JP5524101B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
図1は、第1実施形態に係る固体撮像装置が適用される画像処理部の概略構成を示すブロック図である。
図1において、イメージセンサ62の前段にはレンズ光学系61が設けられ、イメージセンサ62の後段には画像処理部64が設けられている。イメージセンサ62には、ダイオード電流に応じたダイオード電圧を出力する温度センサ63が搭載されている。画像処理部64には、温度データStに基づいて画素データSgの補正処理を行う補正処理部65が設けられている。なお、イメージセンサ62としては、図2、図13、図15または図20の固体撮像装置を用いることができる。
図2において、この固体撮像装置には、撮像動作を行ことで撮像データSgを出力する撮像部IM1と、ダイオード電流に応じてダイオード電圧Vtを出力する温度センサ8と、ダイオード電圧Vtに基づいて温度データStを出力する出力回路TC1とが設けられている。ここで、出力回路TC1は、撮像部IM1と回路の一部を共有している。
図3において、画素PCには、フォトダイオードPD、行選択トランジスタTa、増幅トランジスタTb、リセットトランジスタTcおよび読み出しトランジスタTdがそれぞれ設けられている。また、増幅トランジスタTbとリセットトランジスタTcと読み出しトランジスタTdとの接続点には検出ノードとしてフローティングディフュージョンFDが形成されている。
図4において、温度センサ8にはダイオードDおよび電流源Gが設けられ、電流源GはダイオードDに直列に接続されている。ダイオードDとしては、例えば、コレクタとベースが共通に接続されたバイポーラトランジスタを用いることができる。そして、電流源Gはダイオード電流IをダイオードDに出力し、ダイオードDはダイオード電流Iに応じたダイオード電圧Vtを出力することができる。
I1=Is*exp(qVt/kBT) ・・・(1)
ただし、Isは逆方向電流、Tは温度(単位=ケルビン)、kBはボルツマン定数(=8.62*10−5eV/K、qは電荷量(=1.602*10−19)クーロンである。
Vt=kBT/q・ln(I1/Is) ・・・(2)
図5において、画像用カラムADC3−1には、コンデンサC1、コンパレータPA、スイッチトランジスタTcp、インバータV、アップダウンカウンタUDがカラムごとに設けられている。アップダウンカウンタUDには論理積回路N1が設けられている。
図6において、パワーダウン信号SLPがハイレベルの時は、センサクロックPKが動作され、撮像動作が行われる。この場合、垂直ブランキング期間中に切替信号TENがハイレベルになり、セレクタ13にて逐次比較レジスタ17に保持された値が選択されるとともに、セレクタ15にてコンパレータCP1が選択され、最小変換クロックサイクルごとに温度データStが出力される。
図7において、コンパレータCP1の入力端子と出力端子の間にはスイッチW4〜W6が挿入され、コンパレータCP1の後段にはラッチ回路LH1が接続されている。
図8において、論理和回路N2には、垂直ブランク期間中の1水平期間を指定する信号SBHと、パワーダウン信号SLPの反転信号SLPBが入力される。そして、論理和回路N2の出力を切替信号TENとして用いることにより、図6に示すように、撮像部IM1がパワーダウンされた場合においても、温度データStを出力させることができる。
図9Aにおいて、画像用カラムADC3−1では、ランプ波Vf1、Vf2を基準電圧VFとして、リセット期間TRではリセット時の画素電圧Vsと一致するまでセンサクロックPKがダウンカウントされ、信号読み出し期間TSでは信号読み出し時の画素電圧Vsと一致するまでセンサクロックPKがダウンカウントされることにより、画素電圧Vsがデジタル化される。
図9Bにおいて、ランプ波Vf1、Vf2の傾きが一定の場合、センサクロックPKの周波数が変化すると、アナログゲインが変化する。
図10において、1垂直期間(1フレーム期間)には有効画素期間が設けられ、有効画素期間の前後には垂直ブランク期間が設けられている。そして、1垂直期間(1フレーム期間)の前の垂直ブランク期間にキャリブレーション期間中にキャリブレーションデータSkが出力され、1垂直期間(1フレーム期間)の後の垂直ブランク期間中に温度データStが出力されている。
図11において、1℃あたりの電圧変化率はダイオード1段使用時では−2.0mV/℃、ダイオード2段使用時では−4.0mV/℃となる。このため、仮にD/A変換回路14の分解能を5mv/LSBとした場合は、ダイオード1段使用時では−2.5℃/LSB、ダイオード2段使用時では−1.25℃/LSBとなる。そして、温度テーブルのデジタルコード値を予め計算しておけば、出力デジタルデータから温度を読み取ることができる。
図12において、この温度センサ8には、複数のダイオードD1〜D6が設けられるとともに、これらのダイオードD1〜D6のダイオード電流をそれぞれ設定する複数の電流源G1〜G6が設けられている。なお、図11の例では、ダイオードD1〜D6および電流源G1〜G6が6個ずつ設けられている場合を示した。ここで、各電流源G1〜G6から出力される電流はI1に設定し、各ダイオードD1〜D6のダイオード電流は互いに等しくすることができる。
図13は、第2実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
図13において、この固体撮像装置では、図2の固体撮像装置に複数個の温度センサおよびセレクタ22が追加されている。ここで、各々の温度センサ8は同様に構成することができる。セレクタ22は、切替信号DENに基づいて、各々の温度センサ8のダイオード電圧を切り替えてコンパレータCP1に出力することができる。また、引き回し配線数は増えるが、1行ピッチ内に温度ダイオードを1つずつ配置し、使用温度ダイオードを切り替えても良い。
図14において、D/A変換回路を通常撮像動作(VREFキャリブレーション)で使用するH期間以外のすべての各H期間において温度測定として使用し、かつ、各H期間において使用温度ダイオードを切り替えて、1H毎に温度データStを出力する事ができる。
図15は、第3実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
図15において、この固体撮像装置では、図1の固体撮像装置の撮像部IM1および出力回路TC1の代わりに撮像部IM2および出力回路TC2が設けられている。撮像部IM2には、図1の補正用カラムADC3−2の代わりに補正用カラムADC3−2´が設けられている。
図16において、セレクタ13、25、31、32には切替信号TENが入力される。そして、セレクタ13にてキャリブレーション用コードが選択されるとともに、セレクタ25にて基準電圧VFが選択された場合、セレクタ31にてセンサ用タイミングジェネレータ5−1が選択され、セレクタ32にて補正用カラムADC3−2´のカウンタが選択される。
一般的に、図6で示すように、スタンバイ状態となる時刻は決まっていず、ユーザーがカメラをsleep状態にした時刻からスタンバイ状態となる。その為、スタンバイ状態は1フレームの動作途中でスタンバイ状態となりうる事もありうる。
その為、例えば、Vblank中の1H期間をイネーブル信号と確保しても、図17に示すように、Vblank中の温度測定の1H期間の途中でスタンバイ状態となる事もあり、その場合はイネーブル期間が最小変換clkサイクル数より短くなり、正確な温度測定が出来ない。
そこで、イネーブル信号を温度センサ回路部に入れる前に、図17に示す様にラッチ回路を挿入し、必ず最小変換clkサイクル期間分はイネーブル信号を保持する様に、つまり、どんなに短いイネーブル信号が入ってきても、必ず1回は温度計測ができる様にENパルスを生成した場合を示す。
図18は、第4実施形態に係る固体撮像装置に適用される内部イネーブル信号TESの発生回路を示す図である。
図18において、NAND回路N4、N5の一方の出力はNAND回路N4、N5の他方の入力に接続されている。NAND回路N4の他方の入力には切替反転信号TENBが入力され、NAND回路N5の他方の入力にはリセット信号RSBが入力される。なお、切替反転信号TENBは切替信号TENを反転させた信号である。NAND回路N4の出力はフリップフロップN6の入力に接続されている。フリップフロップN6のクロック端子にはシステムクロックEKが入力される。温度測定回路部34には内部イネーブル信号TESが入力される。
図19において、切替信号TENが立ち上がると、内部イネーブル信号TESが立ち上がる。そして、温度測定回路部34において、内部イネーブル信号TESが立ち上がることで温度測定動作が行われ、温度データStが出力されるとともに、リセット信号RSTが発行され、内部イネーブル信号TESが立ち下がる。
図20は、第5実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
図20において、この固体撮像装置には、撮像部IM3および温度センサ8が設けられている。撮像部IM3には、画素アレイ部1、垂直レジスタ2、画像用カラムADC3−1、補正用カラムADC3−2、水平レジスタ4、センサ用タイミングジェネレータ5−1、基準電圧発生部6、ドライバ9、センスアンプ10、負荷回路11、キャリブレーションレジスタ12、D/A変換回路14およびセレクタ41が設けられている。
図21において、パワーダウン信号SLPがハイレベルの時は、センサクロックPKが動作され、撮像動作が行われる。この場合、垂直ブランキング期間BHでは、切替信号TENがハイレベルになり、セレクタ41にてダイオード電圧Vtが選択される。このため、ダイオード電圧Vtが補正用カラムADC3−2に出力され、1水平期間ごとに温度データStが出力される。
図22において、セレクタ41にてキャリブレーション電圧Vkが選択された場合、キャリブレーション電圧VtがコンパレータCP2に出力される。そして、スイッチW1〜W3が1水平期間ごとにオンされることでコンパレータCP2の動作点が設定され、スイッチW1〜W3がオフされることにより、キャリブレーション電圧Vtと基準電圧VFとがコンパレータCP2にて比較され、ラッチ回路LH2を介して補正用カラムADC3−2のカウンタに出力される。
図23において、この固体撮像装置では、図20の固体撮像装置に対し画素データSgおよび温度データStを転送する水平転送バスBSが複数本設けられている。なお、図23の例では、水平転送バスBSが4本設けられている場合を示した。そして、水平転送バスBSを介して画素データSgおよび温度データStを4個ずつ並列に転送することができる。なお、水平転送バスBSが4個の場合、画像用カラムADC3−1および補正用カラムADC3−2の個数は4の倍数になるように設定することが好ましい。
図24において、1垂直期間(1フレーム期間)には、キャリブレーション期間、撮像期間および温度測定期間が設定されている。そして、温度測定期間におけるリセット期間ではマスク信号MENがハイレベルとなり、温度測定期間におけるリセット期間では、ランプ波Vf1が生成されないようにして補正用カラムADC3−2でのAD変換動作が停止される。
図25において、1垂直期間(1フレーム期間)の垂直ブランク期間には温度測定期間THが設定されている。
図26は、第6実施形態に係る固体撮像装置の温度測定部の詳細な構成例を示すブロック図である。
図26において、シフトレジスタ51には、基準電圧VFに対応した基準電圧用コードを格納することができる。セレクタ52は、シフトレジスタ51に格納された基準電圧用コードと、キャリブレーションレジスタ12に格納されたキャリブレーション用コードとを切り替えてD/A変換回路14に出力することができる。セレクタ53は、基準電圧VFとダイオード電圧Vtとを切り替えてコンパレータCP2に出力することができる。セレクタ52、53には切替信号TENが入力される。
Claims (9)
- 同一の半導体チップ内に、撮像動作を行ことで撮像データを出力する撮像部と、
ダイオード電流に応じてダイオード電圧を出力する温度センサがあり、
前記撮像部と回路の一部を共有し、前記温度センサから出力されたダイオード電圧に基づいて温度データを出力する出力回路を備え、
前記撮像部は、
センサクロックに基づいて前記撮像データの出力タイミングを制御するセンサ用タイミングジェネレータと、
キャリブレーション用コードをアナログ化するD/A変換回路を備え、
前記出力回路は、システムクロックに基づいて前記温度データの出力タイミングを制御する温度測定回路用タイミングジェネレータを備え、逐次比較型A/D変換処理にて前記温度データをデジタル化する際に、前記撮像部と温度測定回路部でD/A変換回路を共有することを特徴とする固体撮像装置。 - 前記撮像チップ内において、温度データ専用の出力回路を備えていることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置
- 前記温度測定用逐次比較型A/D変換回路は、
前記温度センサから出力されたダイオード電圧と前記D/A変換回路からの出力を比較するコンパレータと、
前記コンパレータからの出力を保持する逐次比較レジスタと、
前記キャリブレーション用コードと前記逐次比較レジスタに保持された値とを切り替えて前記D/A変換回路に出力する第1のセレクタと、
前記D/A変換回路からの出力を前記コンパレータまたは前記撮像部に切り替えて出力する第2のセレクタとを備え、
前記第1のセレクタにて前記キャリブレーション用コードが選択される時は前記第2のセレクタにて前記撮像部が選択され、前記第1のセレクタにて前記逐次比較レジスタに保持された値が選択される時は前記第2のセレクタにて前記コンパレータが選択されることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記撮像部は、
基準電圧とキャリブレーション電圧との比較結果に基づいて前記キャリブレーション電圧をデジタル化する補正用カラムADCを備え、
前記出力回路は、逐次比較型A/D変換処理にて前記温度データをデジタル化する際に、前記D/A変換回路および前記基準電圧と前記キャリブレーション電圧とを比較するコンパレータとを前記撮像部と共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。 - 前記温度測定用逐次比較型A/D変換回路は、
前記コンパレータからの出力を保持する逐次比較レジスタと、
前記キャリブレーション用コードと前記逐次比較レジスタに保持された値とを切り替えて前記D/A変換回路に出力する第1のセレクタと、
前記基準電圧と前記ダイオード電圧を切り替えて前記コンパレータに出力する第2のセレクタとを備え、
前記第1のセレクタにて前記キャリブレーション用コードが選択される時は前記第2のセレクタにて前記基準電圧が選択され、前記第1のセレクタにて前記逐次比較レジスタに保持された値が選択される時は前記第2のセレクタにて前記ダイオード電圧が選択されることを特徴とする請求項3に記載の固体撮像装置。 - 前記撮像部は、基準電圧とキャリブレーション電圧との比較結果に基づいて前記キャリブレーション電圧をデジタル化する補正用カラムADCを備え、
前記出力回路は、積分型A/D変換処理にて前記温度データをデジタル化する際に、前記補正用カラムADCを前記撮像部と共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。 - 前記撮像部は、
前記キャリブレーション電圧と前記ダイオード電圧を切り替えて前記補正用カラムADCに出力するセレクタを備えることを特徴とする請求項6に記載の固体撮像装置。 - 前記撮像部は、
キャリブレーション用コードをアナログ化するD/A変換回路と、
前記キャリブレーション用コードと基準電圧用コードとを切り替えて前記D/A変換回路に出力する第1のセレクタと、
前記基準電圧と前記D/A変換回路の出力とを切り替えて前記補正用カラムADCに出力する第2のセレクタを備え、
前記第1のセレクタにて前記キャリブレーション用コードが選択される時は前記第2のセレクタにて前記基準電圧が選択され、前記第1のセレクタにて前記基準電圧用コードが選択される時は前記第2のセレクタにて前記D/A変換回路の出力が選択されることを特徴とする請求項5に記載の固体撮像装置。 - 前記温度データは1フレーム期間内に最低1回は出力されることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
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