JP2020102819A - 撮像装置および撮像装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】電源の負荷変動を低減し、画質の劣化を抑えることができる撮像装置を提供する。【解決手段】行列状に配列され、各々が光電変換に基づく信号を生成する複数の画素(107)と、複数の入力部とを有し、複数の画素は、各々が2行以上かつ2列以上の行列状に配列された複数の画素を有する複数の分割領域(201,202)に分割され、複数の分割領域は、それぞれ、分割領域の中の複数の画素のうちのいずれか1つの画素の信号を複数の入力部に出力し、複数の分割領域の各々は、分割領域の中の複数の画素のうちの第1の画素の信号を入力部に出力する場合には第1の電流が流れ、分割領域の中の複数の画素のうちの第2の画素の信号を入力部に出力する場合には第1の電流とは異なる第2の電流が流れ、第1の分割領域が第1の画素の信号を第1の入力部に出力すると同時に、第2の分割領域が第2の画素の信号を第2の入力部に出力する。【選択図】図2
Description
本発明は、撮像装置および撮像装置の制御方法に関する。
デジタルカメラに用いられる固体撮像素子には、高画質化と読み出しの高速化が求められている。高速化を可能にする固体撮像素子として、アナログデジタル(AD)変換器を内蔵する固体撮像素子が知られている。例えば、高画質化を可能にする固体撮像素子として、特許文献1には、色毎に読み出し時の電流を変えることで、同色の画素信号の混合時の偽色の発生を低減し、高画質化を実現する固体撮像素子が開示されている。
近年、信号読み出し速度をさらに高速化するために、複数の画素を備えた画素部が行方向および列方向の複数の領域に分割され、分割領域毎にAD変換器を設けた撮像素子が開発されている。このようにAD変換器が分割領域毎に設けられている固体撮像素子において、特許文献1のように、色毎に画素を読み出す電流を変え、各分割領域で同じ色の画素を同時に読み出した場合、時系列で読み出す色が変化するため、電源の負荷変動が増加する。この電源の負荷変動により、電源電圧が変動し、画質が劣化してしまう。
本発明の目的は、電源の負荷変動を低減し、画質の劣化を抑えることができる撮像装置および撮像装置の制御方法を提供することである。
本発明の撮像装置は、行列状に配列され、各々が光電変換に基づく信号を生成する複数の画素と、複数の入力部とを有し、前記複数の画素は、各々が2行以上かつ2列以上の行列状に配列された複数の画素を有する複数の分割領域に分割され、前記複数の分割領域は、それぞれ、前記分割領域の中の複数の画素のうちのいずれか1つの画素の信号を前記複数の入力部に出力し、前記複数の分割領域の各々は、前記分割領域の中の複数の画素のうちの第1の画素の信号を前記入力部に出力する場合には第1の電流が流れ、前記分割領域の中の複数の画素のうちの第2の画素の信号を前記入力部に出力する場合には前記第1の電流とは異なる第2の電流が流れ、前記複数の分割領域のうちの第1の分割領域が前記第1の画素の信号を前記複数の入力部のうちの第1の入力部に出力すると同時に、前記複数の分割領域のうちの第2の分割領域が前記第2の画素の信号を前記複数の入力部のうちの第2の入力部に出力する。
本発明によれば、電源の負荷変動を低減し、画質の劣化を抑えることができる。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態による固体撮像素子100の構成例を示す斜視図である。固体撮像素子100は、例えばCMOS撮像装置であり、第1の基板101と第2の基板102の積層構造を有する。第1の基板101は、画素部103と、制御回路104とを有する。画素部103は、行列状に配列された複数の画素107を有する。制御回路104は、複数の画素107を制御し、複数の画素107の信号を読み出す。
図1は、本発明の第1の実施形態による固体撮像素子100の構成例を示す斜視図である。固体撮像素子100は、例えばCMOS撮像装置であり、第1の基板101と第2の基板102の積層構造を有する。第1の基板101は、画素部103と、制御回路104とを有する。画素部103は、行列状に配列された複数の画素107を有する。制御回路104は、複数の画素107を制御し、複数の画素107の信号を読み出す。
第2の基板102は、アナログデジタル(AD)変換部105と、出力部106とを有する。AD変換部105は、画素107の信号を入力する入力部であり、画素107の信号をAD変換する。出力部106は、AD変換部105のAD変換結果を出力する。AD変換部105は、画素部103を行方向および列方向に分割された分割領域毎に配置される。
図2は、図1の画素部103の構成例を示す図である。画素部103は、行列状に配列された複数の画素107を有する。複数の画素107の各々は、光電変換に基づく信号を生成する。画素部103は、行方向に2行以上かつ列方向に2列以上のm行n列の行列状に配列されている複数の分割領域201,202に分割される。複数の分割領域201,202の各々は、2行以上かつ2列以上の行列状に配列された複数の画素107を有する。
分割領域201は、偶数列の分割領域である。分割領域202は、奇数列の分割領域である。分割領域201および202は、それぞれ、例えば16行11列の画素107を有する。複数の画素107には、赤(R),緑(Gr),緑(Gb),青(B)のベイヤ配列の色フィルタが設けられる。R画素は、赤(R)の色フィルタが設けられた画素107を示す。Gr画素は、緑(Gr)の色フィルタが設けられた画素107を示す。Gb画素は、緑(Gb)の色フィルタが設けられた画素107を示す。B画素は、青(B)の色フィルタが設けられた画素107を示す。
図1に示すように複数のAD変換部105は、それぞれ、複数の分割領域201,202毎に設けられる。複数のAD変換部105の各々は、それぞれ、複数の分割領域201および202の各々の中で、左上の画素107から右方向の画素107に向けて順次、AD変換を行う。第1行の11画素のAD変換が完了すると、複数のAD変換部105の各々は、次行の左端の画素107から右端の画素107に向けて、AD変換を繰り返し、分割領域内の全画素107のAD変換を行う。複数のAD変換部105は、複数の分割領域201,202の画素107の信号のAD変換を同時に行う。なお、図2中の画素107のR,Gr,Gb,Bの下に記載した数字は、AD変換を行う順序を示している。
固体撮像素子100は、高フレームレートの低画素化のため、同じ色の画素107の信号を混合するモードを有する。このモードでは、混合する複数の画素107の出力差が大きくなるほど、入力に対する出力の線形性が保てなくなり、偽色が発生してしまう。入出力の線形性が保てない場合に、信号出力を行う画素107の電流値を全画素107で一律に増加させる手法が考えられるが、この手法では消費電力の増加を招くことになる。そこで、例えば、Gr画素およびGb画素の信号を読み出す際の電流は、R画素およびB画素の信号を読み出す電流の2倍になるようにする。これにより、偽色の発生を低減し、高画質化を実現しつつ、消費電力の増加を抑制することができる。その場合、全ての分割領域201,202で同じ色の画素107の信号を同時に読み出すと、Gr画素またはGb画素の信号を読み出す時と、R画素またはB画素の信号を読み出す時とで電流が異なるため、読み出しにかかる負荷が変動する。これにより、電源電圧が変動し、画質が劣化してしまう。
そこで、本実施形態では、各分割領域の1行の画素数を奇数にする。例えば、複数の分割領域201,202の各々は、各行が11画素であり、各列が16画素である176個の画素107を有する。画素部103は、m行n列の分割領域201,202を有する。分割領域201は、偶数列の分割領域である。分割領域202は、奇数列の分割領域である。すると、偶数列の分割領域201内の左上の画素107は、R画素である。奇数列の分割領域202内の左上の画素107は、Gr画素である。
制御回路104は、上記のように、分割領域201,202の各々で、左上の画素から順次読み出しを行う。例えば、制御回路104は、偶数列の分割領域201内の左上のR画素の信号と、奇数列の分割領域202内の左上のGr画素の信号とを同時に読み出す。偶数列の分割領域201と奇数列の分割領域202とでは、異なる色の画素の信号が同時に読み出される。この場合、偶数列の分割領域201と奇数列の分割領域202の読み出しにかかる負荷を合わせたトータルの負荷の変動を抑えることができ、電源電圧の変動を低減することができる。つまり、画質の劣化を低減することが可能となる。読み出しの負荷についての詳細は、図6を用いて後述する。
図3は、図2の偶数列の分割領域201の構成例を示す回路図である。ここでは、偶数列の分割領域201の構成例を説明するが、奇数列の分割領域202の構成は、偶数列の分割領域202の構成と同様であり、色の配列のみが異なる。
分割領域201は、16行11列の複数の画素107を有する。複数の画素107の各々は、フォトダイオード301、転送スイッチ302、フローティングディフュージョン部(以下、FDと記す)303、増幅トランジスタ304、行選択スイッチ305、列選択スイッチ306、およびリセットスイッチ307を有する。
フォトダイオード301は、入射する光を電荷に変換する光電変換部である。転送スイッチ302は、そのゲート端子に入力される転送パルスTX[x,y]に応じて、フォトダイオード301により変換された電荷をFD303に転送する。制御回路104は、転送パルスTX[x,y]を生成する。xは1〜11であり、yは1〜16である。第1行の11列の転送スイッチ302は、それぞれ、11個の転送パルスTX[1,1]〜TX[11,1]に応じて、転送する。第16行の11列の転送スイッチ302は、それぞれ、11個の転送パルスTX[1,16]〜TX[11,16]に応じて、転送する。
FD303は、電荷を蓄積するとともに、蓄積した電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部である。増幅トランジスタ304は、そのゲートがFD303に接続され、そのドレインが電源線VDDに接続され、そのソースが行選択スイッチ305に接続される。また、増幅トランジスタ304は、ソースフォロアとして機能し、FD303に蓄積されている電荷量に応じた電圧を出力する。
行選択スイッチ305は、そのゲートに入力される行選択パルスSELY[y](y=1〜16)によって駆動され、そのドレインが増幅トランジスタ304に接続され、そのソースが列選択スイッチ306に接続される。制御回路104は、行選択パルスSELY[y]を生成する。16行の画素107内の行選択スイッチ305は、それぞれ、16個の行選択パルスSELY[1]〜SELY[16]を入力する。
列選択スイッチ306は、そのゲートに入力される列選択パルスSELX[x](x=1〜11)よって駆動され、そのドレインが行選択スイッチ305に接続され、そのソースが信号線308に接続される。制御回路104は、列選択パルスSELX[x]を生成する。11列の画素107内の列選択スイッチ306は、それぞれ、11個の列選択パルスSELX[1]〜SELX[11]を入力する。
各画素107では、行選択スイッチ305および列選択スイッチ306は、行選択パルスSELYおよび列選択パルスSELXがアサートされると、増幅トランジスタ304のソースを信号線308に接続する。すると、増幅トランジスタ304は、FD303に蓄積されている電荷量に応じた電圧を、信号線308を介して、AD変換部105に出力する。
リセットスイッチ307は、そのドレインが電源線VDDに接続され、そのソースがFD303に接続され、そのゲートに入力されるリセットパルスRST[y](y=1〜16)に応じて、FD303に蓄積されている電荷をリセットする。制御回路104は、リセットパルスRST[y]を生成する。16行の画素107内のリセットスイッチ307は、それぞれ、16個のリセットパルスRST[1]〜RST[16]を入力する。
定電流源309は、信号線308に接続され、信号線308に定電流を供給する。FD303、増幅トランジスタ304および定電流源309は、ソースフォロアアンプを構成する。なお、定電流源309は、電流切り替え信号により、信号線308に供給する電流を切り替える。制御回路104は、電流切り替え信号を生成する。例えば、Gr画素およびGb画素の信号を読み出す際の電流は、R画素およびB画素の信号を読み出す電流の2倍である。これにより、偽色の発生を低減し、高画質化を実現しつつ、消費電力の増加を抑制することができる。
図4は、図1のAD変換部105の構成例を示す図である。AD変換部105は、比較器401、ランプ(RAMP)回路402、ラッチ部403、カウンタ404、S信号用メモリ(以下、Sメモリ)405、N信号用メモリ(以下、Nメモリ)406、および差分回路407を有する。
ランプ回路402は、時間に対して変化するランプ信号(参照信号)を生成し、ランプ信号を比較器401に出力する。比較器401は、ランプ信号と信号線308からの画素信号を比較し、ランプ信号と画素信号の大小関係が逆転すると、出力信号を反転させる。カウンタ404は、制御回路104から供給されるクロック信号を基にカウント動作を行う。カウンタ404は、比較器401が画素信号とランプ信号との比較を開始したタイミングからカウント動作を開始し、比較器401の出力信号が反転したときのカウント値をラッチ部403に出力する。このカウント値は、信号線308の画素信号をアナログからデジタルに変換したデジタル値である。ラッチ部403は、比較器401が出力するカウント値をラッチする。
画素107は、FD303のリセット解除に基づくN信号を出力し、その後、フォトダイオード301により変換された電荷に基づくS信号を出力する。画素107がN信号を出力した場合、ラッチ部403は、N信号のカウント値を出力し、Nメモリ406は、N信号のカウント値を保持する。画素107がS信号を出力した場合、ラッチ部403は、S信号のカウント値を出力し、Sメモリ405は、S信号のカウント値を保持する。差分回路407は、Sメモリ405が保持しているS信号のカウント値から、Nメモリ406が保持しているN信号のカウント値を減算し、その減算結果を画像信号として出力部106へ出力する。
図5(a)〜(c)は、固体撮像素子100の制御方法を示すタイミングチャートである。図5(a)は、制御回路104が生成する列選択パルスSELX、行選択パルスSELY、リセットパルスRST、転送パルスTXのタイミングチャートである。図5(b)は、ランプ回路402が出力するランプ信号(電圧)Vrampと信号線308の画素信号(電圧)VCompのタイミングチャートである。図5(c)は、カウンタ404のカウント値を示すタイミングチャートである。
まず、時刻T1では、制御回路104は、AD変換を行う左上の画素107を選択するため、行選択パルスSELY[1]および列選択パルスSELX[1]をアサートする(図5(a))。すると、偶数列の分割領域201では、左上のR1画素107の行選択スイッチ305および列選択スイッチ306がオンになる。奇数列の分割領域202では、左上のGr1画素107の行選択スイッチ305および列選択スイッチ306がオンになる。
また、時刻T1では、制御回路104は、リセットパルスRST[1]をアサートする。すると、分割領域201および202内の第1行のリセットスイッチ307は、FD303に蓄積されている電荷をリセットする。これにより、分割領域201の左上のR1画素107および分割領域202の左上のGr1画素107は、リセットレベルの画素信号VCompを信号線308に出力する。
時刻T2では、制御回路104は、リセットパルスRST[1]をネゲートし(図5(a))、ランプ回路402は、ランプ信号VRampのレベル変化を開始し(図5(b))、カウンタ404は、カウント値のカウント動作を開始する(図5(c))。分割領域201および202内の第1行のリセットスイッチ307は、FD303のリセットを解除する。これにより、分割領域201の左上のR1画素107および分割領域202の左上のGr1画素107は、FD303のリセット解除に基づくN信号を画素信号VCompとして信号線308に出力する。
時刻T3では、各AD変換部105の比較器401は、ランプ信号Vrampと画素信号(N信号)VCompとの大小関係が逆転すると(図5(b))、出力信号を反転させ、カウンタ404は、カウント値のカウント動作を停止する(図5(c))。ラッチ部403は、カウンタ404のカウント値をラッチし、Nメモリ406は、ラッチ部403がラッチしたカウント値をN信号のカウント値として保持する。N信号のカウント値は、信号線308のN信号をアナログからデジタルに変換したデジタル値である。その後、ランプ回路402は、ランプ信号Vrampを初期状態にリセットする(図5(b))。
時刻T4では、制御回路104は、転送パルスTX[1,1]をアサートする(図5(a))。すると、分割領域201の左上のR1画素107および分割領域202の左上のGr1画素107では、転送スイッチ302は、フォトダイオード301により変換された電荷をFD303に転送する。これにより、分割領域201の左上のR1画素107および分割領域202の左上のGr1画素107は、フォトダイオード301により変換された電荷に基づくS信号を画素信号VCompとして信号線308に出力する。画素信号(S信号)VCompは、変化を開始し、やがて安定する(図5(b))。
時刻T5では、ランプ回路402は、ランプ信号VRampのレベル変化を開始し(図5(b))、カウンタ404は、カウント値のカウント動作を開始する(図5(c))。
時刻T6では、各AD変換部105の比較器401は、ランプ信号Vrampと画素信号(S信号)VCompとの大小関係が逆転すると(図5(b))、出力信号を反転させ、カウンタ404は、カウント値のカウント動作を停止する(図5(c))。ラッチ部403は、カウンタ404のカウント値をラッチし、Sメモリ405は、ラッチ部403がラッチしたカウント値をS信号のカウント値として保持する。S信号のカウント値は、信号線308のS信号をアナログからデジタルに変換したデジタル値である。
時刻T7では、制御回路104は、転送パルスTX[1,1]をネゲートし、行選択パルスSELY[1]および列選択パルスSELX[1]をネゲートする(図5(a))。分割領域201の左上のR1画素107および分割領域202の左上のGr1画素107では、転送スイッチ302は、上記の電荷の転送を終了し、行選択スイッチ305および列選択スイッチ306は、オフになる。この後、差分回路407は、Sメモリ405のS信号のカウント値とNメモリ406のカウント値との差分を画像信号として出力部106に出力する。出力部106は、分割領域201の左上のR1画素107と分割領域202の左上のGr1画素107の画像信号を出力する。
以上により、左上のR1画素107とGr画素107のAD変換が終了し、以降、右隣の画素107を選択し、AD変換の動作を繰り返す。
時刻T8では、制御回路104は、行選択パルスSELY[1]および列選択パルスSELX[2]をアサートする(図5(a))。すると、偶数列の分割領域201では、Gr2画素107の行選択スイッチ305および列選択スイッチ306がオンになる。奇数列の分割領域202では、R2画素107の行選択スイッチ305および列選択スイッチ306がオンになる。
また、時刻T8では、制御回路104は、リセットパルスRST[1]をアサートする。すると、分割領域201および202内の第1行のリセットスイッチ307は、FD303に蓄積されている電荷をリセットする。
時刻T9では、制御回路104は、リセットパルスRST[1]をネゲートし(図5(a))、ランプ回路402は、ランプ信号VRampのレベル変化を開始し(図5(b))、カウンタ404は、カウント値のカウント動作を開始する(図5(c))。分割領域201のGr2画素107および分割領域202のR2画素107は、FD303のリセット解除に基づくN信号を画素信号VCompとして信号線308に出力する。
各AD変換部105の比較器401は、ランプ信号Vrampと画素信号(N信号)VCompとの大小関係が逆転すると、出力信号を反転させ、カウンタ404は、カウント値のカウント動作を停止する(図5(c))。ラッチ部403は、カウンタ404のカウント値をラッチし、Nメモリ406は、ラッチ部403がラッチしたカウント値をN信号のカウント値として保持する。
時刻T10では、制御回路104は、転送パルスTX[2,1]をアサートする(図5(a))。すると、分割領域201のGr2画素107および分割領域202のR2画素107では、転送スイッチ302は、フォトダイオード301により変換された電荷をFD303に転送する。これにより、分割領域201の左上のR1画素107および分割領域202の左上のGr1画素107は、フォトダイオード301により変換された電荷に基づくS信号を画素信号VCompとして信号線308に出力する。
その後、ランプ回路402は、ランプ信号VRampのレベル変化を開始し、カウンタ404は、カウント値のカウント動作を開始する。各AD変換部105の比較器401は、ランプ信号Vrampと画素信号(S信号)VCompとの大小関係が逆転すると、出力信号を反転させ、カウンタ404は、カウント値のカウント動作を停止する。ラッチ部403は、カウンタ404のカウント値をラッチし、Sメモリ405は、ラッチ部403がラッチしたカウント値をS信号のカウント値として保持する。
時刻T11では、出力部106は、分割領域201のR1画素107と分割領域202のGr1画素107の画像信号の出力を終了する。
時刻T12では、制御回路104は、転送パルスTX[2,1]をネゲートし、行選択パルスSELY[1]および列選択パルスSELX[2]をネゲートする(図5(a))。分割領域201のGr2画素107および分割領域202のR2画素107では、転送スイッチ302は、上記の電荷の転送を終了し、行選択スイッチ305および列選択スイッチ306は、オフになる。この後、差分回路407は、Sメモリ405のS信号のカウント値とNメモリ406のカウント値との差分を画像信号として出力部106に出力する。出力部106は、分割領域201のGr2画素107と分割領域202のR2画素107の画像信号を出力する。
図6(a)〜(d)は、読み出しの負荷を示すタイミングチャートである。図6(a)は、制御回路104が生成する行選択パルスSELXおよび列選択パルスSELYのタイミングチャートである。図6(b)は、偶数列の分割領域201の画素信号の読み出し時の電流のタイミングチャートである。図6(c)は、奇数列の分割領域202の画素信号の読み出し時の電流のタイミングチャートである。図6(d)は、偶数列の分割領域201の画素信号の読み出し時の電流と奇数列の分割領域202の画素信号の読み出し時の電流との合計の電流のタイミングチャートである。
時刻T1では、制御回路104は、AD変換を行う左上のR1画素107とGr1画素107を選択するため、行選択パルスSELY[1]および列選択パルスSELX[1]をアサートする(図6(a))。分割領域201では、定電流源309は、R1画素107のFD303と増幅トランジスタ304と信号線308に定電流を供給する。分割領域202では、定電流源309は、Gr1画素107のFD303と増幅トランジスタ304と信号線308に定電流を供給する。定電流源309は、電流切り替え信号により、電流を切り替え可能である。
図6(b)〜(d)では、Gr画素とGb画素の信号を読み出す際の電流が、R画素とB画素の信号を読み出す際の電流の2倍である場合を示す。説明の簡便化のために、相対的に、R画素とB画素の電流値を1とし、Gr画素とGb画素の電流値を2とする。偶数列の分割領域201の左上のR1画素は、電流が1まで増加する(図6(b))。一方、奇数列の分割領域202の左上のGr1画素は、電流が2まで増加する(図6(c))。したがって、偶数列の分割領域201のR1画素の電流と奇数列の分割領域202のGr1画素の電流との合計の電流は3となる(図6(d))。この電流は、行選択パルスSELY[1]および列選択パルスSELX[1]がアサートされている間、流れ続けるため、AD変換が完了し、行選択パルスSELY[1]および列選択パルスSELX[1]がネゲートされる時刻T7まで流れる。
時刻T8では、制御回路104は、AD変換を行うGr2画素107とR2画素107を選択するため、行選択パルスSELY[1]および列選択パルスSELX[2]をアサートする(図6(a))。分割領域201では、定電流源309は、Gr2画素107のFD303と増幅トランジスタ304と信号線308に定電流を供給する。分割領域202では、定電流源309は、R2画素107のFD303と増幅トランジスタ304と信号線308に定電流を供給する。
偶数列の分割領域201のGr2画素は、電流が2まで増加する(図6(b))。一方、奇数列の分割領域202のR2画素は、電流が1まで減少する(図6(c))。したがって、偶数列の分割領域201のGr2画素の電流と奇数列の分割領域202のR2画素の電流との合計の電流は3となり、時刻T7以前と同じである(図6(d))。この電流は、行選択パルスSELY[1]および列選択パルスSELX[2]がアサートされている間、流れ続けるため、AD変換が完了し、行選択パルスSELY[1]および列選択パルスSELX[2]がネゲートされる時刻T9まで流れる。
以上のように、固体撮像素子100は、偽色の発生を低減しつつ消費電力の増加を抑制するため、画素107の色フィルタの色毎に、画素107の信号の読み出す電流の大きさを変える。その場合、各分割領域201および202の読み出す画素107の色フィルタの色が順次変わるため、電流も変化する。固体撮像素子100は、分割領域201および202の各行の画素数を奇数にすることで、全ての分割領域201および202の合計の電流の変動を抑えることができる。これにより、固体撮像素子100は、電源の負荷変動を低減し、画質の劣化を抑えることができる。また、固体撮像素子100は、分割領域201および202の各行の画素数を奇数にするだけで実現可能であり、固体撮像素子100の後段回路での信号の並び替え等を行うことが必要ない。
なお、本実施形態では各分割領域201および202の各行の画素数が奇数である場合の例を示したが、各列の画素数が奇数であってもよい。その場合、固体撮像素子100は、第1列の上の画素から下の画素に向けて順次、信号を読み出し、その後、第2列の上の画素から下の画素に向けて順次、信号を読み出す。
以上のように、固体撮像素子100の複数の画素107には、複数の色フィルタがそれぞれ設けられる。固体撮像素子100の複数の画素107の色フィルタの配列は、図2に示すように、ベイヤ配列である。複数の分割領域201,202の各々は、各行の画素数または各列の画素数が奇数である。分割領域201の中の複数の画素107の色フィルタの配列は、分割領域202の中の複数の画素107の色フィルタの配列とは異なる。
分割領域201が分割領域201の中の複数の画素107のうちのGr画素またはGb画素の信号をAD変換部105に出力する場合には、第1の電流が流れる。分割領域201が分割領域201の中の複数の画素107のうちのR画素またはB画素の信号をAD変換部105に出力する場合には、第1の電流とは異なる第2の電流が流れる。第1の電流は、第2の電流より大きく、例えば第2の電流の2倍である。
分割領域202が分割領域202の中の複数の画素107のうちのGr画素またはGb画素の信号をAD変換部105に出力する場合には、第1の電流が流れる。分割領域202が分割領域202の中の複数の画素107のうちのR画素またはB画素の信号をAD変換部105に出力する場合には、第1の電流とは異なる第2の電流が流れる。第1の電流は、第2の電流より大きく、例えば第2の電流の2倍である。
複数の信号線308は、複数の分割領域201,202と複数のAD変換部105をそれぞれ接続する。複数の定電流源309は、複数の信号線308にそれぞれ接続される。複数の定電流源309の各々は、Gr画素またはGb画素の信号がAD変換部105に出力される場合には第1の電流を流し、R画素またはB画素の信号がAD変換部105に出力される場合には第2の電流を流す。
分割領域201がGr画素またはGb画素の信号を分割領域201に対応するAD変換部105に出力すると同時に、分割領域202がR画素またはB画素の信号を分割領域202に対応するAD変換部105に出力する。また、分割領域201がR画素またはB画素の信号を分割領域201に対応するAD変換部105に出力すると同時に、分割領域202がGr画素またはGb画素の信号を分割領域202に対応するAD変換部105に出力する。
分割領域201と分割領域202は、異なる色フィルタが設けられた画素107の信号をそれぞれに対応するAD変換部105に同時に出力する。また、分割領域201と分割領域202は、出力時に異なる電流が流れる画素107の信号をそれぞれに対応するAD変換部105に同時に出力する。
(第2の実施形態)
図7は、本発明の第2の実施形態による画素部103の構成例を示す図である。本実施形態では、分割領域501および502の各行の画素数が偶数の場合であっても、偶数列の分割領域501の画素107と奇数列の分割領域502の画素107とで、信号を読み出す順番を変えることで、電源の負荷変動を低減する。以下、本実施形態が第1の実施形態と異なる点を説明する。
図7は、本発明の第2の実施形態による画素部103の構成例を示す図である。本実施形態では、分割領域501および502の各行の画素数が偶数の場合であっても、偶数列の分割領域501の画素107と奇数列の分割領域502の画素107とで、信号を読み出す順番を変えることで、電源の負荷変動を低減する。以下、本実施形態が第1の実施形態と異なる点を説明する。
画素部103は、行方向および列方向に分割された複数の分割領域501,502を有する。画素部103は、m行n列の分割領域501,502を有する。分割領域501は、偶数列の分割領域である。分割領域502は、奇数列の分割領域である。分割領域501および502は、それぞれ、例えば16行10列の画素107を有する。複数の画素107には、赤(R),緑(Gr),緑(Gb),青(B)のベイヤ配列の色フィルタが設けられる。R画素は、Rの色フィルタが設けられた画素107を示す。Gr画素は、Grの色フィルタが設けられた画素107を示す。Gb画素は、Gbの色フィルタが設けられた画素107を示す。B画素は、Bの色フィルタが設けられた画素107を示す。
複数のAD変換部105は、それぞれ、複数の分割領域501,502毎に設けられる。偶数列のAD変換部105は、偶数列の分割領域501の各々の中で、左上の画素107から右方向の画素107に向けて順次、AD変換を行う。第1行の10画素のAD変換が完了すると、偶数列のAD変換部105は、次行の左端の画素107から右端の画素107に向けて、AD変換を繰り返し、分割領域501内の全画素107のAD変換を行う。図7中の画素107のR,Gr,Gb,Bの下に記載した数字は、AD変換を行う順序を示している。
一方、奇数列のAD変換部105は、奇数列の分割領域502内の偶数列の画素107と奇数列の画素107との順番を入れ替えて、AD変換を行う。つまり、奇数列のAD変換部105は、まず、奇数列の分割領域502内の左上のR2画素の右隣のGr1画素の信号をAD変換し、続いて、左上のR2画素の信号をAD変換する。以降、奇数列のAD変換部105は、奇数列の分割領域502内の偶数列の画素107と奇数列の画素107の順番を入れ替えて、AD変換を順次行う。奇数列のAD変換部105は、Gr9画素とR10画素のAD変換を完了すると、次行へ移り、B11画素とGb12画素のAD変換を行い、分割領域502内の全画素のAD変換を行う。また、偶数列のAD変換部105と奇数列のAD変換部105は、偶数列の分割領域501と奇数列の分割領域502の信号のAD変換を同時に行う。
例えば、Gr画素およびGb画素を読み出す際の電流は、R画素およびB画素を読み出す際の電流の2倍である。偶数列のAD変換部105が偶数列の分割領域501のR画素の信号を読み出している時には、奇数列のAD変換部105は、奇数列の分割領域502のGr画素の信号を読み出している。また、偶数列のAD変換部105が偶数列の分割領域501のGr画素の信号を読み出している時には、奇数列のAD変換部105は、奇数列の分割領域502のR画素の信号を読み出している。
また、偶数列のAD変換部105が偶数列の分割領域501のGb画素の信号を読み出している時には、奇数列のAD変換部105は、奇数列の分割領域502のB画素の信号を読み出している。また、偶数列のAD変換部105が偶数列の分割領域501のB画素の信号を読み出している時には、奇数列のAD変換部105は、奇数列の分割領域502のGb画素の信号を読み出している。
したがって、偶数列の分割領域501の画素信号の読み出し時の電流と、奇数列の分割領域502の画素信号の読み出し時の電流との合計の電流の変動を抑え、読み出し時の負荷の変動を抑えることができ、電源電圧の変動を低減することができる。つまり、画質の劣化を低減することができる。
また、偶数列のAD変換部105が偶数列の分割領域501のGb画素の信号を読み出している時には、奇数列のAD変換部105は、奇数列の分割領域502のB画素の信号を読み出している。また、偶数列のAD変換部105が偶数列の分割領域501のB画素の信号を読み出している時には、奇数列のAD変換部105は、奇数列の分割領域502のGb画素の信号を読み出している。
したがって、偶数列の分割領域501の画素信号の読み出し時の電流と、奇数列の分割領域502の画素信号の読み出し時の電流との合計の電流の変動を抑え、読み出し時の負荷の変動を抑えることができ、電源電圧の変動を低減することができる。つまり、画質の劣化を低減することができる。
図8は、図7の奇数列の分割領域502の構成例を示す回路図である。分割領域502は、16行10列の複数の画素107を有する。各画素107は、図3と同様の構成を有する。図8では、図3と同じ番号を付している部分は、図3と同様のため、説明を省略する。偶数列の分割領域501は、図3の偶数列の分割領域201に対して、各行の画素数が11画素から10画素に変わったのみであるため、説明を省略する。
奇数列の分割領域502の読み出し順序は、分割領域502内の偶数列の画素107と奇数列の画素107とを入れ替えて読み出す。列選択スイッチ306に接続する列選択パルスSELX[x](x=1〜10)が列選択スイッチ306に入力される関係と、転送パルスTX[x,y]が転送スイッチ302に入力される関係が、奇数列の分割領域502と偶数列の分割領域501とで異なる。
第1行第2列のGr1画素の列選択スイッチ306および転送スイッチ302のゲート端子に、列選択パルスSELX[1]および転送パルスTX[1,1]が入力される。列選択パルスSELX[1]および転送パルスTX[1,1]がアサートされると、偶数列の分割領域501のR1画素と奇数列の分割領域502のGr1画素の信号が読み出される。
第1行第1列のR2画素の列選択スイッチ306および転送スイッチ302のゲート端子に、列選択パルスSELX[2]および転送パルスTX[2,1]が入力される。列選択パルスSELX[2]および転送パルスTX[2,1]がアサートされると、偶数列の分割領域501のGr2画素と奇数列の分割領域502のR2画素の信号が読み出される。
他の画素も同様に、偶数列の画素と奇数列の画素の順序を入れ替えて、列選択パルスSELX[x]および転送パルスTX[x,y]が入力される。
このように、奇数列の分割領域502において、列選択パルスSELX[x]と転送パルスTX[x,y]を偶数列の画素と奇数列の画素の順序を入れ替えて入力することで、読み出す順序も入れ替えることができる。
以上のように、固体撮像素子100は、偽色の発生を低減しつつ消費電力の増加を抑制するため、画素107の色フィルタの色毎に、画素107の信号の読み出す電流の大きさを変える。その際、固体撮像素子100は、偶数列の分割領域501と奇数列の分割領域502とで、画素107の信号を読み出す順序を変えることで、全ての分割領域501および502の合計の電流の変動を抑えることができる。これにより、固体撮像素子100は、電源の負荷変動を低減し、画質の劣化を抑えることができる。
また、固体撮像素子100は、偶数列の分割領域501と奇数列の分割領域502とで、列選択パルスSELX[x]および転送パルス[x,y]の入力の順序を変えるだけで実現可能である。固体撮像素子100の後段回路は、信号の並び替え等を行う必要がない。
分割領域501は、分割領域501の中の複数の画素107の信号をAD変換部105に順に出力する。分割領域502は、分割領域502の中の複数の画素107の信号をAD変換部105に順に出力する。分割領域501が分割領域501の中の複数の画素107の信号をAD変換部105に出力する順番は、分割領域502が分割領域502の中の複数の画素107の信号をAD変換部105に出力する順番とは異なる。
(第3の実施形態)
図9は、本発明の第3の実施形態による撮像システム900の構成例を示す図である。撮像システム900は、例えばデジタルカメラであり、レンズ部901と、レンズ駆動装置902と、シャッタ903と、シャッタ駆動装置904と、第1または第2の実施形態の固体撮像素子100と、信号処理回路906とを有する。さらに、撮像システム900は、タイミング発生部907と、メモリ部908と、全体制御部909と、記録媒体I/F部910と、記録媒体911と、表示部912とを有する。
図9は、本発明の第3の実施形態による撮像システム900の構成例を示す図である。撮像システム900は、例えばデジタルカメラであり、レンズ部901と、レンズ駆動装置902と、シャッタ903と、シャッタ駆動装置904と、第1または第2の実施形態の固体撮像素子100と、信号処理回路906とを有する。さらに、撮像システム900は、タイミング発生部907と、メモリ部908と、全体制御部909と、記録媒体I/F部910と、記録媒体911と、表示部912とを有する。
レンズ部901は、被写体の光学像を固体撮像素子100に結像させるレンズ部である。レンズ駆動装置902は、レンズ部901のズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などを行う。シャッタ903は、メカニカルシャッタである。シャッタ駆動装置904は、シャッタ903を制御する。固体撮像素子100は、例えばCMOSイメージセンサであり、レンズ部901により結像された被写体を画像信号に変換する。信号処理回路906は、固体撮像素子100より出力される画像信号に対して、各種の補正やデータ圧縮等の信号処理を行う。
タイミング発生部907は、固体撮像素子100および信号処理回路906に対して、各種タイミング信号を出力する。メモリ部908は、画像データを一時的に記憶する。全体制御部909は、各種演算と撮像システム900の全体を制御する。記録媒体I/F部910は、記録媒体911に対して、記録または読み出しを行うためのインターフェースである。記録媒体911は、画像データの記録または読み出しを行う半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。表示部912は、各種情報や画像を表示する。
次に、撮像システム900の動作について説明する。撮像システム900は、メイン電源がオンされると、制御系の電源がオンし、更に信号処理回路906などの撮像系回路の電源がオンされる。その後、撮像システム900は、レリーズボタンが押されると、撮影動作を開始し、固体撮像素子100が画像信号を生成する。撮影動作が終了すると、信号処理回路906は、固体撮像素子100から出力された画像信号に対して、補正演算や画像処理を行う。全体制御部909は、信号処理回路906が出力する画像データをメモリ部908に書き込む。そして、全体制御部909は、メモリ部908に書き込まれたデータを、記録媒体I/F部910を介して、記録媒体911に記録する。また、全体制御部909が外部のコンピュータ等に出力し、そのコンピュータ等が画像の加工を行うことができる。
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および変更が可能である。固体撮像素子100は、デジタルカメラ、ビデオカメラの他、スマートフォン、タブレット、工業用カメラ、医療用カメラ、車載カメラ等に適用可能である。
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
103 画素部、105 AD変換部、107 画素、201 偶数列の分割領域、202 奇数列の分割領域、301 フォトダイオード、302 転送スイッチ、303 フローティングディフュージョン、304 増幅トランジスタ、305 行選択スイッチ、306 列選択スイッチ、307 リセットスイッチ、308 信号線、309 定電流源
Claims (19)
- 行列状に配列され、各々が光電変換に基づく信号を生成する複数の画素と、
複数の入力部とを有し、
前記複数の画素は、各々が2行以上かつ2列以上の行列状に配列された複数の画素を有する複数の分割領域に分割され、
前記複数の分割領域は、それぞれ、前記分割領域の中の複数の画素のうちのいずれか1つの画素の信号を前記複数の入力部に出力し、
前記複数の分割領域の各々は、前記分割領域の中の複数の画素のうちの第1の画素の信号を前記入力部に出力する場合には第1の電流が流れ、前記分割領域の中の複数の画素のうちの第2の画素の信号を前記入力部に出力する場合には前記第1の電流とは異なる第2の電流が流れ、
前記複数の分割領域のうちの第1の分割領域が前記第1の画素の信号を前記複数の入力部のうちの第1の入力部に出力すると同時に、前記複数の分割領域のうちの第2の分割領域が前記第2の画素の信号を前記複数の入力部のうちの第2の入力部に出力することを特徴とする撮像装置。 - 前記複数の分割領域は、2行以上かつ2列以上の行列状に配列されていることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記複数の分割領域の各々は、各行の画素数または各列の画素数が奇数であることを特徴とする請求項1または2に記載の撮像装置。
- 前記撮像装置の前記複数の画素には複数の色フィルタがそれぞれ設けられ、
前記第1の分割領域の中の複数の画素の色フィルタの配列は、前記第2の分割領域の中の複数の画素の色フィルタの配列とは異なることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記撮像装置の前記複数の画素の色フィルタの配列は、ベイヤ配列であることを特徴とする請求項4に記載の撮像装置。
- 前記第1の画素には、第1の色フィルタが設けられ、
前記第2の画素には、前記第1の色フィルタとは異なる第2の色フィルタが設けられていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記撮像装置の前記複数の画素には複数の色フィルタがそれぞれ設けられ、
前記第1の分割領域と前記第2の分割領域は、異なる色フィルタが設けられた画素の信号をそれぞれ前記第1の入力部と前記第2の入力部に同時に出力することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記第1の分割領域と前記第2の分割領域は、出力時に異なる電流が流れる画素の信号をそれぞれ前記第1の入力部と前記第2の入力部に同時に出力することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記第1の色フィルタは、緑の色フィルタであり、
前記第2の色フィルタは、赤または青の色フィルタであることを特徴とする請求項6に記載の撮像装置。 - 前記第1の電流は、前記第2の電流より大きいことを特徴とする請求項9に記載の撮像装置。
- 前記第1の分割領域が前記第1の分割領域の中の複数の画素の信号を前記第1の入力部に出力する順番は、前記第2の分割領域が前記第2の分割領域の中の複数の画素の信号を前記第2の入力部に出力する順番とは異なることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記撮像装置は、
前記複数の分割領域と前記複数の入力部をそれぞれ接続する複数の信号線と、
前記複数の信号線にそれぞれ接続される複数の電流源とを有し、
前記複数の電流源の各々は、前記第1の画素の信号が前記入力部に出力される場合には前記第1の電流を流し、前記第2の画素の信号が前記入力部に出力される場合には前記第2の電流を流すことを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 行列状に配列され、各々が光電変換に基づく信号を生成する複数の画素と、
複数の入力部とを有し、
前記複数の画素は、各々が2行以上かつ2列以上の行列状に配列された複数の画素を有する複数の分割領域に分割され、
前記複数の分割領域は、それぞれ、前記分割領域の中の複数の画素のうちのいずれか1つの画素の信号を前記複数の入力部に出力し、
前記複数の分割領域の各々は、各行の画素数または各列の画素数が奇数であることを特徴とする撮像装置。 - 行列状に配列され、各々が光電変換に基づく信号を生成する複数の画素と、
複数の入力部とを有し、
前記複数の画素には、複数の色フィルタがそれぞれ設けられ、
前記複数の画素は、各々が2行以上かつ2列以上の行列状に配列された複数の画素を有する複数の分割領域に分割され、
前記複数の分割領域は、それぞれ、前記分割領域の中の複数の画素のうちのいずれか1つの画素の信号を前記複数の入力部に出力し、
前記複数の分割領域のうちの第1の分割領域の中の複数の画素の色フィルタの配列は、前記複数の分割領域のうちの第2の分割領域の中の複数の画素の色フィルタの配列とは異なることを特徴とする撮像装置。 - 行列状に配列され、各々が光電変換に基づく信号を生成する複数の画素と、
複数の入力部とを有し、
前記複数の画素は、各々が2行以上かつ2列以上の行列状に配列された複数の画素を有する複数の分割領域に分割され、
前記複数の分割領域は、それぞれ、前記分割領域の中の複数の画素のうちのいずれか1つの画素の信号を前記複数の入力部に出力し、
前記複数の分割領域の各々の中の複数の画素は、第1の色フィルタが設けられた第1の画素と、前記第1の色フィルタとは異なる第2の色フィルタが設けられた第2の画素とを有し、
前記複数の分割領域のうちの第1の分割領域が前記第1の画素の信号を前記複数の入力部のうちの第1の入力部に出力すると同時に、前記複数の分割領域のうちの第2の分割領域が前記第2の画素の信号を前記複数の入力部のうちの第2の入力部に出力することを特徴とする撮像装置。 - 行列状に配列され、各々が光電変換に基づく信号を生成する複数の画素と、
複数の入力部とを有し、
前記複数の画素は、各々が2行以上かつ2列以上の行列状に配列された複数の画素を有する複数の分割領域に分割され、
前記複数の分割領域は、それぞれ、前記分割領域の中の複数の画素のうちのいずれか1つの画素の信号を前記複数の入力部に出力し、
前記複数の分割領域のうちの第1の分割領域が前記第1の分割領域の中の複数の画素の信号を前記第1の入力部に出力する順番は、前記複数の分割領域のうちの第2の分割領域が前記第2の分割領域の中の複数の画素の信号を前記第2の入力部に出力する順番とは異なることを特徴とする撮像装置。 - 行列状に配列され、各々が光電変換に基づく信号を生成する複数の画素と、
複数の入力部とを有する撮像装置の制御方法であって、
前記複数の画素は、各々が2行以上かつ2列以上の行列状に配列された複数の画素を有する複数の分割領域に分割され、
前記複数の分割領域が、それぞれ、前記分割領域の中の複数の画素のうちのいずれか1つの画素の信号を前記複数の入力部に出力し、
前記複数の分割領域の各々は、前記分割領域の中の複数の画素のうちの第1の画素の信号を前記入力部に出力する場合には第1の電流が流れ、前記分割領域の中の複数の画素のうちの第2の画素の信号を前記入力部に出力する場合には前記第1の電流とは異なる第2の電流が流れ、
前記複数の分割領域のうちの第1の分割領域が前記第1の画素の信号を前記複数の入力部のうちの第1の入力部に出力すると同時に、前記複数の分割領域のうちの第2の分割領域が前記第2の画素の信号を前記複数の入力部のうちの第2の入力部に出力することを特徴とする撮像装置の制御方法。 - 行列状に配列され、各々が光電変換に基づく信号を生成する複数の画素と、
複数の入力部とを有する撮像装置の制御方法であって、
前記複数の画素は、各々が2行以上かつ2列以上の行列状に配列された複数の画素を有する複数の分割領域に分割され、
前記複数の分割領域の各々の中の複数の画素は、第1の色フィルタが設けられた第1の画素と、前記第1の色フィルタとは異なる第2の色フィルタが設けられた第2の画素とを有し、
前記複数の分割領域が、それぞれ、前記分割領域の中の複数の画素のうちのいずれか1つの画素の信号を前記複数の入力部に出力し、
前記複数の分割領域のうちの第1の分割領域が前記第1の画素の信号を前記複数の入力部のうちの第1の入力部に出力すると同時に、前記複数の分割領域のうちの第2の分割領域が前記第2の画素の信号を前記複数の入力部のうちの第2の入力部に出力することを特徴とする撮像装置の制御方法。 - 行列状に配列され、各々が光電変換に基づく信号を生成する複数の画素と、
複数の入力部とを有する撮像装置の制御方法であって、
前記複数の画素は、各々が2行以上かつ2列以上の行列状に配列された複数の画素を有する複数の分割領域に分割され、
前記複数の分割領域が、それぞれ、前記分割領域の中の複数の画素のうちのいずれか1つの画素の信号を前記複数の入力部に出力し、
前記複数の分割領域のうちの第1の分割領域が前記第1の分割領域の中の複数の画素の信号を前記第1の入力部に出力する順番が、前記複数の分割領域のうちの第2の分割領域が前記第2の分割領域の中の複数の画素の信号を前記第2の入力部に出力する順番とは異なるように、前記第1の分割領域と前記第2の分割領域が、前記第1の入力部と前記第2の入力部にそれぞれ信号を出力することを特徴とする撮像装置の制御方法。
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JP2018241097A Pending JP2020102819A (ja) | 2018-12-25 | 2018-12-25 | 撮像装置および撮像装置の制御方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2020102819A (ja) |
-
2018
- 2018-12-25 JP JP2018241097A patent/JP2020102819A/ja active Pending
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