JP5074297B2 - 固体撮像装置およびその駆動方法、並びに電子情報機器 - Google Patents
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Description
図1〜図6は本発明の実施形態1による固体撮像装置およびその駆動方法を説明する図であり、図1は、この実施形態1の固体撮像装置の構成を示すブロック図、図2は、該固体撮像装置におけるAD変換回路を説明するブロック図である。また、図3および図4は、上記実施形態1の固体撮像装置の動作を説明する波形図であり、図3は、1フレーム期間内での行選択パルスの発生タイミングを示し、図4(a)は、1水平期間内での行選択パルスの発生タイミングを示している。図4(b)および図4(c)はそれぞれ、第1および第2の水平シフトレジスタから出力される列選択パルスの発生タイミングを示している。図5は、1フレーム期間内での長時間露光と短時間露光のタイミング(図5(b))を、固体撮像装置の主要部の構成(図5(a))とともに示す図であり、図6は、連続する3水平期間での信号処理(図6(b))を固体撮像装置の主要部の構成(図6(a))とともに示す図である。
(実施形態2)
以下本発明の実施形態2による固体撮像装置として、上記第1および第2のAD変換回路に供給するランプ波形の最大振幅値をフィードバック制御するものについて具体的に説明する。
(実施形態3)
図9〜図12は、本発明の実施形態3による固体撮像装置およびその駆動方法を説明する図である。図9は、この実施形態3の固体撮像装置の構成を示すブロック図、図10は、この実施形態3の固体撮像装置の動作を説明する模式図である。また、図11および図12は、上記実施形態3の固体撮像装置の動作を説明する波形図であり、図11は、1フレーム期間内での行選択パルスの発生タイミングを示し、図12(a)は、1水平期間内での行選択パルスの発生タイミングを示している。図12(b)および図12(c)はそれぞれ、第1および第2の水平シフトレジスタから出力される列選択パルスの発生タイミングを示している。
(実施形態4)
以下、本発明の実施形態4による固体撮像装置として、上記実施形態3の固体撮像装置におけるシャッター動作(第3の画素行選択動作)のタイミングをフィードバック制御するものについて具体的に説明する。
(実施形態5)
図15〜図18は、本発明の実施形態5による固体撮像装置およびその駆動方法を説明する図である。図15は、この実施形態5の固体撮像装置の全体構成を示すブロック図、図16は、該固体撮像装置における制御部の構成を示すブロック図である。図17び図18は、上記実施形態5の固体撮像装置の動作を説明する波形図であり、図17は、1フレーム期間内での行選択パルスの発生タイミングを示し、図18(a)は、1水平期間内での行選択パルスの発生タイミングを示している。図18(b)および図18(c)はそれぞれ、第1および第2の水平シフトレジスタから出力される列選択パルスの発生タイミングを示している。
(実施形態6)
図19は、本発明の実施形態6として、上記実施形態1〜5のいずれかの固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。
91 固体撮像部
92 メモリ部
93 表示手段
94 通信手段
95 画像出力手段
100、100a、100b、100c、100d 固体撮像装置
102 画素領域
104、104b、104d 垂直シフトレジスタ
108、108a、108c、108d 制御部
109a 第1の水平シフトレジスタ
109b 第2の水平シフトレジスタ
110a 第1のAD変換回路
110b 第2のAD変換回路
111 CDS回路
112 コンパレータ
113 nビットラッチ部
113a 前段nビットラッチ
113b 後段nビットラッチ
115 nビットカウンタ
116 ランプ波形生成部
117c 露光時間制御部
120 AD変換器
121 論理回路
L1〜Lm 列信号線
Ra〜Rc 選択行
Claims (32)
- 入射光の光電変換により信号電荷を生成する画素を2次元マトリクス状に配列してなる画素領域と、
該画素領域の各画素行を選択する行選択部であって、該行選択部により選択した画素行の各画素の画素値を順次出力する行選択部と、
該画素領域に各画素列毎に設けられた複数の列信号線と、
該各列信号線に読み出された各画素のアナログ画素信号からデジタル画素値を生成する信号処理回路と
を備える固体撮像装置であって、
該信号処理回路は、
該選択された画素行の各画素からの、長時間露光により得られた信号電荷に相当する長時間露光アナログ画素信号を同時に長時間露光デジタル画素値にAD変換する第1のAD変換回路と、
該選択された画素行の各画素からの、短時間露光により得られた信号電荷に相当する短時間露光アナログ画素信号を同時に短時間露光デジタル画素値にAD変換する第2のAD変換回路と
を備えており、
該行選択部は、
各画素行から、該アナログ画素信号として、該長時間露光アナログ画素信号と、該短時間露光アナログ画素信号とが、1フレーム期間内に、各画素に対応する列信号線に読み出されるように、かつ、
該各画素行に対応する水平期間には、第1の水平ブランキング期間内に1つの画素行の各画素から該長時間露光アナログ画素信号が、対応する列信号線に読み出され、かつ、該第1の水平ブランキング期間に続く第2の水平ブランキング期間内に、該1つの画素行に隣接する他の画素行の各画素から該短時間露光アナログ画素信号が、対応する列信号線に読み出されるように、
各画素行を選択し、
該第1のAD変換回路は、該第1の水平ブランキング期間内に該列信号線に読み出された長時間露光アナログ画素信号を、該各画素行に対応する水平期間内の、該第2の水平ブランキング期間に続く残りの信号処理期間内にAD変換し、
該第2のAD変換回路は、該第2の水平ブランキング期間内に該列信号線に読み出された短時間露光アナログ画素信号を、該第1のAD変換回路での該長時間露光アナログ画素信号のAD変換と並行して、該残りの信号処理期間内にAD変換する、固体撮像装置。 - 前記信号処理回路を構成する前記第1および第2のAD変換回路は、各列信号線毎に設けられ、該各列信号線に読み出された、選択された画素行の画素のアナログ画素信号をデジタル画素値に変換する複数のAD変換器を有している請求項1に記載の固体撮像装置。
- 前記行選択部は、1フレーム期間に、前記各画素行を3回以上選択するものであり、
そのうち少なくとも1回の画素行の選択時には、該選択された画素行の各画素の、露光により得られた信号電荷が廃棄され、
その他の2回の画素行の選択時のうちの一方では、前記選択された画素行の各画素で長時間露光により得られた信号電荷に相当する長時間露光アナログ画素信号が、対応する列信号線に読み出され、
その他の2回の画素行の選択時のうちの他方では、該選択された画素行の各画素で短時間露光により得られた信号電荷に相当する短時間露光アナログ画素信号が、対応する列信号線に読み出される請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記行選択部は、前記各画素行を選択するタイミングを、1水平期間を単位として設定するものである請求項3に記載の固体撮像装置。
- 前記行選択部は、前記各画素行を選択するタイミングを、1水平期間内の各画素行の各画素に割り当てられている期間である1画素期間を単位として設定するものである請求項3に記載の固体撮像装置。
- 前記長時間露光アナログ画素信号は、実質的に1フレーム期間にわたって前記画素で蓄積された信号電荷から得られたアナログ画素信号であり、
前記短時間露光アナログ画素信号は、実質的に1水平期間にわたって該画素で蓄積された信号電荷から得られたアナログ画素信号である請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記行選択部は、1フレームに相当する期間内に前記各画素行を3回選択し、第1の画素行選択時には、該選択された画素行の各画素の、露光により得られた信号電荷が廃棄され、第2の画素行選択時には、該第1の画素行選択時から該第2の画素行選択時までの間に該選択された画素行の各画素で露光により得られた信号電荷が、対応する列信号線に読み出され、該第3の画素行選択時には、該第2の画素行選択時から該第3の画素行選択時までの間に該選択された画素行の各画素で露光により得られた信号電荷が、対応する列信号線に読み出される請求項3に記載の固体撮像装置。
- 前記第1の画素行選択時から前記第2の画素行選択時までの期間は、該第2の画素行選択時から前記第3の画素行選択時までの期間より長い期間であり、
該第2の画素行選択時には、前記選択された画素行の各画素で長時間露光により得られた信号電荷に相当する長時間露光アナログ画素信号が、対応する列信号線に読み出され、該第3の画素行選択時には、該選択された画素行の各画素で短時間露光により得られた信号電荷に相当する短時間露光アナログ画素信号が、対応する列信号線に読み出される請求項7に記載の固体撮像装置。 - 前記信号処理回路は、前記第1および第2のAD変換回路を制御する制御部を有し、
前記制御部は、前記長時間露光デジタル画素値の所定期間の平均値に基づいて前記第1の画素行選択時を調整して、長時間露光時間をフィードバック制御する露光時間制御部を有する請求項8に記載の固体撮像装置。 - 前記第1の画素行選択時から前記第2の画素行選択時までの期間は、該第2の画素行選択時から前記第3の画素行選択時までの期間より短い期間であり、
該第2の画素行選択時には、前記選択された画素行の各画素で短時間露光により得られた信号電荷に相当する短時間露光アナログ画素信号が、対応する列信号線に読み出され、該第3の画素行選択時には、前記選択された画素行の各画素で長時間露光により得られた信号電荷に相当する長時間露光アナログ画素信号が、対応する列信号線に読み出される請求項7に記載の固体撮像装置。 - 前記信号処理回路は、前記第1および第2のAD変換回路を制御する制御部を有し、
前記制御部は、前記短時間露光デジタル画素値の所定期間の平均値に基づいて前記第1の画素行選択タイミングを調整して、短時間露光時間をフィードバック制御する露光時間制御部を有する請求項10に記載の固体撮像装置。 - 前記行選択部は、1フレームに相当する期間内に前記各画素行を3回選択し、第1の画素行選択時には、その前の第3の画素行選択時から該第1の画素行選択時までの間に、該選択された画素行の各画素で露光により得られた信号電荷が、対応する列信号線に読み出され、第2の画素行選択時には、該選択された画素行の各画素の、露光により得られた信号電荷が廃棄され、該第3の画素行選択時には、該第2の画素行選択時から該第3の画素行選択時までの間に該選択された画素行の各画素で露光により得られた信号電荷が、対応する列信号線に読み出される請求項3に記載の固体撮像装置。
- 前記第2の画素行選択時から前記第3の画素行選択時までの期間は、該第3の画素行選択時からその次の第1の画素行選択時までの期間より短い期間であり、
該第1の画素行選択時には、前記選択された画素行の各画素で長時間露光により得られた信号電荷に相当する長時間露光アナログ画素信号が、対応する列信号線に読み出され、該第3の画素行選択時には、該選択された画素行の各画素で短時間露光により得られた信号電荷に相当する短時間露光アナログ画素信号が、対応する列信号線に読み出される請求項12に記載の固体撮像装置。 - 前記信号処理回路は、前記第1および第2のAD変換回路を制御する制御部を有し、
前記制御部は、前記長時間露光デジタル画素値の所定期間の平均値に基づいて前記第2の画素行選択時を調整して、短時間露光時間をフィードバック制御する露光時間制御部を有する請求項13に記載の固体撮像装置。 - 前記行選択部は、1フレームに相当する期間内に前記各画素行を4回選択し、第1の画素行選択時には、該選択された画素行の各画素の、露光により得られた信号電荷が廃棄され、第2の画素行選択時には、該第1の画素行選択時から該第2の画素行選択時までの間に該選択された画素行の各画素で露光により得られた信号電荷が、対応する列信号線に読み出され、第3の画素行選択時には、該選択された画素行の各画素の、露光により得られた信号電荷が廃棄され、第4の画素行選択時には、該第3の画素行選択時から該第4の画素行選択時までの間に該選択された画素行の各画素で露光により得られた信号電荷が、対応する列信号線に読み出される請求項3に記載の固体撮像装置。
- 前記信号処理回路は、前記第1および第2のAD変換回路を制御する制御部を有し、
前記制御部は、前記長時間露光デジタル画素値の所定期間の平均値に基づいて前記第1の画素行選択時を調整して、長時間露光時間をフィードバック制御し、かつ前記短時間露光デジタル画素値の所定期間の平均値に基づいて前記第3の画素行選択時を調整して、短時間露光時間をフィードバック制御する露光時間制御部を有する請求項15に記載の固体撮像装置。 - 前記第1のAD変換回路は、その各AD変換器の前段に設けられ、前記列信号線に暗時アナログ画素信号として読み出されたリセット信号と、該列信号線に長時間露光アナログ画素信号として出力されたデータ信号とをそれぞれサンプリングしてそれらの第1の差分アナログ画素信号を出力する第1のCDS回路を有し、
前記第2のAD変換回路は、その各AD変換器の前段に設けられ、該列信号線に暗時のアナログ画素信号として読み出されたリセット信号と、該列信号線に短時間露光アナログ画素信号として出力されたデータ信号とをそれぞれサンプリングしてそれらの第2の差分アナログ画素信号を出力する第2のCDS回路を有する請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記第1のAD変換回路を構成する各AD変換器は、
その前段の第1のCDS回路から出力される一定レベルの第1の差分アナログ画素信号を第1のランプ波形信号と比較し、該第1のランプ波形信号の信号レベルが該第1の差分アナログ画素信号の信号レベルを超えたとき第1のタイミング信号を出力する第1のコンパレータと、
該第1のタイミング信号が出力されたとき、該第1の差分アナログ画素信号の信号レベルに相当する第1のカウント値をラッチする第1のラッチ回路とを有し、
前記第2のAD変換回路を構成する各AD変換器は、
その前段の第2のCDS回路から出力される一定レベルの第2の差分アナログ画素信号を第2のランプ波形信号と比較し、該第2のランプ波形信号の信号レベルが該第2の差分アナログ画素信号の信号レベルを超えたとき第2のタイミング信号を出力する第2のコンパレータと、
該第2のタイミング信号が出力されたとき、該第2の差分アナログ画素信号の信号レベルに相当する第2のカウント値をラッチする第2のラッチ回路とを有する請求項17に記載の固体撮像装置。 - 前記信号処理回路は、
前記第1のAD変換回路の前記各列信号線に対応するAD変換器で得られた各画素の長時間露光デジタル画素値が順次出力されるよう、該第1のAD変換回路にタイミングパルス信号を出力する第1の水平シフトレジスタと、
前記第2のAD変換回路の前記各列信号線に対応するAD変換器で得られた各画素の短時間露光デジタル画素値が順次出力されるよう、該第2のAD変換回路にタイミングパルス信号を出力する第2の水平シフトレジスタとを有し、
前記第1のラッチ回路は、
前記第1のコンパレータからの第1のタイミング信号に基づいて、前記第1の差分アナログ画素信号の信号レベルに相当する第1のカウント値を、該長時間露光デジタル画素値としてラッチする第1の前段ラッチ部と、
該第1の前段ラッチ部のラッチ出力を保持し、該第1の水平シフトレジスタからのタイミングパルスにより、該第1の前段ラッチ部のラッチ出力を出力する第1の後段ラッチ部とを有し、
前記第2のラッチ回路は、
前記第2のコンパレータからの第2のタイミング信号に基づいて、前記第2の差分アナログ画素信号の信号レベルに相当する第2のカウント値を、該長時間露光デジタル画素値としてラッチする第2の前段ラッチ部と、
該第2の前段ラッチ部のラッチ出力を保持し、該第2の水平シフトレジスタからのタイミングパルスにより、該第2の前段ラッチ部のラッチ出力を出力する第2の後段ラッチ部とを有する請求項18に記載の固体撮像装置。 - 前記第1のAD変換回路が前記第1の差分アナログ画素信号をAD変換する処理と、前記第2のAD変換回路が前記第2の差分アナログ画素信号をAD変換する処理とは、同一の処理である請求項18に記載の固体撮像装置。
- 前記信号処理回路は、前記第1および第2のAD変換回路を制御する制御部を有し、
該制御部は、
該第1のAD変換回路の各列信号線毎に設けられた複数のAD変換器に前記第1のランプ波形信号を出力する第1のランプ波形生成部と、
該第2のAD変換回路の各列信号線毎に設けられた複数のAD変換器に前記第2のランプ波形信号を出力する第2のランプ波形生成部と、
該複数のAD変換器に前記カウント値を供給するカウンタ回路とを有する請求項20に記載の固体撮像装置。 - 前記第1のAD変換回路が前記第1の差分アナログ画素信号をAD変換する処理と、前記第2のAD変換回路が前記第2の差分アナログ画素信号をAD変換する処理とは、異なる処理である請求項18に記載の固体撮像装置。
- 前記信号処理回路は、前記第1および第2のAD変換回路を制御する制御部を有し、
該制御部は、
該第1のAD変換回路の各列信号線毎に設けられた複数のAD変換器に前記第1のランプ波形信号を出力する第1のランプ波形生成部と、
該第2のAD変換回路の各列信号線毎に設けられた複数のAD変換器に、該第1のランプ波形信号に比べて最大振幅値の小さい第2のランプ波形信号を出力する第2のランプ波形生成部と、
該複数のAD変換器に前記カウント信号を供給するカウンタ回路とを有する請求項22に記載の固体撮像装置。 - 前記信号処理回路は、前記第1および第2のAD変換回路を制御する制御部を有し、
該制御部は、
該第1のAD変換回路の各列信号線毎に設けられた複数のAD変換器に、波形が固定である第1のランプ波形信号を出力する第1のランプ波形生成部と、
該第2のAD変換回路の各列信号線毎に設けられた複数のAD変換器に、波形が可変である第2のランプ波形信号を出力する第2のランプ波形生成部と、
該複数のAD変換器に前記カウント信号を供給するカウンタ回路とを有し、
該第2のAD変換回路では、各AD変換器でのAD変換のダイナミックレンジが該第2のランプ波形信号の波形により調整される請求項22に記載の固体撮像装置。 - 前記制御部は、外部からの設定信号に基づいて、前記第2のランプ波形生成部で生成されるランプ波形の最大振幅値を設定するランプ波形設定部を有する請求項24に記載の固体撮像装置。
- 前記制御部は、前記短時間露光デジタル画素値の所定期間の平均値に基づいて、前記第2のランプ波形生成部で生成されるランプ波形の最大振幅値をフィードバック制御するランプ波形制御部を有する請求項24に記載の固体撮像装置。
- 前記信号処理回路は、前記第1および第2のAD変換回路を制御する制御部を有し、
該制御部は、
該第1のAD変換回路の各列信号線毎に設けられた複数のAD変換器に、波形が可変である第1のランプ波形信号を出力する第1のランプ波形生成部と、
該第1のAD変換回路の複数のAD変換器に第1のカウント値を供給する第1のカウンタ回路と、
前記長時間露光デジタル画素値の所定期間の平均値に基づいて、該第1のランプ波形生成部で生成されるランプ波形の最大振幅値をフィードバック制御する第1のランプ波形制御部と、
該第2のAD変換回路の各列信号線毎に設けられた複数のAD変換器に、波形が可変である第2のランプ波形信号を出力する第2のランプ波形生成部と、
該第2のAD変換回路の複数のAD変換器に第2のカウント信号を供給する第2のカウンタ回路と、
前記短時間露光デジタル画素値の所定期間の平均値に基づいて、該第2のランプ波形生成部で生成されるランプ波形の最大振幅値をフィードバック制御する第2のランプ波形制御部とを有し、
該第1のAD変換回路では、該各AD変換器でのAD変換のダイナミックレンジが、該第1のランプ波形信号の波形により調整され、該第2のAD変換回路では、該各AD変換器でのAD変換のダイナミックレンジが、該第2のランプ波形信号の波形により調整される請求項22に記載の固体撮像装置。 - 前記信号処理回路は、
前記第1のAD変換回路の前記各列信号線に対応するAD変換器で得られた各画素の長時間露光デジタル画素値が順次出力されるよう、該第1のAD変換回路にタイミングパルス信号を出力する第1の水平シフトレジスタと、
前記第2のAD変換回路の該各列信号線に対応するAD変換器で得られた各画素の短時間露光デジタル画素値が順次出力されるよう、該第2のAD変換回路にタイミングパルス信号を出力する第2の水平シフトレジスタとを有する請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記信号処理回路は、前記第1のAD変換回路から順次出力される各画素の長時間露光デジタル画素値と、前記第2のAD変換回路から順次出力される各画素の短時間露光デジタル画素値とを、対応する画素毎に合成する論理回路を有する請求項28に記載の固体撮像装置。
- 前記信号処理回路は、前記第1のAD変換回路を、前記選択された画素行の各画素の長時間露光アナログ画素信号が同時に長時間露光デジタル画素値に変換されるよう制御するとともに、前記第2のAD変換回路を、前記選択された画素行の各画素の短時間露光アナログ画素信号が同時に短時間露光デジタル画素値に変換されるよう制御する制御部を備えた請求項1に記載の固体撮像装置。
- 入射光の光電変換により信号電荷を生成する画素を2次元マトリクス状に配列してなる画素領域と、該画素領域の各画素行を選択する行選択部と、該画素領域に各画素列毎に設けられ、該行選択部により選択された画素行の各画素からアナログ画素信号が読み出される複数の列信号線とを備えた固体撮像装置を、該行選択部により画素行が順次選択され、該選択された画素行の各画素の画素値が順次出力されるよう駆動する駆動方法であって、
選択された画素行の各画素から対応する列信号線に読み出された各画素のアナログ画素信号を同時にデジタル画素値に変換し、
第1の水平ブランキング期間内に、各画素行から、該アナログ画素信号として、長時間露光により得られた信号電荷に相当する長時間露光アナログ画素信号が、各画素に対応する列信号線に読み出され、かつ、第2の水平ブランキング期間内に、各画素行から、該アナログ画素信号として、短時間露光により得られた信号電荷に相当する短時間露光アナログ画素信号が、各画素に対応する列信号線に読み出されるように、該行選択部により1フレーム期間内に各画素行が2回選択され、
選択された画素行の各画素からの該長時間露光アナログ画素信号は、第1のAD変換回路により、該フレーム期間内の残りの信号処理期間内に、同時に長時間露光デジタル画素値にAD変換され、
選択された画素行の各画素からの該短時間露光アナログ画素信号は、該第1のAD変換回路での該長時間露光アナログ画素信号のAD変換と並行して、第2のAD変換回路により、該フレーム期間内の残りの信号処理期間内に、同時に短時間露光デジタル画素値にAD変換される、固体撮像装置の駆動方法。 - 被写体の撮像を行う撮像部を備えた電子情報機器であって、
該撮像部は、請求項1に記載の固体撮像装置である電子情報機器。
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