JP2016100847A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 各画素毎に出力を垂直出力線に単独で出力する第１のモードと、複数画素の出力を同時に垂直出力線に出力する画素出力平均化方法を行なう第２のモードを備えた撮像装置において、消費電力の増加を抑制する。
【解決手段】 複数画素を各画素毎に出力を垂直出力線に単独で出力する第１のモードと、該複数画素の出力を同時に垂直出力線に出力することで画素平均化出力を得る第２のモードとで、垂直出力線の定電流量を変更する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＣＭＯＳイメージセンサー等の撮像素子を用いた撮像装置に関するものである。

近年、デジタルカメラなどの撮像装置において、高精細な画像を得るために高画素化した撮像素子を用いる一方で、同一素子を使用した動画撮影する機能も重要視されている。

その為、高画素の信号を所定のフレームレート内で読出す為に、画素を間引いて出力する間引き読み動作を行なうものが存在する。単純に画素を間引いて読み出すとモアレの発生など画質に影響を及ぼすことがある為、最近では複数画素の出力を混合（加算、もしくは平均）する機能を備えた撮像素子が存在する。

ＣＭＯＳ型撮像素子において、複数画素の出力を混合する方法の一例としては、混合する画素のフローティングディフュージョン（以後、ＦＤと称する）同士をスイッチング素子を介して接続することで、加算出力を得る方法などが挙げられる。

しかしながら、前記のような方法を取る場合に、スイッチング素子および配線によりＦＤの容量が増加する為、ランダムノイズが増加しやすいという問題が生じる。

また、特許文献１にはコンデンサを追加する技術が提案されているが、コンデンサ追加による占有面積増大などの問題が発生する。その対策として、特許文献２において、同一垂直出力線につながる複数画素の出力を同時に垂直出力線に読み出すことで、同時に読み出した画素の出力を平均化する方法が開示されている。

特許第３３６１００５号 特開２０１１−９７６４６号

しかしながら、特許文献２に示すような画素出力の平均化を行う場合、平均化を行なう為に複数画素分の増幅トランジスタ（ソースフォロワ回路）のリニア領域を確保する必要である。そのようなリニア領域を確保する為には、同時に読み出す増幅トランジスタ分のドレイン電流を保証しなければならない。結果として、複数の増幅トランジスタを接続する垂直出力線の負荷電流を高くする必要がある為、消費電流が増大するという問題が生じる。

本発明の撮像装置は、光電変換素子と、前記光電変換素子で発生した電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部と、前記電圧信号を増幅して列毎に設けられた列出力線に出力する増幅トランジスタとを各々が備えた複数の画素が行列方向に配置された撮像素子と、前記複数画素の各々の画素毎に各画素の信号を列出力線に出力する第１の読出しモードと、前記複数画素のうちの２以上の画素の信号を同時に前記列出力線に出力する第２の読出しモードのいずれかの読出しモードに設定するモード設定手段と、前記モード設定手段により設定された読出しモードに応じて、前記列出力線の定電流量を変更するように制御する制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、フレームレートを向上しつつ、高画質を維持する機能を備えた撮像装置において、消費電力の増加を抑制することが出来る。

本発明の実施例における撮像素子の概略的回路構成図。 本発明の実施例における第１のモードの動作タイミングチャート。 本発明の実施例における第２のモードの動作タイミングチャート。 本発明の実施例における垂直出力線２の定電流設定切り替えフローチャート。 本発明の実施例における垂直出力線２の定電流設定切り替え概念図。

以下、本発明の実施例について説明する。図１は、本実施例における撮像素子の概略回路構成図を示す。撮像素子は、複数の画素が行列方向に配置されている。

図１において、各画素を構成する画素領域１には、光電変換素子であるフォトダイオードＰＤ、フォトダイオードＰＤで発生した電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部であるフローティングディフュージョンＦＤを備えている。さらに、転送用トランジスタＭ１、リセット用トランジスタＭ２、増幅トランジスタ（ソースフォロワ）Ｍ３、出力選択トランジスタＭ４を備えている。列毎に設けられた垂直出力線（列出力線）２は、増幅トランジスタＭ３により増幅された電圧信号を出力する。

ここで増幅トランジスタＭ３は、そのゲート電極がフローティングディフュージョンＦＤに接続され、そのソース電極が垂直信号線２に接続される。さらに、ドレイン電極が電源電圧ＶＤＤに接続されることで、増幅トランジスタＭ３はフローティングディフュージョンＦＤの電荷に応じた電圧信号を増幅して垂直信号線２に出力する。

なお、増幅トランジスタＭ３のバックゲートは、グランド電位ノードに接続される。バックゲートをグランド電位ノードに接続することで、増幅トランジスタＭ３のインピーダンスが上がり、増幅トランジスタＭ３のリニア領域を広げる効果を持たせることが出来る。

各列に設けられた複数の垂直出力線（列出力線）２−１〜２−ｎは、２次元行列状の各列の画素に共通に接続される。また、各垂直出力線２−１〜２−ｎには、それぞれ定電流回路を構成するＭＯＳトランジスタＭ６−１〜Ｍ６−ｎが接続される。

ＭＯＳトランジスタＭ６−１〜Ｍ６−ｎは、それぞれ垂直出力線２−１〜２−ｎ及びグランド電位ノード間に接続される。ＭＯＳトランジスタＭ６−１〜Ｍ６−ｎのゲートは、電圧供給配線３を介して定電流回路４に接続される。

定電流回路４は、ＭＯＳトランジスタＭ６−１〜Ｍ６−ｎとカレントミラー回路を構成するＮＭＯＳトランジスタＭ７と、ＮＭＯＳトランジスタＭ７のドレインと電源電圧ＶＤＤのノードに接続された電流可変回路Ｒとを備えている。

また、電流可変回路Ｒの電流設定値を制御する制御ロジック回路５を備える。すなわち、垂直出力線２の電流は、制御ロジック回路５により電流可変回路Ｒを制御して、ＮＭＯＳトランジスタＭ７に流れる電流がカレントミラー回路として定電流量を制御するものである。なお、定電流量は、例えば、電流可変回路Ｒの内部にある不図示の抵抗値を切り替えることにより、複数段階の変更を可能とするものである。電流可変制御については周知技術である為、ここでの説明は割愛する。

垂直出力線２−１〜２−ｎは、後段の出力回路６に接続されている。出力回路６は、暗信号と光信号を差動増幅器などに出力する。ここでは詳細の説明を割愛する。なお、垂直駆動制御回路７は垂直シフトレジスタを含み、各画素に各種制御パルス信号を供給する。また、水平駆動制御回路８は、出力回路６に読み出された信号を後段の処理回路へ転送する水平シフトレジスタを含む。

図１に示した撮像素子の駆動について、図２乃至図３を用いて説明する。

図２は、撮像素子の第１の読出しモードであるところの「各画素の出力を画素毎に単独出力する動作モード」の動作タイミングチャートである。

最初に、リセットパルス信号φＲＥＳ１および転送パルス信号φＴＸ１をアクティブにし、各画素のリセットを行なう。これにより１行目のフォトダイオードＰＤおよびフローティングディフュージョンＦＤをリセットした状態とする。

続いて、リセットパルス信号φＲＥＳ１および転送パルス信号φＴＸ１をオフにすることで、フォトダイオードＰＤにおける電荷蓄積動作が開始される。

次に、読み出し直前に再びリセットパルス信号φＲＥＳ１をオンオフする。この動作により、蓄積動作中にＦＤにたまった暗電流電荷をリセットする。

続いて、選択パルス信号φＳＥＬ１をアクティブにして、フローティングディフュージョンＦＤの電圧信号が垂直出力線２−１〜２−ｎに出力され始める。

具体的には、出力回路６内の制御として、ノイズ信号転送パルス信号φＰＴＮをアクティブにしたタイミングで、リセット解除後のＦＤのノイズ成分を読み出す。その後、転送パルス信号φＴＸ１をアクティブにし、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷をフローティングディフュージョンＦＤへ転送し、信号成分転送パルス信号φＰＴＳをアクティブにすることで光成分の読出しを行なう。

以上が１行分の画素信号を出力する動作であり、垂直駆動制御回路７により、順次、行を移動して各行を転送出力する。

図３は、撮像素子の第２の読出しモードであるところの「垂直方向（列方向）の２以上の複数画素の出力を平均化する動作モード」の動作タイミングチャートである。

本実施例においては、説明の便宜上、奇数行２画素および偶数行２画素の平均出力について説明するが、これに限られるものではない。

最初に、リセットパルス信号φＲＥＳ１，φＲＥＳ３および転送パルス信号φＴＸ１，φＴＸ３をそれぞれ同時にアクティブにし、各画素のリセットを行なう。これにより１行目および３行目のフォトダイオードＰＤおよびフローティングディフュージョンＦＤをリセットした状態とする。

続いて、リセットパルス信号φＲＥＳ１，φＲＥＳ３および転送パルス信号φＴＸ１，φＴＸ３をオフにすることで、１行目および３行目のフォトダイオードＰＤにおける電荷蓄積動作が開始される。

次に、読み出し直前に再びリセットパルス信号φＲＥＳ１，φＲＥＳ３をオンオフする。この動作により、蓄積動作中にＦＤにたまった暗電流電荷をリセットする。

続いて、選択パルス信号φＳＥＬ１，φＳＥＬ３を同時にアクティブにして、フローティングディフュージョンＦＤの電圧信号が垂直出力線２−１〜２−ｎに出力され始める。

具体的には、出力回路６内の制御として、ノイズ転送パルス信号φＰＴＮをアクティブにしたタイミングでノイズ成分を読み出す。その後、転送パルス信号φＴＸ１，φＴＸ３をアクティブにし、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷をフローティングディフュージョンＦＤへ転送し、信号成分転送パルス信号φＰＴＳをアクティブにすることで光成分の読出しを行なう。

すなわち、選択パルス信号φＳＥＬ１，φＳＥＬ３を同時にアクティブにすることで、垂直出力線に対して２画素分（２行分）の増幅トランジスタ（ソースフォロワ）Ｍ３が同時に接続されることになる。増幅トランジスタ（ソースフォロワ）Ｍ３は前述の通り、バックゲートをグランド電位ノードに接続していることにより、広いリニア領域を得ることができ、結果として、２画素の平均出力を得ることができる。

同様に、リセットパルス信号φＲＥＳ２，φＲＥＳ４および転送パルス信号φＴＸ２，φＴＸ４をそれぞれ同時にアクティブにし、画素部のリセットを行なう。これにより２行目および４行目のフォトダイオードＰＤおよびフローティングディフュージョンＦＤをリセットした状態とする。

続いて、リセットパルス信号φＲＥＳ２，φＲＥＳ４および転送パルス信号φＴＸ２，φＴＸ４をオフにすることで、２行目および４行目のフォトダイオードＰＤにおける電荷蓄積動作が開始される。

次に、読み出し直前に再びリセットパルス信号φＲＥＳ２，φＲＥＳ４をオンオフする。この動作により、蓄積動作中にＦＤにたまった暗電流電荷をリセットする。

続いて、選択パルス信号φＳＥＬ２，φＳＥＬ４を同時にアクティブにして、フローティングディフュージョンＦＤの電圧信号が垂直出力線２−１〜２−ｎに出力され始める。

具体的には、出力回路６内の制御として、ノイズ転送パルス信号φＰＴＮをアクティブにしたタイミングでノイズ成分を読み出す。その後、転送パルス信号φＴＸ２，φＴＸ４をアクティブにし、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷をフローティングディフュージョンＦＤへ転送し、信号成分パルス信号φＰＴＳをアクティブにすることで光成分の読出しを行なう。

すなわち、選択パルス信号φＳＥＬ２，φＳＥＬ４を同時にアクティブにすることで、垂直出力線に対して２画素分（２行分）の増幅用トランジスタ（ソースフォロワ）Ｍ３が同時に接続され、２画素の平均出力を得ることができる。

以上が複数の画素信号を平均化する動作であり、垂直駆動制御回路７により、垂直画素出力を平均化した出力を得る事が出来る。

なお、本実施例上は垂直２画素分の同時出力による平均化を説明したが、本発明はそれに限ったものではなく、例えば、垂直３画素を同時駆動して平均化するものであっても何ら問題はない。

ところで、撮像装置において、垂直出力線２の定電流量（増幅トランジスタの負荷電流量）は、上記図３で説明したような第２の読出しモード（画素平均化出力モード）を想定して設定する。すなわち、複数の増幅トランジスタ（ソースフォロワ）Ｍ３で充分なリニア領域特性を得られるドレイン電流が流す必要がある。そのため、垂直出力線２の定電流量は、複数の増幅トランジスタ（ソースフォロワ）Ｍ３に分配できるよう、高い電流量を設定する必要がある。しかし、図２で説明したような第１の読出しモード（単独画素読み出しモード）で駆動する場合は、垂直出力線２に接続する増幅トランジスタ（ソースフォロワ）Ｍ３は１つである。そのため、第２の読出しモードを考慮した垂直出力線２の定電流設定では、過剰な電流を消費することになる。

そこで、本実施例では、第１の読出しモード（単独画素読み出しモード）と、第２の読出しモード（画素平均化出力モード）で垂直出力線２の電流を切り替えるように制御する。

具体的には、図４乃至図５に示すように、モード設定手段により設定された読出しモードのチェックを行なう（Ｓ１０１）。第１の読出しモードであった場合には、垂直出力線２の定電流をＩＤＤ１に設定し（Ｓ１０２）、第２の読出しモードであった場合には、垂直出力線２の定電流をＩＤＤ２に設定（Ｓ１０３）する。

第１の読出しモード時の垂直出力線定電流：ＩＤＤ１、第２の読出しモード時の垂直出力線定電流：ＩＤＤ２とすると、その定電流量の関係は、ＩＤＤ１＜ＩＤＤ２である。すなわち、出１の読出しモードにおける定電流よりも第２の読出しモードにおける定電流の方が大きい。

垂直出力線２の定電流量の変更は、制御ロジック回路５により電流可変回路Ｒを制御することで行なう。なお、定電流量の可変方法については、他の方法を使用しても何ら問題はない。

以上のように、本実施例では、画素の単独出力である第１の読出しモード（単独画素読出しモード）と、垂直出力線への複数画素の同時読み出しを行なうことで平均化出力を供給する第２の読出しモード（画素平均化出力モード）を設定可能とした。このような撮像装置において、第１の読出しモードと第２の読出しモードの垂直出力線の定電流量を切り替えることで、画素平均化の性能と消費電力の双方のバランスの良い撮像装置を供給することが出来る。

ちなみに、第１の読出しモードおよび第２の読出しモードについては、例えば、高画質優先の静止画撮影モードを第１の読出しモード、フレームレート優先の動画記録・ライブビューモードを第２の読出しモードとすればよい。第２の読出しモードは消費電力を上げる。そのため、フレームレート優先の動画とライブビューでも、記録を残す為の動画記録モードは垂直画素平均する第２の読出しモードとしても良い。さらに、画像確認用のライブビューは周知の垂直間引きでフレームレートを達成しながら、消費電力を上げる必要のない第１の読出しモードで動かすものでもよい。

１ 画素領域
ＰＤ フォトダイオード
ＦＤ フローティングディフュージョン
Ｍ１ 転送用トランジスタ
Ｍ２ リセット用トランジスタ
Ｍ３ 増幅用トランジスタ
Ｍ４ 出力選択用トランジスタ
２ 垂直出力線
Ｍ６ ＭＯＳトランジスタ、
３ 電圧供給配線
４ 定電流回路
Ｒ 電流可変回路
５ 制御ロジック回路
６ 出力回路
７ 垂直駆動制御回路
８ 水平駆動制御回路

Claims (4)

1. 光電変換素子と、前記光電変換素子で発生した電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部と、前記電圧信号を増幅して列毎に設けられた列出力線に出力する増幅トランジスタとを各々が備えた複数の画素が行列方向に配置された撮像素子と、
   前記複数画素の各々の画素毎に各画素の信号を列出力線に出力する第１の読出しモードと、前記複数画素のうちの２以上の画素の信号を同時に前記列出力線に出力する第２の読出しモードのいずれかの読出しモードに設定するモード設定手段と、
   前記モード設定手段により設定された読出しモードに応じて、前記列出力線の定電流量を変更するように制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする撮像装置。
2. 前記制御手段は、前記第１の読出しモードにおける前記列出力線の定電流量よりも前記第２の読出しモードにおける前記列出力線の定電流量の方が大きくなるように制御することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記画素は、さらに選択トランジスタを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
4. 前記増幅トランジスタのバックゲートはグランド電位ノードに接続されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。

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