JP5640509B2 - 固体撮像素子およびカメラシステム - Google Patents
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Description
このため、周辺ICの数を減らすことができるといった、大きなメリットを複数持ち合わせている。
これに対して、CMOSイメージセンサは画素毎にFDアンプを持ち合わせており、その出力は、画素アレイの中のある一行を選択し、それらを同時に列方向へと読み出すような列並列出力型が主流である。
これは、画素内に配置されたFDアンプでは十分な駆動能力を得ることは難しく、したがってデータレートを下げることが必要で、並列処理が有利とされているからである。
画素1は、この1個の光電変換素子11に対して、転送トランジスタ12、リセットトランジスタ13、増幅トランジスタ14、および選択トランジスタ15の4つの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12は、光電変換素子11と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12は、転送制御線LTxを通じてそのゲート(転送ゲート)に駆動信号が与えられることで、光電変換素子11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。
そして、選択制御線LSELを通してアドレス信号(セレクト信号)が選択トランジスタ15のゲートに与えられる。これにより、選択トランジスタ15がオンすると、増幅トランジスタ14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信号線16に出力する。信号線16を通じて、各画素から出力された電圧は、カラム回路(列処理回路)に出力される。
このとき、フローティングディフュージョンFDは事前に光電変換素子11の電荷を受け取れるように、リセットトランジスタ13をオンして電荷を電源側にはきすてている。あるいは転送トランジスタ12をオンしている間、これと並行としてリセットトランジスタ13をオンにして、直接電源に電荷をはきすてる場合もある。
これら一連の動作が「画素リセット動作」である。
次に、転送トランジスタ12をオンにして光電変換素子11に蓄積された電荷をフローティングディフュージョンFDに転送し、その出力を出力信号線16に出力する。この出力は、D相出力と呼ばれる。
画素回路外部でD相出力とP相出力の差分をとり、フローティングディフュージョンFDのリセットノイズをキャンセルして画像信号とする。
これら一連の動作が「画素読み出し動作」である。
そして、固体撮像素子は、その用途により順次読み出し以外にも様々な読み出しが行われる(たとえば特許文献1,2,3参照)。
たとえば、全画素を順次読み出しするよりも高速フレームでの読み出しを行いたい場合には、3行間引き加算読み出しなどが行われる。
この場合、1/2間引き、1/3間引きといったように分子を1としたとき、分母は2以上の間引き・加算を行うことが通常であった。
分母を2以上(3,5等)にする間引きも、図3に示すように、従来の方法でアドレッシングすることは可能であったが、画素の間引きが飛びとびになることから画質劣化が引き起こされていた。
なお、説明は以下の順序で行う。
1.CMOSイメージセンサ(固体撮像素子)の構成例
2.疑似的な複数行間引き加算読み出し機能
3.CMOSイメージセンサ(固体撮像素子)の他の構成例
図4は、本発明の実施形態に係るCMOSイメージセンサ(固体撮像素子)の構成例を示す図である。
画素部110は、たとえば各色画素R,Gr,Gb,Bが図5に示すよう名配列、すなわちベイヤ配列として形成されている。
転送トランジスタ112は、光電変換素子111と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)に制御信号Tx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。
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。そして、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信号線116に出力する。信号線116を通じて、各画素から出力された電圧は、カラム読み出し回路140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。
画素駆動回路120による画素駆動により、画素の間引きを行うことなく、2/3間引き、3/5間引き等の複数行間引き加算読み出しと等価な読み出しが行われる。
画素駆動回路120は、読み出し制御部の制御の下、垂直に加算する画素列と加算しない画素列を交互に読み出すことが可能である。
画素駆動回路120、画素部110から色画素ごとの疑似間引き加算読み出しを行うように駆動可能である。画素駆動回路120は、複数の第1色画素(たとえばR画素)の読み出し加算と複数の第2色画素(たとえばG画素)の読み出し加算を交互に読み出し加算を行うように読み出し駆動が可能である。
画素駆動回路120は、疑似単位間引きを複数回連続して行う場合には、連続する疑似単位間引き間の境界において通常読み出しを行うように駆動する。
隣接列では、第3色画素(G画素)は奇数行L1,L3,L5・・・に配列され、第4色画素(B画素)は偶数行L2,L4,L6,・・・に配列されている。なお、第3色画素(G画素)が偶数行、第4色画素(B画素)が奇数行に配列される場合もある。
そして、画素駆動回路120は、第1色画素(R画素)および第2色画素(G画素)の1行おきに連続する複数行、たとえば2行分を1回の疑似間引きの読み出し単位RDUTとして、疑似間引き加算読み出し駆動を行う。
画素駆動回路120は、たとえば1番目に読み出す第1色画素(R画素)の読み出し単位RDUTの間引き加算読み出しを1回行う。続いて、第1色画素(R画素)と異色画素である第2色画素(G画素)の間引き加算読み出しを行って、次の行の第1色画素(R画素)の通常読み出しを行う疑似単位間引きを行うように画素部110を駆動する。
本実施形態では、間引き単位を符号THUTで示す。
画素駆動回路120は、疑似単位間引きを複数回連続して行う場合、次の単位読み出しでは第1色画素(R画素)と第2色画素(G画素)の読み出し加算順序を逆にして行う。
1番目に読み出す第2色画素(G画素)の読み出し単位RDUTの疑似間引き加算読み出しを1回行う。続いて、第2色画素(G画素)と異色画素である第1色画素(R画素)の疑似間引き加算読み出しを行って、次の行の第2色画素(G画素)の通常読み出しを行う疑似単位間引きを行うように画素部110を駆動する。
カラム読み出し回路140は、処理後の信号を後段の信号処理回路に転送する回路である。
以下、本実施形態の特徴的な機能である疑似的な複数行間引き加算読み出し機能について具体例をあげて説明する。
ここではまず、3/5行間引き加算時の読み出しを例にとって、図7に関連付けて説明する。
図7は、本実施形態に係る、間引きを行わない疑似3/5行間引き加算時の読み出し例を説明するための図である。
そして、図7に示すように、第1列において第1色画素(R画素)は奇数行L1,L3,L5・・・に配列され、第2色画素(G画素)は偶数行L2,L4,L6,・・・に配列されている。
隣接する第2列では、第3色画素(G画素)は奇数行L1,L3,L5・・・に配列され、第4色画素(B画素)は偶数行L2,L4,L6,・・・に配列されている。
第1疑似間引き単位THUT1において、奇数行である第1行L1,第3行L3のR画素によりR画素の第1読み出し単位RDUT1Rが形成される。
偶数行である第2行L2,第4行L4のG画素によりG画素の第1読み出し単位RDUT1Gが形成される。
そして、第5行L5のR画素により疑似間引き単位THUTの境界画素BDP1Rが形成される。
続いて、第2疑似間引き単位THUT2において、偶数行である第6行L6,第8行L8のG画素によりG画素の第2読み出し単位RDUT2Gが形成される。
奇数行である第7行L7,第9行L9のR画素によりR画素の第2読み出し単位RDUT2Rが形成される。
そして、第10行L10のG画素により疑似間引き単位THUTの境界画素BDP2Gが形成される。
続いて、第3疑似間引き単位THUT3において、奇数行である第11行L11,第13行L13のR画素によりR画素の第3読み出し単位RDUT3Rが形成される。
偶数行である第12行L12,第14行L14のG画素によりG画素の第3読み出し単位RDUT3Gが形成される。
そして、第15行L15のR画素により疑似間引き単位THUTの境界画素BDP3Rが形成される。
続いて、第4疑似間引き単位THUT4において、偶数行である第16行L16,第18行L18のG画素によりG画素の第4読み出し単位RDUT4Gが形成される。
奇数行である第17行L17,第19行L19のR画素によりR画素の第4読み出し単位RDUT4Rが形成される。
そして、第20行L20のG画素により疑似間引き単位THUTの境界画素BDP4Gが形成される。
第1疑似間引き単位THUT1において、1番目に第1行L1のR画素が読み出され、2番目に第3行L3のR画素が読み出され、これによりR画素の第1読み出し単位RDUT1Rが形成され、両R画素の加算が行われる。
3番目に第2行L2のG画素が読み出され、4番目に第4行L4のG画素が読み出され、これによりG画素の第1読み出し単位RDUT1Gが形成され、両G画素の加算が行われる。
そして、5番目に第5行L5のR画素が通常に読み出され、これにより疑似間引き単位THUTの境界画素BDP1Rが形成される。
以上により第1疑似間引き単位THUT1の疑似間引き読み出し加算処理が行われる。
続いて、第2疑似間引き単位THUT2において、6番目に偶数行である第6行L6のG画素が読み出され、7番目に第8行L8のG画素が読み出され、これによりG画素の第2読み出し単位RDUT2Gが形成され、両画素の加算が行われる。
そして、8番目に第7行L7のR画素が読み出され、9番目に第9行L9のR画素が読み出され、これによりR画素の第2読み出し単位RDUT2Rが形成され、両画素の加算が行われる。
そして、10番目に第10行L10のG画素が通常に読み出され、これにより疑似間引き単位THUT2の境界画素BDP2Gが形成される。
以上により第2疑似間引き単位THUT2の疑似間引き読み出し加算処理が行われる。
続いて、第3疑似間引き単位THUT3において、11番目に第11行L11のR画素が読み出され、12番目に第13行L13のR画素が読み出され、これによりR画素の第3読み出し単位RDUT3Rが形成され、両画素の加算が行われる。
そして、13番目に第12行L12のG画素が読み出され、14番目に第14行L14のG画素が読み出され、これによりG画素の第3読み出し単位RDUT3Gが形成され、両画素の加算が行われる。
そして、15番目に第15行L15のR画素が通常読み出され、これにより疑似間引き単位THUTの境界画素BDP3Rが形成される。
以上により第3疑似間引き単位THUT3の疑似間引き読み出し加算処理が行われる。
続いて、第4疑似間引き単位THUT4において、16番目に第16行L16の画素が読み出され、17番目に第18行L18のG画素が読み出され、これによりG画素の第4読み出し単位RDUT4Gが形成され、両画素の加算が行われる。
そして、18番目に第17行L17のR画素が読み出され、19番目に第19行L19のR画素が読み出され、これによりR画素の第4読み出し単位RDUT4Rが形成され、両画素の加算が行われる。
そして、20番目に第20行L20のG画素が通常に読み出され、これにより疑似間引き単位THUT4の境界画素BDP4Gが形成される。
以下、同様に行われる。
また、他の列についても同様に行われる。
その他の構成は図7の例と同様である。
本発明の実施形態においては、奇数行加算、偶数行加算に関わらず、全ての複数行加算読み出しに適用できる。
この例では、デジタル信号として扱われ、第1行L1、第2行L2に対してはそのまま処理し、第3行L3はビットシフトし、第4行L4、第5行L5に対してそのまま処理し、第6行はビットシフトする等の処理が行われる。
図11(A)〜(C)は本実施形態に係る疑似間引き加算処理した画像とスケーリングした画像、および通常の間引き処理を行った画像を比較して示す第2図である。
図10および図11の(A)はスケーリングした画像を、図10および図11の(B)は通常の3/5間引き処理を行った画像を、図10および図11の(C)は本実施形態に係る疑似3/5間引き加算処理した画像をそれぞれ示している。
図からわかるように、本実施形態に係る疑似3/5間引き加算処理した画像は、スケーリングした画像には及ばないが、通常の間引き処理を行った画像と同等あるいはそれ以上の画質を得ることができる。
したがって、本実施形態によれば、画素を間引くことなく、すべての画素を利用し、2/3間引き、3/5間引き等を実現することができる。
図12は、本実施形態に係る列並列ADC搭載固体撮像素子(CMOSイメージセンサ)の構成例を示すブロック図である。
さらに、固体撮像素子200は、ADC群250、デジタル−アナログ変換装置(以下、DAC (Digital Analog converter)と略す)260、アンプ回路(S/A)270、および信号処理回路280を有する。
また、固体撮像素子200においては、画素アレイ部210の信号を順次読み出すための制御回路として次の回路が配置されている。
すなわち、固体撮像素子200においては、制御回路として内部クロックを生成するタイミング制御回路240、行アドレスや行走査を制御する行選択回路220、そして列アドレスや列走査を制御する水平転送走査回路230が配置される。
比較器251は、DAC260により生成される参照電圧を階段状に変化させたランプ波形(RAMP)である参照電圧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とを比較する。
カウンタ252は、比較器251の比較時間をカウントする。
ADC群250は、nビットデジタル信号変換機能を有し、垂直信号線(列線)毎に配置され、列並列ADCブロックが構成される。
各ラッチ253の出力は、たとえば2nビット幅の水平転送線290に接続されている。
そして、水平転送線290に対応した2n個のアンプ回路270、および信号処理回路280が配置される。
このとき、比較器251と同ように列毎に配置されたカウンタ252が動作しており、ランプ波形のある電位Vslopとカウンタ値が一対一対応を取りながら変化することで垂直信号線の電位(アナログ信号)Vslをデジタル信号に変換する。
参照電圧Vslopの変化は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ものである。
そしてアナログ電気信号Vslと参照電圧Vslopが交わったとき、比較器251の出力が反転し、カウンタ252の入力クロックを停止し、AD変換が完了する。
以上のAD変換期間終了後、水平転送走査回路230により、ラッチ253に保持されたデータが、水平転送線290、アンプ回路270を経て信号処理回路280に入力され、2次元画像が生成される。
このようにして、列並列出力処理が行われる。
図13は、本発明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。
さらに、カメラシステム300は、この撮像デバイス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 (6)
- 光信号を電気信号に変換し、その電気信号を露光時間に応じて蓄積する複数の色画素が行列状に配列された画素部と、
上記画素部のリセット、信号蓄積および出力を行うように駆動可能で、第1色画素および第2色画素の1行おきに連続する複数行分を1回の疑似間引きの読み出し単位として、疑似間引き加算読み出しを行うように駆動可能な画素駆動部と、を有し、
上記画素部は、
所定の列において、複数の第1色画素と第2色画素が一行おきに交互に配置されており、
上記画素駆動部は、
疑似間引き読み出し加算を複数回連続して行う場合には、実行中の疑似間引き読み出し加算の終わりの読み出し対象となる第2色画素または第1色画素と、次に続く疑似間引き読み出し加算の先頭の読み出し対象となる第2色画素または第1色画素との間の境界における第1色画素または第2色画素について通常読み出しを行うように上記画素部を駆動し、
上記所定の列において、
連続する複数行における複数の第1色画素と複数の第2色画素を含んで第1疑似間引き単位を形成し、
上記第1疑似間引き単位における読み出し順で末行となる第2色画素に隣接する第1色画素を第1境界画素とし、
上記第1境界画素に隣接して連続する複数行における複数の第2色画素と複数の第1色画素を含んで第2疑似間引き単位を形成し、
上記第1疑似間引き単位における複数の第1色画素を順次に読み出し、この第1色画素の第1読み出し単位を形成して、当該第1色画素の第1読み出し単位における複数の第1色画素を加算し、
上記第1疑似間引き単位における複数の第2色画素を順次に読み出し、この第2色画素の第1読み出し単位を形成して、当該第2色画素の第1読み出し単位における複数の第2色画素を加算し、
上記第1境界画素を通常に読み出し、
上記第2疑似間引き単位における複数の第2色画素を順次に読み出し、この第2色画素の第2読み出し単位を形成して、当該第2色画素の第2読み出し単位における複数の第2色画素を加算し、
上記第2疑似間引き単位における複数の第1色画素を順次に読み出し、この第1色画素の第2読み出し単位を形成して、当該第1色画素の第2読み出し単位における複数の第1色画素を加算する
固体撮像素子。 - 上記画素駆動部は、
上記第2疑似間引き単位を形成した後、上記第2疑似間引き単位における読み出し順で末行となる第1色画素に隣接する第2色画素を第2境界画素とし、
上記第2境界画素に隣接して連続する複数行における複数の第1色画素と複数の第2色画素を含んで第3疑似間引き単位を形成し、
上記第2境界画素を通常に読み出し、
上記第3疑似間引き単位における複数の第1色画素を順次に読み出し、この第1色画素の第3読み出し単位を形成して、当該第1色画素の第3読み出し単位における複数の第1色画素を加算し、
上記第3疑似間引き単位における複数の第2色画素を順次に読み出し、この第2色画素の第3読み出し単位を形成して、当該第2色画素の第3読み出し単位における複数の第2色画素を加算する
請求項1記載の固体撮像素子。 - 上記画素駆動部は、
上記第3疑似間引き単位を形成した後、上記第3疑似間引き単位における読み出し順で末行となる第2色画素に隣接する第1色画素を第3境界画素とし、
上記第3境界画素に隣接して連続する複数行における複数の第2色画素と複数の第1色画素を含んで第4疑似間引き単位を形成し、
上記第3境界画素を通常に読み出し、
上記第4疑似間引き単位における複数の第2色画素を順次に読み出し、この第2色画素の第4読み出し単位を形成して、当該第2色画素の第4読み出し単位における複数の第1色画素を加算し、
上記第4疑似間引き単位における複数の第1色画素を順次に読み出し、この第1色画素の第4読み出し単位を形成して、当該第1色画素の第4読み出し単位における複数の第1色画素を加算する
請求項2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、
光信号を電気信号に変換し、その電気信号を露光時間に応じて蓄積する複数の色画素が行列状に配列された画素部と、
上記画素部のリセット、信号蓄積および出力を行うように駆動可能で、第1色画素および第2色画素の1行おきに連続する複数行分を1回の疑似間引きの読み出し単位として、疑似間引き加算読み出しを行うように駆動可能な画素駆動部と、を有し、
上記画素部は、
所定の列において、複数の第1色画素と第2色画素が一行おきに交互に配置されており、
上記画素駆動部は、
疑似間引き読み出し加算を複数回連続して行う場合には、実行中の疑似間引き読み出し加算の終わりの読み出し対象となる第2色画素または第1色画素と、次に続く疑似間引き読み出し加算の先頭の読み出し対象となる第2色画素または第1色画素との間の境界における第1色画素または第2色画素について通常読み出しを行うように上記画素部を駆動し、
上記所定の列において、
連続する複数行における複数の第1色画素と複数の第2色画素を含んで第1疑似間引き単位を形成し、
上記第1疑似間引き単位における読み出し順で末行となる第2色画素に隣接する第1色画素を第1境界画素とし、
上記第1境界画素に隣接して連続する複数行における複数の第2色画素と複数の第1色画素を含んで第2疑似間引き単位を形成し、
上記第1疑似間引き単位における複数の第1色画素を順次に読み出し、この第1色画素の第1読み出し単位を形成して、当該第1色画素の第1読み出し単位における複数の第1色画素を加算し、
上記第1疑似間引き単位における複数の第2色画素を順次に読み出し、この第2色画素の第1読み出し単位を形成して、当該第2色画素の第1読み出し単位における複数の第2色画素を加算し、
上記第1境界画素を通常に読み出し、
上記第2疑似間引き単位における複数の第2色画素を順次に読み出し、この第2色画素の第2読み出し単位を形成して、当該第2色画素の第2読み出し単位における複数の第2色画素を加算し、
上記第2疑似間引き単位における複数の第1色画素を順次に読み出し、この第1色画素の第2読み出し単位を形成して、当該第1色画素の第2読み出し単位における複数の第1色画素を加算する
カメラシステム。 - 上記画素駆動部は、
上記第2疑似間引き単位を形成した後、上記第2疑似間引き単位における読み出し順で末行となる第1色画素に隣接する第2色画素を第2境界画素とし、
上記第2境界画素に隣接して連続する複数行における複数の第1色画素と複数の第2色画素を含んで第3疑似間引き単位を形成し、
上記第2境界画素を通常に読み出し、
上記第3疑似間引き単位における複数の第1色画素を順次に読み出し、この第1色画素の第3読み出し単位を形成して、当該第1色画素の第3読み出し単位における複数の第1色画素を加算し、
上記第3疑似間引き単位における複数の第2色画素を順次に読み出し、この第2色画素の第3読み出し単位を形成して、当該第2色画素の第3読み出し単位における複数の第2色画素を加算する
請求項4記載のカメラシステム。 - 上記画素駆動部は、
上記第3疑似間引き単位を形成した後、上記第3疑似間引き単位における読み出し順で末行となる第2色画素に隣接する第1色画素を第3境界画素とし、
上記第3境界画素に隣接して連続する複数行における複数の第2色画素と複数の第1色画素を含んで第4疑似間引き単位を形成し、
上記第3境界画素を通常に読み出し、
上記第4疑似間引き単位における複数の第2色画素を順次に読み出し、この第2色画素の第4読み出し単位を形成して、当該第2色画素の第4読み出し単位における複数の第1色画素を加算し、
上記第4疑似間引き単位における複数の第1色画素を順次に読み出し、この第1色画素の第4読み出し単位を形成して、当該第1色画素の第4読み出し単位における複数の第1色画素を加算する
請求項5記載のカメラシステム。
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