JP6272073B2 - Imaging device, control method thereof, and control program - Google Patents
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Description
本発明は、撮像装置、その、制御方法、および制御プログラムに関する。 The present invention relates to an imaging apparatus, a control method thereof, and a control program.
一般に、光を電気信号に変換する撮像素子は、デジタルビデオカメラ又はデジタルスチルカメラなどの撮像装置、そして、ファクシミリなどの種々の電子機器で用いられている。この撮像素子として、例えば、CMOS(Complementary Metal−Oxide Semiconductor)型の撮像素子が知られている。 In general, an image sensor that converts light into an electric signal is used in an image pickup apparatus such as a digital video camera or a digital still camera, and various electronic devices such as a facsimile. As this image sensor, for example, a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) type image sensor is known.
CMOS型の撮像素子には、2次元マトリックス状に配列された複数の画素から読み出された電気信号(アナログ信号)を列毎に設けたA/D(Analog/Digital)変換部においてデジタル信号に変換して出力するものがある(特許文献1参照)。 In a CMOS type image sensor, an A / D (Analog / Digital) conversion unit provided with an electric signal (analog signal) read from a plurality of pixels arranged in a two-dimensional matrix for each column is converted into a digital signal. There is what converts and outputs (refer patent document 1).
上記したA/D変換部には、入射光量に応じたアナログ信号が列毎の垂直信号線から入力され、垂直信号線の電圧が参照電圧(ランプ信号)と等しくなるまでの時間をカウントして、当該カウント値によってアナログ信号をデジタル信号に変換する。 In the A / D converter described above, an analog signal corresponding to the amount of incident light is input from the vertical signal line for each column, and the time until the voltage of the vertical signal line becomes equal to the reference voltage (ramp signal) is counted. The analog signal is converted into a digital signal according to the count value.
ここで、従来の撮像装置における出力の劣化について説明する。 Here, output degradation in the conventional imaging apparatus will be described.
図6は、従来の撮像装置における入射光量と出力との関係を説明するための図である。図6(a)は、従来の撮像装置で用いられる撮像素子における入射光量と出力との関係を示す図であり、図6(b)は、撮像素子で用いられるランプ信号と時間との関係を示す図である。また、図6(c)は、撮像素子の出力をゲインアップした際の撮像装置の出力を示す図であり、図6(d)は、入射光量と撮像装置の出力との関係を示す図である。 FIG. 6 is a diagram for explaining the relationship between the amount of incident light and the output in a conventional imaging apparatus. FIG. 6A is a diagram illustrating a relationship between an incident light amount and an output in an image sensor used in a conventional imaging device, and FIG. 6B illustrates a relationship between a ramp signal used in the image sensor and time. FIG. FIG. 6C is a diagram illustrating the output of the imaging device when the gain of the output of the imaging device is increased, and FIG. 6D is a diagram illustrating the relationship between the incident light amount and the output of the imaging device. is there.
前述のように、撮像素子は、入射光量に応じたアナログ信号をA/D変換してデジタル信号として出力する。一方、近年、撮像素子の高速化に伴って、例えば、図6(a)に示すように、入力レベル(入射光量)が低い領域yにおいて、撮像素子の出力においてリニアリティ(線形性)の劣化が発生し、特定の階調で色づきが発生することがある。 As described above, the image sensor A / D-converts an analog signal corresponding to the amount of incident light and outputs it as a digital signal. On the other hand, in recent years, with the increase in the speed of the image sensor, for example, as shown in FIG. And coloring may occur at a specific gradation.
このようなリニアリティの劣化は、図6(b)に示すように、ランプ信号の立ち上がり時に相当する期間yにおける過渡応答特性によって、ランプ信号のリニアリティが劣化して発生する。そして、このようなリニアリティの劣化はランプ信号の傾きが急峻になるほど顕著となる。 As shown in FIG. 6B, such linearity degradation is caused by degradation of the linearity of the ramp signal due to the transient response characteristic in the period y corresponding to the rise of the ramp signal. Such deterioration of linearity becomes more prominent as the slope of the ramp signal becomes steeper.
加えて、撮像素子の読み出しを行う際のフレームレートが高くなり、又は単時間当たりの読み出しデータ量が多くなると、A/D変換期間を短縮する必要がある。そして、A/D変換期間の短縮とランプ信号のリニアリティの劣化とはトレードオフの関係にある。 In addition, the A / D conversion period needs to be shortened when the frame rate at the time of reading the image sensor increases or the amount of read data per hour increases. The shortening of the A / D conversion period and the deterioration of the linearity of the ramp signal are in a trade-off relationship.
ところで、撮像素子から出力されるデジタル信号は、撮像装置に備えられたデジタルシグナルプロセッサ(DSP)によってゲイン調整(例えば、アップ)されることがある。撮像素子においては、画素毎にカラーフィルタを備えるものがあり、この種の撮像素子では、カラーフィルタ毎に(つまり、画素出力毎に)ゲインアップを行ってホワイトバランスを合わせることが行われる。さらには、撮像素子の上限感度を超える高感度とするためゲインアップが行われる。 By the way, the digital signal output from the imaging device may be gain-adjusted (for example, increased) by a digital signal processor (DSP) provided in the imaging device. Some image pickup devices include a color filter for each pixel. In this type of image pickup device, white balance is adjusted by increasing the gain for each color filter (that is, for each pixel output). Furthermore, the gain is increased in order to obtain a high sensitivity that exceeds the upper limit sensitivity of the image sensor.
図6(c)に示すように、DSPによるゲインアップは理想的にはリニアリティを有しているものの、実際にはリニアリティの劣化が発生する。つまり、図6(d)に示すように、DSPによって撮像素子の出力をゲインアップする際、出力レンジAの広範な領域でリニアリティの劣化が発生する。 As shown in FIG. 6C, although gain increase by the DSP ideally has linearity, degradation of linearity actually occurs. That is, as shown in FIG. 6D, when the gain of the output of the image sensor is increased by the DSP, the linearity is deteriorated in a wide region of the output range A.
例えば、“DSPゲインアップx1”(1倍のゲインアップ)の際、撮像装置の出力レンジBにおいてリニアリティの劣化が発生し、“DSPゲインアップx2”(2倍のゲインアップ)においては、全域に相当する出力レンジAでリニアリティの劣化が発生する。 For example, when “DSP gain up x1” (1 × gain up), degradation of linearity occurs in the output range B of the imaging apparatus, and when “DSP gain up x2” (2 times gain up), Linearity degradation occurs in the corresponding output range A.
図6(a)に示すように、撮像素子の出力では、高出力レベル部(出力領域C)に比べて低出力レベル部(出力領域B)においてリニアリティの劣化が顕著である。一方、図6(d)に示す“DSPゲインアップx2”における撮像装置の出力において、撮像素子の出力におけるリニアリティの劣化が顕著な低出力レベル部(図6(a)に示す出力領域B)のみが用いられる結果、上述のような撮像装置の出力におけるリニアリティの劣化が生じる。 As shown in FIG. 6A, in the output of the image sensor, the linearity is significantly deteriorated in the low output level portion (output region B) as compared with the high output level portion (output region C). On the other hand, in the output of the image pickup apparatus at “DSP gain up x2” shown in FIG. 6D, only the low output level portion (output region B shown in FIG. 6A) in which the linearity deterioration in the output of the image pickup device is remarkable. As a result, linearity degradation in the output of the imaging apparatus as described above occurs.
この結果、撮像装置の出力において、特に、高感度設定の際に特定の諧調に色づきが生じることがある。 As a result, in the output of the image pickup apparatus, coloring may occur in a specific gradation particularly when high sensitivity is set.
本発明の目的は、高感度設定の際においても特定の階調の色づきを抑制することのできる撮像装置、その制御方法、および制御プログラムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide an imaging apparatus, a control method therefor, and a control program that can suppress coloring of a specific gradation even when high sensitivity is set.
上記の目的を達成するため、本発明による撮像装置は、2次元マトリックス状に配列された複数の画素と、前記複数の画素から読み出されたアナログ信号とランプ信号とを比較して当該比較結果に応じてカウントを行って前記アナログ信号に応じたデジタル信号を出力するA/D変換手段とを有する撮像素子と、前記デジタル信号についてゲイン調整を行うゲイン調整手段とを有する撮像装置であって、前記A/D変換手段の動作を、前記ゲイン調整手段における入力ダイナミックレンジに応じた出力ダイナミックレンジで制御する制御手段と、前記出力ダイナミックレンジと前記入力ダイナミックレンジとの差分に応じた電圧を最大電圧として前記ランプ信号の初期電圧を、前記ゲイン調整を行わない場合に対してその設定を変更する第1の設定手段と、を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, an imaging apparatus according to the present invention compares a plurality of pixels arranged in a two-dimensional matrix, an analog signal read from the plurality of pixels, and a ramp signal, and the comparison result. An imaging device having an A / D conversion unit that counts according to the analog signal and outputs a digital signal corresponding to the analog signal, and a gain adjustment unit that performs gain adjustment on the digital signal, Control means for controlling the operation of the A / D conversion means with an output dynamic range corresponding to the input dynamic range in the gain adjustment means, and a voltage corresponding to the difference between the output dynamic range and the input dynamic range to a maximum voltage The initial voltage of the ramp signal is changed as compared with the case where the gain adjustment is not performed. Characterized in that it has a setting means.
本発明による制御方法は、2次元マトリックス状に配列された複数の画素と、前記複数の画素から読み出されたアナログ信号とランプ信号とを比較して当該比較結果に応じてカウントを行って前記アナログ信号に応じたデジタル信号を出力するA/D変換手段とを有する撮像素子と、前記デジタル信号についてゲイン調整を行うゲイン調整手段とを有する撮像装置の制御方法であって、前記A/D変換手段の動作を、前記ゲイン調整手段における入力ダイナミックレンジに応じた出力ダイナミックレンジで制御する制御ステップと、前記出力ダイナミックレンジと前記入力ダイナミックレンジとの差分に応じた電圧を最大電圧として前記ランプ信号の初期電圧を、前記ゲイン調整を行わない場合に対してその設定を変更する設定ステップと、を有することを特徴とする。 According to the control method of the present invention, the plurality of pixels arranged in a two-dimensional matrix, the analog signal read from the plurality of pixels, and the ramp signal are compared, and counting is performed according to the comparison result. A method for controlling an imaging apparatus, comprising: an imaging device having an A / D conversion unit that outputs a digital signal corresponding to an analog signal; and a gain adjustment unit that performs gain adjustment on the digital signal. A control step of controlling the operation of the means with an output dynamic range corresponding to the input dynamic range in the gain adjusting means; and a voltage corresponding to a difference between the output dynamic range and the input dynamic range as a maximum voltage. A setting step for changing the setting of the initial voltage with respect to the case where the gain adjustment is not performed; Characterized in that it has.
本発明による制御プログラムは、2次元マトリックス状に配列された複数の画素と、前記複数の画素から読み出されたアナログ信号とランプ信号とを比較して当該比較結果に応じてカウントを行って前記アナログ信号に応じたデジタル信号を出力するA/D変換手段とを有する撮像素子と、前記デジタル信号についてゲイン調整を行うゲイン調整手段とを有する撮像装置で用いられる制御プログラムであって、前記撮像装置が備えるコンピュータに、前記A/D変換手段の動作を、前記ゲイン調整手段における入力ダイナミックレンジに応じた出力ダイナミックレンジで制御する制御ステップと、前記出力ダイナミックレンジと前記入力ダイナミックレンジとの差分に応じた電圧を最大電圧として前記ランプ信号の初期電圧を、前記ゲイン調整を行わない場合に対してその設定を変更する設定ステップと、を実行させることを特徴とする。 The control program according to the present invention compares a plurality of pixels arranged in a two-dimensional matrix, an analog signal read from the plurality of pixels, and a ramp signal, and performs counting according to the comparison result. A control program used in an imaging apparatus having an imaging device having an A / D conversion unit that outputs a digital signal corresponding to an analog signal, and a gain adjustment unit that performs gain adjustment on the digital signal. A control step of controlling the operation of the A / D conversion means in an output dynamic range corresponding to the input dynamic range in the gain adjusting means, and a computer according to a difference between the output dynamic range and the input dynamic range. The initial voltage of the ramp signal is set as the maximum voltage, and the gain adjustment is performed. A setting step of changing the setting for the case of not performing, characterized in that for the execution.
本発明によれば、A/D変換手段の動作を、ゲイン調整手段における入力ダイナミックレンジに応じた出力ダイナミックレンジで制御し、出力ダイナミックレンジと入力ダイナミックレンジとの差分に応じた電圧を最大電圧としてランプ信号の初期電圧を、ゲイン調整を行わない場合に対してその設定を変更する。これによって、高感度設定の際においても特定の階調の色づきを抑制することができる。 According to the present invention, the operation of the A / D conversion unit is controlled by the output dynamic range corresponding to the input dynamic range in the gain adjustment unit, and the voltage corresponding to the difference between the output dynamic range and the input dynamic range is set as the maximum voltage. The setting of the initial voltage of the ramp signal is changed when gain adjustment is not performed. As a result, it is possible to suppress coloring of a specific gradation even when setting high sensitivity.
以下に、本発明の実施の形態による撮像装置の一例について図面を参照して説明する。 Hereinafter, an example of an imaging apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態による撮像装置の一例についてその構成を示すブロック図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an example of an imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention.
図示の撮像装置は、例えば、デジタルスチルカメラ(以下、単にカメラと呼ぶ)であり、撮像光学系(以下単に光学系と呼ぶ)1001を有している。図示はしないが、この光学系1001においては鏡筒にズームレンズおよび絞り機構などが配置されている。そして、光学系1001を通過した光学像(被写体像)はCMOS型の撮像素子1002の受光面に結像する。
The illustrated imaging apparatus is, for example, a digital still camera (hereinafter simply referred to as a camera), and includes an imaging optical system (hereinafter simply referred to as an optical system) 1001. Although not shown, in this
なお、光学系1001は、後述するCPU1004によって制御され、CPU1004は光学系1001を駆動制御してオートフォーカス(AF)制御などを行う。
The
撮像素子1002は、光学像に応じたデジタル信号を出力する。つまり、図示の撮像素子1002は、OB(オプティカルブラック)クランプおよびA/D変換を行ってデジタル信号を出力する。そして、このデジタル信号は、撮像信号としてデジタルシグナルプロセッサ(DSP)1007に送られる。
The
CPU1004は、カメラ全体の制御を司る。CPU1004は、ROM1005に記録されたプログラムをRAM1006に展開してカメラを制御する。また、CPU1004は、撮像素子1002に対してDSP1007の入力信号(つまり、撮像信号)に必要な入力レンジを信号DRAMGEにより指示する。
The
なお、ROM1005にはカメラを制御するためのファームウェアなどのプログラムが記憶され、RAM1006は、カメラに係る制御情報などを一時的に格納するためのメモリとして用いられる。
The
前述のDSP1007は、撮像素子1002の出力である撮像信号について各種の信号処理を行って、所定のフォーマットの静止画又は動画の映像信号(例えば、YUV信号)を生成する。外部インターフェース1008には、各種のエンコーダおよびD/A変換器が備えられ、外部要素(ここでは、ディスプレイ1012、メモリ媒体コントローラ1010、および操作パネル1011)と各種の制御信号およびデータを送受する。
The above-described
ディスプレイ1012は、外部インターフェース1008から送られる映像信号(画像データ)に応じた画像を表示する。当該ディスプレイ1012はカメラに組み込まれているが、ディスプレイ1012に加えて、外部インターフェース1008から外部の表示装置(図示せず)に画像データを伝送して、画像を表示するようにしてもよい。
The
メモリ媒体コントローラ1010にはメモリ媒体1009が装着される。メモリ媒体1009は、例えば、メモリカードであり、メモリ媒体コントローラ1010はメモリ媒体1009に画像データを保存する。さらに、メモリ媒体コントローラ1010はCPU1004の制御下で、メモリ媒体1009に保存された画像データを読み出す。
A
なお、メモリ媒体1009として、メモリカードの他に、例えば、磁気又は光を用いたディスク媒体を用いることができる。
In addition to the memory card, for example, a disk medium using magnetism or light can be used as the
操作パネル1011は、撮影の際にユーザによって操作され、ユーザは操作パネル1011を用いて各種の指示を行う。そして、CPU1004は、操作パネル1011からの指示入力に応じてカメラを制御する。
The
図2は、図1に示す撮像素子1002の構成について、その一例を示すブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram showing an example of the configuration of the
図示の撮像素子1002は、前述のように、CMOS型の撮像素子である。そして、撮像素子1002は、画素アレイ2001、垂直走査部2002、A/D変換部2003、参照電圧生成部(ランプ信号生成手段)2004、水平走査部2005、水平出力線2006、タイミング制御部2007、垂直出力線2015、およびアンプ基準電圧生成部2016を備えている。
The illustrated
A/D変換部2003は、列信号線(つまり、垂直出力線2015)毎にアンプ2014およびA/D変換回路2013を備えている。そして、A/D変換回路2013の各々は、コンパレータ2009およびアップ/ダウンカウンタ2011を有している。
The A /
タイミング制御部2007は、CPU1004の制御下で垂直走査部2002、A/D変換部2003、参照電圧生成部2004、および水平走査部2005の動作タイミングを制御する。なお、タイミング制御部2007には、CPU1004からタイミング制御用クロックMCLKが供給される。
A
動作タイミング制御の際、タイミング制御部2007は、アップ/ダウンカウンタ2011を動作させるための動作クロックADCLKをアップ/ダウンカウンタ2011に与えるとともに、アップ/ダウンカウンタ2011におけるアップカウントおよびダウンカウントを切り替える切り替え信号Down selectをアップ/ダウンカウンタ2011に与える。なお、動作クロックADCLKは、参照電圧生成部2004にも与えられる。
In the operation timing control, the
タイミング制御部2007は、CPU1004から前述の信号DRANGEを受けて、アンプ基準電圧生成部2016に対してアンプ2014の出力電圧に関するオフセット設定値を送る。なお、信号DRANGEは、DSP1007の入力レンジを示す信号である。
The
画素アレイ2001は、2次元マトリックス状に配列された複数の単位画素(以下単に画素と呼ぶ)2008を有している。画素2008の各々は、受光した光を信号電圧に変換して、当該信号電圧を列毎に設けられた列信号線(つまり、垂直出力線2015)に出力する。
The
垂直操作部2002は、画像アレイ2001においてその行を順次選択する垂直走査を行う。垂直出力線2015の各々にはアンプ2014が接続されており、当該アンプ2014には、アンプ基準電圧生成部2016からアンプ基準電圧が与えられる。このアンプ基準電圧生成部2016は、タイミング制御部2007から送られるオフセット設定値に応じたオフセット信号(OFFSET)をアンプ2014に送る。
The
このオフセット信号は、撮像素子1002の出力レンジとDSPの入力レンジとの差分に相当する信号である。そして、アンプ2014は、オフセット信号に応じて出力電圧のオフセット量を変更する。
This offset signal is a signal corresponding to the difference between the output range of the
アンプ2014は、垂直出力線2015の出力であるアナログ信号を増幅して、増幅信号としてコンパレータ2009に送る。参照電圧生成部2004からは参照電圧(つまり、ランプ信号)がコンパレータ2009に供給されて、コンパレータ2009は、垂直出力線2015の電圧(アナログ信号)および参照電圧(ランプ信号)を比較する。そして、コンパレータ2009は、当該比較結果に応じた比較結果信号(ハイレベル(H)信号又はロー(H)レベル信号)を出力する。
The
図2には示されていないが、前述の動作クロックADCLKは分周部において分周され、アップ/ダウンカウンタ2011に複数のクロック信号が与えられる。アップ/ダウンカウンタ2011はクロック信号に応じて動作し、コンパレータ2009の出力である比較結果信号をカウントしてそのカウント値を出力する。そして、アップ/ダウンカウンタ2011の出力であるカウント値は、メモリ(MEM)2012に保持される。このようにして、A/D変換部2003は、A/D変換によって複数の列信号線(垂直出力線2015)に出力された信号電圧に応じたデジタル信号を出力する。
Although not shown in FIG. 2, the operation clock ADCLK described above is frequency-divided by the frequency dividing unit, and a plurality of clock signals are supplied to the up / down
水平走査部2005は、タイミング制御部2007の制御下で順次メモリ(MEM)2012の読み出しを行って、水平出力線2006にカウント値、つまり、デジタル信号を出力する。
The
図3は、図2に示すAD変換部2003の動作を説明するためのタイミングチャートである。
FIG. 3 is a timing chart for explaining the operation of the
図3において、時刻t1よりも前においては、参照電圧生成部2004の出力であるランプ信号は初期値(初期電圧:ランプ信号基準電圧)に設定される。ここで、撮像素子1002の出力(A/D変換後)において、そのダイナミックレンジの広さはデジタル信号のビット長に比例する。ここでは、アップ/ダウンカウンタ2011の精度が12ビットであるものとして説明する。
In FIG. 3, before the time t1, the ramp signal output from the reference voltage generation unit 2004 is set to an initial value (initial voltage: ramp signal reference voltage). Here, in the output of the image sensor 1002 (after A / D conversion), the width of the dynamic range is proportional to the bit length of the digital signal. Here, description will be made assuming that the accuracy of the up / down
なお、A/D変換の際のアップ/ダウンカウンタ2011のカウント速度は常に一定であるものとする。さらに、ランプ信号の傾きが変化すると、撮像素子1002の出力は変化する。具体的には、一定時間当たりのランプ信号の電圧変化量が大きい程、撮像素子1002の出力は低下し、一定時間当たりのランプ信号の電圧変化量が小さい程、撮像素子1002の出力は上昇する。ここでは、説明の便宜上、A/D変換の際に設定されるランプ信号の傾きは一定であるものとする。
It is assumed that the count speed of the up / down
さらに、撮像素子1002におけるランプ信号のダイナミックレンジ(つまり、出力ダイナミックレンジ)を”a”とし、DSP1007における入力ダイナミックレンジを”b”とした際、ランプ信号の基準電圧を画素出力基準電圧に対して(a−b)分だけ(つまり、(a−b)を最大電圧としてその分だけ)上方に設定する。これによって、S信号およびN信号のA/D変換期間をランプ信号のリニア期間(リニアリティが劣化しない期間)に収める。但し、実際のランプ信号においては、ランプ信号の傾きおよび電源など周辺回路の安定性などに起因して、リニア期間とノンリニア期間(リニアリティが劣化する期間)との比率が変化する。
Further, when the dynamic range (that is, output dynamic range) of the ramp signal in the
以下の説明では、理想的にS信号およびN信号のA/D変換期間はランプ信号のリニア期間に収まるものとして説明するが、S信号およびN信号のA/D変換期間の一部がランプ信号のノンリニア期間と重なったとしても、従来に比べて特定の階調における色づきは改善される。 In the following description, it is assumed that the A / D conversion period of the S signal and the N signal ideally falls within the linear period of the ramp signal, but a part of the A / D conversion period of the S signal and the N signal is the ramp signal. Even if it overlaps with the non-linear period, coloring in a specific gradation is improved as compared with the conventional case.
まず、タイミング制御部2007は、参照電圧生成部2004をタイミング制御して、時刻t1において、N信号に係るA/D変換のランプ信号(N信号AD変換ランプ信号という)を立ち上げる。ここで、N信号とは、例えば、画素2008をリセットした際に生じる信号をいう。
First, the
立ち上がり直後においてN信号AD変換ランプ信号は過渡応答特性を示し、直線ではないノンリニア期間が発生する(時刻t1〜t2)。このノンリニア期間においてA/D変換が行われると、入射光量に対して撮像素子1002の出力がリニアリティ劣化を示す。
Immediately after the rise, the N signal AD conversion ramp signal exhibits a transient response characteristic, and a non-linear non-linear period occurs (time t1 to t2). When A / D conversion is performed in this non-linear period, the output of the
ノンリニア期間の長さは、N信号AD変換ランプ信号の傾きの大きさ(単位時間当たりの電圧変化量に相当)に依存し、その傾きが大きい程A/D変換期間におけるノンリニア期間が長くなって、リニアリティ(直線性)が保たれた理想的なランプ信号からのずれ量が大きくなる。 The length of the non-linear period depends on the magnitude of the slope of the N signal AD conversion ramp signal (corresponding to the amount of voltage change per unit time). The larger the slope, the longer the non-linear period in the A / D conversion period. The amount of deviation from an ideal ramp signal that maintains linearity (linearity) increases.
時刻t2において、N信号AD変換ランプ信号がリニア期間に入るものとする。撮像素子1002の出力について良好なリニア特性を得るためには、N信号AD変換ランプ信号がリニア期間に入った後にA/D変換を行う必要がある。
It is assumed that the N signal AD conversion ramp signal enters the linear period at time t2. In order to obtain good linear characteristics with respect to the output of the
従来、ランプ信号基準電圧は、DSP1007におけるゲイン設定に拘わらず、一定である。このため、図6で説明したように、DSP1007においてゲイン調整(ゲインアップ)を行うとリニアリティ劣化が顕著となって、特定の階調において色づきが発生する。
Conventionally, the ramp signal reference voltage is constant regardless of the gain setting in the
時刻t3において、タイミング制御部2007の制御下で、垂直走査部2002は垂直走査を行って垂直信号線2015に画素2008におけるN信号を読み出す。垂直出力信号線2015に読み出されたN信号はアンプ2014においてゲイン調整およびオフセット調整された後、コンパレータ2009に入力される。
At time t <b> 3, under the control of the
ここでは、オフセット調整におけるオフセット量はDSP1007のゲインアップ設定に拘わらず一定であるとものとする。また、アンプ2014からコンパレータ2009に入力される信号を画素出力とする。
Here, it is assumed that the offset amount in the offset adjustment is constant regardless of the gain increase setting of the
時刻t4において、N信号AD変換ランプ信号と画素出力の大きさが反転して、コンパレ―タ2009の出力がHレベルとなる。なお、コンパレ―タ2009の出力制御はタイミング制御部2007によって行われる。
At time t4, the magnitudes of the N signal AD conversion ramp signal and the pixel output are inverted, and the output of the
コンパレ―タ2009の出力がHレベルとなると、アップ/ダウンカウンタ2011はN信号のカウントをダウンカウントによって開始する。アップ/ダウンカウンタ2011はコンパレ―タ2009の出力がHレベル期間中N信号のカウントを行う。
When the output of the
この期間(つまり、Hレベル期間)がN信号カウント期間である。また、時刻t4からN信号AD変換ランプ信号が終了する時刻t6までの期間がN信号A/D変換期間である。 This period (that is, the H level period) is the N signal count period. The period from time t4 to time t6 when the N signal AD conversion ramp signal ends is the N signal A / D conversion period.
時刻t5において、N信号AD変換ランプ信号と画素出力の関係が逆転して、コンパレータの出力はLレベルとなる。これによって、アップ/ダウンカウンタ2011はダウンカウントを停止する。なお、N信号の出力に応じて、ダウンカウントの停止は時刻t4〜t6の間で変化する。そして、時刻t6において、N信号AD変換期間が終了する。この際、N信号AD変換ランプ信号はランプ信号基準電圧に再設定される。
At time t5, the relationship between the N signal AD conversion ramp signal and the pixel output is reversed, and the output of the comparator becomes L level. As a result, the up / down
続いて、タイミング制御部2007の制御下で、垂直走査部2002は垂直走査を行って、時刻t7〜t8の期間において、垂直信号線2015に画素2008のS信号を読み出す。なお、S信号とは、画素2008における光電変換による信号(つまり、画像信号)である。
Subsequently, under the control of the
時刻t9において、タイミング制御部2007は、参照電圧生成部2004をタイミング制御して、S信号に係るA/D変換のランプ信号(S信号AD変換ランプ信号という)を立ち上げる。ここでは、時刻t9〜t10までの期間がS信号AD変換ランプ信号のノンリニア期間である。
At time t <b> 9, the
時刻t11において、タイミング制御部2007の制御下で、アップ/ダウンカウンタ2011はS信号のカウントを開始する。この際、タイミング制御部2007は切り替え信号Down selectをLレベルとして、アップ/ダウンカウンタ2011によるアップカウントを行う。さらに、同一のタイミングで、S信号AD変換ランプ信号と画素出力の大きさが反転して、コンパレ―タ2009の出力がHレベルとなる。
At time t11, the up / down counter 2011 starts counting the S signal under the control of the
コンパレ―タ2009の出力がHレベルとなると、アップ/ダウンカウンタ2011はS信号のカウントをアップカウントによって開始する。アップ/ダウンカウンタ2011は、コンパレ―タ2009の出力がHレベルの期間中S信号のカウントを行う。
When the output of the
この期間(つまり、Hレベル期間)がS信号カウント期間であり、時刻t11からS信号AD変換ランプ信号が終了する時刻t13までの期間がS信号AD変換期間である。 This period (that is, the H level period) is the S signal count period, and the period from time t11 to time t13 when the S signal AD conversion ramp signal ends is the S signal AD conversion period.
時刻t12において、S信号AD変換ランプ信号と画素出力との関係が逆転して、コンパレータ2009の出力はLレベルとなる。これによって、アップ/ダウンカウンタ2011はアップカウントを停止する。なお、S信号の出力に応じて、アップカウントの停止は時刻t11〜時刻t13の間で変化する。
At time t12, the relationship between the S signal AD conversion ramp signal and the pixel output is reversed, and the output of the
いま、DSP1007におけるゲインアップが”×1”(1倍)である場合、アップ/ダウンカウンタ2011の精度を12ビットとすると、その最大カウント値は4095LSBである。また、DSP1007のゲインアップが”×2”(2倍)である場合、図3に示す時刻t13までS信号のカウントを行うと、その最大カウント値は2047LSBである。
Now, when the gain increase in the
DSP1007によるゲインアップの際の最大カウント値は、ゲインアップ無しにおける最大カウント値に、上述のダイナミックレンジaとDSP1007の入力ダイナミックレンジbとの比を乗算した値に等しい。また、アップ/ダウンカウンタ2011のカウント値がDSP1007の入力ダイナミックレンジ最大値に達した後、コンパレータの電源をオフすれば、省電力化につながる。つまり、ここでは、DSP1007の入力ダイナミックレンジに対応するA/D変換期間を最小として、当該A/D変換期間の開始から所定の期間が経過すると、参照電圧生成部2004をオフしてコンパレータ2009を停止する。
The maximum count value when gain is increased by the
なお、ランプ信号のカウント期間をA、DSP1007のダイナミックレンジ相当のカウント期間をBとした場合、N信号カウント期間開始時刻およびS信号カウント期間開始時刻は、それぞれN信号AD変換ランプ信号の立ち上がりから(A−B)経過後およびS信号AD変換ランプ信号の立ち上がりの後(A−B)経過後とする。このようにN信号カウント期間開始時刻およびS信号カウント期間開始時刻を規定するのは、DSP1007のダイナミックレンジ相当のカウント期間Bがノンリニア期間に掛らなければよいからである。
When the count period of the ramp signal is A and the count period corresponding to the dynamic range of the
さらに、ランプ基準電圧と画素出力基準電圧との差を小さくして、N信号カウント期間およびS信号カウント期間の開始時刻をランプ信号の立ち上げから(A−B)経過後よりも前側とすることによって、S信号カウント値が最大値に達するタイミングを早めることができる。これによって、コンパレータ2009の電源をより早くオフしてさらなる省電力化を実現することができる。
Further, the difference between the ramp reference voltage and the pixel output reference voltage is reduced, and the start time of the N signal count period and the S signal count period is set to the front side after the passage of the ramp signal (A−B). Thus, the timing at which the S signal count value reaches the maximum value can be advanced. As a result, the power supply of the
図4は、図2に示す撮像素子の入射光量とカメラの出力である映像信号のリニア特性を示す図である。 FIG. 4 is a diagram illustrating the linear characteristic of the video signal that is the output of the camera and the incident light amount of the image sensor shown in FIG.
図4において、横軸は画素2008に入射する光量を正規化した正規化光量レベルを示し、縦軸はカメラの出力レベル(装置出力レベル)を示す。装置出力レベルは、撮像素子1002の出力(S信号−N信号)にDSP1007においてゲインを乗算した出力である。図4においては、DSP1007におけるゲイン×1(1倍)のリニアリティ特性は、図6(d)に示すリニアリティ特性に等しい。
In FIG. 4, the horizontal axis indicates the normalized light amount level obtained by normalizing the light amount incident on the
以下の説明では、DSP1007のゲインを”×1”とした場合と”×2”とした場合の2つの特性について説明する。
In the following description, two characteristics when the gain of the
まず、DSP1007のゲインを”×1”とした際には、画素2008に対する入射光量xのダイナミックレンジに対して装置出力の出力レンジはAとなる。この際には、低出力側における出力レンジBにおいてリニアリティ劣化が見られる。
First, when the gain of the
ここでは、リニアティの劣化領域は撮像素子1002の出力レンジBの範囲で発生している。このことはA/D変換の際に図6(b)に示すランプ信号のレンジBの領域を用いるためである。
Here, the linearity degradation region occurs in the output range B of the
さらに、高出力レベル側の撮像出力の出力レンジCにおいてはリニアリティ劣化は見られない。このことは、A/D変換の際に図6(b)に示すランプ信号のレンジCの領域を用いるためである。 Further, there is no linearity degradation in the output range C of the imaging output on the high output level side. This is because the range C of the ramp signal shown in FIG. 6B is used in the A / D conversion.
DSP1007のゲインを”×2”とした際には、図3に関連して説明したように、DSP1007の入力レンジと撮像素子1002のA/D変換レンジとの差分に相当する期間分、ランプ信号の開始からS信号AD変換期間の開始を遅延させる(つまり、カウントの開始タイミングを遅延させる)。これによって、ランプ信号のリニアリティ劣化がない図6(b)に示すランプ信号のレンジCの領域を用いることが可能となる。
When the gain of the
この結果、画素2008に対する入射光量yのダイナミックレンジに対して装置出力の出力レンジは”A”となる。これによって、DSP1007はランプ信号のリニア期間においてS信号およびN信号の変換を行うことが可能となって、特に、高感度の際におけるリニアティ劣化を抑制することができる。
As a result, the output range of the apparatus output is “A” with respect to the dynamic range of the incident light amount y with respect to the
[第2の実施形態]
続いて、本発明の第2の実施形態に係るカメラについて説明する。
[Second Embodiment]
Subsequently, a camera according to a second embodiment of the present invention will be described.
なお、第2の実施形態に係るカメラの構成は、図1に示すカメラと同様である。また、第2の実施形態に係るカメラで用いられる撮像素子の構成は、図2に示す撮像素子と同様である。よって、ここでは、カメラおよび撮像素子の構成についてはその説明を省略する。 The configuration of the camera according to the second embodiment is the same as that of the camera shown in FIG. The configuration of the image sensor used in the camera according to the second embodiment is the same as that of the image sensor shown in FIG. Therefore, the description of the configuration of the camera and the image sensor is omitted here.
図5は、本発明の第2の実施形態に係るカメラで用いられる撮像素子に備えられたA/D変換部2003の動作を説明するためのタイミングチャートである。
FIG. 5 is a timing chart for explaining the operation of the A /
図5に示すタイミングチャートにおいては、A/D変換部2003の通常出力領域における動作が示されている。ここでは、時刻t1よりも前においては、画素出力基準電圧は参照電圧生成部2004の出力であるランプ信号基準電圧と略等しく設定される。そして、画素出力に対して画素出力基準電圧から所定のオフセットを設定する。
In the timing chart shown in FIG. 5, the operation in the normal output region of the A /
このため、DSP1007によってゲインアップを行う際、撮像素子1002におけるランプ信号のダイナミックレンジを”a”とし、DSP1007における入力ダイナミックレンジを”b”とした場合、画素出力基準電圧に対して画素出力を(a−b)分だけ下方に設定する。
For this reason, when the gain is increased by the
これによって、S信号およびN信号のA/D変換期間をランプ信号のリニア期間に収める。但し、実際のランプ信号においては、ランプ信号の傾きおよび電源など周辺回路の安定性などに起因して、リニア期間とノンリニア期間との比率が変化する。 As a result, the A / D conversion period of the S signal and the N signal falls within the linear period of the ramp signal. However, in the actual ramp signal, the ratio between the linear period and the non-linear period changes due to the slope of the ramp signal and the stability of peripheral circuits such as the power supply.
以下の説明では、理想的にS信号およびN信号のA/D変換期間はランプ信号のリニア期間に収まるとして説明するが、S信号およびN信号のA/D変換期間の一部がランプ信号のノンリニア期間と重なったとしても、従来に比べて特定の階調における色づきは改善される。 In the following description, it is assumed that the A / D conversion period of the S signal and the N signal ideally falls within the linear period of the ramp signal. However, a part of the A / D conversion period of the S signal and the N signal is a part of the ramp signal. Even if it overlaps with the non-linear period, coloring in a specific gradation is improved as compared with the conventional case.
なお、時刻t1〜t13までの動作については、図3で説明したタイミングチャートと同様であるので、ここでは説明を省略する。 The operation from time t1 to t13 is the same as that in the timing chart described with reference to FIG.
このように、本発明の第2の実施形態では、DSP1007はランプ信号のリニア期間においてS信号およびN信号の変換を行うことが可能となって、特に、高感度の際におけるリニアティ劣化を抑制することができる。
As described above, in the second embodiment of the present invention, the
[第3の実施形態]
次に、本発明の第3の実施形態に係るカメラについて説明する。
[Third Embodiment]
Next, a camera according to a third embodiment of the present invention will be described.
なお、第3の実施形態に係るカメラの構成は、図1に示すカメラと同様である。また、第3の実施形態に係るカメラで用いられる撮像素子の構成は、図2に示す撮像素子と同様である。よって、ここでは、カメラおよび撮像素子の構成についてはその説明を省略する。 The configuration of the camera according to the third embodiment is the same as that of the camera shown in FIG. The configuration of the image sensor used in the camera according to the third embodiment is the same as that of the image sensor shown in FIG. Therefore, the description of the configuration of the camera and the image sensor is omitted here.
ここでは、画素出力基準電圧を予め測定して、A/D変換期間がノンリニア期間の領域外になるように設定する。これによって、ランプ信号の使用可能領域が狭くなり、さらに、アップ/ダウンカウンタ2011のカウント値の上限値が低くなるとともに、撮像素子1002の出力レンジが狭くなる。
Here, the pixel output reference voltage is measured in advance and set so that the A / D conversion period is outside the non-linear period region. As a result, the usable area of the ramp signal is narrowed, the upper limit value of the count value of the up / down
撮像素子1002の出力について、DSP1007においてゲインアップを行うことによって、カメラでは最大出力を得ることができる。また、レンジが狭くなった結果として用いることができないカウント分を補うようにランプ信号の傾きを変更するようにしてもよい。これによって、カメラにおける出力レンジを保つことができる。
With respect to the output of the
具体的に図5を用いて説明すると、撮像素子1002の出力レンジ”a”に対して、ランプ信号の使用可能領域を狭くした後の出力レンジは”b”に相当する。そして、比率b/aだけ、時間の経過に応じたランプ信号の変化量を小さくする。これによって、画素出力基準電圧の変更によって使用できないカウント分を補うことが可能となる。
Specifically, using FIG. 5, the output range after narrowing the usable area of the ramp signal with respect to the output range “a” of the
この結果、本発明の第3の実施形態では、リニアリティの劣化を解消しつつ、ダイナミックレンジを確保することができる。 As a result, in the third embodiment of the present invention, it is possible to ensure a dynamic range while eliminating degradation of linearity.
このように、本発明の実施の形態では、列毎にA/D変換回路を備えて、A/D変換回路が列毎の出力値とランプ波形との比較を行って、その結果に応じてカウントを行いデジタル信号に変換する際、ランプ信号の立ち上がりにおける過渡特性によるリニアリティ劣化を回避して、高感度設定の際における特定の階調の色づきを抑制することができる。 As described above, according to the embodiment of the present invention, the A / D conversion circuit is provided for each column, and the A / D conversion circuit compares the output value for each column with the ramp waveform, and according to the result. When counting and converting to a digital signal, it is possible to avoid linearity deterioration due to transient characteristics at the rise of the ramp signal and to suppress coloring of a specific gradation at the time of setting high sensitivity.
上述の説明から明らかなように、図1および図2に示す例では、CPU1004およびDSP1007がゲイン調整手段として機能する。また、CPU1004およびタイミング制御部2007は制御手段、第1の設定手段、第2の設定手段、および第3の設定手段として機能する。さらに、CPU1004およびタイミング制御部2007は電源断手段として機能する。
As is clear from the above description, in the example shown in FIGS. 1 and 2, the
以上、本発明について実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment, this invention is not limited to these embodiment, Various forms of the range which does not deviate from the summary of this invention are also contained in this invention. .
例えば、上記の実施の形態の機能を制御方法として、この制御方法を撮像装置に実行させるようにすればよい。また、上述の実施の形態の機能を有するプログラムを制御プログラムとして、当該制御プログラムを撮像装置が備えるコンピュータに実行させるようにしてもよい。なお、制御プログラムは、例えば、コンピュータに読み取り可能な記録媒体に記録される。 For example, the function of the above embodiment may be used as a control method, and this control method may be executed by the imaging apparatus. Further, a program having the functions of the above-described embodiments may be used as a control program, and the control program may be executed by a computer included in the imaging apparatus. The control program is recorded on a computer-readable recording medium, for example.
上記の制御方法および制御プログラムの各々は、少なくとも制御ステップおよび設定ステップを有している。 Each of the above control method and control program has at least a control step and a setting step.
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。つまり、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種の記録媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPUなど)がプログラムを読み出して実行する処理である。 The present invention can also be realized by executing the following processing. That is, software (program) that realizes the functions of the above-described embodiments is supplied to a system or apparatus via a network or various recording media, and the computer (or CPU, MPU, etc.) of the system or apparatus reads the program. To be executed.
1002 撮像素子
1007 DSP
2001 画素アレイ
2003 A/D変換部
2004 参照電圧生成部
2007 タイミング制御部
2008 単位画素
2009 コンパレータ
2011 アップ/ダウンカウンタ
2016 アンプ基準電圧生成部
1002
2001 Pixel array 2003 A / D conversion unit 2004 Reference
Claims (11)
前記A/D変換手段の動作を、前記ゲイン調整手段における入力ダイナミックレンジに応じた出力ダイナミックレンジで制御する制御手段と、
前記出力ダイナミックレンジと前記入力ダイナミックレンジとの差分に応じた電圧を最大電圧として前記ランプ信号の初期電圧を、前記ゲイン調整を行わない場合に対してその設定を変更する第1の設定手段と、
を有することを特徴とする撮像装置。 A plurality of pixels arranged in a two-dimensional matrix, and an analog signal read from the plurality of pixels and a ramp signal are compared and counted according to the comparison result, and a digital signal corresponding to the analog signal An image pickup device having an A / D conversion means for outputting and a gain adjustment means for performing gain adjustment on the digital signal,
Control means for controlling the operation of the A / D conversion means with an output dynamic range corresponding to an input dynamic range in the gain adjustment means;
A first setting means for changing the setting of the initial voltage of the ramp signal with respect to a case where the gain adjustment is not performed, with a voltage corresponding to a difference between the output dynamic range and the input dynamic range as a maximum voltage;
An imaging device comprising:
前記A/D変換手段の動作を、前記ゲイン調整手段における入力ダイナミックレンジに応じた出力ダイナミックレンジで制御する制御ステップと、
前記出力ダイナミックレンジと前記入力ダイナミックレンジとの差分に応じた電圧を最大電圧として前記ランプ信号の初期電圧を、前記ゲイン調整を行わない場合に対してその設定を変更する設定ステップと、
を有することを特徴とする制御方法。 A plurality of pixels arranged in a two-dimensional matrix, and an analog signal read from the plurality of pixels and a ramp signal are compared and counted according to the comparison result, and a digital signal corresponding to the analog signal An image pickup device having an A / D conversion unit that outputs a signal, and a gain adjustment unit that performs gain adjustment on the digital signal,
A control step of controlling the operation of the A / D conversion means with an output dynamic range corresponding to an input dynamic range in the gain adjustment means;
A setting step for changing the setting of the initial voltage of the ramp signal as a maximum voltage corresponding to a difference between the output dynamic range and the input dynamic range when the gain adjustment is not performed;
A control method characterized by comprising:
前記撮像装置が備えるコンピュータに、
前記A/D変換手段の動作を、前記ゲイン調整手段における入力ダイナミックレンジに応じた出力ダイナミックレンジで制御する制御ステップと、
前記出力ダイナミックレンジと前記入力ダイナミックレンジとの差分に応じた電圧を最大電圧として前記ランプ信号の初期電圧を、前記ゲイン調整を行わない場合に対してその設定を変更する設定ステップと、
を実行させることを特徴とする制御プログラム。 A plurality of pixels arranged in a two-dimensional matrix, and an analog signal read from the plurality of pixels and a ramp signal are compared and counted according to the comparison result, and a digital signal corresponding to the analog signal A control program for use in an imaging apparatus having an image sensor having an A / D conversion means for outputting a signal and a gain adjustment means for performing gain adjustment on the digital signal,
In the computer provided in the imaging device,
A control step of controlling the operation of the A / D conversion means with an output dynamic range corresponding to an input dynamic range in the gain adjustment means;
A setting step for changing the setting of the initial voltage of the ramp signal as a maximum voltage corresponding to a difference between the output dynamic range and the input dynamic range when the gain adjustment is not performed;
A control program characterized by causing
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