JP2020057883A - 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 device.
デジタルビデオカメラ及びデジタルスチルカメラなどの撮像装置は、一般にバッテリーから電力が供給されており、撮像装置での長時間撮影を実現するために、撮像装置に搭載される電子部品は低消費電力であることが望まれている。撮像装置に搭載される主要な電子部品として、光を電気信号に変換する撮像素子が挙げられる。代表的な撮像素子として、CMOSイメージセンサ―が知られている。近年のCMOSイメージセンサ―は行列状に配置された複数の画素から読み出した電気信号を列毎に設けられたAD変換回路にてAD変換を行う構成が一般的である。 2. Description of the Related Art Imaging devices such as digital video cameras and digital still cameras are generally supplied with power from a battery, and electronic components mounted on the imaging device have low power consumption in order to realize long-time shooting with the imaging device. It is desired. A main electronic component mounted on an imaging device includes an imaging device that converts light into an electric signal. As a typical image pickup device, a CMOS image sensor is known. 2. Description of the Related Art A CMOS image sensor in recent years generally has a configuration in which an AD signal provided from a plurality of pixels arranged in a matrix is subjected to AD conversion by an AD conversion circuit provided for each column.
AD変換回路の一例として、比較器とカウンタ回路から成る列毎に配置されるAD変換回路と、時刻と共にある一定の傾きで変化する参照信号を生成する参照信号生成回路の構成が考えられる。AD変換期間では上記比較器に画素信号と参照信号が入力されると同時にカウンタがカウントを始める。画素信号と時刻と共に変化していく参照信号が一致したタイミングで比較器は反転信号を出力し、カウンタ回路は比較器の反転信号を受けて、カウント動作をストップさせる。この時のカウント値をデジタル信号として扱う。 As an example of the AD conversion circuit, a configuration of an AD conversion circuit arranged for each column including a comparator and a counter circuit and a reference signal generation circuit that generates a reference signal that changes with a certain gradient with time can be considered. In the AD conversion period, the counter starts counting at the same time when the pixel signal and the reference signal are input to the comparator. The comparator outputs an inverted signal at a timing when the pixel signal and the reference signal that changes with time match, and the counter circuit receives the inverted signal of the comparator and stops the counting operation. The count value at this time is treated as a digital signal.
このようなAD変換回路を搭載したCMOSイメージセンサ―における消費電力の低減に関して、以下の様な提案がなされている。 The following proposals have been made regarding the reduction of power consumption in a CMOS image sensor equipped with such an AD conversion circuit.
1つは各列のAD変換回路の少なくとも一部を独立に電力供給の停止もしくは低減させるパワーセーブ(以下、PSAVE)することが可能な回路を有し、AD変換を行う期間の中で、画素信号と参照信号が一致したタイミング以降、その列のAD変換回路をPSAVEする、という提案がされている(特許文献1)。 One has a circuit capable of power saving (hereinafter, PSAVE) for stopping or reducing the power supply of at least a part of the AD conversion circuit of each column independently. It has been proposed to PSAVE the AD conversion circuit in the column after the timing when the signal and the reference signal match (Patent Document 1).
また、AD変換には1つの信号において、第1の参照信号で第1のAD変換を行った後、第1のAD変換にて得られた信号近傍において、第1の参照信号より精度良い第2の参照信号を用いて第2のAD変換を行う方式がある。 Further, in the AD conversion, after performing the first AD conversion with the first reference signal in one signal, the first reference signal is more accurate in the vicinity of the signal obtained by the first AD conversion than the first reference signal. There is a method of performing the second A / D conversion using the second reference signal.
この駆動における消費電力の低減として、JPEG化する際のガンマカーブを考慮して、黒レベル以下、もしくはガンマカーブの傾きが十分に小さい飽和近傍は第2のAD変換を行わずに第2のAD変換期間中はAD変換回路の少なくとも一部のPSAVEを行う駆動が提案されている(特許文献2)。 In order to reduce the power consumption in this drive, considering the gamma curve at the time of JPEG conversion, the second AD conversion is performed without performing the second AD conversion at a black level or below or near the saturation where the gradient of the gamma curve is sufficiently small. A drive that performs at least a part of PSAVE of the AD conversion circuit during the conversion period has been proposed (Patent Document 2).
ここで黒レベルから飽和レベルに向かって変化する参照信号を用いたAD変換を考えた場合、飽和信号はAD変換期間中、カウンタが動作し続けることになるため、消費電力において不利となる。 Here, when the AD conversion using the reference signal that changes from the black level to the saturation level is considered, the saturation signal is disadvantageous in power consumption because the counter continues to operate during the AD conversion period.
特許文献1に記載の駆動では、例えば飽和信号を多く含む画像を取得した場合、消費電力の低減がほとんど行われない。また、特許文献2に記載の駆動では、JPEG記録においては問題ないが、RAW画像が記録可能な機能を持つカメラでは、取得したRAW画像に対して、ユーザーが任意のガンマカーブでJPEG現像可能なため、その際のガンマカーブ次第では黒レベル近傍もしくは飽和近傍の諧調が粗くなり、ユーザーとって好ましくない。 In the driving described in Patent Literature 1, for example, when an image including a large number of saturation signals is acquired, power consumption is hardly reduced. In the drive described in Patent Document 2, although there is no problem in JPEG recording, a camera having a function capable of recording a RAW image allows a user to JPEG develop an acquired RAW image with an arbitrary gamma curve. Therefore, depending on the gamma curve at that time, the gradation near the black level or near the saturation becomes coarse, which is not preferable for the user.
そこで、本発明の目的は、画質に影響を与えることなく、低消費電力な駆動が可能な撮像装置を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide an imaging device capable of driving with low power consumption without affecting image quality.
上記の目的を達成するために、本発明に係る撮像装置は、
光電変換素子を含む単位画素が行列状に複数配置された画素部と、画素列に対応して配置される画素信号を伝達する複数の垂直信号線と、時刻と共に変化しない第1の参照信号と、時刻と共に所定の傾きで電圧が変化する第2の参照信号を生成可能な参照信号生成部と、前記垂直信号線に対応して配置される、前記画素からの信号と前記第2の参照電圧との比較を行ってデジタル信号に変換する複数のAD変換回路を有し、前記光電変換素子に入射した光量に応じて変化する信号を第1の画素信号とした時、前記AD変換回路は第1の参照信号と第1の画素信号との比較を行う判定動作を行い、判定動作の結果に応じて、前記第2の参照信号を用いたAD変換を行うか否かを切り替えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, an imaging device according to the present invention includes:
A pixel portion in which a plurality of unit pixels including the photoelectric conversion elements are arranged in a matrix, a plurality of vertical signal lines transmitting pixel signals arranged corresponding to the pixel columns, and a first reference signal that does not change with time. A reference signal generating unit capable of generating a second reference signal whose voltage changes at a predetermined gradient with time, a signal from the pixel and the second reference voltage arranged corresponding to the vertical signal line And a plurality of A / D conversion circuits for performing a comparison with the A / D converter and converting the signals into digital signals. When a signal that changes according to the amount of light incident on the photoelectric conversion element is set as a first pixel signal, the A / D conversion circuit A determination operation for comparing the first reference signal with the first pixel signal, and switching whether or not to perform the AD conversion using the second reference signal according to a result of the determination operation. I do.
本発明によれば、列毎にAD変換回路を備える撮像装置において、不要な撮像素子の回路の電力を削減することで、画質に影響を与えることなく効率的に消費電力の低減が可能な撮像装置を提供することが出来る。 Advantageous Effects of Invention According to the present invention, in an imaging apparatus including an AD conversion circuit for each column, by reducing the power of an unnecessary imaging element circuit, it is possible to efficiently reduce power consumption without affecting image quality. Equipment can be provided.
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
(撮像システム)
図1は本発明における撮像システムの1例を示すブロック図である。図1において、101は被写体の光学像を撮像素子105に結像させるレンズ部で、レンズ駆動装置102によってズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などがおこなわれる。103はメカニカルシャッターでシャッター制御手段104によって制御される。105はレンズ部101により結像された被写体を画像信号として取り込むための撮像素子であり、106は撮像素子105の温度を検出する温度検知素子である。
(Imaging system)
FIG. 1 is a block diagram showing an example of an imaging system according to the present invention. In FIG. 1, reference numeral 101 denotes a lens unit that forms an optical image of a subject on the image sensor 105, and zoom control, focus control, aperture control, and the like are performed by a lens driving device 102. Reference numeral 103 denotes a mechanical shutter, which is controlled by shutter control means 104. Reference numeral 105 denotes an image sensor for capturing a subject formed by the lens unit 101 as an image signal, and reference numeral 106 denotes a temperature sensor for detecting the temperature of the image sensor 105.
107は撮像素子105より出力される画像信号に対して、後述する遮光画素を用いて黒レベルを決めるOBクランプ処理やゲインアップの為のデジタルゲイン処理、各種補正、データ圧縮などを行う撮像信号処理回路である。108は撮像素子105、撮像信号処理回路107に各種タイミング信号を出力する駆動手段であるタイミング発生回路、110は各種演算と撮像装置全体を制御する制御回路、109は画像データを一時的に記憶する為のメモリである。111は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース、112は画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、113は各種情報や撮影画像を表示する表示部である。 Reference numeral 107 denotes an image signal signal which performs OB clamp processing for determining a black level using a light-shielded pixel described later, digital gain processing for increasing the gain, various corrections, data compression, and the like for the image signal output from the image sensor 105. Circuit. Reference numeral 108 denotes a timing generation circuit that is a driving unit that outputs various timing signals to the imaging element 105 and the imaging signal processing circuit 107. Reference numeral 110 denotes a control circuit that controls various operations and the entire imaging device. Reference numeral 109 temporarily stores image data. It is a memory for Reference numeral 111 denotes an interface for recording or reading on a recording medium, reference numeral 112 denotes a detachable recording medium such as a semiconductor memory for recording or reading image data, and reference numeral 113 denotes a display unit for displaying various information and captured images. .
次に、前述の構成における撮影時のデジタルカメラの動作について説明する。 Next, the operation of the digital camera at the time of shooting in the above configuration will be described.
メイン電源がオンされると、コントロール系の電源がオンし、更に撮像信号処理回路107などの撮像系回路の電源がオンされる。 When the main power supply is turned on, the power supply of the control system is turned on, and the power supply of the imaging system circuit such as the imaging signal processing circuit 107 is also turned on.
それから、図示しないレリーズボタンが押されると、撮影動作が開始される。撮影動作が終了すると、撮像素子105から出力された画像信号は撮影信号処理回路107で撮像素子出力の補正や画像処理をされ、制御回路110の指示によりメモリに書き込まれる。メモリ109に蓄積されたデータは、制御回路110の制御により記録媒体制御I/F部111を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体112に記録される。 Then, when a release button (not shown) is pressed, a shooting operation is started. When the photographing operation is completed, the image signal output from the image sensor 105 is subjected to correction of the image sensor output and image processing by the photographing signal processing circuit 107, and is written into the memory according to an instruction from the control circuit 110. The data stored in the memory 109 passes through the recording medium control I / F unit 111 under the control of the control circuit 110 and is recorded on a removable recording medium 112 such as a semiconductor memory.
また、図示しない外部I/F部を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。 Further, the image may be processed by being directly input to a computer or the like through an external I / F unit (not shown).
(撮像素子等価回路図)
次に実施例1における撮像素子105の構成について図2を用いて詳細な説明を行う。図2は撮像素子の等価回路図を示している。図2では簡単の為、1つの単位画素と単位画素に関連する読み出し回路のみを記載しているが、本来は単位画素が行列にマトリクス状に構成され、各単位画素列に読み出し回路が構成される。各単位画素列に構成される読み出し回路を破線で示し、今後列回路と呼ぶ。
(Equivalent circuit diagram of imaging device)
Next, the configuration of the image sensor 105 according to the first embodiment will be described in detail with reference to FIG. FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram of the image sensor. In FIG. 2, only one unit pixel and a readout circuit associated with the unit pixel are shown for simplicity. However, originally, the unit pixels are arranged in a matrix in a matrix, and the readout circuit is constituted in each unit pixel column. You. A readout circuit formed in each unit pixel column is indicated by a broken line, and is hereinafter referred to as a column circuit.
201は単位画素を表しており、マイクロレンズ(以下、ML)やフォトダイオード(以下、PD)、フローティングディフュージョン(以下、FD)などから成る。単位画素の詳細な構成については後述する。 Reference numeral 201 denotes a unit pixel, which includes a microlens (hereinafter, ML), a photodiode (hereinafter, PD), a floating diffusion (hereinafter, FD), and the like. The detailed configuration of the unit pixel will be described later.
垂直走査回路202は行単位で各画素に駆動信号(PRES、PTX、PSEL)を供給する。 The vertical scanning circuit 202 supplies a drive signal (PRES, PTX, PSEL) to each pixel on a row-by-row basis.
各画素の信号は単位画素列毎に配置される垂直信号線203を介して、後段の回路へ伝達され、各垂直信号線203には定電流回路204が図のように接続される。 The signal of each pixel is transmitted to a subsequent circuit via a vertical signal line 203 arranged for each unit pixel column, and a constant current circuit 204 is connected to each vertical signal line 203 as shown in the figure.
垂直信号線203は列アンプ205が接続される。列アンプ205は垂直信号線203に伝達された信号を増幅する機能を持つが、必ずしも必要ではなく、なくともよい。また、複数のアナログゲインを掛けることが可能なゲインアンプとして機能させても良い。 The column signal 205 is connected to the vertical signal line 203. The column amplifier 205 has a function of amplifying the signal transmitted to the vertical signal line 203, but is not always necessary and need not be provided. Further, the amplifier may function as a gain amplifier that can apply a plurality of analog gains.
206は各列に対応して設けられる比較器であり、画素信号とDAC回路207より供給されるある傾きを以て変動するランプ信号VRAMPが入力され、この2信号を比較する。比較器206は、画素信号の電圧がランプ信号VRAMPより低い時はLowレベルを、高い時はHiレベルを出力する機能を持つ。また、208はカウンタであり、入力される基準クロックCLKを基にAD変換期間中カウント動作を行い、比較器212の出力信号がLowからHiになったタイミングでカウント動作を停止し、値を保持する。カウンタ208で保持した値は出力回路210より出力する。出力回路210の出力信号は図1で示した撮像信号処理回路106に入力される。 Reference numeral 206 denotes a comparator provided corresponding to each column. The comparator 206 receives a pixel signal and a ramp signal VRAMP supplied from the DAC circuit 207 which fluctuates with a certain slope, and compares the two signals. The comparator 206 has a function of outputting a low level when the voltage of the pixel signal is lower than the ramp signal VRAMP, and outputting a high level when the voltage of the pixel signal is higher than the ramp signal VRAMP. A counter 208 performs a count operation during the AD conversion period based on the input reference clock CLK, stops the count operation when the output signal of the comparator 212 changes from low to high, and holds the value. I do. The value held by the counter 208 is output from the output circuit 210. The output signal of the output circuit 210 is input to the imaging signal processing circuit 106 shown in FIG.
また、209はPSAVE回路であり、比較器206の出力信号とタイミング発生部108より入力される外部信号PJが入力される。信号PJが立下るタイミングで比較器206の出力信号がLowの時、PSAVE回路209はカウンタ208のカウント値を飽和値にリセットすると共に、それ以降の期間、カウンタ208のカウント動作を停止させ、比較器206をPSAVE状態にさせる機能を持つ。PSAVEされた比較器はタイミング発生部108により次の行の読み出し開始時に入力される信号によってPSAVEから復帰する。 Reference numeral 209 denotes a PSAVE circuit to which an output signal of the comparator 206 and an external signal PJ input from the timing generator 108 are input. When the output signal of the comparator 206 is Low at the timing when the signal PJ falls, the PSAVE circuit 209 resets the count value of the counter 208 to a saturation value, and stops the counting operation of the counter 208 during the subsequent period. Has a function of bringing the unit 206 into the PSAVE state. The comparator that has been PSAVE is returned from PSAVE by a signal that is input by the timing generator 108 at the start of reading of the next row.
(単位画素部等価回路図)
次に、図3を用いて単位画素の詳細な説明を行う。
(Equivalent circuit diagram of unit pixel section)
Next, the unit pixel will be described in detail with reference to FIG.
単位画素は図示しない1つのMLと、1つのPD、1つのFD、4つのトランジスタから構成される。 The unit pixel includes one ML (not shown), one PD, one FD, and four transistors.
301はPDを示しており、光電変換を行う。トランジスタ302は転送スイッチであり、PD301で光電変換される電荷をFD303に転送する。FD303は転送される電荷を電位に変換する機能を持つ。トランジスタ304は垂直信号線に接続される定電流源と共にソースフォロワアンプを形成する。トランジスタ302は信号PTXによって駆動する。FD303は信号PRESによって駆動するトランジスタ306を介して電位VDDに接続され、PRESがHiになることで、FDは電位VDDにリセットされる。トランジスタ305は信号PSELによって駆動され、トランジスタ304の出力を垂直信号線に伝達するスイッチの役割を果たす。 Reference numeral 301 denotes a PD, which performs photoelectric conversion. The transistor 302 is a transfer switch, and transfers the charge photoelectrically converted by the PD 301 to the FD 303. The FD 303 has a function of converting transferred charges to a potential. The transistor 304 forms a source follower amplifier together with a constant current source connected to the vertical signal line. The transistor 302 is driven by the signal PTX. The FD 303 is connected to the potential VDD through the transistor 306 driven by the signal PRES. When the PRES becomes Hi, the FD 303 is reset to the potential VDD. The transistor 305 is driven by the signal PSEL and serves as a switch for transmitting the output of the transistor 304 to a vertical signal line.
(S信号電位が閾電位より高い(S信号が閾信号より低い)場合の駆動方法)
次に、上記回路構成における撮像素子の読み出し駆動方法について説明する。
(Drive method when S signal potential is higher than threshold potential (S signal is lower than threshold signal))
Next, a read driving method of the image sensor in the above circuit configuration will be described.
図4は所定の期間露光した後に各画素の信号を読み出す際のタイミングチャート、列アンプ205の出力電位VCとDAC207から出力される電位VRAMPを示すグラフ、カウンタのカウント値を示すグラフをそれぞれ示している。 FIG. 4 shows a timing chart for reading a signal of each pixel after exposure for a predetermined period, a graph showing the output potential VC of the column amplifier 205 and a potential VRAMP output from the DAC 207, and a graph showing the count value of the counter. I have.
読み出し駆動に先立ち、全画素を一括してリセットを行い、所定の期間蓄積を行う。その後、PSELをHiとし、選択される行の信号が垂直信号線203に出力される状態とする。またPRESをHiとし、電位VDDによってFD303のリセットを行う。次に時刻t401でPRESをLowとし、FD303のリセットを解除する。この時の信号はリセットの度に異なる値となり、ノイズとなる。これをリセットノイズと呼ぶ。リセットノイズは画質へ影響を与えるため、リセット解除後のVC電位(以下、N信号)は後に相関2重サンプリングを行うために、読み出す必要がある。時刻t402からt403の期間でDAC207はRAMP信号を出力し、N信号のAD変換を行う。カウンタ208はAD変換を開始したタイミングからVCとVRAMPが一致し、比較器212の出力信号が反転するまでの間ダウンカウントを行い、比較器212の出力信号が反転した時点でカウント動作を停止し、その時の値を保持する。 Prior to the read driving, all the pixels are collectively reset and accumulation is performed for a predetermined period. After that, PSEL is set to Hi, and the signal of the selected row is output to the vertical signal line 203. In addition, PRES is set to Hi, and the FD 303 is reset by the potential VDD. Next, at time t401, PRES is set to Low, and the reset of the FD 303 is released. The signal at this time has a different value each time it is reset, and becomes noise. This is called reset noise. Since the reset noise affects the image quality, the VC potential (hereinafter, referred to as N signal) after reset release needs to be read in order to perform correlated double sampling later. During a period from time t402 to time t403, the DAC 207 outputs the RAMP signal and performs AD conversion of the N signal. The counter 208 counts down from the timing when the AD conversion is started until VC and VRAMP match and the output signal of the comparator 212 is inverted, and stops counting when the output signal of the comparator 212 is inverted. , Hold the value at that time.
次いで、時刻t404からt405の期間で信号PTXがHiとなり、リセットノイズが保持されているFDに加えて、PDに蓄積された電荷が転送される。この時の信号をS信号とする。 Next, in a period from time t404 to time t405, the signal PTX becomes Hi, and the electric charge accumulated in the PD is transferred in addition to the FD in which the reset noise is held. The signal at this time is referred to as an S signal.
次いで、時刻t406からt407の期間でS信号に応じた電位VCが、ある閾電位(Vth)より低いか否かの判定を行う。時刻t406からt407の期間において、信号PJはHiとなる。また、DAC207により制御されるVRAMPはVthとなり、VCとVthを比較する。ここではS信号に応じた電位VCがVthより高い場合を示す。比較した結果、電位VCはVthより高いため、比較器出力はHiとなる。信号PJの立下りタイミングでは比較器出力がHiのため、PSAVE回路209は機能しない。 Next, it is determined whether or not the potential VC corresponding to the S signal is lower than a certain threshold potential (Vth) during a period from time t406 to t407. During a period from time t406 to t407, the signal PJ becomes Hi. VRAMP controlled by the DAC 207 becomes Vth, and VC and Vth are compared. Here, a case where the potential VC corresponding to the S signal is higher than Vth is shown. As a result of the comparison, since the potential VC is higher than Vth, the comparator output becomes Hi. Since the output of the comparator is Hi at the falling timing of the signal PJ, the PSAVE circuit 209 does not function.
次いで、時刻t408からt409の期間でDAC207はRAMP信号を出力し、S信号に応じた電位VCのAD変換を行う。カウンタ208はAD変換を開始したタイミングからVCとVRAMPが一致し、比較器212の出力信号が反転するまでの間アップカウントを行い、比較器212の出力信号が反転した時点でカウント動作を停止し、その時の値を保持する。VRAMPが閾電位Vthに到達した時点でAD変換が終了となる。この時、N信号はダウンカウント、S信号に応じた電位VCはアップカウントでそれぞれAD変換をしている為、S信号のAD変換で得られるカウント値はリセット信号が除かれた信号となり、リセットノイズが取り除かれた信号(以下、S−N信号)となる。 Next, in a period from time t408 to t409, the DAC 207 outputs a RAMP signal and performs AD conversion of the potential VC according to the S signal. The counter 208 counts up from when the AD conversion is started until VC and VRAMP match and the output signal of the comparator 212 is inverted. When the output signal of the comparator 212 is inverted, the counter 208 stops counting. , Hold the value at that time. AD conversion ends when VRAMP reaches the threshold potential Vth. At this time, since the N signal is down-counted and the potential VC corresponding to the S signal is AD-converted by up-counting, the count value obtained by AD conversion of the S signal is a signal from which the reset signal is removed, and the reset signal is reset. The signal is a signal from which noise has been removed (hereinafter, an SN signal).
(S信号電位が閾電位より低い(S信号が閾信号より高い)場合の駆動方法)
図4を用いて説明した読み出し駆動方法はS信号の電位VCが閾電位Vthより高い場合であったが、ここでは図5を用いてS信号の電位VCが閾電位Vthより低い場合の説明をする。
(Drive method when S signal potential is lower than threshold potential (S signal is higher than threshold signal))
The read driving method described with reference to FIG. 4 is for the case where the potential VC of the S signal is higher than the threshold potential Vth. Here, the case where the potential VC of the S signal is lower than the threshold potential Vth will be described with reference to FIG. I do.
図5における時刻t501からt505までは図4における時刻t401からt405と同様の駆動のため、説明を割愛する。 The drive from time t501 to t505 in FIG. 5 is the same as the drive from time t401 to t405 in FIG.
次いで、時刻t506からt507の期間でS信号の電位VCが、ある閾電位(Vth)より低いか否かの判定を行う。時刻t506からt507の期間において、信号PJはHiとなる。また、DAC207により制御されるVRAMPはVthとなり、VCとVthを比較する。ここではS信号の電位VCがVthより低い場合を示す。比較した結果、電位VCはVthより低いため、比較器出力はLowとなる。信号PJの立下りタイミングでは比較器出力がLowとなるため、PSAVE回路209が機能する。具体的にはPSAVE回路209は、カウンタ208のカウント値を飽和値にリセットすると共に、カウンタ208のカウント動作を停止させ、比較器206をPSAVE状態にさせる機能を持つ。 Next, it is determined whether or not the potential VC of the S signal is lower than a certain threshold potential (Vth) during a period from time t506 to t507. During a period from time t506 to t507, the signal PJ becomes Hi. VRAMP controlled by the DAC 207 becomes Vth, and VC and Vth are compared. Here, a case where the potential VC of the S signal is lower than Vth is shown. As a result of the comparison, since the potential VC is lower than Vth, the output of the comparator becomes Low. Since the comparator output becomes low at the falling timing of the signal PJ, the PSAVE circuit 209 functions. Specifically, the PSAVE circuit 209 has a function of resetting the count value of the counter 208 to a saturation value, stopping the count operation of the counter 208, and setting the comparator 206 to the PSAVE state.
これにより、時刻t507以降において、カウンタ208のカウント動作による消費電力と比較器による消費電力を低減しつつ、飽和値を得ることが出来る。 Thus, after time t507, a saturated value can be obtained while reducing the power consumption by the counting operation of the counter 208 and the power consumption by the comparator.
以上、S信号の電位VCと閾電位Vthの関係に応じて、図4、図5で説明した読み出し駆動方法を行順次に行うことで、全ての画素信号の読み出しを行うことが出来る。 As described above, according to the relationship between the potential VC of the S signal and the threshold potential Vth, all the pixel signals can be read by performing the read driving method described with reference to FIGS.
(閾電位Vthについて)
ここでは図4、図5を用いて説明した駆動方法における閾電位Vthの決め方の概念について図6を用いて説明する。
(About threshold potential Vth)
Here, the concept of how to determine the threshold potential Vth in the driving method described with reference to FIGS. 4 and 5 will be described with reference to FIG.
図6はAD変換レンジと画像信号レンジの関係を示している。例えばカメラにおいて、ISO感度に代表される感度アップや各種補正の為に撮像素子105より出力される画像信号に対して、デジタルゲインをかけるシーンがある。このデジタルゲインをN倍とする。また、撮像素子で行うAD変換レンジを10bit、カメラが出力するRAW画像の信号レンジを同じく10bitとする。ここで、撮像素子に強い光が当たり、AD変換レンジにおいて飽和となる信号を考える。デジタルゲインNを2倍とすると、撮像素子において10bitのAD変換を行っても、これに対してデジタルゲイン2倍かかる為、AD変換レンジの上位半分が飽和に突き当たり、情報が用いられないことになる。これはS信号のAD変換にかかる消費電力の内、半分程度が無駄になっていることを表す。本実施例では閾電位VthをAD変換レンジの1/Nに設定することで、S信号のAD変換を行う前にデジタルゲイン後に飽和するかどうかを判定可能となり、画質に影響を与えることなく消費電力の低減が可能となる。 FIG. 6 shows the relationship between the AD conversion range and the image signal range. For example, in a camera, there is a scene in which a digital gain is applied to an image signal output from the image sensor 105 for increasing sensitivity represented by ISO sensitivity or performing various corrections. This digital gain is set to N times. The AD conversion range performed by the image sensor is 10 bits, and the signal range of the RAW image output by the camera is also 10 bits. Here, consider a signal in which strong light impinges on the image sensor and becomes saturated in the AD conversion range. Assuming that the digital gain N is doubled, even if 10-bit AD conversion is performed in the image sensor, the digital gain is doubled, so that the upper half of the AD conversion range hits saturation and information is not used. Become. This means that about half of the power consumed for AD conversion of the S signal is wasted. In this embodiment, by setting the threshold potential Vth to 1 / N of the A / D conversion range, it is possible to determine whether or not saturation occurs after digital gain before performing A / D conversion of the S signal, thereby consuming without affecting image quality. The power can be reduced.
本実施例では各列にカウンタを設け、N信号のAD変換をダウンカウント、S信号のAD変換をアップカウントとする構成で記載したが、これに限らない。例えば、列毎にデジタルメモリを有し、N信号とS信号のAD変換結果をそれぞれデジタルメモリに格納した後に減算することで相関2重サンプリングを行い、S−N信号を得る構成としても良い。また、カウンタを各列共通とし、各列にはラッチ回路を設けて、比較器が反転したタイミングのカウント値をラッチする構成としても良い。その際は飽和判定された列はラッチ回路と比較器の少なくとも一方のPSAVEを行うこととする。 In this embodiment, a counter is provided for each column, and the A / D conversion of the N signal is down-counted and the A / D conversion of the S signal is up-counted. However, the present invention is not limited to this. For example, a digital memory may be provided for each column, and an AD conversion result of the N signal and the S signal may be stored in the digital memory and then subtracted to perform correlated double sampling to obtain an SN signal. Alternatively, the counter may be common to each column, and a latch circuit may be provided for each column to latch the count value at the timing when the comparator is inverted. In this case, the column for which saturation is determined is subjected to PSAVE of at least one of the latch circuit and the comparator.
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 As described above, the preferred embodiments of the present invention have been described, but the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist.
実施例1では閾電位VthをAD変換後にかかるデジタルゲインに応じて変える例を示した。実施例2ではデジタルゲインに加え、PDで発生する暗電流量に応じて閾電位Vthを変える例を説明する。ここでは実施例1との差分である閾電位Vthの決め方とより詳細に説明が必要な部分のみを記載する。 In the first embodiment, an example in which the threshold potential Vth is changed in accordance with the digital gain after AD conversion has been described. In the second embodiment, an example will be described in which the threshold potential Vth is changed according to the amount of dark current generated in the PD in addition to the digital gain. Here, only how to determine the threshold potential Vth, which is the difference from the first embodiment, and the portions that need to be described in more detail are described.
(撮像素子の構成)
図7は実施例2における撮像素子101の構成を示す図である。撮像素子101は701に示す開口画素部、702に示すOB画素部、703に示すNULL画素部で構成される。開口画素部701は図3で示した構成であり、撮像素子に入射する光量に応じた信号を出力する。OB画素部702は開口画素部701と同様の画素構成となるが、PDは配線金属によって遮光され、入射する光量に依らず常に暗時の出力となり、黒レベルの基準として用いられる。NULL画素部703は開口画素部701、OB画素部702と異なり、PDを有さない画素構造となる。それ以外のトランジスタ等は他の画素部と同様である。NULL画素部703はPDを有さない為、入射する光量によって信号が変化しないことはもちろん、PDで発生する暗電流も発生しない。その為、OB画素部702の出力とNULL画素部703の出力の差分よりPDで発生した暗電流量が分かる。
(Configuration of imaging device)
FIG. 7 is a diagram illustrating the configuration of the image sensor 101 according to the second embodiment. The image sensor 101 includes an aperture pixel unit 701, an OB pixel unit 702, and a NULL pixel unit 703. The aperture pixel unit 701 has the configuration shown in FIG. 3, and outputs a signal corresponding to the amount of light incident on the image sensor. The OB pixel portion 702 has a pixel configuration similar to that of the aperture pixel portion 701, but the PD is shielded from light by the wiring metal, and always outputs in the dark state regardless of the amount of incident light, and is used as a reference for the black level. The NULL pixel portion 703 has a pixel structure without a PD unlike the aperture pixel portion 701 and the OB pixel portion 702. Other transistors and the like are the same as the other pixel portions. Since the NULL pixel portion 703 does not have a PD, the signal does not change depending on the amount of incident light, and the dark current generated in the PD does not occur. Therefore, the amount of dark current generated in the PD can be determined from the difference between the output of the OB pixel unit 702 and the output of the NULL pixel unit 703.
また、撮像素子の読み出しはNULL画素部から開口画素部へ行順次に行う。 The reading of the image sensor is performed in a row-sequential manner from the NULL pixel portion to the aperture pixel portion.
(閾電位Vthについて)
図8は各信号についての内訳と信号処理の流れを示している。縦軸は信号量を示している。N信号は上述した通り、リセットノイズである。S信号はリセットノイズに加え、PDで発生する暗電流とPDに入射した光量によって発生した信号(以下、光信号)で構成される。S−N信号は相関2重サンプリングによってリセットノイズが除かれた、暗電流と光信号から成る。光信号は撮像信号処理回路107によってOBクランプが行われる。OBクランプはOB画素部702の信号を黒レベル(0)とする処理であり、これによって暗電流成分が除かれる。OBクランプ後は光信号のみとなり、これに対してデジタルゲインがかかり、画像信号となる。
(About threshold potential Vth)
FIG. 8 shows the details of each signal and the flow of signal processing. The vertical axis indicates the signal amount. The N signal is reset noise as described above. The S signal is composed of a dark current generated in the PD and a signal (hereinafter, an optical signal) generated by the amount of light incident on the PD, in addition to the reset noise. The SN signal consists of dark current and light signals, with reset noise removed by correlated double sampling. The optical signal is subjected to OB clamping by the image signal processing circuit 107. The OB clamp is a process of setting the signal of the OB pixel portion 702 to a black level (0), thereby removing a dark current component. After the OB clamp, only an optical signal is generated, a digital gain is applied to the optical signal, and an image signal is generated.
この時、AD変換はS信号に対して行われるが、S信号には暗電流が含まれる。暗電流は温度や蓄積時間に依存して大きくなる為、高温環境下や蓄積時間が長い場合、閾電位Vthは画像信号レンジをデジタルゲインで除算した値に暗電流を加算した値とする必要がある。 At this time, the AD conversion is performed on the S signal, and the S signal includes a dark current. Since the dark current increases depending on the temperature and the accumulation time, in a high-temperature environment or when the accumulation time is long, the threshold potential Vth needs to be a value obtained by dividing the image signal range by the digital gain and adding the dark current. is there.
この時、暗電流は開口画素部701より先に読み出されるOB画素部702とNULL画素部703の差とする。 At this time, the dark current is the difference between the OB pixel portion 702 and the NULL pixel portion 703 which are read before the opening pixel portion 701.
この駆動を行うことで、撮影条件や温度環境下に依らず、画質に影響のない、低消費電力駆動が可能となる。 By performing this driving, low-power-consumption driving that does not affect image quality can be performed regardless of shooting conditions and temperature environment.
尚、暗電流はOB画素部702とNULL画素部703から求めることに限定されず、例えば予め温度や蓄積時間、若しくはその両方における暗電流量のテーブルを持っておき、蓄積時間や温度検出素子106より検出される温度によって閾電位Vthを変えても良い。また、温度や蓄積時間、もしくはその組み合わせに応じて本実施例で示したデジタルゲインと暗電流に応じて閾電位を変化させる駆動と実施例1で示したデジタルゲインに応じて閾電位を変化させる駆動、もしくは従来駆動とを切り替える、としても良い。 Note that the dark current is not limited to being obtained from the OB pixel unit 702 and the NULL pixel unit 703. For example, a table of the amount of dark current for the temperature, the accumulation time, or both is stored in advance, and the accumulation time, the temperature detection element 106 The threshold potential Vth may be changed depending on the detected temperature. In addition, the threshold voltage is changed according to the digital gain shown in the present embodiment and the threshold potential according to the dark current according to the temperature and the accumulation time or a combination thereof, and the threshold potential is changed according to the digital gain shown in the first embodiment. It is also possible to switch between driving and conventional driving.
実施例1、2ではS信号のAD変換を行う前に画像信号において飽和するか否かの判定を行い、画像信号において飽和すると判定した場合はS信号のAD変換を行わない例を説明した。本実施例では広ダイナミックレンジを得るための手法の一つである、異なる露出の2枚の画像を合成することで、ダイナミックレンジの広い画像を取得するモード(以下、HDRモード)における適用例を説明する。 In the first and second embodiments, an example has been described in which it is determined whether or not the image signal is saturated before the A / D conversion of the S signal is performed. If it is determined that the S signal is saturated, the A / D conversion of the S signal is not performed. In the present embodiment, an application example in a mode (hereinafter, HDR mode) for acquiring an image having a wide dynamic range by synthesizing two images having different exposures, which is one of techniques for obtaining a wide dynamic range. explain.
ここでは蓄積時間を変えることで露出を異ならせる例を示すが、これに限らず、例えば低感度画素と高感度画素からなる撮像素子によって実現するHDRモードについて適用しても良い。 Here, an example is shown in which the exposure is made different by changing the accumulation time. However, the present invention is not limited to this, and may be applied to, for example, an HDR mode realized by an image sensor including low-sensitivity pixels and high-sensitivity pixels.
図9は撮像素子のダイナミックレンジと被写体の明るさについての関係を示した図である。縦軸を撮像素子の出力、横軸を被写体の明るさとして、901で示した線が蓄積時間を相対的に長くした場合の出力、902で示した線が蓄積時間を相対的に短くした場合の出力をそれぞれ示している。ここで、例えば撮影者がある被写体に対して、901の蓄積時間で被写体を撮影した場合、高輝度側が飽和で突き当たる、いわゆる白とびが発生してしまう。 FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the dynamic range of the image sensor and the brightness of the subject. When the vertical axis represents the output of the image sensor and the horizontal axis represents the brightness of the subject, the line indicated by 901 is an output when the accumulation time is relatively long, and the line indicated by 902 is a case where the accumulation time is relatively short. Respectively are shown. Here, for example, when the photographer shoots a subject with a storage time of 901 with respect to a certain subject, a so-called overexposure occurs in which the high-luminance side hits with saturation.
そこで、901で飽和してしまう明るさの諧調を得るために、902で示す901より短い蓄積時間を用いて撮影を行い、901と902で得られる画像を合成することで広いダイナミックレンジを持った画像を得ることが出来る。 Therefore, in order to obtain a gradation of brightness saturated at 901, shooting was performed using an accumulation time shorter than 901 shown at 902, and a wide dynamic range was obtained by combining the images obtained at 901 and 902. Images can be obtained.
ここで902が合成画像に用いられる信号領域について考えた時、901の蓄積時間において飽和する信号(Lth)より大きい信号領域である。すなわち、902の画像信号においてLthより小さい信号領域は画像合成には用いられない為、正しい信号を出力する必要がない。本実施例ではここに着目し、高輝度側の諧調を得るための画像におけるAD変換において、閾電位をLthに相当する電位VLthとし、VLthとS信号の電位VCとの比較において、電位VCが閾電位VLthより大きい場合(S信号が信号Lthより小さい場合)はカウンタ208のカウント値を0にリセットすると共に、それ以降の期間、カウンタ208のカウント動作を停止させ、比較器206をPSAVE状態にさせる。この駆動によって、画像に用いられない領域におけるAD変換回路の消費電力を低減させることが可能となる。 Here, when considering the signal area used for the composite image, reference numeral 902 denotes a signal area larger than the signal (Lth) saturated in the accumulation time of 901. That is, a signal area smaller than Lth in the image signal 902 is not used for image synthesis, and thus it is not necessary to output a correct signal. In the present embodiment, attention is paid here, and in AD conversion of an image for obtaining a high-luminance gradation, the threshold potential is set to a potential VLth corresponding to Lth, and in comparison between VLth and the potential VC of the S signal, the potential VC becomes If the threshold value is higher than the threshold potential VLth (if the S signal is lower than the signal Lth), the count value of the counter 208 is reset to 0, and thereafter, the counting operation of the counter 208 is stopped, and the comparator 206 is set to the PSAVE state. Let it. By this driving, it is possible to reduce power consumption of the AD conversion circuit in an area not used for an image.
101 レンズ部、102 レンズ駆動装置、
103 メカニカルシャッター、104 シャッター制御手段、
105 撮像素子106 温度検知素子、107 撮像信号処理回路、
108 タイミング発生回路、109 メモリ、110 制御回路、
111 インターフェース、112 記録媒体、113 表示部
101 lens unit, 102 lens driving device,
103 mechanical shutter, 104 shutter control means,
105 imaging element 106 temperature detection element, 107 imaging signal processing circuit,
108 timing generation circuit, 109 memory, 110 control circuit,
111 interface, 112 recording medium, 113 display unit
Claims (6)
画素列に対応して配置される画素信号を伝達する複数の垂直信号線と、
時刻と共に変化しない第1の参照信号と、時刻と共に所定の傾きで電圧が変化する第2の参照信号を生成可能な参照信号生成部と、
前記垂直信号線に対応して配置される、前記画素からの信号と前記第2の参照電圧との比較を行ってデジタル信号に変換する複数のAD変換回路を有し、
前記光電変換素子に入射した光量に応じて変化する信号を第1の画素信号とした時、前記AD変換回路は第1の参照信号と第1の画素信号との比較を行う判定動作を行い、判定動作の結果に応じて、前記第2の参照信号を用いたAD変換を行うか否かを切り替えることを特徴とする固体撮像装置。 A pixel portion in which a plurality of unit pixels including the photoelectric conversion element are arranged in a matrix,
A plurality of vertical signal lines for transmitting pixel signals arranged corresponding to the pixel columns;
A reference signal generation unit that can generate a first reference signal that does not change with time and a second reference signal whose voltage changes with a predetermined slope with time;
A plurality of A / D conversion circuits arranged corresponding to the vertical signal lines, for comparing a signal from the pixel with the second reference voltage and converting the signal into a digital signal;
When a signal that changes according to the amount of light incident on the photoelectric conversion element is a first pixel signal, the AD conversion circuit performs a determination operation of comparing a first reference signal and the first pixel signal, A solid-state imaging device that switches whether to perform AD conversion using the second reference signal according to a result of a determination operation.
前記第1の参照信号のレベルは前記デジタルゲインに応じて変えることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 The imaging apparatus further includes a signal processing circuit capable of multiplying the digital signal by a digital gain,
2. The imaging device according to claim 1, wherein the level of the first reference signal is changed according to the digital gain.
前記第1の参照信号のレベルは前記温度検出素子によって検出された温度に応じてレベルを変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。 The imaging apparatus further includes a temperature detection element capable of detecting a temperature of the imaging element,
The imaging apparatus according to claim 1, wherein a level of the first reference signal changes according to a temperature detected by the temperature detection element.
前記第1の参照信号のレベルは前記露光制御手段によって制御される露光時間に応じてレベルを変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。 The imaging device further includes an exposure control unit,
The imaging apparatus according to claim 1, wherein the level of the first reference signal changes according to an exposure time controlled by the exposure control unit.
光電変換素子を含む単位画素から成り、入射した光が単位画素に入光しないよう遮光される構成の画素から成る第2の画素群と、
光電変換素子を含まない単位画素から成る第3の画素群で構成される前記画素部であり、
前記第1の参照信号のレベルは前記第2の画素群の出力と前記第3の画素群の出力の差に応じてレベルを変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。 A first pixel group including a unit pixel including a photoelectric conversion element, and a pixel having a configuration in which incident light enters the unit pixel;
A second pixel group including a pixel including a photoelectric conversion element and configured to block light so that incident light does not enter the unit pixel;
The pixel unit includes a third pixel group including unit pixels that do not include a photoelectric conversion element.
The imaging apparatus according to claim 1, wherein the level of the first reference signal changes according to a difference between an output of the second pixel group and an output of the third pixel group.
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