JP5251777B2 - 固体撮像素子およびカメラシステム - Google Patents
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Description
この駆動方式においては、蓄積時間の異なるフレーム毎にクランプ値を保持し、クランプ量のフィードバック制御を行っている。
このため、一旦クランプ収束から外れた状態となり、そこから収束に向けたフィードバック制御が開始されるため、再収束まで再び数フレームの期間の時間を要するという不利益がある。
その結果、この時点から収束に向けたフィードバック制御が開始されるため、クランプ値の収束までに数フレーム期間の時間を要するという不利益がある。
なお、説明は以下の順序で行う。
1.固体撮像素子の全体構成例
2.カラムADCの構成例
3.クランプ値取得部の第1の構成例
4.クランプ値取得部の第2の構成例
5.クランプ値取得部の第3の構成例
6.カメラシステムの構成例
図2は、図1の列並列ADC搭載固体撮像素子(CMOSイメージセンサ)におけるADC群をより具体的に示す第1のブロック図である。
図3は、図1の列並列ADC搭載固体撮像素子(CMOSイメージセンサ)におけるADC群をより具体的に示す第2のブロック図である。
この固体撮像素子100は、図1および図2に示すように、撮像部としての画素部110、垂直走査回路120、水平転送走査回路130、およびタイミング制御回路140を有する。
さらに、固体撮像素子100は、画素信号読み出し回路としてのADC群であるカラム処理回路群150、並びにDAC(デジタル−アナログ変換装置)161を含むDACおよびバイアス回路160を有する。
固体撮像素子100は、アンプ回路(S/A)170、信号処理回路180、およびラインメモリ190を有する。
読み出し処理部は、カラム処理回路群(ADC群)150とDACおよびバイアス回路160を含んで構成される。
これらの構成要素のうち、画素部110、垂直走査回路120、水平転送走査回路130、カラム処理回路群(ADC群)150、DACおよびバイアス回路160、並びにアンプ回路(S/A)170はアナログ回路により構成される。
また、タイミング制御回路140、信号処理回路180、およびラインメモリ190はデジタル回路により構成される。
この機能に対応して、本実施形態の固体撮像素子100は、信号処理回路180の出力から参照信号RAMPのクランプ値を取得するクランプ値取得部200を有している。
クランプ処理部は、このクランプ値取得部200およびクランプDAC164を含んで構成される。
クランプ値取得部200は、電荷の蓄積時間の設定値変更のとき、それまでのクランプ値と蓄積時間の設定変更前後の比率から予測されるクランプ値にて設定変更後最初の信号読出しを行うことで、クランプの収束速度を向上させるように構成される。
この機能に対応して、クランプ値取得部200は、単フレーム駆動から複数フレーム駆動にモード遷移する際、それまで動作していたフレームのクランプ値を、新たに起動されたフレームの初期クランプ値として用いる。固体撮像素子100は、これにより、新たに起動されたフレームのクランプ収束速度を向上させるように構成される。
また、クランプ値取得部200は、それまで動作していたフレームのクランプ値を新たに起動されたフレームの初期クランプ値として用いる際に、それぞれのフレームの蓄積時間比率に応じた係数を考慮して用いることで、さらにクランプ収束速度を向上させる。
なお、読み出しに関する情報には、蓄積時間の設定値やフレームモードに関する情報が含まれる。
図4は、本実施形態に係る4つのトランジスタで構成されるCMOSイメージセンサの画素の一例を示す図である。
単位画素110Aは、1個のフォトダイオード111に対して、転送素子としての転送トランジスタ112、リセット素子としてのリセットトランジスタ113、増幅トランジスタ114、および選択トランジスタ115の4トランジスタを能動素子として有する。
転送トランジスタ112は、フォトダイオード111と出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFDとの間に接続されている。
転送トランジスタ112は、転送制御線LTxを通じてそのゲート(転送ゲート)に駆動信号TGが与えられることで、光電変換素子111で光電変換された電子をフローティングディフュージョンFDに転送する。
リセットトランジスタ113は、リセット制御線LRSTを通してそのゲートにリセットRSTが与えられることで、フローティングディフュージョンFDの電位を電源ラインLVDDの電位にリセットする。
そして、選択制御線LSELを通して制御信号(アドレス信号またはセレクト信号)SELが選択トランジスタ115のゲートに与えられ、選択トランジスタ115がオンする。
選択トランジスタ115がオンすると、増幅トランジスタ114はフローティングディフュージョンFDの電位を増幅してその電位に応じた電圧を垂直信号線116に出力する。垂直信号線116を通じて、各画素から出力された電圧は、画素信号読み出し回路としてのカラム処理回路群150に出力される。
これらの動作は、たとえば転送トランジスタ112、リセットトランジスタ113、および選択トランジスタ115の各ゲートが行単位で接続されていることから、1行分の各画素について同時並列的に行われる。
これらのリセット制御線LRST、転送制御線LTx、および選択制御線LSELは、画素駆動部としての垂直走査回路120により駆動される。
タイミング制御回路140は、DACおよびバイアス回路160におけるDAC161の参照信号RAMP(Vslop)の生成を制御するDAC制御部141を含む。
DAC制御部141は、カラム処理回路群150の各カラム処理回路(ADC)151のAD変換を行う行ごとに、参照信号RAMPのオフセットを調整するように制御する。
DAC制御部141は、カラム処理回路群150におけるCDS(Correlated Double Sampling;CDS)時に、1次サンプリング、2次サンプリングそれぞれの参照信号RAMPのオフセット調整を行うように制御可能である。
行アクセスの固体撮像素子の出力行は、図5に示すように、記録画素、色処理マージン、有効不問、オプティカルブラック、オプティカルブラック不問、ブランキングがある。
有効不問、オプティカルブラック不問、ブランキングはデータとして不要なデータである。
ブランキング出力は、外部と固体撮像素子との通信期間、固体撮像素子のゲイン値などの設定変更後の内部回路安定化待ち時間、外部とのタイミング調整などのためにある。
ブランキング期間は、画素アレイ部への読み出しアクセスまたはリセットアクセスは行わない。または、読み出しデータは影響を与えない特定アドレスへのアクセスを行う。
なお、固体撮像素子では、オプティカルブラックの出力行数は画素アレイ部によって固定である。
また、オプティカルブラックの数は使用用途によって異なる。たとえば、静止画撮影のときには多く必要であるが、動画撮影のときには減らすことができる。
本実施形態のカラム処理回路群150は、ADCブロックであるカラム処理回路(ADC)151が複数列配列されている。
すなわち、カラム処理回路群150は、kビットデジタル信号変換機能を有し、各垂直信号線(列線)116−1〜116−n毎に配置され、列並列ADCブロックが構成される。
各ADC151は、DAC161により生成される参照信号を階段状に変化させたランプ波形である参照信号RAMP(Vslop)と、行線毎に画素から垂直信号線を経由し得られるアナログ信号Vslとを比較する比較器(コンパレータ)152を有する。
さらに、各ADCは、比較時間をカウントし、カウント結果を保持するカウンタラッチ153を有する。
各カウンタラッチ153の出力は、たとえばkビット幅の水平転送線LTRFに接続されている。
そして、水平転送線LTRFに対応したk個のアンプ回路170、および信号処理回路180が配置される。
このとき、比較器152と同様に列毎に配置されたカウンタラッチ153が動作している。
各ADC151は、ランプ波形のある参照信号RAMP(電位Vslop)とカウンタ値が一対一の対応を取りながら変化することで垂直信号線116の電位(アナログ信号)Vslをデジタル信号に変換する。
ADC151は、参照信号RAMP(電位Vslop)の電圧の変化を時間の変化に変換するものであり、その時間をある周期(クロック)で数えることでデジタル値に変換する。
アナログ信号Vslと参照信号RAMP(Vslop)が交わったとき、比較器152の出力が反転し、カウンタラッチ153の入力クロックを停止し、または、入力を停止していたクロックをカウンタラッチ153に入力し、AD変換を完了させる。
タイミング制御回路140においては、画素部110、カラム処理回路群150等の各ブロックでの信号処理に必要なタイミングを作成している。
信号処理回路180は、このような機能に対応して、図3に示すように、入力処理前処理部181、画素欠陥補正部182、信号処理部183を含んで構成される。
画素欠陥補正部182において、画素欠陥補正されたデータは、信号処理部183およびクランプ値取得部200に供給される。
本実施形態の固体撮像素子100においては、信号処理回路180のデジタル出力がISPやベースバンド(baseband)LSIの入力として送信される。
サンプリング回路においては、通常サンプリング容量値に逆相関を持つノイズがのる。画素においては、信号電荷をサンプリング容量に転送する際はポテンシャル勾配を利用し、信号電荷を完全転送するため、このサンプリング過程においてノイズは発生しないが、その前の容量の電圧レベルをある基準値にリセットするときにノイズがのる。
これは一度信号電荷をサンプリングする直前の状態(リセットレベル)読み出して記憶しておき、ついで、サンプリング後の信号レベルを読み出し、それを差し引きすることでノイズを除去する手法である。
すなわち、電源VDDに基準抵抗R1の一端が接続され、基準抵抗R1の他端にランプDAC163の出力およびクランプDAC164の出力が接続され、その接続点によりランプ出力ノードND161が形成されている。
基準抵抗R1および出力ノードND161により加算部165が形成される。
なお、電流制御型DAC161は、電源VDDを基準とした電源基準型DACとして構成する代わりに、グランドGNDを基準としたグランド基準型DACとして構成することが可能である。
各スイッチSW1−1〜SW1−xの端子aにそれぞれグランドGNDに接続された電流源I1−1〜I1−xが接続されている。
スイッチSW1−1〜SW1−xの端子bは、出力ノードND161に共通に接続されている。
スイッチSW1−1〜SW1−xは、DAC制御部141による制御信号CLT1に応じて選択的にオン、オフされる。
各スイッチSW2−1〜SW2−yの端子aにそれぞれグランドGNDに接続された電流源I2−1〜I2−yが接続されている。
スイッチSW2−1〜SW2−yの端子bは、出力ノードND161に共通に接続されている。
スイッチSW2−1〜SW2−yは、クランプ値取得部200による制御信号S200に応じて選択的にオン、オフされる。
クランプ値取得部200は、画素欠陥補正後のデータを入力とし、OPB(オプティカルブラックのレベルからVOPB内検波領域の平均値を算出して、アナログクランプ量を決定する。決定されたアナログクランプ量は、次フレームの読み出しに反映する。
入力されるデータはアナログゲインがかかったデータであることに対して、アナログクランプ値はアナログゲイン前にフィードバックされる。
このため、クランプ値取得部200は、算出した平均値からアナログクランプ量を決めるためには、平均値算出データにかかっているアナログゲイン分を逆換算して行う。
また、クランプ値取得部200は、ワイドダイナミックレンジ時の複数フレーム動作時には、各フレームでアナログクランプ量を保持しフィードバックを行う。
複数フレーム動作をしていない場合に、動作しているフレームのアナログクランプ値を動作していないフレームのクランプ値に複写(コピー)する機能を持つ。なお、コピーしない設定も可能である。
また、クランプ値取得部200は、通常時使用するフレームのクランプ量を全てのフレームのクランプ量としてフィードバックする機能を有する。
クランプ値取得部200は、クランプ量加算保持部204から制御信号S200をクランプDAC164に出力する。
第2に、クランプ値取得部200は、単フレーム駆動から複数フレーム駆動にモード遷移する際、それまで動作していたフレームのクランプ値を、新たに起動されたフレームの初期クランプ値として用いる。クランプ値取得部200は、これにより、新たに起動されたフレームのクランプ収束速度を向上させる。
第3に、クランプ値取得部200は、それまで動作していたフレームのクランプ値を新たに起動されたフレームの初期クランプ値として用いる際に、それぞれのフレームの蓄積時間比率に応じた係数を考慮して用いることで、さらにクランプ収束速度を向上させる。
図7は、本実施形態に係るクランプ値取得部の第1の構成例を示す図である。
クランプ値取得部200Aは、セレクタ217、およびクランプ値レジスタ218を有する。
クランプ値算出処理部213は、VOPB検波データが零となるような新しいクランプ値を算出する。
クランプ値算出処理部213は、OPBのレベルからVOPB内検波領域の平均値を算出して、アナログクランプ量を決定する。
クランプ値算出処理部213は、算出した平均値からアナログクランプ量を決めるためには、平均値算出データにかかっているアナログゲイン分を逆換算して行う。
第2蓄積時間レジスタ215は、一つ前の蓄積時間設定を保持するレジスタである。
クランプ予測値算出処理部216は、たとえば以下に示すクランプ量予測式に従ってクランプ予測値を算出する。
CLP(クランプ量)=aX+b
(X : 蓄積時間、a : 蓄積時間係数、b : オフセット成分)
Y1=aX1+b
Y2=aX2+b
Y2=Y1+a(X2−X1)
セレクタ217は、蓄積時間変更イネーブル信号TCENが非アクティブのたとえば「0(ローレベル)」の場合、クランプ値算出処理部213で算出されたクランプ値S213を選択してクランプ値レジスタ218に入力させる。
セレクタ217は、蓄積時間変更イネーブル信号TCENがアクティブのたとえば「1(ハイレベル)」の場合、クランプ値算出処理部213で算出されたクランプ値S213を選択してクランプ値レジスタ218に入力させる。
なお、蓄積時間変更イネーブル信号TCENは、蓄積時間設定変更後、最初のフレームの読み出し開始時に、アクティブ(有効)となる。
ここで、蓄積時間設定の変更があった場合、第1蓄積時間レジスタ214の値が第2蓄積時間レジスタ215に移され、新しい蓄積時間設定が第1蓄積時間レジスタ214に更新される。
クランプ収束動作においては、クランプ値算出処理部213で、新しいクランプ値の算出が行われる。
すなわち、第1蓄積時間レジスタ214に対応したVOPB検波データの検波結果を保持するVOPB検波結果レジスタ212のデータとそのときのクランプ値からVOPB検波データが零となるような新しいクランプ値が算出される。
次フレームにて算出したクランプ値にて読み出しを行うことを繰り返し行う。
したがって、クランプ値が収束した状態では、第1蓄積時間レジスタ214に対応したクランプ値となっている。
この時点で、クランプ値は第2蓄積時間レジスタ215に対応した値となる。
クランプ予測値算出処理部216では、第1蓄積時間レジスタ214と第2蓄積時間レジスタ215の蓄積時間とクランプ値レジスタ218からクランプ予測値が算出される。
蓄積時間設定変更後、最初のフレームの読み出し開始時に、蓄積時間変更イネーブル信号TCENが有効となり、セレクタ217を介して算出したクランプ予測値S216がクランプ値として出力される。
次フレーム以降は上述のクランプ収束動作に戻るが、すでに変更後の蓄積時間を考慮したクランプ値となっているため、クランプ再収束までの期間をなくす、もしくは短くすることができる。
図8は、本実施形態に係るクランプ値取得部の第2の構成例を示す図である。
なお、理解を容易にするため図8において図7と同一機能部分は同一符号をもって表している。
ここでは、2フレーム合成を例として説明する。また、蓄積時間の違う2フレームをそれぞれFno.0、Fno.1とする。
クランプ値取得部200Bは、加算器211−0,211−1、VOPB検波結果レジスタ212−0,212−1、クランプ値算出処理部213−0,213−1、クランプ値レジスタ218−0,218−1、およびセレクタ219,220を有する。
セレクタ219は、コピーイネーブル信号CPENが非アクティブのたとえば「0(ローレベル)」の場合、クランプ値算出処理部213−1で算出されたクランプ値を選択してクランプ値レジスタ218−1に入力させる。
セレクタ219は、コピーイネーブル信号CPENがアクティブのたとえば「1(ハイレベル)」の場合、クランプ値レジスタ218−0のクランプ値を選択してクランプ値レジスタ218−1に入力させる。
なお、コピーイネーブル信号CPENは、複数フレーム(Fno.0, Fno.1)駆動モードに遷移した場合に、アクティブ(有効)となる。
ここで、複数フレーム(Fno.0, Fno.1)駆動モードに遷移した場合、コピーイネーブル信号CPENが有効となり、クランプ値レジスタ(Fno.1)218−1には、セレクタ219を介してクランプ値レジスタ(Fno.0)218−0の値がコピーされる。
そして、Fno.1の最初のフレームの読み出し時に、このコピーされた値をクランプ値として出力する。
これにより、その時点で収束状態にあるクランプ値にて最初のVOPB検波データを読み出すため、クランプ収束までの期間を短くすることができる。
図9は、本実施形態に係るクランプ値取得部の第3の構成例を示す図である。
第2の構成例にて、単純にFno.0のクランプ値をコピーしていたが、第3の構成例においては、コピーの際に、第1の構成例のクランプ予測値算出処理を行う構成となっている。
すなわち、セレクタ219は、クランプ値算出処理部213−1によるクランプ値またはクランプ予測値算出処理部216−1によるクランプ予測値のいずれかをクランプ値レジスタ218−1に選択的に入力させる。
これにより、第2の構成例では考慮されていなかった、蓄積時間についても考慮したクランプ値となっているため、新たに起動されたフレームFno.1のクランプ収束が不要もしくは、クランプ収束までの期間を短くすることができる。
単フレーム駆動から複数フレーム駆動に遷移した際の新たに起動されたフレームのクランプ収束期間をなくす、もしくは短くすることができる。
図10は、本発明の第4の実施形態に係る固体撮像素子が適用されるカメラシステムの構成の一例を示す図である。
カメラシステム300は、撮像デバイス310の画素領域に入射光を導く(被写体像を結像する)光学系、たとえば入射光(像光)を撮像面上に結像させるレンズ320を有する。
カメラシステム300は、撮像デバイス310を駆動する駆動回路(DRV)330と、撮像デバイス310の出力信号を処理する信号処理回路(PRC)340と、を有する。
信号処理回路340で処理された画像信号は、たとえばメモリなどの記録媒体に記録される。記録媒体に記録された画像情報は、プリンタなどによってハードコピーされる。また、信号処理回路340で処理された画像信号を液晶ディスプレイ等からなるモニターに動画として映し出される。
Claims (8)
- 光電変換を行う画素が、光学的黒領域および有効画素領域に配置された画素部と、
上記画素部の読み出し信号に対して、クランプ処理された参照信号に応じた読み出し処理を行う読み出し処理部と、
上記光学的黒領域の読み出し信号レベルを参照して、当該信号レベルを零とするような値で有効画素領域の参照信号を取得したクランプ値でクランプするクランプ処理部と、を有し、
上記クランプ処理部は、
読み出しに関する情報の変更があった場合、それまでのクランプ値と変更前後の比率から予測されるクランプ値を取得し、
上記読み出し処理部は、
予測されるクランプ値でクランプされた参照信号にて変更後最初の信号読み出し処理を行う
固体撮像素子。 - 上記クランプ処理部は、
蓄積時間の設定値変更のとき、それまでのクランプ値と蓄積時間の設定変更前後の比率から予測されるクランプ値を取得し、
上記読み出し処理部は、
予測されるクランプ値でクランプされた参照信号にて設定変更後最初の信号読み出し処理を行う
請求項1記載の固体撮像素子。 - 単フレームモードと、蓄積時間の異なる複数フレームを合成してダイナミックレンジを拡大する駆動を行う複数フレーム駆動モードと、を有し、
上記クランプ処理部は、
単フレーム駆動から複数フレーム駆動にモード遷移する際、それまで動作していたフレームのクランプ値を、新たに起動されたフレームの初期クランプ値として取得する
請求項1または2記載の固体撮像素子。 - 上記クランプ処理部は、
上記それまで動作していたフレームのクランプ値を新たに起動されたフレームの初期クランプ値として取得する際に、それぞれのフレームの蓄積時間比率に応じた係数を関連付けて取得する
請求項3記載の固体撮像素子。 - 上記画素部は、
上記画素が複数行列状に配列され、
上記読み出し処理部は、
上記参照信号を生成する参照信号生成部と、
画素の列配列に対応して配置され、読み出し信号電位と上記参照信号とを比較し、上記読み出し信号電位と上記参照信号のレベルが一致すると出力レベルが反転する複数の比較器と、
上記比較器の出力により動作が制御され、対応する比較器の比較時間をカウントする複数のカウンタと、を含み、
上記クランプ処理部は、
取得したクランプ値をもって上記参照信号をクランプする
請求項1から4のいずれか一に記載の固体撮像素子。 - 固体撮像素子と、
上記固体撮像素子に被写体像を結像する光学系と、
上記固体撮像素子の出力画像信号を処理する信号処理回路と、を有し、
上記固体撮像素子は、
光電変換素子を含む画素が、光学的黒領域および有効画素領域に配置された画素部と、
上記画素部の読み出し信号に対して、クランプ処理された参照信号に応じた読み出し処理を行う読み出し処理部と、
上記光学的黒領域の読み出し信号レベルを参照して、当該信号レベルを零とするような値で有効画素領域の参照信号を取得したクランプ値でクランプするクランプ処理部と、を有し、
上記クランプ処理部は、
読み出しに関する情報の変更があった場合、それまでのクランプ値と変更前後の比率から予測されるクランプ値を取得し、
上記読み出し処理部は、
予測されるクランプ値でクランプされた参照信号にて変更後最初の信号読み出し処理を行う
カメラシステム。 - 上記クランプ処理部は、
蓄積時間の設定値変更のとき、それまでのクランプ値と蓄積時間の設定変更前後の比率から予測されるクランプ値を取得し、
上記読み出し処理部は、
予測されるクランプ値でクランプされた参照信号にて設定変更後最初の信号読み出し処理を行う
請求項6記載のカメラシステム。 - 単フレームモードと、蓄積時間の異なる複数フレームを合成してダイナミックレンジを拡大する駆動を行う複数フレーム駆動モードと、を有し、
上記クランプ処理部は、
単フレーム駆動から複数フレーム駆動にモード遷移する際、それまで動作していたフレームのクランプ値を、新たに起動されたフレームの初期クランプ値として取得する
請求項6または7記載のカメラシステム。
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