JP5808162B2 - 撮像素子、撮像装置及び撮像素子の駆動方法 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の第1の実施形態による撮像素子100の概略構成図である。100はCMOSイメージセンサと呼称される撮像素子であり、受光した被写体像を光電変換し、その電気信号をデジタル信号として出力する。撮像素子100は、画素部10、垂直走査回路15、増幅部20、ランプ信号発生回路(参照信号発生回路)25、比較部30、カウンタ部40、メモリ部50、出力回路60、水平走査回路65、タイミング発生回路(TG)70を有する。画素部10は、2次元行列状に配置された複数の画素10−1を有する。画素10−1は、光電変換により画素信号を出力する。垂直走査回路15は、駆動パルスX−1,X−2,・・・を画素部10に出力する。増幅部20は、画素部10からの画素信号を増幅する。ランプ信号発生回路25は、画素信号との比較信号として、時間に対して変化するランプ信号(参照信号)を生成する。比較部30は、増幅部20により増幅された画素信号とランプ信号とを比較する。カウンタ部40は、比較部30が比較結果を出力するまでカウントする。メモリ部50は、カウンタ部40のカウントデータを保持し、保持データのビットシフト及び演算を行う。水平走査回路65は、水平走査により、メモリ部50からのデータを出力回路60へ転送する。タイミング発生回路70は、上記回路ブロックをそれぞれタイミング制御する。
ΔVvl=−Q・Gsf/CFD ・・・(1)
Vct=VREF+Q・(Gsf/CFD)・(C0/Cf) ・・・(2)
図7は、本発明の第2の実施形態によるAD変換部のブロック図である。本実施形態は、信号レベルの判定を信号レベル判定回路(選択回路)30−3で行う。以下、本実施形態が第1の実施形態と異なる点を説明する。図6のビットシフトの説明で述べたように、ランプ信号切り替え判定は低精度で良いので、必ずしも比較回路30−1で判定を行う必要はなく、信号レベル判定回路30−3で判定しても良い。この場合、ランプ信号発生回路25は、ランプ信号VHとランプ信号VL/ランプ信号VRを選択回路30−2に出力する。信号レベル判定回路30−3は、S信号が基準信号VREFより大きいときにはハイレベルの判定信号SEL2を選択回路30−2に出力し、選択回路30−2はハイレベルの判定信号SEL2を基にランプ信号VHを比較回路30−1に出力する。これに対し、信号レベル判定回路30−3は、S信号が基準信号VREFより小さいときにはローレベルの判定信号SEL2を選択回路30−2に出力し、選択回路30−2はローレベルの判定信号SEL2を基にランプ信号VLを比較回路30−1に出力する。本実施形態のランプ信号VRAMPには、基準信号VREFは必要ない。また、ランプ信号発生回路25でランプ信号VREFを生成しないのでランプ信号発生回路25を簡単化出来る。
図8は、本発明の第3の実施形態によるAD変換部のブロック図である。以下、本実施形態が第2の実施形態と異なる点を説明する。本実施形態では、ランプ信号発生回路25は、ランプ信号VHを生成してアッテネータ30−4に出力する。アッテネータ30−4は、ランプ信号生成回路25により生成されたランプ信号VHを減衰させることにより、異なる傾きのランプ信号VL及びランプ信号VRを生成する。アッテネータ30−4は、制御信号CONT1及び判定信号SEL2(又は選択信号SEL)に応じて、ランプ信号VH、ランプ信号VL又はランプ信号VRを比較回路30−1に出力する。アッテネータ30−4を設けることにより、ランプ信号発生回路25からアッテネータ30−4への配線数を半減することが出来る効果がある。
図10は、本発明の第4の実施形態による撮像システムの構成例を示す図である。撮像システム800は、例えば、光学部810、撮像素子100、映像信号処理回路部830、記録・通信部840、タイミング制御回路部850、システムコントロール回路部860、及び再生・表示部870を含む。撮像装置820は、撮像素子100及び映像信号処理回路部830を有する。撮像素子100は、上述の各実施形態で説明した撮像素子100が用いられる。
Claims (17)
- 光電変換を行って電荷を生成する光電変換部と、
比較回路と、
互いに異なる時間変化率で電位が変化する複数のランプ信号を供給するランプ信号供給部と、
クロックを計数することによって計数値を生成するカウンタ部とを有し、
前記比較回路は、ノイズ信号と第1の時間変化率で電位が変化するランプ信号との比較である第1の比較を行うことによって第1の比較結果信号を出力し、
前記比較回路は、前記電荷に基づく信号と前記第1の時間変化率で電位が変化するランプ信号または前記第1の時間変化率より大きい第2の時間変化率で電位が変化するランプ信号との比較である第2の比較を行うことによって第2の比較結果信号を出力し、
前記比較回路は、前記第2の比較に先立って、前記電荷に基づく信号と所定のしきい値との比較である第3の比較を行うことによって第3の比較結果信号を出力し、
前記第2の比較は、前記電荷に基づく信号が前記所定のしきい値よりも小さいことを前記第3の比較結果信号が示す場合に前記第1の時間変化率で電位が変化するランプ信号を用いて行われ、前記電荷に基づく信号が前記所定のしきい値よりも大きいことを前記第3の比較結果信号が示す場合に前記第2の時間変化率で電位が変化するランプ信号を用いて行われ、
前記ノイズ信号に基づくデジタル信号として前記第1の比較結果信号の信号レベルが変化した時の前記計数値が生成され、前記電荷に基づく信号に基づくデジタル信号として前記第2の比較結果信号の信号レベルが変化した時の前記計数値が生成されることを特徴とする撮像素子。 - 前記ノイズ信号は、前記比較回路のノイズを含む信号であることを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。
- 前記ランプ信号供給部により供給された前記第2の時間変化率のランプ信号を減衰させることにより前記第1の時間変化率のランプ信号を生成するアッテネータを有することを特徴とする請求項1または2に記載の撮像素子。
- 前記撮像素子は行列状に配された複数の前記光電変換部と、複数の前記比較回路とを有し、
前記複数の比較回路の各々が前記複数の光電変換部の各列に配されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の撮像素子。 - 各々が前記複数の光電変換部の各々を有する複数の画素と、
前記複数の画素の各々に各々が対応して設けられた複数の増幅回路とを有し、
前記複数の比較回路の各々は前記複数の増幅回路の各々に対応して設けられ、
前記複数の画素は、前記電荷に基づく信号を出力し、
前記複数の比較回路の各々に入力される前記電荷に基づく信号が、前記複数の増幅回路の各々が前記複数の画素の各々の出力する前記電荷に基づく信号を増幅した信号であることを特徴とする請求項4に記載の撮像素子。 - 前記ノイズ信号は、前記画素のノイズを含む信号であることを特徴とする請求項5に記載の撮像素子。
- 前記ノイズ信号は、前記複数の増幅回路の各々のノイズを含む信号であることを特徴とする請求項5または6に記載の撮像素子。
- 複数のアナログデジタル変換器を有し、
前記カウンタ部は、各々が前記計数値を生成する複数のカウンタ回路を有し、
前記複数のアナログデジタル変換器の各々は、
前記複数の比較回路の各々と、前記複数のカウンタ回路の各々とを有することを特徴とする請求項4〜7のいずれか1項に記載の撮像素子。 - 前記複数のアナログデジタル変換器の各々は、各々に対応する前記比較回路が前記第2の比較を、前記第1の時間変化率のランプ信号と前記第2の時間変化率のランプ信号とのいずれを用いて行ったかを示すフラグと、前記電荷に基づく信号に基づくデジタル信号とを出力することを特徴とする請求項8に記載の撮像素子。
- 前記複数のアナログデジタル変換器の各々は、各々に対応する前記比較回路が出力した前記第3の比較結果信号と、前記電荷に基づく信号に基づくデジタル信号とを出力することを特徴とする請求項8に記載の撮像素子。
- 前記第1の時間変化率のランプ信号を用いた前記第2の比較によって生成された前記計数値と、前記第2の時間変化率のランプ信号を用いた前記第2の比較によって生成された前記計数値の一方をビットシフトするビットシフト部をさらに有することを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の撮像素子。
- 前記第1の時間変化率のランプ信号を用いた前記第2の比較によって生成された前記計数値と、前記第2の時間変化率のランプ信号を用いた前記第2の比較によって生成された前記計数値の一方をビットシフトするビットシフト部をさらに有し、
前記ビットシフト部は、前記フラグの値によって、前記ビットシフトを行うか否かを切り替えることを特徴とする請求項9に記載の撮像素子。 - 前記第1の時間変化率のランプ信号を用いた前記第2の比較によって生成された前記計数値と、前記第2の時間変化率のランプ信号を用いた前記第2の比較によって生成された前記計数値の一方をビットシフトするビットシフト部をさらに有し、
前記ビットシフト部は、前記第3の比較結果信号の値によって、前記ビットシフトを行うか否かを切り替えることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の撮像素子。 - さらに、制御信号に応じて、前記ビットシフト部によりビットシフトされたデータのビット数を減らすビット数調整部を有することを特徴とする請求項11〜13のいずれか1項に記載の撮像素子。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載の撮像素子と、
前記第1の時間変化率のランプ信号を用いた前記第2の比較によって生成された前記計数値と、前記第2の時間変化率のランプ信号を用いた前記第2の比較によって生成された前記計数値の一方をビットシフトするビットシフト部とを有し、前記ビットシフト部を前記撮像素子の外部に有することを特徴とする撮像装置。 - 請求項1〜14のいずれか1項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子が出力する信号を処理することによって画像データを生成する信号処理部とを有することを特徴とする撮像装置。 - 光電変換を行って電荷を生成する光電変換部と、
比較回路と、
互いに異なる時間変化率で電位が変化する複数のランプ信号を供給するランプ信号供給部とを有する撮像素子の駆動方法であって、
前記比較回路は、ノイズ信号と第1の時間変化率で電位が変化するランプ信号との比較である第1の比較を行うことによって第1の比較結果信号を生成し、
前記比較回路は、前記電荷に基づく信号と前記第1の時間変化率で電位が変化するランプ信号または前記第1の時間変化率より大きい第2の時間変化率で電位が変化するランプ信号との比較である第2の比較を行うことによって第2の比較結果信号を生成し、
前記比較回路は、前記第2の比較に先立って、前記電荷に基づく信号と所定のしきい値との比較である第3の比較を行うことによって第3の比較結果信号を生成し、
前記第2の比較は、前記電荷に基づく信号が前記所定のしきい値よりも小さいことを前記第3の比較結果信号が示す場合に前記第1の時間変化率で電位が変化するランプ信号を用いて行われ、前記電荷に基づく信号が前記所定のしきい値よりも大きいことを前記第3の比較結果信号が示す場合に前記第2の時間変化率で電位が変化するランプ信号を用いて行われ、
前記第1の比較を開始してから前記第1の比較結果信号の信号レベルが変化した時までの期間の長さに基づいて前記ノイズ信号に基づくデジタル信号が生成され、前記第2の比較を開始してから前記第2の比較結果信号の信号レベルが変化した時までの期間の長さに基づいて前記電荷に基づく信号に基づくデジタル信号が生成されることを特徴とする撮像素子の駆動方法。
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