JP4290066B2 - 固体撮像装置および撮像システム - Google Patents
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Description
1/√(加算画素数)
になる。例えば、2×2=4画素の加算を行うと、ランダムノイズ、固定パターンノイズとも加算前と比較して、
1/√4 = 1/2
となる。
(1)画素数が増加してくるとメモリーを介した読み出しは、静止画よりむしろ動画でより重要となる。動画では出力装置側のフォーマットの制約もあり、あまり多くの画素数は必要ない。メガピクセル級の撮像装置で静止画と動画を高画質に撮像する新しい構成が必要である。
(2)画素加算、すなわち平均化した読み出しは、画素のランダムノイズが小さくなるので、S/Nは向上する。しかしながらCCD技術においては、加算することで、ランダムノイズが小さくなるばかりではなく信号成分も大きくなる。すなわち、CCDにおいては、加算演算により、電荷数が加算され、S/NのSの値も大きくなる。このことにより、CCDを考えた場合、CMOS型固体撮像装置において、加算演算を取り入れた読み出し方法におけるS/N向上の新しい手段が要望される。
前記複数の画素の列に対応して設けられ、前記信号が出力される出力線と、を有し、
前記信号を前記画素ごとに読み出す第1のモードと、
複数の前記画素からの前記信号を加算して読み出す第2のモードとを備えた固体撮像装置であって、
該固体撮像装置は更に、
前記出力線に接続され、前記第1のモードと前記第2のモードとで異なるゲインで信号を読み出すためのゲイン可変増幅手段を有し、
前記第2のモードにおける前記ゲイン可変増幅手段のゲインは、前記第1のモードにおける前記ゲイン可変増幅手段のゲインよりも高いことを特徴とする。
複数画素の信号を加算するモードと、加算しないモード(信号を画素ごろに読み出すモード)で異なるゲインに切り替えることで両モードにおけるS/Nとダイナミックレンジが最適化できる理由を以下に説明する。
S=G・S1
N=G・N1+N2
従って、S/N=G・S/(G・N1+N2)=S/(N1+(N2/G))
この式からGを大きくするほど、S/NはS/N1に近づく。N2と比較してN1が小さいとGを大きくする効果は大きい。一方Gを大きくすると、同じ光信号で大きな電圧信号がでるのでダイナミックレンジを圧迫してしまう。S/Nを高くすることとダイナミックレンジを確保することがトレードオフの関係になっている。
図1は本発明の第1の実施形態の固体撮像装置のブロック図である。2次元状に配置された画素アレイ1の各出力線から出力された画素出力信号は、ゲイン可変増幅手段となるゲイン可変列アンプ2で適切なゲインで増幅される。入力容量21は暗時のノイズをクランプする役割を果たすとともに、フィードバック容量22、23との容量比でゲインを決める役割も果たしている。ゲイン可変列アンプ2の出力端子と入力端子とは、フィードバック容量22、スイッチ26を介して接続されるとともに、フィードバック容量23、スイッチ27を介して接続され、スイッチ26,27を切り換えることでゲインを選択することができる。
入力容量21によるクランプ動作はスイッチ28をオンすることで、参照電圧入力24の参照電圧に入力容量21の差動アンプ25の入力側を設定した状態で、図2に示す画素の増幅用トランジスタ203のゲート電極をリセット用トランジスタ204により所定の電位にリセットし、画素からのノイズを入力容量21に入力する。その後スイッチ28をオフして入力容量21の差動アンプ25の入力側を浮遊状態にして、画素において、フォトダイオード201から光信号を電荷転送トランジスタ202を介して増幅用トランジスタ203のゲート電極に送り、画素から増幅された信号を入力容量21に入力する。入力容量21の入力側端子の電位変化量は信号からノイズ成分が除去された量となり、ノイズが除去された信号がゲイン可変列アンプ2に入力されることになる。
メモリー4を通った信号は水平出力線および差動アンプ回路からなる出力回路5よりチップの外に出力される。差動アンプ回路は複数のゲイン可変列アンプ2同士のオフセットばらつきを除去するのに有効である。また、チップ内には、このほかに、画素部1、加算回路3、アナログメモリー4および出力回路5を水平に走査する水平走査回路6、画素部1を垂直方向に走査する垂直走査回路7などが配置されている。
図5はアナログメモリー4の詳細図である。この図では2ビット分の回路を示した。加算回路を通った信号は、メモリー書き込みスイッチ51、52を通して、メモリー容量53、54に書き込まれる。書き込まれた信号はメモリー選択スイッチ55、56を通してメモリー増幅トランジスタ57、58のゲート電位の変化として検知され、出力される。
図6は、本発明の第二の実施形態の固体撮像装置に係わる加算回路図である。図6は第一の実施形態と同じブロック図の固体撮像装置において、列方向3画素、行方向に3画素を加算列方向3画素分を加算する場合の加算回路図を示したものである。本実施形態では静止画撮影時の有効画素数を500万画素、動画撮影時の画素数を30万画素とし、高精細な静止画撮像と動画撮影に充分な30万画素を確保した。加算時には中央の約270万画素を3×3=9画素加算し、周辺部の残りの画素は使用しないという構成をとった。
その後、スイッチ76、77、78をONすることで、3つの加算信号保持容量73,74,75に書き込まれていた信号がノードBにて加算(=平均化)され、m行、m+2行、m+4行およびn列、n+2列、n+4列のマトリクスで選択された9つの画素信号がソースフォロワーアンプ79より出力される。
また上記各実施形態において、固体撮像装置は同一半導体基板上に設けることができるが、差動増幅器33により生ずるノイズが他の回路部材に影響しないように差動増幅器33を基板外に設けてもよい。
また、418はフォーカスレンズ401Aの移動位置を検出するフォーカスエンコーダ、419はズームレンズ401Bの焦点距離を検出するズームエンコーダ、420は絞り402の開口量を検出するアイリスエンコーダである。これらのエンコーダの検出値は、システムコントロールを行う論理制御回路417へと供給される。論理制御回路417は、設定された合焦検出領域内に相当する映像信号に基づいて、被写体に対する合焦検出を行い焦点調節を行う。即ち、各々のバンドパスフィルタ413、414より供給された高周波成分のピーク値情報を取り込み、高周波成分のピーク値が最大となる位置へとフォーカスレンズ401Aを駆動すべくフォーカス駆動回路409にフォーカスモータ410の回転方向、回転速度、回転/停止等の制御信号を供給し、これを制御する。
2 ゲイン可変列アンプ
3 加算回路
4 アナログメモリー
5 出力回路
6 水平走査回路
7 垂直走査回路
21 入力容量
22 低ゲインフィードバック容量
23 高ゲインフィードバック容量
24 参照電圧入力
25 差動アンプ
26 低ゲイン選択スイッチ
27 高ゲイン選択スイッチ
28 リセットスイッチ
32、33、34 保持容量
36、37、38 選択スイッチ
39 加算モードスイッチ
40,41 列出力スイッチ
42 水平出力線
51、52 メモリー書き込みスイッチ
54 メモリー容量
55、56 メモリー選択スイッチ
58 メモリー信号増幅トランジスタ
61、62、63、64、65、66 スイッチ
67、68、69 保持容量
70、71、72 スイッチ
73、74、75 加算信号保持容量
76、77、78 読み出しスイッチ
79 ソースフォロワーアンプ
201 フォトダイオード
202 電荷転送トランジスタ
203 増幅トランジスタ
204 画素リセットスイッチ
205 画素選択スイッチ
Claims (12)
- 光電変換して得られた信号を出力する、二次元状に配列された複数の画素と、
前記複数の画素の列に対応して設けられ、前記信号が出力される出力線と、を有し、
前記信号を前記画素ごとに読み出す第1のモードと、
複数の前記画素からの前記信号を加算して読み出す第2のモードとを備えた固体撮像装置であって、
該固体撮像装置は更に、
前記出力線に接続され、前記第1のモードと前記第2のモードとで異なるゲインで信号を読み出すためのゲイン可変増幅手段を有し、
前記第2のモードにおける前記ゲイン可変増幅手段のゲインは、前記第1のモードにおける前記ゲイン可変増幅手段のゲインよりも高く、及び、
前記出力線の各々は、前記画素からの信号をクランプすることで前記画素のノイズを除去するための容量を介して前記ゲイン可変増幅手段に接続されていることを特徴とする固体撮像装置。 - 前記画素は、光電変換によって電荷を蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードから電荷転送用トランジスタを介して転送された前記電荷に基づく信号を増幅する増幅用トランジスタと、画素を選択するための選択用トランジスタと、前記電荷をリセットするためのリセット用トランジスタと、を有することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
- 前記容量を第1の容量としたとき、
前記ゲイン可変増幅手段は、増幅器、第2の容量、及び第3の容量を有し、
前記増幅器の出力端子と入力端子とは、前記第2の容量を介して接続されるとともに、前記第2の容量と並列に配された前記第3の容量を介して接続され、
前記第1の容量と前記第2の容量との比により前記第1のモードにおけるゲインを決め、
前記第1の容量と前記第3の容量との比により前記第2のモードにおけるゲインを決めることを特徴とする請求項1又は2に記載の固体撮像装置。 - 前記第1のモードを静止画の読み出しモードとし、前記第2のモードを動画の読み出しモードとすることを特徴とする請求項1、2又は3に記載の固体撮像装置。
- 前記ゲイン可変増幅手段からの信号が入力され、
前記第1のモードにおいては画素ごとの信号を出力し、前記第2のモードにおいては加算された信号を出力する手段を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体撮像装置であって、
前記複数の画素はカラーフィルターを有し、
前記加算回路は、同色のカラーフィルターを有する画素からの信号を加算することを特徴とする固体撮像装置。 - 加算後の信号を保持するアナログメモリーを有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
- 前記アナログメモリーは、少なくとも、容量、該容量に信号を書き込むためのトランジスタ、及び該信号を増幅するためのトランジスタを備えた、前記複数の画素の少なくとも一部に対応した複数の増幅型メモリセルであることを特徴とする請求項7に記載の固体撮像装置。
- 前記アナログメモリーの増幅型メモリセルの各列ごとに配列され、前記ゲイン可変増幅手段と前記アナログメモリーの出力オフセット及び前記アナログメモリーからの信号を出力するための回路手段を有することを特徴とする請求項8に記載の固体撮像装置。
- 前記回路手段は、前記出力オフセットを蓄積する第1の蓄積容量と、前記出力オフセットを前記第1の蓄積容量に転送する第1のトランジスタと、前記増幅型メモリセルからの信号を蓄積する第2の蓄積容量と、前記増幅型メモリセルからの信号を前記第2の蓄積容量に転送する第2のトランジスタと、を有する請求項9に記載の固体撮像装置。
- 前記回路手段からの、前記出力オフセットと前記信号とを減算する手段を有する請求項10に記載の固体撮像装置。
- 請求項1〜11のいずれかの1項に記載の固体撮像装置と、前記固体撮像装置へ光を結像するレンズ系と、前記固体撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システム。
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