JP5166469B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
まず、図1を用いて本実施形態に係る固体撮像装置1の構成例について説明する。図1は、本実施形態に係る固体撮像装置1のブロック図である。図示するように、固体撮像装置1は、撮像部2、行走査回路4、バイアス回路5、リセット信号制御回路6(図中、RSと表記)、参照信号生成部7、駆動制御部8、列走査回路9、及びカラムAD変換回路10(以下、ADC部10と呼ぶ)を備える。
まず、撮像部2から説明する。撮像部2は補正撮像領域(以下、VOB領域と呼ぶことがある)と有効撮像領域とを備える。
有効撮像領域は、k×m個からなるマトリクス状に配置された複数の単位画素3(以下、(以下、PIXEL3またはピクセル3と呼ぶことがある)を備える。VOB(補正撮像)領域は、t×m個からなるマトリクス状に配置された複数の単位画素3を備え、この領域は遮光された領域である。また、これら有効撮像領域とVOB領域とにそれぞれ配置された単位画素3は、同一の構成である。
行走査回路4は、駆動制御部8からの制御信号により、信号LS(k+t)〜LS(k+1)、及び信号LSk〜LS1を撮像部2に出力し、単位画素3を行毎に選択する選択部として機能する。なお、信号LS1〜LSk、及び信号LS(k+1)〜LS(k+t)を区別しない場合には、単に信号LSを呼ぶ。この信号LSは、例えば、信号RESET、及び信号READである。つまり、行走査回路4が、信号LSを画素単位3に出力すると、単位画素3からの読み出し動作により、リセット信号及び映像信号が読み出される。なお本実施形態では、補正撮像領域(VOB)の単位画素3からは、リセット信号及び映像信号、又はリセット信号のみが垂直信号線VSLに読み出されるものとする。
バイアス回路5は、所定の電圧をリセット信号制御回路6に供給する。
リセット信号制御回路6は、駆動制御部8から供給される信号クランプイネーブル(以下、信号CE)に応じて、垂直信号線VSLを所定の電圧でクランプ(固定)する期間(以下、センサタイミングとも呼ぶ)を切り替える。つまり、リセット信号制御回路6は、ゲートに与えられる信号CEが‘H’レベルとされると、オン状態とされ、クランプ電圧を垂直信号線VSLに供給するMOSトランジスタを備える。
参照信号生成部7は、駆動制御部8から供給される制御信号に基づいて、ADC部10に参照信号VREFを出力する。この参照信号生成部7は、参照信号VREFを、期間(以下、オートゼロ期間、リセット信号検出期間、画素信号検出期間)に応じて第1参照信号〜第3参照信号として出力する。これら参照信号はハイレベルの電圧からローレベルの電圧へと一定の傾きで減少する。
駆動制御部8は、ラッチ回路21から供給された判定フラグに応じてリセット信号制御回路6に信号CEを供給する。つまり、VOB中の単位画素3から読み出したリセット信号からデジタル値を取得できるか否かに応じて信号CEをリセット信号制御回路6に供給する。信号CEとは、上記説明したように、有効撮像領域の単位画素3からリセット信号を垂直信号線VSLに読み出す際、この垂直信号線VSLを所定の電位でクランプする期間(オートゼロ期間、またはこのオートゼロ期間及びリセット信号検出期間のいずれか期間)を設定する制御信号である。
列走査回路9は、ADC回路10から供給されたデジタル信号を、例えば映像処理部(図示せぬ)などへ供給する。
ADC部10は、比較器20、ラッチ回路21、EDGE検出器22、及びCOUNTER23(以下、カウンター23と呼ぶ)を備え、これら構成によって、単位画素3から読み出されたリセット信号及び画素信号のデジタル変換が行われる。
次に、上記説明した単位画素3の構成例について図2を用いて説明する。図2は、s行目(1≦s≦t)に配置され、例えば垂直信号線VSL1に接続された単位画素3の回路の一例を示したものである。図示するように、単位画素3は、MOSトランジスタRST、READ、AMP、及びフォトダイオードPDを備える。
次に、アナログ信号Vsig(リセット信号)をアナログ/デジタル変換した際、カウンター23が出力するカウント値(デジタル信号)について図3を用いて説明する。図3は、上記説明した参照信号生成部7が生成する参照信号VREFのゲインとカウンター23が出力するカウントクロックとの関係を示した概念図である。
<2−1.駆動制御部8の動作について>
次に、上記説明した駆動制御部8の動作について、図4Aを用いて説明する。図4Aは、駆動制御部8が、VOB領域から出力されたリセット電位に応じてクランプ期間を設定するフローチャートである。まず駆動制御部8は、初期値として信号CEをオートゼロ期間中のみ“H”レベルに設定する(ステップS1)。次に、駆動制御部8は、ラッチ回路21から供給されたラッチ信号(判定信号)を検知する(S2)。ステップS2の結果、リセット信号のデジタル変換結果が、リセットフルカウント値内、すなわち変換結果が“L”レベルに反転したら(S3、YES)、信号CEはオートゼロ期間のみ“H”レベルとするよう制御する(S4)。これに対し、ステップS3において、変換結果が“L”レベルに反転せず、“H”レベルのままであったら、(S3、NO)、駆動制御部8は信号CEをオートゼロ期間に加え、リセット期間の間、“H”レベルとするよう制御する(S5)。
次に、上記説明した固体撮像装置1の読み出し動作について図4Bを用いて説明する。図4Bは、明時の場合において、VOB領域における単位画素3から読み出されたリセット信号のデジタル変換結果に応じて、‘H’レベルとする信号CEの期間を変化させたタイムチャート及び電位図である。具体的には、図4Aで説明したVOB領域の単位画素3から読み出されたリセット信号のデジタル変換結果に応じて、信号CEを‘H’レベルとする期間をオートゼロ期間(図中、AZ期間またはAZと表記)、またはオートゼロ期間及びリセット期間(図中、AZ+RST期間と表記)のいずれかに設定するものである。なお、VOB領域の単位画素3から読み出されたリセット信号を読む際、信号CEを‘H’レベルとする期間のデフォルト(初期設定)は、オートゼロ期間(AZ期間)のみである。
以下、この時刻t5以降のタイムチャートをゲインが低い場合と高い場合とに分けて説明する。
クランプ信号CEのデフォルト設定はオートゼロ期間のみ“H”レベルであるので、時刻t5において、信号CEが‘L’レベルとされる。すなわち、電圧V2で固定されていた垂直信号線VSLの電位が、この時刻t5から減少する。また、同時刻t5において、参照信号生成部7は、電圧V2から電圧V3に切り替え、この電圧V3を比較器20に供給する。前述の通り、電圧V3>電圧V2であるため、比較器20は‘H’レベルの信号を出力する。
参照信号VREFのゲインが低い場合には参照信号VREFの傾きが大きいので、この間の時刻t7において、垂直信号線VSLの電位と同電位となり、比較器20が反転する確立が高い。この時刻に、カウンター23はリセット信号のカウントを終了し、その時点で比較器20は‘L’レベルになる。
そして、リセットフルカウント直前t8において、比較器20が反転したかの判断を行う。比較器20が反転‘L’レベルであれば、ラッチ信号判定パルスを出力し、比較器20が反転しない(‘L’レベルにならない)場合は、ラッチ信号が出力されない。このラッチ信号は、駆動制御部8へ送られる。
暗時の場合であっても、画素信号が微小という点(時刻t9以降であっても画素信号の電圧=リセット信号の電圧)以外の動作は明時の際の読み出し動作と同様であることから説明を省略する。
次に図4Bに戻って参照信号VREFのゲインが高い場合について説明する。なお、上記ゲインが低い場合と動作が同一である場合には、その説明を省略する。
まず、クランプ信号CEをデフォルト(オートゼロ期間のみ)にして、HOB画素のリセット電位を読み出す。この時、参照信号VREFのゲインが高い場合には、ゲインが低い場合と比較して参照信号VREFの傾きが小さいので、下から2段目の図に示すように、垂直信号線VSLの電位が参照信号VREFの電位よりも小さくならない、すわなち、比較器20が反転せず、フルカウントする確率が高い。
この場合、リセットレベル信号がデジタルレベルレンジ内に収まらなかった事を意味する。そして、比較器20が反転しなかったという情報がラッチ回路22に保持されている場合、有効画素読み出し前に、“H”レベルとされるクランプ信号CEの期間をオートゼロ期間から、オートゼロ期間及びリセット信号検出期間中に変更する。換言すれば、参照信号VREFのゲインが高い場合であると、ゲインが低い場合と比較して参照信号VREFの傾きが小さいことから、‘H’レベルとする信号CEの期間を、上記場合よりも長くする。すなわち、信号CEを時刻t2〜t9の期間において‘H’レベルとする。すると一番下の図に示すように、オートゼロ取得時の電位がリセット信号の電位となる。つまり、アナログゲインが高い場合でも、必ず垂直信号線VSLの電位と参照信号VREFの電位が同電位となる時刻が存在し、その時点で比較器20は‘L’レベルになり、リセットカウント値が確定できる。つまり、リセットカウント値、及び画素カウント値が確定する為、AD変換ができるようになる。つまり、HOB画素のリセットレベルの信号に応じて垂直信号線VSLの電圧をクランプする期間が自動的に設定され、リセットカウント値が確定する。
<リセット信号制御回路6のクランプ動作について>
次に、上記図4Bを用いて上記したリセット信号制御回路6が垂直信号線VSLをクランプしなかった場合について説明する。上述したようにリセット信号制御回路6は、映像に全体的に黒く沈んだ模様が発生する現象を防止するために、垂直信号線VSLの電位をクランプしている。
強力過大光が入射した場合、リセット信号制御回路6が、AZ期間中に得られたリセット信号をクランプしないと、リセット信号が低下してしまう。従って、画素信号とオートゼロ期間で取得した画素信号の基準電位とのダイナミックレンジが十分に取れない。このため得られた映像に全体的に黒く沈んだ模様が発生する。
次に、‘H’レベルとされる信号CEの期間に応じて発生する縦筋の閾値について図5を用いて説明する。図5は、参照信号VREFのゲインの大小に応じて、リセット信号及び画素信号をデジタル変換できるか否かを、信号CEの期間で示した概念図である。
アナログゲインがゲインGthよりも小さな値(図中、ゲインGthよりも左側の領域)であると、参照信号VREFの振幅が大きくなる。この場合、オートゼロの期間のみ信号CEを‘H’レベルとしても、リセット信号検出期間において、リセット信号をデジタル変換することが出来る。つまり、参照信号VREFの傾きが大きい(ゲイン小)ことから、上記図4Aで説明したように、リセット信号検出期間において、ゲインが大きい場合に比してリセット信号のアナログ値を多く取得することができ、クランプされない本来のリセット電位を取得する事が出来る。つまり、リセット信号のデジタル値と(リセット信号+画素信号)のデジタル値との差分をとるデジタルCDSを行った際、リセット電位取得時にクランプされない本来のリセット電位を取得しているので、正確なリセット電位キャンセルができるため、縦筋が発生しにくくなる。
アナログゲインがゲインGthよりも大きな値(図中、ゲインG1よりも右側の領域)であると、上記場合に比べ参照信号VREFの振幅が小さくなり、リセット信号のデジタル変換ができない場合が多い領域となる。
本実施形態に係る固体撮像装置であると、以下効果(1)を奏することが出来る。
本実施形態に係る固体撮像装置であると、ラッチ回路22と、このラッチ回路22から供給された判定フラグに応じて信号CEの長さを設定する駆動制御部8とを備える。つまり、前述したようにラッチ回路22は補正撮像領域(VOB)の単位画素3から読み出されたリセット信号がデジタル変換されるか否かの判定フラグで、信号CEを‘H’レベルとする期間を設定する。これにより、参照信号VREFのゲインに連動させて、有効撮像領域の単位画素3からアナログ信号(リセット信号、画素信号)を読み出す際、‘H’レベルとする信号CEの期間を自動的に調整することが出来る。換言すれば、参照信号VREFに最適な期間(オートゼロ期間のみまたはオードゼロ期間及びリセット期間)を設定することが出来る。
次に本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置1について説明する。第1の実施形態では、比較器20が反転するか否かで判断を行うことに対し、第2の実施形態では、カウンター23から出力されたカウント値(A/D変換値)が、カウンター値判定回路24で予め設定した閾値内にあるか否かで判断するものである。具体的には、補正撮像領域の単位画素3から読み出されたリセット信号のA/D変換レベルをカウンター値判定回路24に予め保持させておき、リセット信号がこのレベルに達したか、否かで、‘H’レベルとする信号CEの期間を設定するものである。以下、本実施形態に係る固体撮像装置1の構成について説明する。なお、上記第1の実施形態と同一の構成については、同一の参照符号を付す。
図6に本実施形態に係る固体撮像装置1のブロック図を示す。図6は、上記図1において、ある垂直信号線VSLのs行目に接続された単位画素3に着目したブロック図である。本実施形態に係る固体撮像装置1は、カウンター23の後段にカウンター値判定回路24を設け、上記第1の実施形態において比較器20の後段に設けられていたラッチ回路21をカウンター値判定回路24の後段に移動させた構成をとる。
本実施形態に係る固体撮像装置であっても、上記(1)の効果に加え下記(2)の効果を奏することができる。
本実施形態に係る固体撮像装置であると、カウンター判定回路24にリセット信号がCDS出来るか否かの閾値(例えば220LSB)を保持させる。これは、上記第1の実施形態に比して、CDSが可能か否かの判断をリセット積分期間の途中の時刻で行う事になる。つまり、フルカウントの手前で判断する事が出来る。フルカウントでラッチ判定をするとCDS出来る画素と出来ない画素が混在するが、第2の実施形態では必ずCDSが出来、精度よく有効撮像領域における単位画素3から読み出したアナログ信号Vsigをデジタル変換することが出来る。
次に本発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置1について説明する。本実施形態に係る固体撮像装置1は、上記第2の実施形態において、カウンター値判定回路24を廃し、またカウンター23からある位のビット値を出力させた構成をとる。すなわち、本実施形態に係る固体撮像装置1は、カウンター23が計数したカウント値において、ある位のビット値が、例えば‘0’から‘1’に反転するか否かを信号CEの期間を設定する判断基準とするものである。
図7に示すようにカウンター23は、ある位のビット値をラッチ回路21に出力する。そして、ラッチ回路21は、カウンター23から供給されたある位のビット値を受け取り、その結果に応じて‘L’または‘H’レベルのラッチ信号を駆動制御部8に出力する。つまり、監視しているある位のビット値が‘0’から‘1’に切り替わると、ラッチ回路21は、ラッチ信号(判定フラグ)を駆動制御部8に出力する。このラッチ信号を受け取った際、駆動制御部8は、オートゼロ期間のみ‘H’レベルとする信号CEをリセット信号制御回路6に出力する。
本実施形態に係る固体撮像装置であると、上記(1)、(2)の効果に加え、下記(3)の効果を奏することが出来る。
(3)回路規模を小さく出来る。
本実施形態に係る固体撮像装置であると、カウンター値判定回路24を廃し、カウンター23の後段にラッチ回路21を備えた構成をとる。そして、このラッチ回路21にはカウンター23から出力されたある位のビット数が供給される構成をとる。
Claims (6)
- リセット信号を垂直信号線に出力するVOB領域と、
画像信号の基準レベルとなるリセット信号、及び前記画像信号をそれぞれ垂直信号線に出力する有効画素部と、
前記VOB領域から前記垂直信号線を介して転送された前記リセット信号と参照信号とを比較し、前記VOB領域から出力された前記リセット信号が、A/D変換が出来る最大のカウント値であるデジタルレベルレンジ内において、前記比較結果が反転したか否かの判定を行う比較部と、
前記比較部の判定結果に応じて第1結果または第2結果のいずれかの値を保持可能とする保持部と、
前記有効画素部からリセット信号を前記垂直信号線へ読み出す際、前記保持部の保持する前記値に応じて、前記垂直信号線の電圧をクランプする期間を可変とし、クランプパルスタイミング期間を自動的に設定する駆動制御部と
を具備することを特徴とする固体撮像装置。 - 前記駆動制御部によって垂直信号線の電圧をクランプする前記クランプパルスタイミング期間は、VOB画素のリセット信号読み出し時はオートゼロ期間に設定しておき、有効画素読み出し時には、
前記オートゼロ期間またはこのオートゼロ期間よりも長い(オートゼロ+リセット)期間のいずれかに設定する
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記VOB領域はt本(t:1以上の自然数)の行選択線に各々が接続され、前記リセット信号を前記垂直信号線に各々が出力するm個の画素部を更に備え、
前記第1結果は、前記比較部の出力が反転したことを示す結果であり、前記第2結果は、前記比較部の出力が反転しなかったことを示す結果であり、
前記駆動制御部は、前記VOB領域を含む、m個の前記画素部の内、前記リセット信号が前記比較部で前記第2結果とされた個数に応じて、クランプする前記クランプパルスタイミング期間を(オートゼロ+リセット)期間に設定する
ことを特徴とする請求項2記載の固体撮像装置。 - 前記オートゼロ期間は、前記比較部の基準電位とされる電位を取得する期間であり、
前記(オートゼロ+リセット)期間は、前記オートゼロ期間を含み、
前記垂直信号線に前記リセット信号を読み出し、前記画像信号を読み出す直前の期間までである
ことを特徴とする請求項2記載の固体撮像装置。 - 一定の間隔でクロックが入力され、前記比較部から比較信号が出力されるまで前記リセット信号の前記クロックを計数するカウンターと、
前記比較部が比較した結果得られる前記VOB画素のリセット信号のA/D変換レベルに対応する値として予め保持し、前記カウンターからの計数の結果が前記値に達したか否かを判定する判定回路と
を更に備え、
前記保持部は、前記判定回路の判定に応じて前記第1結果または前記第2結果を保持可能とし、
前記第1結果は、前記判定回路から出力される前記計数の前記結果が前記A/D変換レベルに対応する値に達したことを示す結果であり、前記第2結果は、前記計数の前記結果が前記A/D変換レベルに対応する値よりも小さな値であることを示す結果であり、
前記駆動制御部は、前記保持部が前記第2結果を保持すると、前記クランプパルスタイミング期間を前記(オートゼロ+リセット)期間に設定する
ことを特徴とする請求項2記載の固体撮像装置。 - 一定の間隔でクロックが入力され、前記比較部が出力するまで前記リセット信号の前記クロックを計数し、この計数の結果に応じたビット数を保持するh(h:1以上の自然数)ビットのカウンターを更に備え、
前記保持部は、前記カウンターのiビット目(h>i)から出力される信号が、初期値から反転したか否かに応じた結果を前記第1結果または前記第2結果として保持し、
前記駆動制御部は、前記保持部が前記第2結果を保持すると、前記クランプパルスタイミング期間を前記(オートゼロ+リセット)期間に設定する
ことを特徴とする請求項2記載の固体撮像装置。
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