JP4614843B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＡＤ変換器を内蔵したＭＯＳ型固体撮像装置に関するものである。

ＭＯＳ型固体撮像装置では、撮像部が撮像して得たアナログの映像信号を内蔵したＡＤ変換器によってデジタル映像信号に変換した後に、デジタル映像信号に対して信号処理を行う信号処理装置に出力するものがある。このようなＭＯＳ型固体撮像装置としては、ＣＭＯＳ型が一般的であったが、近年ではＮＭＯＳ型固体撮像装置が開発され（例えば特許文献１を参照）、このＮＭＯＳ型固体撮像装置においてもＡＤ変換器の内蔵が試みられている（例えば特許文献２を参照）。

上記のようにＭＯＳ型固体撮像装置にＡＤ変換器を内蔵すると、出力信号がデジタル信号になるため、信号処理装置との配線数がアナログ信号に比べて増加してしまうという問題がある。

このような配線数の増加に対しては、例えばマルチプレクサを用いて、デジタル映像信号と、固体撮像装置の動作状態を示す動作データ信号とを時分割して送信するようにして、配線数を削減するようにしたものがある（例えば特許文献３を参照）。
特開２００３−４６８６４号公報 特開２００４−２５４２９７号公報 特開平７−２７４０５７号公報

ＭＯＳ型固体撮像装置では、ＣＣＤ型固体撮像装置と比べ、ＭＯＳ型固体撮像装置を駆動するための駆動パルス信号の種類が多い。このため駆動パルス信号を発生させるタイミング・ジェネレータとＭＯＳ型固体撮像装置との間に配線される駆動パルス信号線数も多くなる。特にＮＭＯＳ型固体撮像装置では、駆動パルス信号線数の増加が顕著である。しかしながら、上記のような時分割による信号の送信は、駆動パルス信号の送信には適していない。

したがって、ＭＯＳ型固体撮像装置と信号処理装置とを個別にチップ化した場合には、各々のチップの端子数が増え、結果としてチップサイズが増大することになる。

その上、出力信号であるデジタル映像信号が、固体撮像装置の撮像部へノイズとして回り込むという問題もある。

本発明は、前記の問題に着目してなされたものであり、ＡＤ変換器を内蔵するＭＯＳ型固体撮像装置において、ＭＯＳ型固体撮像装置と信号処理装置との間の配線数、およびＭＯＳ型固体撮像装置とタイミング・ジェネレータとの間の配線数を削減し、さらにデジタル信号の撮像部への回り込みを軽減できるＭＯＳ型固体撮像装置を提供することを目的としている。

前記の課題を解決するため、請求項１の発明は、
外部から入力された駆動パルス信号に駆動されて、画素情報をデジタル映像信号として出力する固体撮像装置であって、
入力された光を画素単位で光電変換して得た画素情報をアナログ映像信号として出力する画素部と、
前記アナログ映像信号をＡＤ変換したデジタル映像信号を出力するＡＤ変換器と、
前記駆動パルス信号、および前記デジタル映像信号の転送に共用する共用配線と、
前記デジタル映像信号、および前記駆動パルス信号のうちの何れの信号を、前記共用配線で転送するかを切り替える信号選択器とを備え、
前記信号選択器は、前記駆動パルス信号が入力されていない期間に、前記デジタル映像信号が前記共用配線で転送されるように切り替えを行うように構成されていることを特徴とする。

また、請求項２の発明は、
請求項１の固体撮像装置であって、
前記共用配線は、少なくとも、前記デジタル映像信号のビット幅分の数と、前記デジタル映像信号と同時に転送される駆動パルス信号数分の数との和の数だけ設けられていることを特徴とする。

これらにより、タイミング的に互いに排他的な駆動パルス信号とデジタル映像信号とで配線が共用されるので、デジタル映像信号の処理を行う信号処理装置と固体撮像装置との間の配線数、および駆動パルス信号を生成するタイミング・ジェネレータと固体撮像装置との間の配線数を削減できる。すなわち、固体撮像装置が実装されるチップサイズを縮小することが可能になる。

また、請求項３の発明は、
請求項１の固体撮像装置であって、
さらに、前記デジタル映像信号を時分割して、前記ＡＤ変換器が前記デジタル映像信号を出力する速度よりも大きな速度で転送する時分割出力部を備えていることを特徴とする。

また、請求項４の発明は、
請求項３の固体撮像装置であって、
前記共用配線の数は、前記デジタル映像信号のビット幅よりも少ないことを特徴とする。

これらにより、共用配線の数がデジタル映像信号のビット幅よりも少ない場合にも、デジタル映像信号の転送が可能になる。

また、請求項５の発明は、
請求項１の固体撮像装置であって、さらに、
前記デジタル映像信号の周波数帯域を高周波側に移動する信号変調部と、
前記アナログ映像信号に含まれたノイズを除去するローパスフィルタと、
を備えていることを特徴とする。

これにより、デジタル映像信号の周波数帯域が高周波側にシフトされた後に転送される。すなわち、ＡＤ変換器を内蔵しためにデジタル映像信号が撮像部に回り込んで発生するノイズをローパスフィルタにより除去でき、結果として映像信号のＳ／Ｎが向上する。

本発明によれば、固体撮像装置と信号処理装置との間の配線数、および固体撮像装置とタイミング・ジェネレータとの間の配線数を削減できるので、チップサイズを縮小することが可能になる。

また、デジタル映像信号の周波数帯域を高周波側にシフトした後に転送するので、ＡＤ変換器を内蔵しために映像信号が撮像部に回り込み発生するノイズをローパスフィルタにより除去可能であり、結果として映像信号のＳ／Ｎが向上する。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

《発明の実施形態１》
図１は、本発明の実施形態１に係る固体撮像装置１００、および信号処理装置２００の構成を示すブロック図である。本実施形態では、固体撮像装置１００と信号処理装置２００とは、各々１チップで構成されているものとする。

図１に示すように、固体撮像装置１００は、撮像部１１０、ＡＤ変換器１２０、および信号選択器１３０を備えて構成されている。

撮像部１１０は、図２に示すように画素部１１１、垂直走査部１１２、水平走査部１１３、ノイズ除去部１１４、および増幅アンプ部１１５を備えて構成されている。

画素部１１１は、行列状に並べられた複数の画素から構成され、入力された光を画素単位で光電変換してアナログ映像信号として出力するようになっている。

垂直走査部１１２は、画素部１１１の中から任意の画素行を選択するための行選択信号を出力するようになっている。

水平走査部１１３は、行選択信号によって選択された画素行を構成する各画素から出力されるアナログ映像信号を読み出すようになっている。

ノイズ除去部１１４は、画素部１１１と水平走査部１１３との間に設けられ、アナログ映像信号からノイズを除去するようになっている。

増幅アンプ部１１５は、水平走査部１１３によって読み出されたアナログ映像信号を増幅するようになっている。

ＡＤ変換器１２０は、撮像部１１０から出力されたアナログ映像信号をデジタル映像信号に変換し、内部映像信号線を介して、デジタル映像信号を信号選択器１３０に出力するようになっている。

信号選択器１３０は、信号処理装置２００の信号選択器２３０（後述）と外部信号線で接続され、外部信号線のうち映像信号の転送が可能な配線を選択し、ＡＤ変換器１２０から送られたデジタル映像信号を、選択した配線を用いて、信号選択器２３０に出力するようになっている。

信号処理装置２００は、信号処理回路２１０、タイミング・ジェネレータ２２０（図中ではＴＧと略記）、および信号選択器２３０を備えて構成されている。

信号処理回路２１０は、固体撮像装置１００から入力されたデジタル映像信号に対して、信号処理を行うようになっている。

タイミング・ジェネレータ２２０は、固体撮像装置１００で使用される駆動パルス信号を生成するようになっている。

信号選択器２３０は、外部信号線のうち駆動パルス信号の転送が可能な配線を選択し、選択した配線を用いて駆動パルス信号を固体撮像装置１００の信号選択器１３０に出力するようになっている。信号選択器２３０によって信号選択器１３０に送られた駆動パルス信号は、そのまま内部駆動パルス信号線を介して撮像部１１０に送られ、撮像部１１０での撮像動作等に用いられる。

本実施形態では、外部信号線は、少なくとも内部映像信号線の数と、デジタル映像信号と同時に送信される駆動パルス信号の数との和だけの本数が設けられている。なお、デジタル映像信号のビット幅は８ｂｉｔとする。

ここで、図３に示す単純なＣｏｌｕｍｎＣＤＳ方式の駆動パルス信号およびデジタル映像信号のタイミングチャートを例に必要な配線数を具体的に求める。

図３において、ＬＩＮＥＳＥＬ，ＲＥＳＥＴ，ＣＬ，ＳＨ，ＶＳＴ，Ｖ１，Ｖ２，ＨＳＴ，Ｈ１，およびＨ２の１０種類が駆動パルス信号である。ＬＩＮＥＳＥＬは行選択信号である。この信号がＨｉｇｈレベル（以下単に、Ｈと略記する）の期間に、サンプルホールド信号ＳＨとクランプ信号ＣＬとが加わると、垂直走査部１１２により選択された行の画素信号がノイズ除去部１１４に取り出される。次に、リセット信号ＲＥＳＥＴを与えられると、画素信号とリセット信号の減算が行われ、ノイズの除去された信号が出力される。

また、ＶＳＴ，Ｖ１，Ｖ２とＨＳＴ，Ｈ１，およびＨ２は、それぞれ垂直走査部１１２と水平走査部１１３を駆動するための駆動パルス信号である。垂直走査部１１２および水平走査部１１３はＶＳＴ，およびＨＳＴのエッジを検出した後に、Ｖ１，Ｖ２，Ｈ１，およびＨ２により駆動される。

図３から解るように、ＬＩＮＥＳＥＬ，ＲＥＳＥＴ，ＣＬ，ＳＨ，ＶＳＴ，およびＨＳＴの６つの駆動パルス信号は、その機能上、水平ブランキング期間に集中している。すなわち、映像信号とタイミング的に排他的である。

したがって、これら６つの駆動パルス信号は、デジタル映像信号と配線を共用することが可能である。反対にＶ１，Ｖ２，Ｈ１，およびＨ２の４つの駆動パルス信号は、デジタル映像信号とタイミングが重なるので、配線を共用することができない。よって、本実施形態において必要な配線数は、映像信号用に８本と、Ｖ１，Ｖ２，Ｈ１，およびＨ２用に４本の計１２本となる。

図４は、本実施形態における共用配線の構成を示す図である。図４においてＤ０〜Ｄ７は、デジタル映像信号である。ＬＩＮＥＳＥＬとＤ０、ＲＥＳＥＴとＤ１、ＣＬとＤ２、ＳＨとＤ３、ＶＳＴとＤ４、ＨＳＴとＤ５がそれぞれ共用配線を使用する構成になっている。駆動パルス信号と映像信号の何れを共用配線に割り当てをするかは、選択信号ＳＥＬによって設定される。

次に、図５を用いて、信号選択器１３０・２３０の切り替え動作（切替タイミング）について説明する。

まず、初期状態では、固体撮像装置１００側は水平走査部１１３が停止しているため駆動パルス信号を待っている状態と判断し、信号選択器１３０は、共用配線を駆動パルス信号用に割り当てる。同様に、信号処理装置２００側では、タイミング・ジェネレータ２２０が駆動パルス信号を出力していないので、信号選択器２３０も共用配線を駆動パルス信号用に割り当てる。

次に、タイミング・ジェネレータ２２０がＨＳＴを出力した時点ｔ１ｎ（ｎ＝０，１，２…，垂直走査数−１）で、以降はデジタル映像信号の出力が開始されることが予想されるので、信号選択器１３０・２３０はともに、共用配線を映像信号用に割り当てる。

そして、水平走査部１１３の状態から最後の有効データを出力したと判断した時点、すなわち信号処理回路２１０が最後の有効データを受け取ったと判断した時点ｔ２ｎで、信号選択器１３０・２３０は共に、共用配線を駆動パルス信号用に再度割り当てる。以上の動作を繰返すことにより、デジタル映像信号の転送と駆動パルス信号の転送とを共通の配線上で実現できる。

なお、本実施形態では説明の都合上、比較的駆動パルス信号数の少ない簡略化されたモデルを用いて説明したが、一般に用いられるＭＯＳ型撮像装置（特にＮＭＯＳ型撮像装置）では、より多くの駆動パルス信号を必要とする。しかしながら、一般に用いられるＭＯＳ型撮像装置も本実施形態と同様に、駆動パルス信号の多くが水平ブランキング期間に集中するという性質を有しているため、本発明を適用可能である。

《発明の実施形態２》
実施形態２は、共用配線として使用できる配線数がデジタル映像信号のビット幅よりも少ない固体撮像装置の例である。

本実施形態では、デジタル映像信号のビット幅が１２ｂｉｔであり、また映像信号と排他的な駆動パルス信号はＬＩＮＥＳＥＬ，ＲＥＳＥＴ，ＣＬ，ＳＨ，ＶＳＴ，およびＨＳＴの６つであるものとする。また、配線を共用できない信号は４つあるものとする。

上記のような信号構成の場合には、デジタル映像信号のうちの６ｂｉｔは、共用配線を使用して転送可能である。

そこで、本実施形態では、デジタル映像信号のビット幅が１２ｂｉｔなので、転送レートを２倍にし、２回に時分割して転送する時分割出力部（図示せず）をＡＤ変換器１２０と信号選択器１３０の間に設ける。これにより、１０本の配線でデジタル映像信号と駆動パルス信号とを転送できる。

図６は、本実施形態における共用配線の構成を示す図である。図６においてＤ０〜ＤＢは映像信号であり、例えばＤ０／Ｄ１はＤ０とＤ１を交互に転送することを表している。

上記のように本実施形態によれば、実施形態１と同様に、デジタル映像信号の転送と駆動パルス信号の転送とを共通の配線上で実現することができる。

なお、実施形態１の固体撮像装置１００において、デジタル映像信号のビット幅を実施形態２と同じく１２ｂｉｔとした場合を考えると、共用配線数は増加しないため配線数は単純に１２＋４＝１６本となる。すなわち、デジタル映像信号が同ビット幅の場合は、実施形態２に係る装置の方が固体撮像装置１００に比べ、より配線数を削減できる。また、同配線数であれば、実施形態２に係る装置の方がより多くの映像信号を扱える。

《発明の実施形態３》
実施形態３では、ＡＤ変換器１２０等から撮像部１１０に回り込むノイズの影響を軽減する固体撮像装置の例を説明する。

例えば、デジタル映像信号としてＡＤ変換後のビット０、１をそのまま電圧のＬｏｗレベル（以下、単にＬと略記する）、Ｈに割り当てるＮＲＺ（Ｎｏｎ Ｒｅｔｕｒｎ ｔｏ Ｚｅｒｏ）符号を用いた場合には、図７に示すように、伝送帯域は直流からＡＤ変換器１２０のナイキスト周波数ｆ付近まで分布する。

これに対して、本実施形態では、ＡＤ変換後の信号に対してＭａｎｃｈｅｓｔｅｒ符号（Ｂｉ−Ｐｈａｓｅ符号）による信号変調を行う信号変調部（図示せず）を設ける。Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ符号は、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）の物理層等に使用されている方式である。Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ符号では、図８に示すように、０をＬからＨのエッジ、また１をＨ−Ｌのエッジとして２倍の速度で伝送する。

したがって、原理的にＮＲＺに比べ２倍の伝送帯域が必要になるが、直流成分はなくなる。また、ＨおよびＬは最高でも２回までしか連続しない（例えば１０のときＨＬＬＨ）、つまり１／ｆの周期で必ずＬ，Ｈの変換点が存在する。すなわち、本実施形態による映像信号の帯域は、図９に示すように、周波数ｆから２ｆにかけての分布となる。

そこで、本実施形態では、図９のような特性のローパスフィルタを撮像部１１０の増幅アンプ部１１５の後段に設け、撮像部１１０におけるアナログ映像信号の周波数ｆ以上の成分（ノイズ）を減衰させる。これにより、ＡＤ変換器１２０を内蔵したことによるデジタル映像信号の撮像部１１０への回り込みが発生しても、その影響を軽減することができる。

なお、撮像部１１０におけるアナログ映像信号は、周波数ｆ以上の成分を含んでいる可能性があるが、後に行われるＡＤ変換の性質から周波数ｆ以上の成分が失われても問題ない。

また、本実施形態では、周波数帯域の移動にＭａｎｃｈｅｓｔｅｒ符号を用いたが、例えばＦＳＫ（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ）による周波数変調を用いてもよい。ただし、その場合には、信号処理装置２００側に復調回路が必要となる。

本発明にかかる固体撮像装置は、固体撮像装置と信号処理装置との間の配線数、および固体撮像装置とタイミング・ジェネレータとの間の配線数を削減できるので、チップサイズを縮小することが可能になり、またデジタル映像信号の周波数帯域を高周波側にシフトした後に転送するので、ＡＤ変換器内蔵のために映像信号が撮像部に回り込み発生するノイズをローパスフィルタにより除去可能であり、結果として映像信号のＳ／Ｎが向上するという効果を有し、ＡＤ変換器を内蔵したＭＯＳ型固体撮像装置等として有用である。

本発明の実施形態１に係る固体撮像装置、および信号処理装置の構成を示すブロック図である。 撮像部の構成を示すブロック図である。 ＣｏｌｕｍｎＣＤＳ方式の駆動パルス信号および映像信号のタイミングチャートである。 本発明の実施形態１に係る共用配線の構成を示す図である。 駆動パルス信号および映像信号のタイミングチャートである。 本発明の実施形態２に係る共用配線の構成を示す図である。 ＮＲＺ符号を用いた場合の伝送帯域を示す図である。 ＮＲＺ符号、およびＭａｎｃｈｅｓｔｅｒ符号による符号化例を示す図である。 Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ符号が用いられた場合の映像信号の帯域を示す図である。

符号の説明

１００ 固体撮像装置
１１０ 撮像部
１１１ 画素部
１１２ 垂直走査部
１１３ 水平走査部
１１４ ノイズ除去部
１１５ 増幅アンプ部
１２０ ＡＤ変換器
１３０ 信号選択器
２００ 信号処理装置
２１０ 信号処理回路
２２０ タイミング・ジェネレータ
２３０ 信号選択器

Claims (5)

1. 外部から入力された駆動パルス信号に駆動されて、画素情報をデジタル映像信号として出力する固体撮像装置であって、
   入力された光を画素単位で光電変換して得た画素情報をアナログ映像信号として出力する画素部と、
   前記アナログ映像信号をＡＤ変換したデジタル映像信号を出力するＡＤ変換器と、
   前記駆動パルス信号、および前記デジタル映像信号の転送に共用する共用配線と、
   前記デジタル映像信号、および前記駆動パルス信号のうちの何れの信号を、前記共用配線で転送するかを切り替える信号選択器とを備え、
   前記信号選択器は、前記駆動パルス信号が入力されていない期間に、前記デジタル映像信号が前記共用配線で転送されるように切り替えを行うように構成されていることを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１の固体撮像装置であって、
   前記共用配線は、少なくとも、前記デジタル映像信号のビット幅分の数と、前記デジタル映像信号と同時に転送される駆動パルス信号数分の数との和の数だけ設けられていることを特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項１の固体撮像装置であって、
   さらに、前記デジタル映像信号を時分割して、前記ＡＤ変換器が前記デジタル映像信号を出力する速度よりも大きな速度で転送する時分割出力部を備えていることを特徴とする固体撮像装置。
4. 請求項３の固体撮像装置であって、
   前記共用配線の数は、前記デジタル映像信号のビット幅よりも少ないことを特徴とする固体撮像装置。
5. 請求項１の固体撮像装置であって、さらに、
   前記デジタル映像信号の周波数帯域を高周波側に移動する信号変調部と、
   前記アナログ映像信号に含まれたノイズを除去するローパスフィルタと、
   を備えていることを特徴とする固体撮像装置。
   
   

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