of the S /
さらに、図7の動作を撮像部1に配置された画素2の行数/2だけ繰り返せば、撮像部1全体の信号が読み出されることになる。このときの出力画像の各画素信号は、撮像部1における2n−1行と2n行の画素2の画素信号を混合した信号である。また、同時に読出し行の組み合わせを変えると、2n行と2n+1行の画素2の画素信号を混合した信号で構成される画像を得ることも可能である。
Furthermore, if the operation in FIG. 7 is repeated by the number of rows of the
一方、画素リセット動作は行単位で実行する。行毎に適切な露光時間を設定することが可能である。 On the other hand, the pixel reset operation is executed in units of rows. It is possible to set an appropriate exposure time for each row.
図8は、連続するフレームにおける各行の露光時間と、出力時に混合する行の組み合わせを示す。図8では1フレーム内で、2行(N=2)毎に露光期間を変更して単位画素の画素信号を混合する例について説明する。2行の各行に配置された単位画素での露光期間をT1、T2とし、露光時間T1、T2をT1<T2とすれば、各フレームでは、短い露光時間T1の信号と長い露光時間T2の信号を混合した信号が得られる。 FIG. 8 shows the combination of the exposure time of each row in consecutive frames and the rows mixed at the time of output. FIG. 8 illustrates an example in which pixel signals of unit pixels are mixed by changing the exposure period every two rows (N = 2) within one frame. Assuming that the exposure periods of the unit pixels arranged in each of the two rows are T1 and T2, and the exposure times T1 and T2 are T1 <T2, in each frame, a short exposure time T1 signal and a long exposure time T2 signal Is obtained as a mixed signal.
図9は、PD11に照射される光量と出力信号との関係を示す。1つの露光時間による信号での上限は、PD飽和、回路飽和、ADCのレンジ(図1の出力アンプの後段に設置)で決まる飽和で制限され、下限は回路ノイズ、ADCの量子化誤差で制限されるため、検出できる光信号のダイナミックレンジを大きく確保することが困難である。
FIG. 9 shows the relationship between the amount of light irradiated on the
これに対し、本実施の形態では、2つの異なる露光時間で検出された光信号の混合を行うため、検出できる光信号のダイナミックレンジを拡大することができる。また、フレーム毎に画素信号を混合する行の組み合わせを切り替えることにより、連続する2枚の画像セットとして垂直方向の解像度を維持することができる。 On the other hand, in this embodiment, since the optical signals detected at two different exposure times are mixed, the dynamic range of the optical signals that can be detected can be expanded. In addition, by switching the combination of rows in which pixel signals are mixed for each frame, the vertical resolution can be maintained as two consecutive image sets.
なお、上記の動作では異なる露光時間の信号を混合したが、露光時間を各行一定にして、1行単位で混合なしで読み出せば、一般的な撮像装置と同様の画像を得ることも可能である。 In the above operation, signals having different exposure times are mixed. However, if the exposure time is fixed for each row and reading is performed without mixing for each row, it is possible to obtain an image similar to that of a general imaging device. is there.
図10は、連続するフレームにおける各行の露光時間と、出力時に混合する行の組み合わせの他の例を示す。図10では1フレーム内で、3行(N=3)毎に露光期間を変更して単位画素の画素信号を混合する例について説明する。3行の各行に配置された単位画素での露光期間をT1、T2、T3とし、露光時間T1、T2、T3をT1<T2<T3とすれば、各フレームでは、短い露光時間T1の信号、中間の露光時間T2の信号、長い露光時間T3の信号を混合した信号が得られ、検出できる光信号のダイナミックレンジが、より拡大する。 FIG. 10 shows another example of combinations of the exposure time of each row in consecutive frames and the rows mixed at the time of output. FIG. 10 illustrates an example in which pixel signals of unit pixels are mixed by changing the exposure period every three rows (N = 3) within one frame. If the exposure periods of the unit pixels arranged in each of the three rows are T1, T2, and T3, and the exposure times T1, T2, and T3 are T1 <T2 <T3, a signal with a short exposure time T1 in each frame, A signal obtained by mixing the signal of the intermediate exposure time T2 and the signal of the long exposure time T3 is obtained, and the dynamic range of the detectable optical signal is further expanded.
また、フレーム毎に混合する行の組み合わせを切り替えることにより、連続画像のセットとして垂直方向の解像度を維持することができる。また、フレーム毎にT1、T2、T3の露光時間を変更してもよい。この構成によれば、図8に示したT1とT2の組み合わせに比べ、さらなるダイナミックレンジの拡大が可能になる。 Further, by switching the combination of rows to be mixed for each frame, the vertical resolution can be maintained as a set of continuous images. Further, the exposure times of T1, T2, and T3 may be changed for each frame. According to this configuration, the dynamic range can be further expanded as compared with the combination of T1 and T2 shown in FIG.
(実施の形態2)
次に、実施の形態2について説明する。本実施の形態における固体撮像装置が実施の形態1に示した固体撮像装置と異なる点は、固体撮像装置が、MUXおよび列選択回路に代えてカラムADCを備える点である。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment will be described. The solid-state imaging device in the present embodiment is different from the solid-state imaging device shown in the first embodiment in that the solid-state imaging device includes a column ADC instead of the MUX and the column selection circuit.
図11は、実施の形態2における固体撮像装置200の全体構成を示す図である。固体撮像装置200は、撮像部101と、行選択回路103と、画素電流源回路104と、クランプ回路105と、サンプルホールド(S/H)回路106と、カラムADC144と、制御部109とを備えている。なお、画素電流源回路104、クランプ回路105、サンプルホールド回路106により、列回路部120が構成される。
FIG. 11 is a diagram illustrating an overall configuration of the solid-
カラムADC144は、各列にカラムADCの基本単位144aを備え、列方向にカラムADCの基本単位144aがアレイ状にならび、S/H回路106に保持された行単位のアナログ画素信号をデジタル信号に変換する。
The
画素102、画素電流源回路104、クランプ回路105、S/H回路106、行選択回路103の構成の詳細は、実施の形態1に示した構成と同様である。
The details of the configuration of the
図12は、カラムADC144の詳細を示す図である。カラムADCは、ランプ波形生成回路148と、コンパレータ147と、カウンタ149と、クロック生成回路150とを備えている。
FIG. 12 is a diagram showing details of the
コンパレータ147は、カラムADC入力端子146から入力されるS/H回路106からの信号がコンパレータ147に入力されると、S/H回路106からの信号(画素信号)とランプ波形との比較を行い、ランプ波形が画素信号よりも低いときに、Hiを出力する。
When the signal from the S /
カウンタ149は、クロックが供給されかつコンパレータ信号がHの期間に、カウントアップを行う。
The
クロック生成回路150は、カウンタ149にクロックを供給する。また、カラムADCの基本単位144aは、1列分のコンパレータ147とカウンタ149とで構成される。
The
次に、カラムADC144のAD変換動作について、図13のタイミングチャートを参照して説明する。
Next, the AD conversion operation of the
まず、タイミングt0で画素信号を入力し、ランプ波形は画素信号の最小値に、カウンタ149は0に設定する。また、ランプ波形は画素信号より低いレベルなので、ラッチ信号はHiである。
First, a pixel signal is input at timing t0, the ramp waveform is set to the minimum value of the pixel signal, and the
次に、タイミングt1で、ランプ波形のレベルは上昇し始める。上昇の傾きは、タイミングt3で画素信号の最大値に達するように設定する。また、カウンタ149へのクロック供給も開始し、カウンタ149もランプ波形の上昇に同期してカウントアップする。
Next, at the timing t1, the level of the ramp waveform starts to rise. The rising slope is set so as to reach the maximum value of the pixel signal at timing t3. Also, the clock supply to the
タイミングt2では、ランプ波形が画素信号より大きくなるので、ラッチ信号がLoレベルに切り替わり、そのときのカウンタ値でカウントアップが停止する。先に述べたように、ランプ波形の上昇とカウントアップは同期しているので、カウンタ149に保持されたデジタル値は、画素信号に対応した値になっている。以上の動作は、各列で並列に行われており、1行分のアナログ画素信号が並列にAD変換され、各列のラッチに保持される。
At timing t2, since the ramp waveform becomes larger than the pixel signal, the latch signal is switched to the Lo level, and the count-up is stopped at the counter value at that time. As described above, since the ramp waveform rise and count-up are synchronized, the digital value held in the
実施の形態1と同様の動作により、固体撮像装置200は、S/H回路106まで読み出された信号をカラムADC144によりアナログデジタル変換する。これにより、検出できる光信号のダイナミックレンジが広く、かつ、垂直解像度が高い画像をデジタル信号として得ることができる。
By the same operation as in the first embodiment, the solid-
この構成によれば、固体撮像装置200は、実施の形態1のアナログ出力に比べ、外部のADCが不要になるとともに、ADCまでの信号線で混入する外乱ノイズを回避することができ、低ノイズな動作に適するという利点がある。
According to this configuration, the solid-
また、ADCの別の構成として、図12に示すカウンタ149としてダウンカウントとアップカウントの機能を有するアップダウンカウンタを設けてもよい。この場合のAD変換動作について、図14のタイミングチャートを参照して説明する。
As another configuration of the ADC, an up / down counter having functions of down counting and up counting may be provided as the
図14に示すように、まず、タイミングt5で基準信号を入力し、ランプ波形は基準信号の最小値に、カウンタ149は0に設定する。また、ランプ波形は基準信号より低いレベルなのでラッチ信号はHiである。
As shown in FIG. 14, first, the reference signal is input at timing t5, the ramp waveform is set to the minimum value of the reference signal, and the
次に、タイミングt6で、ランプ波形のレベルは上昇し始める。また、カウンタ149へのクロック供給も開始しカウンタ149もランプ波形の上昇に同期してカウントダウンする。
Next, at the timing t6, the level of the ramp waveform starts to rise. Also, the clock supply to the
タイミングt7では、ランプ波形が基準信号より大きくなるので、ラッチ信号がLoレベルに切り替わり、そのときのカウンタ値でカウントダウンが停止する。 At timing t7, since the ramp waveform becomes larger than the reference signal, the latch signal is switched to the Lo level, and the countdown stops at the counter value at that time.
次に、タイミングt0で、基準+画素信号を入力する。ランプ波形は、基準+画素信号の最小値にする。ランプ波形は、基準+画素信号より低いレベルなので、ラッチ信号はHiである。ただし、カラムADC144のカウンタ149の0リセットは行わない。
Next, a reference + pixel signal is input at timing t0. The ramp waveform is set to the minimum value of the reference + pixel signal. Since the ramp waveform is at a level lower than the reference + pixel signal, the latch signal is Hi. However, the
次に、タイミングt1で、ランプ波形のレベルは上昇し始める。上昇の傾きは、タイミングt3で基準+画素信号の最大値に達するように設定する。また、カウンタ149へのクロック供給も開始しカウンタ149もランプ波形の上昇に同期してカウントアップを開始する。
Next, at the timing t1, the level of the ramp waveform starts to rise. The rising slope is set so as to reach the maximum value of the reference + pixel signal at timing t3. The clock supply to the
タイミングt2では、ランプ波形が基準+画素信号より大きくなるので、ラッチ信号がLoレベルに切り替わり、そのときのカウンタ値でカウントアップが停止する。前記ダウンカウントの後、リセットなしでアップカウントを行っているので、このときのカウンタ値は前記基準信号と基準+画素信号の差分、すなわち、画素信号に相当するデジタル信号である。 At timing t2, since the ramp waveform becomes larger than the reference + pixel signal, the latch signal is switched to the Lo level, and the count-up stops at the counter value at that time. Since the up-count is performed without reset after the down-count, the counter value at this time is a difference between the reference signal and the reference + pixel signal, that is, a digital signal corresponding to the pixel signal.
以上の動作は、各列で並列に行われており、1行分のアナログ画素信号が並列にAD変換され、各列のラッチに保持される。このAD変換動作では、基準信号と基準+画素信号の差分をデジタル化するため、両方の信号に重畳するコンパレータのオフセット誤差はキャンセルできる利点がある。 The above operation is performed in parallel in each column, and analog pixel signals for one row are AD-converted in parallel and held in latches in each column. In this AD conversion operation, since the difference between the reference signal and the reference + pixel signal is digitized, there is an advantage that the offset error of the comparator superimposed on both signals can be canceled.
(実施の形態3)
次に、実施の形態3について説明する。
(Embodiment 3)
Next,
本実施の形態における固体撮像装置の全体構成は、実施の形態2に示した固体撮像装置200と同じであるが、画素信号の読出し動作が異なる。実施の形態2では画素信号の読出し時に複数行の画素信号の混合を行うが、本実施の形態では、画素信号を1行ずつ読出し、アナログデジタル変換回路(カラムADC)144で複数行の画素信号の混合(加算)を行う。本実施の形態において、カラムADC144は、本発明の混合部に相当する。
The overall configuration of the solid-state imaging device in the present embodiment is the same as that of the solid-
図15は、カラムADC144での混合(加算)動作のタイミングチャートを示す図である。図15では、タイミングt1からt3で行1の画素信号1、タイミングt3からt6で行2の画素信号2のAD変換を行う。このとき、画素信号2のAD変換の前にカウンタのゼロリセットを行わないため、画素信号1と画素信号2の加算値(混合値)に相当するデジタル信号値が得られる。
FIG. 15 is a diagram illustrating a timing chart of the mixing (adding) operation in the
本実施の形態に示す固体撮像装置の動作によると、実施の形態2の画素信号を読み出すときにアナログ動作で混合するのに比べ、高精度に混合が実行できるという利点がある。 According to the operation of the solid-state imaging device shown in the present embodiment, there is an advantage that the mixing can be executed with high accuracy as compared with the case where the pixel signal of the second embodiment is read out by analog operation.
(実施の形態4)
次に、実施の形態4について説明する。
(Embodiment 4)
Next, a fourth embodiment will be described.
本実施の形態にかかる固体撮像装置が、実施の形態3にかかる固体撮像装置と異なる点は、固体撮像装置が、さらに、ラインメモリと信号処理回路とを備えている点である。 The solid-state imaging device according to the present embodiment is different from the solid-state imaging device according to the third embodiment in that the solid-state imaging device further includes a line memory and a signal processing circuit.
図16は、実施の形態4における固体撮像装置300の全体構成を示す図である。固体撮像装置300は、撮像部201と、画素202と、行選択回路203と、画素電流源回路204と、クランプ回路205と、サンプルホールド(S/H)回路206と、カラムADC244と、制御部209と、ラインメモリ251と、信号処理回路252とを備えている。なお、画素電流源回路204、クランプ回路205、サンプルホールド回路206により、列回路部220が構成される。
FIG. 16 is a diagram illustrating an overall configuration of the solid-
本実施の形態では、画素からの信号読出し、AD変換は1行単位で行い、AD変換後にカラムADC244から出力された画素信号をラインメモリ251に保持する。続けて、異なる露光時間設定の行の画素信号の読出し、AD変換を行い、AD変換後にカラムADC244から出力された画素信号とラインメモリに保持されている信号との混合もしくは加算を信号処理回路252で行う。本実施の形態において、カラムADC244、ラインメモリ251、信号処理回路252は、本発明の混合部に相当する。
In this embodiment, signal reading from the pixels and AD conversion are performed in units of one row, and the pixel signal output from the
本実施の形態では、画素信号の混合を信号処理回路252で行うため、柔軟な混合が実行できる利点がある。例えば、画像の領域によって画素混合をするかしないかのオン/オフを切り替えることもできる。これにより、検出できる光信号に対して大きなダイナミックレンジが必要でない領域に対しては画素混合をオフにし、大きなダイナミックレンジが必要である領域に対しては画素混合をオンにすることにより、全画素信号レンジに対し、同じ階調の信号を得ることができる。
In the present embodiment, since the pixel signal is mixed by the
(実施の形態5)
次に、実施の形態5について説明する。
(Embodiment 5)
Next, a fifth embodiment will be described.
本実施の形態における固体撮像装置の全体構成は、実施の形態1から4にかかる固体撮像装置の構成のいずれかであるが、露光期間を決める画素のリセット動作と画素信号の読出し動作とが異なる。 The entire configuration of the solid-state imaging device according to the present embodiment is one of the configurations of the solid-state imaging device according to the first to fourth embodiments, but the pixel reset operation for determining the exposure period and the pixel signal readout operation are different. .
図17は、連続するフレームにおける各行の露光時間と、出力時に混合する行の組み合わせを示す。図17において、露光時間T1、T2、T3はT1<T2<T3であり、異なる3つの露光時間T1、T2、T3の画素信号を垂直混合するが、混合する組み合わせをフレーム毎に切り替える。一方、露光時間の設定組み合わせはフレーム毎での切り替えは行わない。 FIG. 17 shows the combination of the exposure time of each row in consecutive frames and the rows mixed at the time of output. In FIG. 17, exposure times T1, T2, and T3 are T1 <T2 <T3, and pixel signals of three different exposure times T1, T2, and T3 are vertically mixed, but the combination to be mixed is switched for each frame. On the other hand, the exposure time setting combination is not switched for each frame.
この構成によれば、異なる露光時間の信号を混合するので、検出できる光信号のダイナミックレンジが広い画像を、簡易な回路構成で得られる。また、フレーム毎に混合組み合わせを変えることにより、連続画像のセットとして混合による垂直方向の解像度の低下を抑制することができる。本実施の形態にかかる固体撮像装置により読み出した画像は、実施の形態1から4にかかる固体撮像装置により読み出した画像に比べると解像度は少しおちるが、露光時間の制御が容易で制御回路の規模を低減できる利点がある。 According to this configuration, since signals having different exposure times are mixed, an image having a wide dynamic range of a detectable optical signal can be obtained with a simple circuit configuration. Further, by changing the mixing combination for each frame, it is possible to suppress a decrease in resolution in the vertical direction due to mixing as a set of continuous images. The image read by the solid-state imaging device according to the present embodiment has a slightly lower resolution than the image read by the solid-state imaging device according to the first to fourth embodiments, but the exposure time can be easily controlled and the scale of the control circuit There is an advantage that can be reduced.
なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形を行ってもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various improvements and modifications may be made without departing from the gist of the present invention.
例えば、本発明にかかる固体撮像装置の構成は、上記した実施の形態に限らず、他の構成であってもよい。例えば、画素電流源回路、クランプ回路、サンプルホールド回路、マルチプレクサ、列選択回路、カラムADC、デジタル混合器の構成やこれらの組み合わせを変更した構成であってもよい。 For example, the configuration of the solid-state imaging device according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and may be other configurations. For example, the pixel current source circuit, the clamp circuit, the sample hold circuit, the multiplexer, the column selection circuit, the column ADC, the configuration of the digital mixer, or a combination thereof may be used.
また、読み出した画素信号を混合する行数は、上記した2行に限らず、3行またはそれ以上であってもよい。また、画素信号を混合する複数の行は、連続する行に限らず、どのような組み合わせであってもよい。 Further, the number of rows in which the read pixel signals are mixed is not limited to the two rows described above, and may be three rows or more. In addition, the plurality of rows in which the pixel signals are mixed is not limited to a continuous row, and may be any combination.
また、本発明にかかる固体撮像装置には、上記実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明にかかる固体撮像装置を備えた各種デバイスなども本発明に含まれる。例えば、本発明にかかる固体撮像装置を備えたムービーカメラも本発明に含まれる。 In addition, the solid-state imaging device according to the present invention includes other embodiments that are realized by combining arbitrary components in the above-described embodiments and a range that does not depart from the gist of the present invention. Modifications obtained by various modifications conceived by a trader and various devices including the solid-state imaging device according to the present invention are also included in the present invention. For example, a movie camera including the solid-state imaging device according to the present invention is also included in the present invention.
本発明にかかる固体撮像装置は、デジタル一眼レフカメラ、高級コンパクトカメラなど高画質、高機能が求められる撮像機器向けイメージセンサとして有用である。 The solid-state imaging device according to the present invention is useful as an image sensor for an imaging device that requires high image quality and high functionality such as a digital single-lens reflex camera and a high-end compact camera.
1、101、201 撮像部(画素部)
2、102、202 画素(単位画素)
3、103、203 行選択回路(行選択回路、混合部)
4、104、204 画素電流源回路
5、105、205 クランプ回路
6、106、206 S/H回路
7 マルチプレクサ
8 列選択回路
9、109、209 制御部
10 出力アンプ
11 フォトダイオード(PD)
12 転送トランジスタ
13 フローティングディフュージョン(FD)
14 リセットトランジスタ
15 増幅トランジスタ
16 選択トランジスタ
17 画素電源
18 グランド
19 垂直信号線
20、120、220 列回路部
21 電流源トランジスタ
22 サンプリングトランジスタ
23 クランプ容量
24 クランプトランジスタ
25 クランプ電圧入力端子
26 S/H容量入力トランジスタ
27 S/H容量
28 列選択トランジスタ
29 水平共通信号線
30 列選択信号線
31 アドレスデコーダ
32 行選択用論理回路
34 ANDゲート
43 フリップフロップ
144、244 カラムADC(混合部)
146 カラムADC入力端子
147 コンパレータ
148 ランプ波形生成回路
149 カウンタ
150 クロック生成回路
251 ラインメモリ(混合部)
252 信号処理回路(混合部)
1, 101, 201 Imaging unit (pixel unit)
2, 102, 202 pixels (unit pixel)
3, 103, 203 Row selection circuit (row selection circuit, mixing unit)
4, 104, 204 Pixel
12
14
146 Column
252 Signal processing circuit (mixing unit)
Claims (12)
画素信号が読み出される前記複数の単位画素を、前記画素部の行毎に選択する行選択回路と、
前記行選択回路により選択される行の複数の単位画素における露光時間を行毎に変更するように、前記行選択回路に制御信号を与える制御部と、
前記行選択回路により選択された行の複数の単位画素から読み出された画素信号を列毎に混合する混合部とを備える
固体撮像装置。 A pixel unit in which a plurality of unit pixels each having a photoelectric conversion element are two-dimensionally arranged in a matrix;
A row selection circuit that selects the plurality of unit pixels from which pixel signals are read out for each row of the pixel unit;
A control unit that provides a control signal to the row selection circuit so as to change the exposure time in a plurality of unit pixels of the row selected by the row selection circuit for each row;
A solid-state imaging device comprising: a mixing unit that mixes pixel signals read from a plurality of unit pixels in a row selected by the row selection circuit for each column.
請求項1に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the control unit gives a control signal to the row selection circuit so as to change the exposure time for each frame.
前記制御部は、前記行選択回路に、前記画素部の行を2行以上同時に選択させる
請求項1に記載の固体撮像装置。 The mixing unit is the row selection circuit;
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the control unit causes the row selection circuit to simultaneously select two or more rows of the pixel unit.
請求項1に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the mixing unit is an ADC counter.
請求項4に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 4, wherein the ADC counter is configured by an up / down counter.
請求項1に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the mixing unit includes a line memory and a signal processing circuit.
光電変換素子を有し、行列状に2次元配置されている複数の単位画素に対して、行毎に露光時間を変更した制御信号を与えて、行毎に前記複数の単位画素から画像信号を読み出す読み出しステップと、
同列に配置された前記複数の単位画素から、異なる露光時間により読み出された画素信号を、混合部により混合する混合ステップとを含む
固体撮像装置の駆動方法。 A method for driving a solid-state imaging device,
A control signal in which an exposure time is changed for each row is given to a plurality of unit pixels that have a photoelectric conversion element and are two-dimensionally arranged in a matrix, and image signals are output from the plurality of unit pixels for each row. A read step to read;
A solid-state imaging device driving method comprising: a mixing step of mixing pixel signals read out from the plurality of unit pixels arranged in the same row at different exposure times by a mixing unit.
請求項7に記載の固体撮像装置の駆動方法。 The solid-state imaging device driving method according to claim 7, wherein, in the reading step, the exposure time is changed every N (N is a natural number of 2 or more) rows within one frame.
請求項8に記載の固体撮像装置の駆動方法。 The solid-state imaging device driving method according to claim 8, wherein in the reading step, the exposure time is changed for each frame.
請求項7に記載の固体撮像装置の駆動方法。 8. The method of driving a solid-state imaging device according to claim 7, wherein in the mixing step, the mixing unit changes a combination of rows in which the plurality of pixels that mix the pixel signals are arranged for each frame.
請求項7に記載の固体撮像装置の駆動方法。 The method of driving a solid-state imaging device according to claim 7, wherein in the mixing step, the mixing unit simultaneously selects two or more rows of the unit pixels.
請求項7に記載の固体撮像装置の駆動方法。 The solid-state imaging device driving method according to claim 7, wherein in the mixing step, the ADC counter sequentially adds the read pixel signals without resetting the ADC counter by two or more rows.
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