JP4019409B2 - 固体撮像素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の単位画素に蓄積された信号電荷を点順次走査方式によって読み出すCMOSイメージセンサ等の固体撮像素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
図9および図10は、この種のCMOSイメージセンサの従来例を示すブロック図であり、図9は単位画素の走査回路の概要を示し、図10は単位画素の構造を示している。
このCMOSイメージセンサは、2次元配列の画素マトリクスによって撮像した信号を点順次走査方式で読み出すものであり、画素マトリクスの垂直(V)方向及び水平(H)方向に沿って配置された各スキャナを使って読み込む画素を選択する。
まず、図10において、各単位画素10には、それぞれ光電変換手段と電荷蓄積手段を兼ねるフォトダイオードPDを有するとともに、このフォトダイオードPDに蓄積した信号電荷をFD(フローティングデフュージョン)に読み出すための読み出しトランジスタTt、この読み出しゲートTtを選択するための読み出し選択トランジスタTxy、信号電荷を増幅する増幅トランジスタTa、FDをリセットするためのリセットトランジスタTr、画素列を選択する水平選択トランジスタTxの合計5つのMOSトランジスタが設けられており、各単位画素の信号電荷を点順次で読み出す点順次読み出し5Tr方式を構成している。
【0003】
そして、読み出しトランジスタTtとリセットトランジスタTrは、フォトダイオードPDと駆動電圧AVDとの間に直列に接続されており、リセットトランジスタTrのソースと読み出しトランジスタTtのドレインの間に信号電荷を転送するためのFDが設けられ、このFDが増幅トランジスタTaのゲートに接続されている。
また、読み出しトランジスタTtのゲートには読み出し選択トランジスタTxyのソースが接続されている。
また、増幅トランジスタTaと水平選択トランジスタTxはAVDと水平(H)信号線の間に直列に接続されている。
また、図示の例では、H信号線の両側に垂直選択トランジスタTyが設けられており、H信号線に送出された信号が垂直選択トランジスタTyを介して選択的に垂直(V)信号線に送出される。
【0004】
そして、図9に示すように、このような単位画素をマトリクス配列した画素領域11の外側には、V方向に沿って垂直電荷転送用スキャナVSL、VSRが左右両側にそれぞれ設けられ、さらに左側の垂直電荷転送用スキャナVSLに平行に電子シャッタ用スキャナSSが設けられている。
また、画素領域11の下側には、H方向に沿って水平電荷転送用スキャナHSが設けられている。
これらのスキャナVSL、VSR、SS、HSは、それぞれシフトレジスタと図示しないドライバ等より構成されており、基準クロックに基づく所定タイミングのパルス信号を画素領域11の各トランジスタに供給し、点順次による画素読み出しを行うものである。
なお、本例では、垂直電荷転送用スキャナVSL、VSR、および電子シャッタ用スキャナSSからのパルス信号は論理回路20のオア回路201(NOAゲートおよびインバータ)を通して各単位画素10に選択的に供給して垂直方向に水平画素ラインを選択し、水平電荷転送用スキャナHSは、水平方法の同期クロックによって水平画素ライン内の各画素10を順番に選択していく。
【0005】
また、V信号線の出力側には、I/V変換器30やアンプ31等の信号処理回路が設けられており、I/V変換器30によって電流から電圧に変換された出力信号がさらにCDS(相関2重サンプリング)によってノイズ除去等を施され、アンプ31より出力される。
また、タイミングジェネレータTGは、以上の各回路を駆動するためのタイミングパルスを発生するものである。
なお、図9では省略しているが、その他の構成として、オートゲインコントローラ(AGC)、プログラマブルゲインコントローラ(PGA)、アナログデジタルコンバータ(ADC)、デジタルシグナルプロセッサ(DSP)等の回路を有する場合もある。
【0006】
次に、このような従来のイメージセンサにおける画素選択動作について説明する。
たとえば、n行m列目の画素のV方向読み出し選択信号(vSEL(n))、H方向読み出し選択信号(hSEL(m))が共にONの時点で、読み出しトランジスタTtを駆動させて信号をフォトダイオードPDからフローティングデフュージョンFDに読み出す。
ここで、電子シャッタを駆動させていない状態では、1画素の露光時間は垂直電荷転送用スキャナVSL、VSRのスキャン開始パルスVSTの周期となる。
なお、電子シャッタとは画素の電荷蓄積時間を1垂直同期期間の間に1水平同期期間毎に制御するもので、V方向スキャナに平行して電子シャッタスキャナSSを並置しており、スキャン開始パルスVSTに対して1H単位で任意に遅らせたスキャン開始パルスSSTによって駆動する。
【0007】
各垂直電荷転送用スキャナVSL、VSRの出力VSOUTと電子シャッタスキャナSSの出力SSOUTは、論理回路20によってオアで接続され、V方向読み出し選択信号vSELとなっており、どちらかがアクティブ状態になると、このV方向読み出し選択信号vSELが選択され、H方向読み出し選択信号hSELとともに、ONになった時点でフォトダイオードPDに蓄積した電荷が読み出しトランジスタTtを経由してFDに転送される。
ただし、電子シャッタスキャナ出力SSOUTによって画素が選択されても、画素からI/V変換器30への出力スイッチがOFFのままなので、FD転送された電荷はそのままリセットされる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような従来のイメージセンサでは、電子シャッタスキャナ出力SSOUTは、スキャン開始パルスSSTのみの制御によって出力していたので、全ての有効画素の蓄積電荷が均一にリセットされてしまっていた。
このため、画面に極端なコントラストが存在する場合、自動露出(AE)の制御方法によっては暗い部分がつぶれてしまう、もしくは、電子シャッタが駆動せずに明るい部分が白く飛んでしまうという問題があり、ダイナミックレンジを高くすることができなかった。
【0009】
そこで本発明の目的は、有効画素を選択して電子シャッタを切ることができ、画像信号のダイナミックレンジを容易に高くすることができる固体撮像素子を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、複数の単位画素をマトリクス状に配置した有効画素領域と、前記有効画素領域内の各単位画素を水平ライン単位で選択する垂直電荷転送用スキャナと、前記水平ラインの各単位画素を画素単位で選択する水平電荷転送用スキャナと、前記有効画素領域の電子シャッタ動作を実行する電子シャッタスキャナとを有する固体撮像素子において、電子シャッタ機能として前記有効画素領域内の任意形状の領域に対して選択的に電子シャッタ動作を実行する電子シャッタ有効領域選択手段を設け、前記電子シャッタ有効領域選択手段は、電子シャッタスキャナから画素領域に出力される電子シャッタスキャナ出力信号と、外部から入力される電子シャッタ制御信号とを用いて前記有効画素領域の一部だけに電子シャッタが有効になるように制御する手段であり、前記電子シャッタスキャナ出力信号と電子シャッタ制御信号との論理積をとることにより、前記有効画素領域の一部だけに電子シャッタが有効になるように制御することを特徴とする。
【0011】
本発明では、固体撮像素子の電子シャッタ機能として、有効画素領域内の任意形状の領域に対して選択的に電子シャッタ動作を実行する電子シャッタ有効領域選択手段を設けたことから、有効画素領域内の任意の領域で露光量を調節することができるので、画像信号のダイナミックレンジを見かけ上高くすることができ、例えばAE処理等に対して高い画質を維持することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による固体撮像素子の実施の形態例について説明する。
なお、以下に説明する実施の形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において、特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限定されないものとする。
図1および図2は、本発明の第1の実施の形態による点順次走査方式のCMOSイメージセンサの具体例を示すブロック図であり、図1は単位画素の走査回路の概要を示し、図2は単位画素の構造を示している。
また、図3および図4は、本発明の第2の実施の形態による点順次走査方式のCMOSイメージセンサの具体例を示すブロック図であり、図3は単位画素の走査回路の概要を示し、図4は単位画素の構造を示している。
なお、これらの図1〜図4において、図9および図10に示す従来例と共通の要素については同一符号を付して説明する。
【0013】
以下、本発明の各実施の形態によるCMOSイメージセンサの構成について説明する。
まず、図1および図2に示す第1の実施の形態は、図9および図10に示す従来例の論理回路20にアンド回路202を追加し、電子シャッタスキャナSSの出力信号SSOUTと、外部端子からの入力による電子シャッタ制御信号PR(スキャン開始パルスSSTに同期している)との論理積をとって各単位画素10に供給するようにしたものである。
このようにしてV方向の画素選択信号vSELを制御し、任意の領域の画素だけの蓄積電荷が電子シャッタスキャナ出力信号SSOUTによってリセットされるようにする。
【0014】
ただし、この第1の実施の形態による方式は、画素良医の一部領域における電子シャッタのON/OFFを切り替えただけであり、電子シャッタがOFFのときは露光が固定されてしまうため十分な範囲でダイナミックレンジを改善することができない。
そこで、第2の実施の形態として、2つの電子シャッタモードを持つようにして任意の領域でどちらかの電子シャッタスピードを選択するようにしたものが図3および図4に示す構成である。
【0015】
すなわち、この第2の実施の形態では、垂直電荷転送用スキャナVSLおよび第1の電子シャッタスキャナSS(1)の外側に、もうひとつの第2の電子シャッタスキャナSS(2)を設け、それぞれの電子シャッタスキャナSS(1)、SS(2)のスキャン開始パルスSST(1)、SST(2)に対して同期した電子シャッタ制御信号PR(1)、PR(2)をアンド回路202でつなぎ、これらと垂直電荷転送用スキャナVSLの出力信号VSOUTとをオア回路201でつないで垂直選択信号vSELを制御する。
電子シャッタ制御信号PR(1)、PR(2)の制御により、任意の画素に対し、電子シャッタなしの場合に加えて、電子シャッタスピードを電子シャッタスキャナSS(1)によるシャッタスピード、電子シャッタスキャナSS(2)によるシャッタスピードのいずれかの電子シャッタスピードに任意に選択できるようにする。
【0016】
また、図1および図3に示す構成では、撮像した画像信号を取り込んでシャッタ動作を最適化するためのフィードバックループとして、アナログフロントエンド(F/E)、DAC、DPSのラインが設けられている。
なお、その他の構成、例えば単位画素内の構成等は、図9および図10に示す従来例と同様であるので説明は省略する。
【0017】
次に、以上のような各実施の形態によるイメージセンサにおける各電子シャッタ制御信号PR、PR(1)、PR(2)の駆動方法について説明する。
本例において電子シャッタ制御信号PRの駆動方法としては、次の2通りを用いることができる。
(方法1)DSP内部で入力画像の演算処理を行い、DSPから電子シャッタ制御信号PR、PR(1)、PR(2)を直接出力する方法
図1に示すアナログF/Eで取り込んだ画像信号をDACでデジタル画像データに変換し、これをDSPに入力して演算処理することにより、任意波形のPR、PR(1)、PR(2)に合成して出力する。
この方法は、演算に大きいパワーを割くので、処理速度は遅くなるが、入力画像に対応した複雑な電子シャッタ制御信号PRを生成することができるので、電子シャッタ有効領域の形状を複雑にしたい場合や、1フィールド単位で形状、大きさを変化させたいような場合に有効である。
【0018】
(方法2)DSP内部で(方法1)と同様に入力画像の演算処理を行った後、DSPからタイミングジェネレータTGに制御信号を送り、特定のモードの電子シャッタ制御信号PR、PR(1)、PR(2)を出力させる方法
図1に示すアナログF/Eで取り込んだ画像信号をDACでデジタル画像データに変換し、これをDSPに入力して演算処理することにより、タイミングジェネレータTGに制御信号を出力する。
この方法は、タイミングジェネレータTGで波形を形成するので、複雑な信号を出すことができないのが、DSPの演算の負荷が軽く、予めタイミングジェネレータTG内でプログラミングされている形状で選択領域を切り出すので、高速に制御したい場合に有効である。
【0019】
次に、以上ような構成を有するイメージセンサの電子シャッタ動作について説明する。
まず、図5(A)(B)は、図1および図2に示す構成で電子シャッタ制御信号PRを発生させたときの動作例を示すタイミングチャートであり、図5(A)はH期間のレンジで表した場合であり、図5(B)はV期間のレンジで表した場合である。
図5(A)に示すように、電子シャッタ制御信号PRをH方向の有効期間の1部分のみ駆動させると、その部分のみ電子シャッタモードがアクティブになり、それ以外の部分は電子シャッタが動かない状態になる。
また、図5(B)に示すように、H期間と同様に、ある一部分のみを電子シャッタモードをアクティブにすると、有効画素領域内で電子シャッタが有効になっている部分と無効になっている部分とに分けることができる。
【0020】
また、同様に図6(A)(B)は、図3および図4に示す構成で電子シャッタ制御信号PR(1)、PR(2)を発生させたときの動作例を示すタイミングチャートであり、図6(A)はH期間のレンジで表した場合であり、図6(B)はV期間のレンジで表した場合である。
図示のように、H期間内の有効領域の1部分のみで電子シャッタスキャナSS(2)によって電子シャッタ制御信号PR(1)を駆動して電子シャッタモードをアクティブにしてやり、それ以外の部分は電子シャッタスキャナ出力信号SSOUT(1)が無効になる状態にする。
また、電子シャッタ制御信号PR(2)についても同様に、電子シャッタスキャナSS(2)で設定した電子シャッタを有効にしたい領域について駆動し、電子シャッタモードを有効にする。
【0021】
なお、この際、ある領域でSS(1)、SS(2)の両方が有効になると、電子シャッタスピードが速いほうが優先される。
また、逆にどちらにしても無効な状態にすると、電子シャッタが無効になり、露光時間が1垂直同期期間となる。
また、V方向について述べると、電子シャッタ制御信号PR(1)、電子シャッタ制御信号PR(2)はそれぞれスキャン開始パルスSST(1)、スキャン開始パルスSST(2)と同期を取るので、スキャン開始パルスSST(1)とスキャン開始パルスSST(2)の位相差だけ位相がずれた信号になる。
【0022】
図7は、図6に示すタイミングに従って実際に画像を出力したときの様子を示す説明図であり、一例として窓際の様子を撮影したものを示している。
このような場合、電子シャッタが有効になっていると、図7(A)に示すように周辺が黒くつぶれてしまい、一方で、図7(B)に示すように電子シャッタが無効だと窓の外が飽和してしまう。
これに対し、第2の実施の形態による構成では、両方に最適な露光を与えることができるので、図7(C)に示すように、窓の外も、その周辺も識別できる画を撮影することができる。
また、図8に示すように、電子シャッタを有効/無効にする領域が定型ではなく、任意の形状であっても、本例では露出の補正を画素単位で行えるために、露出の最適化が可能となる。
【0023】
以上説明したように本実施の形態によるイメージセンサでは、撮像エリアの内部で任意の領域で露光量を調節することができるので、画素のダイナミックレンジを見かけ上高くすることができる。
したがって、例えば家の中で窓のある風景や、逆光での撮影等、コントラストが非常に高い場合の使用時に従来の撮像素子にあるようにAEの処理によって画面の明るい部分が飽和して白く飛んでしまう、または逆に暗い部分が黒く沈む問題がなくなる。
また、露光時間を画素領域中の任意の場所で変えることができることを利用して、たとえばある任意の範囲のシャッタスピードを早くして周囲が被写体ブレで流れて中央の被写体のみ静止の画を作る、あるいは、その逆の画像や、画面中央からのフェードイン/フェードアウト等の特殊効果を実現することが可能である。
さらに、画像演算処理機能を向上させることにより、1画素単位の速度で電子シャッタ制御信号PRを制御し、特定の色の画素だけ電子シャッタをかけることによってAEの代用にすることや、画面上に任意の色や浮き出しを設けることにより、文字や記号(これらを総合してキャラクタという)によるロゴや各種のイラストを挿入することも可能である。
【0024】
なお、以上の例では、複数の電子シャッタスキャナを設ける場合の例として2つまでの構成(n=2)を説明したが、3つ以上の電子シャッタスキャナを設けることも可能であり、また、垂直方向の電子シャッタスキャナだけでなく、水平方向の電子シャッタスキャナを設けることも可能である。
また、電子シャッタスキャナ出力信号と電子シャッタ制御信号とを用いるための論理回路20の具体的構成については、上述の例に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。
【0025】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、固体撮像素子の電子シャッタ機能として、有効画素領域内の任意形状の領域に対して選択的に電子シャッタ動作を実行する電子シャッタ有効領域選択手段を設けたことから、有効画素領域内の任意の領域で露光量を調節することができるので、画像信号のダイナミックレンジを見かけ上高くすることができ、例えばAE処理等に対して高い画質を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態による点順次走査方式のCMOSイメージセンサの概要を示すブロック図である。
【図2】図1に示すCMOSイメージセンサの単位画素の構造を示すブロック図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態による点順次走査方式のCMOSイメージセンサの概要を示すブロック図である。
【図4】図3に示すCMOSイメージセンサの単位画素の構造を示すブロック図である。
【図5】図1および図2に示す構成で電子シャッタ制御信号PRを発生させたときの動作例を示すタイミングチャートである。
【図6】図3および図4に示す構成で電子シャッタ制御信号PR(1)、PR(2)を発生させたときの動作例を示すタイミングチャートである。
【図7】図6に示すタイミングに従って実際に画像を出力したときの様子を示す説明図である。
【図8】電子シャッタを有効/無効にする領域が定型ではなく任意の形状である場合に図6に示すタイミングに従って実際に画像を出力したときの様子を示す説明図である。
【図9】従来の点順次走査方式のCMOSイメージセンサの概要を示すブロック図である。
【図10】図9に示すCMOSイメージセンサの単位画素の構造を示すブロック図である。
【符号の説明】
10……単位画素、11……画素領域、20……論理回路、201……アンド回路、202……オア回路、PD……フォトダイオード、Tt……読み出しトランジスタ、Txy……読み出し選択トランジスタ、Ta……増幅トランジスタ、Tr……リセットトランジスタ、Tx……水平選択トランジスタ、Ty……垂直選択トランジスタ。
Claims (12)
- 複数の単位画素をマトリクス状に配置した有効画素領域と、前記有効画素領域内の各単位画素を水平ライン単位で選択する垂直電荷転送用スキャナと、前記水平ラインの各単位画素を画素単位で選択する水平電荷転送用スキャナと、前記有効画素領域の電子シャッタ動作を実行する電子シャッタスキャナとを有する固体撮像素子において、
電子シャッタ機能として前記有効画素領域内の任意形状の領域に対して選択的に電子シャッタ動作を実行する電子シャッタ有効領域選択手段を設け、
前記電子シャッタ有効領域選択手段は、電子シャッタスキャナから画素領域に出力される電子シャッタスキャナ出力信号と、外部から入力される電子シャッタ制御信号とを用いて前記有効画素領域の一部だけに電子シャッタが有効になるように制御する手段であり、
前記電子シャッタスキャナ出力信号と電子シャッタ制御信号との論理積をとることにより、前記有効画素領域の一部だけに電子シャッタが有効になるように制御する、
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記電子シャッタスキャナ出力信号に対応した電子シャッタ制御信号は、電子シャッタスキャナのスキャン開始パルスと同期することを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
- n番目の電子シャッタスキャナによる電子シャッタスキャナ出力信号と、それに対応したn番目の電子シャッタ制御信号との論理積をとることにより、n番目の電子シャッタスキャナによる電子シャッタ速度が有効となる画素領域を設定することを特徴とする請求項2記載の固体撮像素子。
- n番目の電子シャッタスキャナによる電子シャッタスキャナ出力信号に対応したn番目の電子シャッタ制御信号は、n番目の電子シャッタスキャナのスキャン開始パルスと同期することを特徴とする請求項3記載の固体撮像素子。
- 前記電子シャッタ制御信号は、入力された画像データを信号処理回路によって演算処理し、信号処理回路から任意波形の電子シャッタ制御信号に合成して出力することを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
- 前記信号処理回路はDSPであることを特徴とする請求項5記載の固体撮像素子。
- 前記n番目の電子シャッタ制御信号は、入力された画像データを信号処理回路によって演算処理し、信号処理回路から任意波形の電子シャッタ制御信号に合成して出力することを特徴とする請求項3記載の固体撮像素子。
- 前記信号処理回路はDSPであることを特徴とする請求項7記載の固体撮像素子。
- 前記電子シャッタ制御信号は、入力された画像データを信号処理回路によって演算処理し、信号処理回路からの制御信号によってタイミング発生器を制御し、予め設定されているモードの電子シャッタ制御信号を出力することを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
- 前記信号処理回路はDSPであることを特徴とする請求項9記載の固体撮像素子。
- 前記n番目の電子シャッタ制御信号は、入力された画像データを信号処理回路によって演算処理し、信号処理回路からの制御信号によってタイミング発生器を制御し、予め設定されているモードの電子シャッタ制御信号を出力することを特徴とする請求項3記載の固体撮像素子。
- 前記信号処理回路はDSPであることを特徴とする請求項11記載の固体撮像素子。
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