JP2015192219A - Imaging apparatus - 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.
従来から、ダイナミックレンジを拡大するために、1フレーム期間中に異なる2回の露光を行う方式が報告されている。例えば、画素内に受光面積の異なる2つのフォトダイオードを持ち、2種類の感度の異なる画素出力を得る方法がある(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, in order to expand the dynamic range, a method of performing two different exposures during one frame period has been reported. For example, there is a method in which two photodiodes having different light receiving areas are provided in a pixel and two types of pixel outputs having different sensitivities are obtained (for example, see Patent Document 1).
また、露光時間の異なる複数の画素出力を得る方法などがある(例えば、非特許文献1参照)。 In addition, there is a method of obtaining a plurality of pixel outputs having different exposure times (see Non-Patent Document 1, for example).
しかしながら、特許文献1では、サイズの異なる複数の画素を作製する必要があり、構造や製造プロセスが複雑化するという問題がある。 However, in Patent Document 1, it is necessary to manufacture a plurality of pixels having different sizes, and there is a problem that the structure and the manufacturing process are complicated.
また、非特許文献1では、読み出し速度を2倍以上に高速化する必要がある。高速化を図ると消費電力が増加し、消費電力が増加すると発熱の増大によってノイズが増加するという問題が生じる。 In Non-Patent Document 1, it is necessary to increase the reading speed to twice or more. When the speed is increased, power consumption increases, and when power consumption increases, there is a problem that noise increases due to increased heat generation.
そこで、本発明は、構造や製造プロセスを複雑化することなく、また、読み出し速度の高速化を抑えつつ、2つの異なる露光時間で撮影を行うことのできる撮像装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an imaging apparatus capable of performing imaging with two different exposure times without complicating the structure and the manufacturing process and suppressing an increase in reading speed. .
本発明の一局面の撮像装置は、画素に配設される光電変換部と、前記光電変換部の出力端子に接続される転送ゲートと、前記転送ゲートの出力側に接続され、前記転送ゲートを介して転送される前記光電変換部の出力信号を蓄積するフローティングディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンをリセットするリセットスイッチと、フローティングディフュージョンに接続され、信号を読み出す選択スイッチと、前記転送ゲート、前記リセットスイッチ、及び前記選択スイッチを駆動する駆動部とを含み、前記駆動部は、第1露光期間における前記光電変換部での光電変換によって得られる第1映像信号を前記リセットスイッチ及び前記選択スイッチをオフにした状態で前記第1露光期間の最後に前記転送ゲートをオンにすることにより、前記光電変換部から前記フローティングディフュージョンに転送し、前記第1露光期間の終了後に、前記選択スイッチをオンにして前記フローティングディフュージョンから前記第1映像信号を読み出し、前記選択スイッチがオンの状態で、前記第1露光期間に続く第2露光期間の最後に前記転送ゲートをオンにして、前記第2露光期間における前記光電変換部での光電変換によって得られる第2映像信号を読み出し、前記第2映像信号を読み出した後に、前記選択スイッチがオンの状態で前記リセットスイッチをオンにして前記フローティングディフュージョンをリセットする。 An imaging device according to one aspect of the present invention includes a photoelectric conversion unit disposed in a pixel, a transfer gate connected to an output terminal of the photoelectric conversion unit, an output side of the transfer gate, and the transfer gate A floating diffusion that accumulates the output signal of the photoelectric conversion unit transferred via a reset switch that resets the floating diffusion, a selection switch that is connected to the floating diffusion and reads a signal, the transfer gate, the reset switch, And a drive unit that drives the selection switch, wherein the drive unit turns off the reset switch and the selection switch for a first video signal obtained by photoelectric conversion in the photoelectric conversion unit in a first exposure period. In the state, the transfer gate is turned on at the end of the first exposure period. To transfer from the photoelectric conversion unit to the floating diffusion, and after the first exposure period, the selection switch is turned on to read the first video signal from the floating diffusion, and the selection switch is turned on. The transfer gate is turned on at the end of the second exposure period following the first exposure period, and a second video signal obtained by photoelectric conversion in the photoelectric conversion unit in the second exposure period is read, and the second After the video signal is read, the floating diffusion is reset by turning on the reset switch while the selection switch is on.
本発明によれば、構造や製造プロセスを複雑化することなく、また、読み出し速度の高速化を抑えつつ、2つの異なる露光時間で撮影を行うことのできる撮像装置を提供できるという特有の効果が得られる。 According to the present invention, it is possible to provide an imaging device capable of providing an imaging device capable of performing imaging with two different exposure times without complicating the structure and the manufacturing process and suppressing an increase in reading speed. can get.
以下、本発明の撮像装置を適用した実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments to which the imaging apparatus of the present invention is applied will be described.
<実施の形態>
図1は、実施の形態の撮像装置に含まれるピクセル部を示す図である。
<Embodiment>
FIG. 1 is a diagram illustrating a pixel unit included in the imaging apparatus according to the embodiment.
実施の形態の撮像装置に含まれるピクセル部100は、フォトダイオードPD、転送ゲートTX、フローティングディフュージョンFD、リセット用スイッチ素子RT、出力段110、及び出力端子100Aを含む。
The
フォトダイオードPDは、撮像装置に含まれる複数の画素のそれぞれに一つずつ配設されている。 One photodiode PD is provided for each of a plurality of pixels included in the imaging apparatus.
フォトダイオードPDは、光電変換部の一例である。ここでは、光電変換部の一例としてフォトダイオードPDを示すが、光電変換部はフォトダイオードに限らず、入射光を光電変換して、撮像信号を出力できる素子であればよい。 The photodiode PD is an example of a photoelectric conversion unit. Here, a photodiode PD is shown as an example of the photoelectric conversion unit. However, the photoelectric conversion unit is not limited to a photodiode, and may be any element that can photoelectrically convert incident light and output an imaging signal.
フォトダイオードPDは、アノードが接地されており、出力端子となるカソードが転送ゲートTXに接続されている。 The photodiode PD has an anode grounded, and a cathode serving as an output terminal connected to the transfer gate TX.
なお、図1には、1つのフォトダイオードPDを示すが、実際には多数(N個)の画素があるため、ピクセル部100は、N個のフォトダイオードPDを含む。ここで、Nは2以上の任意の整数である。
FIG. 1 shows one photodiode PD, but since there are actually a large number (N) of pixels, the
転送ゲートTXは、例えば、FET(Field Effect Transistor)で構成される。ここでは、一例として、転送ゲートTXがn型のFETである形態について説明する。しかしながら、転送ゲートTXは、n型のFETに限らず、他の形式のトランジスタであってもよい。 The transfer gate TX is composed of, for example, an FET (Field Effect Transistor). Here, as an example, a mode in which the transfer gate TX is an n-type FET will be described. However, the transfer gate TX is not limited to an n-type FET, and may be another type of transistor.
転送ゲートTXは、ソースがフォトダイオードPDの出力端子(カソード)に接続され、ドレインがフローティングディフュージョンFDに接続される。転送ゲートTXのゲートは実施の形態1のピクセル部100を含む撮像装置の駆動部に接続されており、駆動部によって駆動される。
The transfer gate TX has a source connected to the output terminal (cathode) of the photodiode PD and a drain connected to the floating diffusion FD. The gate of the transfer gate TX is connected to the drive unit of the imaging apparatus including the
なお、転送ゲートTXの数は、フォトダイオードPDの数と等しい。すなわち、スイッチ素子(TX)は、フォトダイオード(PD)の出力側に、1つずつ接続される。 Note that the number of transfer gates TX is equal to the number of photodiodes PD. That is, the switch elements (TX) are connected one by one to the output side of the photodiode (PD).
フローティングディフュージョンFDは、転送ゲートTXのドレインに接続されている。フローティングディフュージョンFDは、例えば、pn接合ダイオードのn型領域であり、電気的に浮遊している。 The floating diffusion FD is connected to the drain of the transfer gate TX. The floating diffusion FD is, for example, an n-type region of a pn junction diode and is electrically floating.
フローティングディフュージョンFDは、コンデンサのような機能を有しており、転送ゲートTXを介して接続されるフォトダイオードPDから出力される撮像信号(負の電荷)を蓄積する。 The floating diffusion FD has a function like a capacitor, and accumulates an imaging signal (negative charge) output from the photodiode PD connected via the transfer gate TX.
フローティングディフュージョンFDには所定の飽和容量があるため、所定の飽和容量以上の電荷を蓄積することはできない。フローティングディフュージョンFDは、撮像装置の用途等に応じて、所定の飽和容量を有するように構成されている。この飽和容量は、フローティングディフュージョンFDの飽和レベルに対応する。飽和レベルとは、それ以上撮像信号による電荷を蓄積できないレベルである。 Since the floating diffusion FD has a predetermined saturation capacity, it is not possible to accumulate electric charges exceeding the predetermined saturation capacity. The floating diffusion FD is configured to have a predetermined saturation capacity depending on the application of the imaging device and the like. This saturation capacity corresponds to the saturation level of the floating diffusion FD. The saturation level is a level at which no more charge can be accumulated by the imaging signal.
リセット用スイッチ素子RTは、例えば、n型のFETであり、ソースがフローティングディフュージョンFDに接続され、ドレインが電源(VDD)に接続される。リセット用スイッチ素子RTのゲートは実施の形態1のピクセル部100を含む撮像装置の駆動部に接続されており、駆動部によって駆動される。リセット用スイッチ素子RTがオンにされると、フローティングディフュージョンは電源(VDD)に接続され、リセットされる。なお、リセット用スイッチ素子RTは、n型のFETに限らず、他の形式のトランジスタであってもよい。
The reset switch element RT is, for example, an n-type FET, the source is connected to the floating diffusion FD, and the drain is connected to the power supply (VDD). The gate of the reset switch element RT is connected to the drive unit of the imaging apparatus including the
出力段110は、フローティングディフュージョンFDに蓄積される電荷を信号読み出し回路に取り出すための回路である。実施の形態1では、出力段110は、例えば、トランジスタ110A、選択スイッチSL、及びトランジスタ110Bで構成される。
The
トランジスタ110Aは、例えば、n型のFETであり、ゲートがフローティングディフュージョンFDに接続され、ドレインが電源(VDD)に接続され、ソースが選択スイッチSLのドレインに接続されている。トランジスタ110Aは、フローティングディフュージョンFDからゲートに入力される信号レベルを増幅してソースから選択スイッチSLに出力する。トランジスタ110Aは、トランジスタ110Bと所謂ソースフォロワ回路を構築する。
The
選択スイッチSLは、例えば、n型のFETであり、ドレインがトランジスタ110Aの出力端子に接続され、ソースが出力端子100Aに接続される。選択スイッチSLのゲートは実施の形態1のピクセル部100を含む撮像装置の駆動部に接続されており、駆動部によって駆動される。トランジスタ110Bは、例えば、n型のFETであり、ゲートにバイアス電圧Biasが入力され、ドレインが選択スイッチSLのソースに接続され、ソースが接地される。
The selection switch SL is, for example, an n-type FET, the drain is connected to the output terminal of the
出力端子100Aは、ピクセル部100の出力端子である。出力端子100Aは、選択スイッチSLのソースとトランジスタ110Bのドレインとの間に接続される。ピクセル部100は、フローティングディフュージョンFDに蓄積した撮像信号を出力段110を介して、(PIXEL OUTとして)出力端子100Aから出力する。出力端子100Aは、実施の形態1のピクセル部100を含む撮像装置の信号読み出し部の入力端子に接続される。
The
図2は、実施の形態1の撮像装置500を示す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating the
撮像装置500は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)撮像素子200を含む。CMOS撮像素子200は、画素部210、垂直走査回路220、列並列ADC(Analog to Digital Convertor)230、水平読出回路240を含む。また、撮像装置500は、さらに、駆動部250及び信号処理部260を含む。信号処理部260は、フレームメモリ270及び演算部280を有する。
The
画素部210は、Nロウ(行)×Mカラム(列)の画素が配列される。なお、N、Mは任意の整数である。各画素には図1に示すピクセル部100が1つずつ配設される。垂直走査回路220は、画素の垂直走査を行う回路である。
In the
列並列ADC230の入力端子には、図1に示す出力端子100Aが接続される。列並列ADC230は、画素部210の各カラムから出力される信号をデジタル変換して出力する。水平読出回路240は、列並列ADC230の出力側に接続されており、列並列ADC230でデジタル変換された信号を読み出す。
The
駆動部250は、画素部210に含まれるN×M個のピクセル部100に含まれる転送ゲートTX、リセット用スイッチ素子RT、及び選択スイッチSLのゲートに制御信号を入力して駆動制御を行う。駆動部250は、CPU(Central Processing Unit)、マイコン、又はFPGA(Field Programmable Gate Array)のようなコンピュータで構成される。
The
信号処理部260は、CMOS撮像素子200の信号読出線200Aを介して出力される信号が入力され、信号処理を行う。
The
フレームメモリ270は、駆動部250によって指定されるアドレスに対応する画素の各フレームのリセット時の映像信号を格納する。フレームメモリ270は、画素の各フレームのリセット時の映像信号を格納できればよく、例えば、揮発性又は不揮発性のメモリを用いればよい。フレームメモリ270は、少なくとも1フレーム分の各画素のリセット時の映像信号を格納できればよく、複数フレーム分の各画素のリセット時の映像信号を格納できるように構成されていてもよい。
The
演算部280は、信号処理部260から出力される第1映像信号及び第2映像信号と、フレームメモリ270に格納されるリセット時の映像信号とに基づき、第1露光データ及び第2露光データを出力する。演算部280は、CPU(Central Processing Unit)、マイコンのようなコンピュータ、シーケンサ、又はFPGA(Field Programmable Gate Array)で構成される。
The
図3は、実施の形態の撮像装置500の駆動シーケンスを示す図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a driving sequence of the
図3には、N個のロウ(row1, row2, ・・・, row N)のピクセル部100の転送ゲートTX、リセット用スイッチ素子RT、及び選択スイッチSLのゲートに制御信号を入力した場合の動作を第1フレーム1Vと第2フレーム2Vとの2つのフレーム期間について示す。
FIG. 3 shows a case where a control signal is input to the transfer gate TX, the reset switch element RT, and the selection switch SL of the
ここで、各フレーム期間は、N個の水平走査期間(1H〜NH)を含む。また、各画素のフォトダイオードPDで2つの異なる露光時間の露光データを得るために、2つの互いに長さの異なる露光期間EX_AとEX_Bとで露光を行う。 Here, each frame period includes N horizontal scanning periods (1H to NH). Further, in order to obtain exposure data of two different exposure times with the photodiode PD of each pixel, exposure is performed in two exposure periods EX_A and EX_B having different lengths.
露光期間EX_Aは第1露光期間の一例であり、露光期間EX_Bは第2露光期間の一例であり、期間の長さは互いに異なる。ここでは、露光期間EX_Aが露光期間EX_Bよりも短い場合について説明する。 The exposure period EX_A is an example of a first exposure period, the exposure period EX_B is an example of a second exposure period, and the lengths of the periods are different from each other. Here, a case where the exposure period EX_A is shorter than the exposure period EX_B will be described.
露光期間EX_AとEX_Bでは第1映像信号と第2映像信号がそれぞれ得られる。第1映像信号と第2映像信号は、列並列ADC230でデジタル変換され、水平読出回路240を経て、信号処理部260の演算部280で演算が行われる。
In the exposure periods EX_A and EX_B, a first video signal and a second video signal are obtained, respectively. The first video signal and the second video signal are digitally converted by the
演算部280では、リセット時の映像信号と、第1映像信号及び第2映像信号とに基づき、第1露光データ及び第2露光データを出力する。第1露光データは露光期間EX_Aでの露光によって発生した電荷量に対応する露光データであり、第2露光データは露光期間EX_Bでの露光によって発生した電荷量に対応する露光データである。
The
露光期間EX_Bは、露光期間EX_Aよりも長いため、第1露光データと第2露光データとは露光時間が異なる。 Since the exposure period EX_B is longer than the exposure period EX_A, the exposure time differs between the first exposure data and the second exposure data.
なお、露光期間EX_AとEX_Bは、途切れることなく交互に存在し、常にどちらかの露光期間によってフォトダイオードPDは光電変換を行う。 Note that the exposure periods EX_A and EX_B exist alternately without interruption, and the photodiode PD always performs photoelectric conversion in either of the exposure periods.
また、図3では、各フレーム期間においてN個のロウ(row1, row2, , row N)のピクセル部100のリセット用スイッチ素子RTのゲートに入力される制御信号をRT_row1, RT_row2,・・・,RT_rowNと記す。
In FIG. 3, control signals input to the gates of the reset switch elements RT of the
また、各フレーム期間においてN個のロウ(row1, row2, , row N)のピクセル部100の転送ゲートTXのゲートに入力される制御信号をTX_row1, TX_row2,・・・,TX_rowNと記す。また、各フレーム期間においてN個のロウ(row1, row2, , row N)のピクセル部100の選択スイッチSLのゲートに入力される制御信号をSL_row1, SL_row2,・・・,SL_rowNと記す。
Further, the control signals input to the gates of the transfer gates TX of the N row (row1, row2,, row N)
ここで、N個のロウ(row1, row2, , row N)については、N個の水平走査期間(1H〜NH)において同様の駆動が行われるため、1番目のロウrow1について説明を行う。 Here, since N rows (row1, row2,, row N) are driven in the N horizontal scanning periods (1H to NH), the first row row1 will be described.
第1フレーム1Vの水平走査期間1Hにおいて、選択スイッチSLのゲートに入力される制御信号SL_row1がHレベルに立ち上がることにより、ロウ1の画素が選択されると、露光期間EX_Bの最後に制御信号TX_row1がHレベルにごく短期間(所定の短期間)だけパルス状に立ち上がる。これにより、転送ゲートTXがオンになり、第1フレーム1Vよりも1つ前のフレームの露光期間EX_Bで得られる第2映像信号がフローティングディフュージョンFDを介して出力端子100Aから出力される。
In the
制御信号TX_row1のパルスがLレベルに立ち下がると、露光期間EX_Aが始まる。 When the pulse of the control signal TX_row1 falls to the L level, the exposure period EX_A starts.
露光期間EX_Aでは、選択スイッチSLのゲートに入力される制御信号SL_row1がHレベルに立ち上がっている間に、制御信号RT_row1がHレベルにごく短期間(所定の短期間)だけパルス状に立ち上げられ、フローティングディフュージョンFDが電源電位VDDにリセットされる。 In the exposure period EX_A, while the control signal SL_row1 input to the gate of the selection switch SL is rising to the H level, the control signal RT_row1 is raised in a pulse shape for a very short period (a predetermined short period). The floating diffusion FD is reset to the power supply potential VDD.
そして、選択スイッチSLのゲートに入力される制御信号SL_row1がLレベルに立ち下がった後に、露光期間EX_Aの最後に制御信号TX_row1がHレベルにごく短期間(所定の短期間)だけパルス状に立ち上がる。これにより、転送ゲートTXがオンになり、第1フレーム1Vの露光期間EX_Aで得られる第1映像信号がフローティングディフュージョンFDに転送される。このように、第1映像信号は、選択スイッチSLのゲートに入力される制御信号SL_row1がLレベルとなる画素信号読出期間以外のときにフローティングディフュージョンFDに転送される。 Then, after the control signal SL_row1 input to the gate of the selection switch SL falls to the L level, the control signal TX_row1 rises in a pulse form for a very short period (a predetermined short period) at the end of the exposure period EX_A. . Accordingly, the transfer gate TX is turned on, and the first video signal obtained in the exposure period EX_A of the first frame 1V is transferred to the floating diffusion FD. Thus, the first video signal is transferred to the floating diffusion FD when the control signal SL_row1 input to the gate of the selection switch SL is outside the pixel signal readout period in which the control signal SL_row1 is at the L level.
そして、露光期間EX_Aに続く露光期間EX_Bが終了する少し前に、第2フレーム2Vの期間に突入し、選択スイッチSLのゲートに入力される制御信号SL_row1がHレベルに立ち上がることにより、ロウ1の画素が選択されると、第1フレーム1Vの露光期間EX_Aで得られ、フローティングディフュージョンFDに転送されていた第1映像信号が出力端子100Aから出力される。
Then, shortly before the end of the exposure period EX_B following the exposure period EX_A, the control signal SL_row1 that enters the period of the
また、その後、露光期間EX_Bの最後に制御信号TX_row1がHレベルにごく短期間(所定の短期間)だけパルス状に立ち上がる。これにより、転送ゲートTXがオンになり、第1フレーム1Vの露光期間EX_Bで得られる第2映像信号がフローティングディフュージョンFDを介して出力端子100Aから出力される。
Thereafter, at the end of the exposure period EX_B, the control signal TX_row1 rises in a pulse shape for a very short period (predetermined short period) to the H level. As a result, the transfer gate TX is turned on, and the second video signal obtained in the exposure period EX_B of the first frame 1V is output from the
そして、再び露光期間EX_Aに入ると、選択スイッチSLのゲートに入力される制御信号SL_row1がHレベルに立ち上がっている間に、制御信号RT_row1がHレベルにごく短期間(所定の短期間)だけパルス状に立ち上げられ、フローティングディフュージョンFDが電源電位VDDにリセットされる。 When the exposure period EX_A is entered again, the control signal RT_row1 is pulsed for a very short period (predetermined short period) while the control signal SL_row1 input to the gate of the selection switch SL rises to the H level. The floating diffusion FD is reset to the power supply potential VDD.
以上のようにして、第1フレーム1Vの露光期間EX_Aで得られる第1映像信号と、露光期間EX_Bで得られる第2映像信号が出力端子100Aから出力される。
As described above, the first video signal obtained in the exposure period EX_A of the first frame 1V and the second video signal obtained in the exposure period EX_B are output from the
図4は、図3における第1フレーム1Vの水平走査期間1Hと、第2フレーム2Vの水平走査期間1Hとにおける制御信号RT_row1、TX_row1、SL_row1の信号レベル、フローティングディフュージョンFDの電位、及び出力端子100Aから出力される映像信号(PIXEL OUT)の信号レベルを示す図である。
4 shows the signal levels of the control signals RT_row1, TX_row1, SL_row1, the potential of the floating diffusion FD, and the
図4(A)に示すように、第1フレーム1Vの水平走査期間1Hが始まる前には、映像信号(PIXEL OUT)はリセットされている。また、このとき、フローティングディフュージョンFDには、第1フレーム1Vの1つ前のフレーム期間の露光期間EX_Aで得られる第1映像信号が転送されている。
As shown in FIG. 4A, the video signal (PIXEL OUT) is reset before the
そして、選択スイッチSLのゲートに入力される制御信号SL_row1がHレベルに立ち上がることにより、ロウ1の画素が選択されると、第1フレーム1Vの1つ前のフレーム期間の露光期間EX_Aで得られる第1映像信号により、映像信号(PIXEL OUT)のレベルがS11Aに低下する。 When the control signal SL_row1 input to the gate of the selection switch SL rises to the H level and the pixel of row 1 is selected, the exposure period EX_A of the frame period immediately before the first frame 1V is obtained. Due to the first video signal, the level of the video signal (PIXEL OUT) is lowered to S11A.
レベルS11Aは、第1フレーム1Vの1つ前のフレーム期間の露光期間EX_Aで得られる第1映像信号の信号レベルを表す。 Level S11A represents the signal level of the first video signal obtained in the exposure period EX_A of the frame period immediately before the first frame 1V.
また、転送ゲートTXがオンになると、第1フレーム1Vよりも1つ前のフレームの露光期間EX_Bで得られる第2映像信号がフローティングディフュージョンFDを介して出力端子100Aから出力されるため、フローティングディフュージョンFDの電位と映像信号(PIXEL OUT)のレベルはともに低下する。このとき、映像信号(PIXEL OUT)のレベルはS11Bまで低下する。
When the transfer gate TX is turned on, the second video signal obtained in the exposure period EX_B of the frame immediately before the first frame 1V is output from the
レベルS11Bは、第1フレーム1Vよりも1つ前のフレームの露光期間EX_Bで得られる第2映像信号の信号レベルを表す。 Level S11B represents the signal level of the second video signal obtained in the exposure period EX_B of the frame immediately before the first frame 1V.
そして、第1フレーム1Vの水平走査期間1Hの露光期間EX_Aにおいて、制御信号SL_row1がHレベルに立ち上がっている間に、制御信号RT_row1がHレベルにごく短期間(所定の短期間)だけパルス状に立ち上げられると、フローティングディフュージョンFDの電位がリセットされる。このとき、選択スイッチSLはオンされているため、映像信号(PIXEL OUT)のレベルは、フローティングディフュージョンFDの電位と同様に遷移し、第1フレーム1Vの水平走査期間1Hが終了するときに、S21RST(リセットレベル)になる。なお、リセットレベルS21RSTが得られた後に、映像信号(PIXEL OUT)のレベルが下がるのは、次の画素(水平走査期間2H)の読み出しによるものである。
Then, in the exposure period EX_A of the
また、図4(B)に示すように、第2フレーム2Vの期間に突入し、選択スイッチSLのゲートに入力される制御信号SL_row1がHレベルに立ち上がることにより、ロウ1の画素が選択されると、第1フレーム1Vの露光期間EX_Aで得られ、フローティングディフュージョンFDに転送されていた第1映像信号が出力端子100Aから出力される。これにより、映像信号(PIXEL OUT)のレベルがS21Aに低下する。
Further, as shown in FIG. 4B, the pixel of row 1 is selected by entering the period of the
レベルS21Aは、第1フレーム1Vの露光期間EX_Aで得られる第1映像信号の信号レベルを表す。なお、図4(B)でレベルS21Aに下がる前のリセットレベルは、水平走査期間NHにおけるリセットレベルである。 Level S21A represents the signal level of the first video signal obtained in the exposure period EX_A of the first frame 1V. Note that the reset level before falling to the level S21A in FIG. 4B is the reset level in the horizontal scanning period NH.
また、転送ゲートTXがオンになると、第1フレーム1Vの露光期間EX_Bで得られる第2映像信号がフローティングディフュージョンFDを介して出力端子100Aから出力されるため、フローティングディフュージョンFDの電位と映像信号(PIXEL OUT)のレベルはともに低下する。このとき、映像信号(PIXEL OUT)のレベルはS21Bまで低下する。
When the transfer gate TX is turned on, the second video signal obtained in the exposure period EX_B of the first frame 1V is output from the
レベルS21Bは、第1フレーム1Vの露光期間EX_Bで得られる第2映像信号の信号レベルを表す。 Level S21B represents the signal level of the second video signal obtained in the exposure period EX_B of the first frame 1V.
そして、第2フレーム2Vの水平走査期間1Hの露光期間EX_Aにおいて、制御信号SL_row1がHレベルに立ち上がっている間に、制御信号RT_row1がHレベルにごく短期間(所定の短期間)だけパルス状に立ち上げられると、フローティングディフュージョンFDの電位がリセットされる。このとき、選択スイッチSLはオンされているため、映像信号(PIXEL OUT)のレベルは、フローティングディフュージョンFDの電位と同様に遷移し、第2フレーム2Vの水平走査期間1Hが終了するときに、S31RST(リセットレベル)になる。
Then, in the exposure period EX_A of the
以上のようにして、第1フレーム1Vの露光期間EX_Aで得られる第1映像信号の信号レベルS21Aと、第1フレーム1Vの露光期間EX_Bで得られる第2映像信号の信号レベルS21Bとが得られる。 As described above, the signal level S21A of the first video signal obtained in the exposure period EX_A of the first frame 1V and the signal level S21B of the second video signal obtained in the exposure period EX_B of the first frame 1V are obtained. .
ここで、第1フレーム1Vの水平走査期間1Hが終了するときに得られるリセットレベルS21RSTをフレームメモリ270に格納しておく。リセットレベルS21RSTは、信号レベルS21A及び信号レベルS21Bをそれぞれ得るための露光期間EX_A及び露光期間EX_Bと同一のフレームで、同一の画素において得られるリセットレベルである。
そして、信号レベルS21A、信号レベルS21B、及び、フレームメモリ270に格納したリセットレベルS21RSTを用いれば、演算部280で、第1露光データ及び第2露光データを演算することができる。
Here, the reset level S21RST obtained when the
Then, using the signal level S21A, the signal level S21B, and the reset level S21RST stored in the
第1露光データは露光期間EX_Aでの露光によって発生した電荷量に対応する露光データであり、第2露光データは露光期間EX_Bでの露光によって発生した電荷量に対応する露光データである。 The first exposure data is exposure data corresponding to the charge amount generated by exposure in the exposure period EX_A, and the second exposure data is exposure data corresponding to the charge amount generated by exposure in the exposure period EX_B.
ここで、第1露光データと第2露光データの演算方法について説明する。 Here, a calculation method of the first exposure data and the second exposure data will be described.
第1露光データS1は、信号レベルS21AからリセットレベルS21RSTを減算することによって求めることができる。すなわち、S1=S21A−S21RSTである。 The first exposure data S1 can be obtained by subtracting the reset level S21RST from the signal level S21A. That is, S1 = S21A-S21RST.
また、第2露光データS2は、信号レベルS21Bから信号レベルS21Aを減算することによって求めることができる。すなわち、S2=S21B−S21Aである。 The second exposure data S2 can be obtained by subtracting the signal level S21A from the signal level S21B. That is, S2 = S21B-S21A.
また、第1露光データと第2露光データの合計の露光データS3は、信号レベルS21BからリセットレベルS21RSTを減算することによって求めることができる。すなわち、S3=S21B−S21RSTである。これは、第1露光データはS1と第2露光データS2の和である。 Further, the total exposure data S3 of the first exposure data and the second exposure data can be obtained by subtracting the reset level S21RST from the signal level S21B. That is, S3 = S21B-S21RST. This is the sum of the first exposure data S1 and the second exposure data S2.
以上のように、第1フレーム1Vの水平走査期間1Hが終了するときに得られるリセットレベルS21RSTをフレームメモリ270に格納しておけば、第1露光データS1、第2露光データS2、及び、露光データS3を求めることができる。
As described above, if the reset level S21RST obtained when the
これは、すべての水平走査期間(すなわち、すべての画素)について同様であり、すべてのフレームにおいて同様である。 This is the same for all horizontal scanning periods (ie, all pixels) and the same for all frames.
従って、フレームメモリ270に、画素のアドレスを表すデータと、同一のフレームで同一の画素において得られるリセットレベルとをすべての画素について格納しておけば、すべての画素について、第1露光データS1、第2露光データS2、及び、露光データS3を求めることができる。
Therefore, if the data representing the address of the pixel and the reset level obtained in the same pixel in the same frame are stored in all the pixels in the
ここで、フレームメモリ270に格納される同一のフレームで同一の画素において得られるリセットレベルとは、図3及び図4に示す第1フレーム1Vにおける水平走査期間1Hで選択される画素において、信号レベルS21A及び信号レベルS21Bをそれぞれ得るための露光期間EX_A及び露光期間EX_Bと同じフレームで得られるリセットレベルである。
Here, the reset level obtained in the same pixel in the same frame stored in the
以上のように、実施の形態の撮像装置500によれば、2つの異なる露光時間で撮影を行うことができる。
As described above, according to the
ここで、露光期間EX_Aと露光期間EX_Bは、上述のように露光期間EX_Aが露光期間EX_Bよりも短いことが望ましい。これは、先に露光を行う露光期間EX_AでフローティングディフュージョンFDが飽和すると、露光期間EX_Aに続く露光期間EX_Bでの露光で信号を読めなくなるおそれがあるからである。このため、実施の形態では、露光期間EX_Aを露光期間EX_Bよりも短く設定している。 Here, it is desirable that the exposure period EX_A and the exposure period EX_B are shorter than the exposure period EX_B as described above. This is because if the floating diffusion FD is saturated in the exposure period EX_A in which exposure is performed first, the signal may not be read by exposure in the exposure period EX_B following the exposure period EX_A. For this reason, in the embodiment, the exposure period EX_A is set shorter than the exposure period EX_B.
なお、フローティングディフュージョンFDの飽和のおそれがない場合は、露光期間EX_Aが露光期間EX_Bよりも長くてもよい。 Note that the exposure period EX_A may be longer than the exposure period EX_B when there is no possibility of saturation of the floating diffusion FD.
また、第1露光データS1と露光データS3を演算する際に、リセットレベルS21RSTを用いるのは、フローティングディフュージョンFDのリセットノイズをキャンセルするためである。フローティングディフュージョンFDは、リセット用スイッチ素子RTのオン/オフに伴うノイズにより、リセット後の電位に変動が生じるおそれがあるからである。 The reason why the reset level S21RST is used when calculating the first exposure data S1 and the exposure data S3 is to cancel the reset noise of the floating diffusion FD. This is because the floating diffusion FD may cause fluctuations in the potential after reset due to noise accompanying on / off of the reset switch element RT.
また、露光期間EX_Aで得られる映像信号は、露光期間EX_Bで得られる映像信号よりもフローティングディフュージョンFDに滞在する時間が大幅に長いため、フローティングディフュージョンFDで発生する暗電流などにより多くのノイズが混入するおそれがある。しかしながら、露光期間EX_Aによる短時間露光で得られる映像信号を高輝度側に用いれば、暗電流などによるノイズの影響の影響を軽減でき、影響を無視することができる。 Further, since the video signal obtained in the exposure period EX_A stays in the floating diffusion FD much longer than the video signal obtained in the exposure period EX_B, a lot of noise is mixed due to dark current generated in the floating diffusion FD. There is a risk. However, if a video signal obtained by short-time exposure in the exposure period EX_A is used on the high luminance side, the influence of noise due to dark current or the like can be reduced, and the influence can be ignored.
また、以上では、列並列ADC230がCMOS撮像素子200の内部で水平読出回路240の前段にある形態について説明したが、列並列ADCの代わりに用いるADCがCMOS撮像素子200の外部にあって、水平読出回路240がCMOS撮像素子200の内部にあってもよい。
In the above description, the
以上、実施の形態によれば、構造や製造プロセスを複雑化することなく、また、読み出し速度の高速化を抑えつつ、2つの異なる露光時間で撮影を行うことのできる撮像装置500を提供することができる。
As described above, according to the embodiment, it is possible to provide an
また、非特許文献1のように露光時間の異なる複数の画素出力を得る方法では、露光時間の異なる画素が2種類ある場合に、2種類の画素のそれぞれをリセットする必要があるため、1種類の露光時間で1種類の信号レベルの映像信号を得る場合に比べて、読み出し速度を2倍以上に高速化する必要がある。 Further, in the method of obtaining a plurality of pixel outputs having different exposure times as in Non-Patent Document 1, when there are two types of pixels having different exposure times, it is necessary to reset each of the two types of pixels. Compared with the case of obtaining a video signal of one kind of signal level in the exposure time, it is necessary to increase the reading speed more than twice.
これに対して、実施の形態の撮像装置500では、1回のリセットに対して、2段階の信号レベルの映像信号(第1映像信号、第2映像信号)を得ることができるので、1種類の露光時間で1種類の信号レベルの映像信号を得る場合に比べて、読み出し速度を1.5倍に高速化すれば足りるため、非特許文献1に比べて読み出し速度の高速化を抑制することができる。
On the other hand, in the
なお、ここでは、フレームメモリ270に格納したリセットレベルS21RSTを用いて、演算部280で第1露光データS1及び露光データS3を演算する形態について説明した。
Here, the mode in which the first exposure data S1 and the exposure data S3 are calculated by the
しかしながら、フレームメモリ270に格納したリセットレベルS21RSTの代わりに、第2フレーム2Vの水平走査期間1Hが終了するときに得られるリセットレベルS31RSTを用いて、第1露光データS1及び露光データS3を演算してもよい。
However, instead of the reset level S21RST stored in the
リセットレベルS31RSTは、信号レベルS21A及び信号レベルS21Bをそれぞれ得るための露光期間EX_A及び露光期間EX_Bと同一のフレーム(第1フレーム1V)の次のフレーム(第2フレーム2V)で、同一の画素において得られるリセットレベルである。
The reset level S31RST is a frame (
この場合には、第1露光データS1は、S1=S21A−S31RSTで求まり、露光データS3は、S3=S21B−S31RSTで求まる。 In this case, the first exposure data S1 is obtained by S1 = S21A-S31RST, and the exposure data S3 is obtained by S3 = S21B-S31RST.
フレームメモリ270に格納したリセットレベルS21RSTの代わりに、リセットレベルS31RSTを用いる場合は、別のフレームで得られるリセットレベルを用いることになるため、リセットレベルS21RSTに比べるとリセットレベルのずれが生じるが、フレームメモリ270に格納しなくてもよくなる。
When the reset level S31RST is used instead of the reset level S21RST stored in the
また、以上では、2つの異なる露光時間で撮影を行うことのできる撮像装置500について説明したが、3つ以上の異なる露光時間で撮影を行うようにしてもよい。
In the above description, the
以上、本発明の例示的な実施の形態の撮像装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。 The imaging device according to the exemplary embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the specifically disclosed embodiment, and does not depart from the scope of the claims. Various modifications and changes are possible.
100 ピクセル部
100A 出力端子
110 出力段
110A トランジスタ
SL 選択スイッチ
PD フォトダイオード
TX 転送ゲート
FD フローティングディフュージョン
RT リセット用スイッチ素子
200 CMOS撮像素子
210 画素部
220 垂直走査回路
230 列並列ADC
240 水平読出回路
250 駆動部
260 信号処理部
270 フレームメモリ
280 演算部
500 撮像装置
DESCRIPTION OF
240
Claims (7)
前記光電変換部の出力端子に接続される転送ゲートと、
前記転送ゲートの出力側に接続され、前記転送ゲートを介して転送される前記光電変換部の出力信号を蓄積するフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンをリセットするリセットスイッチと、
フローティングディフュージョンに接続され、信号を読み出す選択スイッチと、
前記転送ゲート、前記リセットスイッチ、及び前記選択スイッチを駆動する駆動部と
を含み、
前記駆動部は、
第1露光期間における前記光電変換部での光電変換によって得られる第1映像信号を前記リセットスイッチ及び前記選択スイッチをオフにした状態で前記第1露光期間の最後に前記転送ゲートをオンにすることにより、前記光電変換部から前記フローティングディフュージョンに転送し、
前記第1露光期間の終了後に、前記選択スイッチをオンにして前記フローティングディフュージョンから前記第1映像信号を読み出し、
前記選択スイッチがオンの状態で、前記第1露光期間に続く第2露光期間の最後に前記転送ゲートをオンにして、前記第2露光期間における前記光電変換部での光電変換によって得られる第2映像信号を読み出し、
前記第2映像信号を読み出した後に、前記選択スイッチがオンの状態で前記リセットスイッチをオンにして前記フローティングディフュージョンをリセットする、撮像装置。 A photoelectric conversion unit disposed in the pixel;
A transfer gate connected to the output terminal of the photoelectric converter;
A floating diffusion connected to the output side of the transfer gate and storing the output signal of the photoelectric conversion unit transferred via the transfer gate;
A reset switch for resetting the floating diffusion;
A selection switch connected to the floating diffusion and reading the signal;
A drive unit for driving the transfer gate, the reset switch, and the selection switch;
The drive unit is
The transfer gate is turned on at the end of the first exposure period while the reset switch and the selection switch are turned off for the first video signal obtained by photoelectric conversion in the photoelectric conversion unit in the first exposure period. By transferring from the photoelectric conversion unit to the floating diffusion,
After the first exposure period ends, the selection switch is turned on to read the first video signal from the floating diffusion,
In a state where the selection switch is on, the transfer gate is turned on at the end of the second exposure period following the first exposure period, and second obtained by photoelectric conversion in the photoelectric conversion unit in the second exposure period. Read the video signal,
An imaging apparatus that resets the floating diffusion by turning on the reset switch while the selection switch is on after reading the second video signal.
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