以下、本開示の前提および本開示を実施するための形態(以下、実施の形態という)について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
0.本開示の前提(図1乃至図6)
1.第1実施の形態:CMOSイメージセンサ(図7乃至図16)
2.第2実施の形態:CMOSイメージセンサ(図17および図18)
3.第3実施の形態:CMOSイメージセンサ(図19)
4.第4実施の形態:CMOSイメージセンサ(図20乃至図29)
5.第5実施の形態:固体撮像装置(図30)
<本開示の前提>
(CMOSイメージセンサの一例)
図1は、画素の電気信号を間引いて読み出す場合に被間引き画素に対して電子シャッタ動作を行うCMOSイメージセンサの一例を示す図である。
図1のCMOSイメージセンサ10は、画素アレイ11、水平選択線12、垂直信号線13、垂直選択デコーダ14、ラッチ回路15、垂直駆動回路16、CDS(Correlated Double Sampling)/ADC(Analog Digital Converter)回路17、水平選択回路18、アンプ回路19、およびセンサコントローラ20により構成される。
CMOSイメージセンサ10の画素アレイ11には、複数の画素が2次元アレイ状(行列状)に配置されている。2次元アレイ状に配置されている複数の画素は、水平選択線12により行単位で垂直駆動回路16と接続され、垂直信号線13により列単位でCDS/ADC回路17と接続されている。
各画素は、照射された光に対応する電荷を生成し、蓄積するフォトダイオードを備える。各画素は、水平選択線12から供給される各種の信号に応じて、フォトダイオードに蓄積された電荷を読み出す読み出し動作を行ったり、フォトダイオードに蓄積された電荷を掃き出す電子シャッタ動作を行ったりする。読み出し動作により読み出された電荷の電気信号は、画素信号として垂直信号線13に供給され、CDS/ADC回路17に供給される。
垂直選択デコーダ14には、センサコントローラ20からADR信号が供給される。ADR信号は、1水平走査期間内に、シャッタ行アドレスの代表である代表シャッタ行アドレスと読み出し行アドレスを時分割で指定する信号である。なお、シャッタ行アドレスとは、画素アレイ11に配置される画素のうちの、電子シャッタ動作を行う画素の行を特定するアドレスであり、読み出し行アドレスとは、画素信号の読み出しを行う画素の行を特定するアドレスである。
また、垂直選択デコーダ14には、複数のアドレスの同時生成を有効にするAREA_EN信号が、センサコントローラ20から供給される。このAREA_EN信号を、代表シャッタ行アドレスを指定するADR信号の遷移終了後に一定期間1(オン)にさせることにより、ADR信号の遷移時に、ADR信号に基づいて誤ったシャッタ行アドレスが生成されることを防止することができる。
垂直選択デコーダ14は、ADR信号とAREA_EN信号に基づいて、シャッタ行アドレスや読み出し行アドレスを生成し、ラッチ回路15に供給する。
ラッチ回路15には、センサコントローラ20からRLRST信号、RLSET信号、SLRST信号、およびSLSET信号が供給される。RLRST信号は、ラッチ回路15に保持された読み出し行アドレスを解除するためのパルス信号であり、RLSET信号は、ラッチ回路15に供給されるアドレスを読み出し行アドレスとして保持させるためのパルス信号である。また、SLRST信号は、ラッチ回路15に保持されたシャッタ行アドレスを解除するためのパルス信号であり、SLSET信号は、ラッチ回路15に供給されるアドレスをシャッタ行アドレスとして保持するためのパルス信号である。
ラッチ回路15は、センサコントローラ20から供給されるRLRST信号が1にされたとき、保持している読み出し行アドレスをクリアする。また、ラッチ回路15は、センサコントローラ20から供給されるRLSET信号が1にされたとき、垂直選択デコーダ14から供給されるアドレスを読み出し行アドレスとして保持する。ラッチ回路15は、保持されている読み出し行アドレスを、垂直駆動回路16に供給することにより、現在の読み出し行アドレスに設定する。
また、ラッチ回路15は、センサコントローラ20から供給されるSLRST信号が1にされたとき、保持しているシャッタ行アドレスをクリアする。また、ラッチ回路15は、センサコントローラ20から供給されるSLSET信号が1にされたとき、垂直選択デコーダ14から供給されるアドレスをシャッタ行アドレスとして保持する。ラッチ回路15は、保持されているシャッタ行アドレスを、垂直駆動回路16に供給することにより、現在のシャッタ行アドレスに設定する。
垂直駆動回路16には、センサコントローラ20からSTRG信号、SRST信号、RTRG信号、RRST信号、およびRSEL信号が供給される。STRG信号とSRST信号は、それぞれ、読み出し動作のために、水平選択線12に供給するTRG信号、RST信号を制御する信号である。また、RTRG信号、RRST信号、およびRSEL信号は、それぞれ、電子シャッタ動作のために、水平選択線12に供給するTRG信号、RST信号、SEL信号を制御する信号である。
垂直駆動回路16は、ラッチ回路15から供給されるシャッタ行アドレスとSTRG信号とに基づいて、そのシャッタ選択行アドレスで特定される行のTRG信号を生成し、シャッタ選択行アドレスとSRST信号に基づいて、その行のRST信号を生成する。垂直駆動回路16は、生成されたシャッタ選択行アドレスで特定される行のTRG信号とRST信号を、その行の水平選択線12に供給する。
また、垂直駆動回路16は、ラッチ回路15から供給される読み出し行アドレスとRTRG信号とに基づいて、その読み出し行アドレスで特定される行のTRG信号を生成し、読み出し行アドレスとRRST信号に基づいて、その行のRST信号を生成する。さらに、垂直駆動回路16は、読み出し行アドレスとRSEL信号に基づいて、その読み出し行アドレスで特定される行のSEL信号を生成する。垂直駆動回路16は、生成された読み出し行アドレスで特定される行のTRG信号、RST信号、およびSEL信号を、その行の水平選択線12に供給する。
CDS/ADC回路17は、画素アレイ11に配置される画素の列ごとに設けられ、センサコントローラ20により制御される。CDS/ADC回路17は、読み出し行アドレスで特定される行の画素の読み出し動作により読み出され、垂直信号線13を介して供給される画素信号に対して相関2重サンプリングを行い、画素信号の雑音を低減させる。また、CDS/ADC回路17は、相関2重サンプリングの結果得られる画素信号をデジタル信号に変換する。CDS/ADC回路17は、水平選択回路18から供給される選択信号に基づいて、デジタル信号に変換された画素信号をアンプ回路19に供給する。
水平選択回路18は、センサコントローラ20から供給される水平駆動信号にしたがってCDS/ADC回路17を順次選択し、選択されたCDS/ADC回路17に選択信号を供給する。アンプ回路19は、CDS/ADC回路17から供給される画素信号を増幅し、出力する。
センサコントローラ20は、各種の信号を生成することにより、CMOSイメージセンサ10による撮像を制御する。具体的には、センサコントローラ20は、ADR信号とAREA_EN信号を生成し、垂直選択デコーダ14に供給する。また、センサコントローラ20は、RLRST信号、RLSET信号、SLRST信号、およびSLSET信号を生成し、ラッチ回路15に供給する。さらに、センサコントローラ20は、STRG信号、SRST信号、RTRG信号、RRST信号、およびRSEL信号を生成し、垂直駆動回路16に供給する。
(画素の回路構成例)
図2は、図1の画素アレイ11に配置される画素の回路構成例を示す図である。
画素51は、光電変換素子としてのフォトダイオード61、転送トランジスタ62、FD(フローティングディフュージョン)63、リセットトランジスタ64、増幅トランジスタ65、および選択トランジスタ66を有する。また、画素51は、端子71、端子72、および端子73に接続されるとともに、端子74に接続される。
フォトダイオード61は、受光量に応じた電荷を生成し、蓄積する。フォトダイオード61は、アノード端子が接地されているとともに、カソード端子が転送トランジスタ62を介して、FD63に接続されている。
転送トランジスタ62のゲート端子は、TRG信号を供給する水平選択線12(図1)が接続される端子71に接続され、転送トランジスタ62は、TRG信号によりオンされたとき、フォトダイオード61で生成された電荷を読み出し、FD63に転送する。
FD63は、フォトダイオード61から読み出された電荷を保持する。リセットトランジスタ64のゲート端子は、RST信号を供給する水平選択線12が接続される端子72に接続され、リセットトランジスタ64は、RST信号によりオンにされたとき、FD63に蓄積されている電荷を定電圧源VRstに排出することで、FD63の電位をリセットする。
増幅トランジスタ65のゲート端子は、FD63に接続され、増幅トランジスタ65は、電源VDDを用いてFD63の電位に応じた画素信号を出力する。選択トランジスタ66のゲート端子は、SEL信号を供給する水平選択線12が接続される端子73に接続され、選択トランジスタ66は、SEL信号によりオンにされたとき、増幅トランジスタ65から出力される画素信号を端子74に供給する。端子74は、図1の垂直信号線13に接続されており、端子74に供給された画素信号は、垂直信号線13を介してCDS/ADC回路17に供給される。
なお、画素アレイ11の画素51は端子72と端子73を、4行ごとに共有する。即ち、TRG信号を供給する水平選択線12は、各行ごとに設けられるが、SEL信号を供給する水平選択線12とRST信号を供給する水平選択線12は、4行ごとに設けられる。
(垂直選択デコーダの構成例)
図3は、図1の垂直選択デコーダ14の構成例を示す図である。
なお、図3では、説明の便宜上、垂直選択デコーダ14のうちの所定の8行のアドレスを生成する部分のみを図示しているが、他の行のアドレスを生成する部分も同様である。
図3の垂直選択デコーダ14は、インバータ91乃至93、OR回路94乃至97、AND回路98乃至113、およびADREC114により構成される。
ADR信号が指定する10ビットのアドレスの下から2ビット目の信号であるADR<2>信号は、そのまま、AND回路99,101,103、および105に入力される。また、ADR<2>信号は、インバータ91により反転され、AND回路98,100,102、および104に入力される。
また、ADR信号が指定するアドレスの下から1ビット目の信号であるADR<1>信号は、インバータ92とOR回路94に入力される。インバータ92は、ADR<1>信号を反転し、OR回路95に供給する。
また、ADR信号が指定するアドレスの下から0ビット目の信号であるADR<0>信号は、インバータ93とOR回路96に入力される。インバータ93は、ADR<0>信号を反転し、OR回路97に供給する。AREA_EN信号は、OR回路94乃至97に供給される。
OR回路94乃至97は、それぞれ、入力された信号の論理和演算を行う。OR回路94は、論理和演算の結果をAND回路100,101,104、および105に供給し、OR回路95は、論理和演算の結果をAND回路98,99,102、および103に供給する。また、OR回路96は、論理和演算の結果をAND回路102乃至105に供給し、OR回路97は、論理和演算の結果をAND回路98乃至101に供給する。
AND回路98乃至105は、それぞれ、入力された信号の論理積演算を行い、論理積演算の結果をAND回路106乃至113に供給する。
AND回路106乃至113は、それぞれ、アドレスADR[N],ADR[N+4],ADR[N+2],ADR[N+6],ADR[N+1],ADR[N+5],ADR[N+3],ADR[N+7]に対応する。なお、アドレスADR[i]は、先頭からi番目の行を特定するアドレスである。従って、アドレスADR[N]乃至ADR[N+7]の下から3ビット目乃至10ビット目の信号は同一である。
AND回路106乃至113には、ADR信号が指定するアドレスの下から3ビット目乃至10ビット目の信号であるADR<3:10>信号が、ADR[N]乃至ADR[N+7]の下から3ビット目乃至10ビット目の信号である場合、ADRDEC114から1が入力される。
AND回路106乃至113は、それぞれ、入力された信号の論理積演算を行う。AND回路106乃至113は、それぞれ、論理積演算の結果を、対応するアドレスADR[N]乃至ADR[N+7]の生成の有無を表す信号として、図1のラッチ回路15に供給する。即ち、AND回路106乃至113は、論理積演算の結果として1を生成することにより、対応するアドレスADR[N]乃至ADR[N+7]を生成し、ラッチ回路15に供給する。
ADRDEC114には、ADR<3:10>信号が入力される。ADRDEC114は、入力されたADR<3:10>信号が、ADR[N]乃至ADR[N+7]の下から3ビット目乃至10ビット目の信号である場合、AND回路106乃至113に1を供給する。
以上により、AREA_EN信号が複数のアドレスの同時生成の有効を表す1である場合、即ちADR信号が代表シャッタ行アドレスを指定する場合、OR回路94乃至97の論理和演算結果は1になる。従って、ADR<2>信号が0である場合、AND回路106,108,110、および112に入力される論理積演算の結果が1となり、ADR<2>信号が1である場合、AND回路107,109,111、および113に入力される論理積演算の結果が1となる。
よって、ADR<2>信号が0であり、ADR<3:10>信号が、ADR[N]乃至ADR[N+7]の下から3ビット目乃至10ビット目の信号である場合、1つの代表シャッタ行アドレスを指定するADR信号から、ADR[N]乃至ADR[N+3]がシャッタ行アドレスとして生成される。具体的には、AND回路106,108,110、および112から、それぞれ、図1のラッチ回路15内のアドレスADR[N],ADR[N+2],ADR[N+1],ADR[N+3]に対応する回路に信号を出力する端子に、1が出力される。
また、ADR<2>信号が1であり、ADR<3:10>信号が、ADR[N]乃至ADR[N+7]の下から3ビット目乃至10ビット目の信号である場合、1つの代表シャッタ行アドレスを指定するADR信号から、ADR[N+4]乃至ADR[N+7]がシャッタ行アドレスとして生成される。具体的には、AND回路107,109,111、および113から、それぞれ、ラッチ回路15内のアドレスADR[N+4],ADR[N+6],ADR[N+5],ADR[N+7]に対応する回路に信号を出力する端子に、1が出力される。
これに対して、AREA_EN信号が、複数のアドレスの同時生成の無効を表す0である場合、即ち、例えばADR信号が読み出し行アドレスを指定する場合、OR回路94乃至97の論理和演算結果は、入力されるADR<0>信号またはADR<1>信号が1である場合にのみ1になる。従って、AND回路98乃至105は、それぞれ、ADR<0>信号乃至ADR<2>信号が、「000」、「100」、「010」、「110」、「001」、「101」、「011」、「111」である場合に、論理積演算の結果として1を出力する。
よって、この場合、1つの読み出し行アドレスを指定するADR信号から、1つの読み出し行アドレスが出力される。即ち、ADR<3:10>信号が、ADR[N]乃至ADR[N+7]の下から3ビット目乃至10ビット目の信号である場合、AND回路106乃至113のいずれか1つから1が出力される。
(垂直選択デコーダにより生成されるシャッタ行アドレスの説明)
図4は、図1の垂直選択デコーダ14により生成されるシャッタ行アドレスを説明する図である。
図4において、横軸は、水平走査期間単位の時間[H]を表し、縦軸は、画素アレイ11に配置された画素51の行のアドレスを表している。このことは、後述する図9、図13、図15、図23、および図27においても同様である。なお、本明細書では、各行のアドレスは、例えば、最も上の行から順番に0から付与されるものとする。
また、図4において、白丸は、代表シャッタ行アドレスを表し、斜線が付された丸は、垂直選択デコーダ14により生成されるシャッタ行アドレスのうちの、代表シャッタ行アドレスではないアドレスを表す。このことは、後述する図15においても同様である。
図4の例では、1水平走査期間内に4つの代表シャッタ行アドレスを指定するADR信号が生成される。垂直選択デコーダ14は、各ADR信号が指定する代表シャッタ行アドレスに対して、その代表シャッタ行アドレスが特定する行と、その行に連続する3つの行の4つの行を特定するシャッタ行アドレスを生成する。これにより、1水平走査期間内に16個のシャッタ行アドレスが生成される。
例えば、水平走査期間tでは、アドレスADR[N],ADR[N+4],ADR[N+8]、およびADR[N+12]をそれぞれ代表シャッタ行アドレスとして指定するADR信号が生成され、垂直選択デコーダ14は、16個のアドレスADR[N]乃至ADR[N+15]をシャッタ行アドレスとして生成する。
(ラッチ回路と垂直駆動回路の構成例)
図5は、図1のラッチ回路15と垂直駆動回路16の構成例を示す図である。
なお、図5では、説明の便宜上、アドレスADR[N]乃至ADR[N+3]に対応する部分についてのみ記載している。このことは、後述する図22においても同様である。
図5のラッチ回路15は、AND回路121−1乃至121−4および122−1乃至122−4、並びに、S-Rラッチ回路123−1乃至123−4および124−1乃至124−4を有する。
AND回路121−1および122−1、並びに、S-Rラッチ回路123−1および124−1は、アドレスADR[N+3]の行に対応する回路である。同様に、AND回路121−2および122−2、並びに、S-Rラッチ回路123−2および124−2は、アドレスADR[N+2]の行に対応する回路である。また、AND回路121−3および122−3、並びに、S-Rラッチ回路123−3および124−3は、アドレスADR[N+1]の行に対応する回路である。AND回路121−4および122−4、並びに、S-Rラッチ回路123−4および124−4は、アドレスADR[N]の行に対応する回路である。
AND回路121−1乃至121−4、AND回路122−1乃至122−4、S-Rラッチ回路123−1乃至123−4、S-Rラッチ回路124−1乃至124−4は、それぞれ、対応する行が異なる点を除いて同様の処理を行う。従って、以下では、AND回路121−1および122−1、並びに、S-Rラッチ回路123−1および124−1の処理についてのみ説明する。
AND回路121−1および122−1には、対応するアドレスADR[N+3]の生成の有無を表す信号が、垂直選択デコーダ14のAND回路112(図3)から供給される。また、AND回路121−1には、センサコントローラ20からSLSET信号が入力され、AND回路122−2には、センサコントローラ20からRLSET信号が入力される。そして、AND回路121−1およびAND回路122−2は、入力された信号の論理積演算を行い、論理積演算の結果を出力する。
従って、AND回路121−1は、アドレスADR[N+3]がシャッタ行アドレスまたは読み出し行アドレスとして生成され、かつ、SLSET信号がアドレスをシャッタ行アドレスとして保持することを表す1である場合、1を出力する。一方、それ以外の場合、AND回路121−1は、0を出力する。
また、AND回路122−1は、アドレスADR[N+3]がシャッタ行アドレスまたは読み出し行アドレスとして生成され、かつ、RLSET信号がアドレスを読み出し行アドレスとして保持することを表す1である場合、1を出力する。一方、それ以外の場合、AND回路122−1は、0を出力する。
S-Rラッチ回路123−1のSポートには、AND回路121−1から出力された信号が入力される。S-Rラッチ回路123−1は、AND回路121−1から出力された信号を、アドレスADR[N+3]がシャッタ行アドレスであるかどうかを表す信号として保持する。
即ち、S-Rラッチ回路123−1は、AND回路121−1から出力された信号である1を、アドレスADR[N+3]がシャッタ行アドレスであることを表す信号として保持することにより、シャッタ行アドレスとしてアドレスADR[N+3]を保持する。また、S-Rラッチ回路123−1は、AND回路121−1から出力された信号である0を、アドレスADR[N+3]がシャッタ行アドレスではないことを表す信号として保持する。
S-Rラッチ回路123−1は、保持している信号をQポートから垂直駆動回路16に出力する。S-Rラッチ回路123−1は、保持している1を垂直駆動回路16に出力することにより、対応するアドレスADR[N+3]をシャッタ行アドレスに設定する。
また、S-Rラッチ回路123−1のRポートには、センサコントローラ20からSLRST信号が入力される。S-Rラッチ回路123−1は、SLRST信号が、ラッチ回路15に保持されたシャッタ行アドレスの解除を表す1であるとき、保持している信号をクリアする(0にする)。
S-Rラッチ回路124−1のSポートには、AND回路122−1から出力された信号が入力される。S-Rラッチ回路124−1は、AND回路122−1から出力された信号を、アドレスADR[N+3]が読み出し行アドレスであるかどうかを表す信号として保持する。
即ち、S-Rラッチ回路124−1は、AND回路122−1から出力された信号である1を、アドレスADR[N+3]が読み出し行アドレスであることを表す信号として保持することにより、読み出し行アドレスとしてアドレスADR[N+3]を保持する。また、S-Rラッチ回路124−1は、AND回路122−1から出力された信号である0を、アドレスADR[N+3]が読み出し行アドレスではないことを表す信号として保持する。
S-Rラッチ回路124−1は、保持している信号をQポートから垂直駆動回路16に出力する。S-Rラッチ回路124−1は、保持している1を垂直駆動回路16に出力することにより、対応するアドレスADR[N+3]を読み出し行アドレスに設定する。
また、S-Rラッチ回路124−1のRポートには、センサコントローラ20からRLRST信号が入力される。S-Rラッチ回路124−1は、RLRST信号が、ラッチ回路15に保持された読み出し行アドレスの解除を表す1であるとき、保持している信号をクリアする。
垂直駆動回路16は、AND回路125−1乃至125−4および126−1乃至126−4、OR回路127−1乃至127−4,128、および129、AND回路130乃至132、並びにOR回路133を有する。
AND回路125−1および126−1、並びにOR回路127−1は、アドレスADR[N+3]に対応する回路である。同様に、AND回路125−2および126−2、並びにOR回路127−2は、アドレスADR[N+2]に対応する回路である。AND回路125−3および126−3、並びにOR回路127−3は、アドレスADR[N+1]に対応する回路である。AND回路125−4および126−4、並びにOR回路127−4は、アドレスADR[N]に対応する回路である。
AND回路125−1乃至125−4、AND回路126−1乃至126−4、OR回路127−1乃至127−4は、それぞれ、対応する行が異なる点を除いて同様の処理を行う。従って、以下では、AND回路125−1および126−1、並びにOR回路127−1の処理についてのみ説明する。
AND回路125−1は、S-Rラッチ回路123−1から供給される信号と、センサコントローラ20から供給されるSTRG信号の論理積演算を行い、論理積演算の結果をOR回路127−1に出力する。また、AND回路126−1は、S-Rラッチ回路124−1から供給される信号と、センサコントローラ20から供給されるRTRG信号の論理積演算を行い、論理積演算の結果をOR回路127−1に出力する。
また、OR回路127−1は、AND回路125−1から出力される演算結果とAND回路126−1から出力される演算結果の論理和演算を行う。OR回路127−1は、論理和演算の結果を、アドレスADR[N+3]の行の画素のTRG信号であるTRG[N+3]信号として、その行の画素に接続する水平選択線12に出力する。
以上により、STRG信号が、電子シャッタ動作のためにTRG信号を1に制御することを表す1であり、アドレスADR[N+3]がシャッタ行アドレスである場合、アドレスADR[N+3]の行の画素に接続する水平選択線12に、TRG[N+3]信号として1が出力される。また、RTRG信号が、読み出し動作のためにTRG信号を1に制御することを表す1であり、アドレスADR[N+3]が読み出し行アドレスである場合も、アドレスADR[N+3]の行の画素に接続する水平選択線12に、TRG[N+3]信号として1が出力される。
また、OR回路128,129、および133、並びにAND回路130乃至132は、アドレスADR[N]乃至ADR[N+3]の4つの行に対応する回路である。
OR回路128には、S-Rラッチ回路124−1乃至124−4から出力される信号が入力される。OR回路128は、入力された信号の論理和演算を行い、論理和演算の結果をAND回路130および131に供給する。これにより、アドレスADR[N]乃至ADR[N+3]の少なくとも1つが読み出し行アドレスである場合、OR回路128からAND回路130および131に1が供給され、アドレスADR[N]乃至ADR[N+3]の全てが読み出し行アドレスではない場合、0が供給される。
OR回路129には、S-Rラッチ回路123−1乃至123−4から出力される信号が入力される。OR回路128は、入力された信号の論理和演算を行い、論理和演算の結果をAND回路132に供給する。これにより、アドレスADR[N]乃至ADR[N+3]の少なくとも1つがシャッタ行アドレスである場合、OR回路128からAND回路132に1が供給され、アドレスADR[N]乃至ADR[N+3]の全てがシャッタ行アドレスではない場合、0が供給される。
AND回路130は、OR回路128から供給される信号と、センサコントローラ20から供給されるRSEL信号との論理積演算を行う。AND回路130は、論理積演算の結果を、アドレスADR[N]乃至ADR[N+3]の4つの行の画素のSEL信号として、その4つの行の画素に接続する水平選択線12に出力する。これにより、RSEL信号が、読み出し動作のためにSEL信号を1に制御することを表す1であり、アドレスADR[N]乃至ADR[N+3]の少なくとも1つが読み出し行アドレスである場合、アドレスADR[N]乃至ADR[N+3]の行の画素に接続する水平選択線12に、SEL信号として1が出力される。
AND回路131は、OR回路128から供給される信号と、センサコントローラ20から供給されるRRST信号との論理積演算を行い、論理積演算の結果をOR回路133に供給する。また、AND回路132は、OR回路129から供給される信号と、センサコントローラ20から供給されるSRST信号との論理積演算を行い、論理積演算の結果をOR回路133に供給する。
OR回路133は、AND回路131から供給される信号と、AND回路132から供給される信号の論理和演算を行う。OR回路133は、論理和演算の結果を、アドレスADR[N]乃至ADR[N+3]の4つの行の画素のRST信号として、その4つの行の画素に接続する水平選択線12に出力する。
これにより、RRST信号が、読み出し動作のためにRST信号を1に制御することを表す1であり、アドレスADR[N]乃至ADR[N+3]の少なくとも1つが読み出し行アドレスである場合、アドレスADR[N]乃至ADR[N+3]の行の画素に接続する水平選択線12に、RST信号としての1が出力される。また、SRST信号が、電子シャッタ動作のためにRST信号を1に制御することを表す1であり、アドレスADR[N]乃至ADR[N+3]の少なくとも1つがシャッタ行アドレスである場合、アドレスADR[N]乃至ADR[N+3]の行の画素に接続する水平選択線12に、RST信号としての1が出力される。
なお、以下では、各行のAND回路121−1に対応するAND回路を特に区別する必要がない場合、まとめてAND回路121という。同様に、AND回路122、S-Rラッチ回路123、S-Rラッチ回路124、AND回路125、AND回路126、OR回路127という。また、4行ごとのOR回路128に対応するOR回路を特に区別する必要がない場合、まとめてOR回路128Aという。同様に、OR回路129A、AND回路130A、AND回路131A、AND回路132A、OR回路133Aという。
(各種の信号のタイミングの例)
図6は、図1のセンサコントローラ20により生成される各種の信号のタイミングの例を示すタイミングチャートである。
図6において、横軸は、時刻を表している。このことは、後述する図11,図14、図16、図25、および図28においても同様である。また、図6では、図4の水平走査期間tにおける各種の信号のタイミングを示している。
図6に示すように、センサコントローラ20は、図示せぬクロック発生器から入力されるクロック信号であるCLK信号にしたがって、各種の信号を生成する。
具体的には、センサコントローラ20は、水平走査期間t内の時刻t1において、RLRST信号を0から1に遷移させる。これにより、全てのS-Rラッチ回路123がリセットされる。また、時刻t1において、センサコントローラ20は、RSEL信号を1から0に遷移させる。
時刻t2において、センサコントローラ20は、ADR信号として、画素アレイ11に配置される画素51の所定の行のアドレスを、読み出し行アドレスR1として指定する信号を生成する。時刻t3において、センサコントローラ20は、RLRST信号を1から0に遷移させ、RLSET信号を0から1に遷移させる。これにより、全てのS-Rラッチ回路123のうちの、読み出し行アドレスR1のS-Rラッチ回路123にのみ1が保持され、出力される。
時刻t4において、センサコントローラ20は、RLSET信号を1から0に遷移させる。時刻t5において、センサコントローラ20は、RSEL信号を0から1に遷移させる。これにより、読み出し行アドレスR1の行を含む4行の画素51に供給されるSEL信号は1になる。その結果、この4行の画素51の選択トランジスタ66がオンになり、FD63の電位に応じた画素信号のCDS/ADC回路17への供給が開始される。
時刻t6において、センサコントローラ20は、SRST信号とRRST信号を0から1に遷移させる。これにより、読み出し行アドレスR1の行を含む4行の画素51、および、1つ前の水平走査期間t−1のシャッタ行アドレスの行を含む4行の画素51に供給されるRST信号が1になる。その結果、これらの画素51のリセットトランジスタ64がオンになり、FD63の電位の定電圧源VRstへの排出が開始される。
時刻t7において、センサコントローラ20は、STRG信号を0から1に遷移させる。これにより、水平走査期間t−1のシャッタ行アドレスの行の画素51に供給されるTRG信号が1になる。その結果、この画素51の転送トランジスタ62がオンになり、フォトダイオード61に蓄積された電荷がFD63を介して、定電圧源VRstに排出される。即ち、水平走査期間t−1のシャッタ行アドレスの画素51の電子シャッタ動作が行われる。
時刻t8において、センサコントローラ20は、STRG信号を1から0に遷移させ、時刻t9において、SRST信号とRRST信号を1から0に遷移させる。これにより、水平走査期間t−1のシャッタ行アドレスの画素51の電子シャッタ動作と、読み出し行アドレスR1の行を含む4行、および、水平走査期間t−1のシャッタ行アドレスの行を含む4行の画素51のFD63の電位の排出(リセット)とが終了する。
時刻t10において、センサコントローラ20は、SLRST信号を0から1に遷移させる。これにより、全てのS-Rラッチ回路123がリセットされる。時刻t11において、センサコントローラ20は、ADR信号として、アドレスADR[N]を代表シャッタ行アドレスとして指定する信号を生成する。
時刻t12において、センサコントローラ20は、AREA_EN信号を0から1に遷移させる。これにより、垂直選択デコーダ14は、アドレスADR[N]と、アドレスADR[N]の行に連続する3つの行のアドレスADR[N+1]乃至ADR[N+3]とを、シャッタ行アドレスとして生成する。
また、時刻t12において、センサコントローラ20は、SLRST信号を1から0に遷移させ、SLSET信号を0から1に遷移させる。これにより、全てのS-Rラッチ回路123のうちの、アドレスADR[N]乃至ADR[N+3]のS-Rラッチ回路123にのみ1が保持され、出力される。時刻t13において、センサコントローラ20は、AREA_EN信号とSLSET信号を1から0に遷移させる。
時刻t14において、センサコントローラ20は、ADR信号として、アドレスADR[N+4]を代表シャッタ行アドレスとして指定する信号を生成する。時刻t15において、センサコントローラ20は、AREA_EN信号を0から1に遷移させる。これにより、垂直選択デコーダ14は、アドレスADR[N+4]と、アドレスADR[N+4]の行に連続する3つの行のアドレスADR[N+5]乃至ADR[N+7]とを、シャッタ行アドレスとして生成する。
時刻t15において、SLSET信号を0から1に遷移させる。これにより、全てのS-Rラッチ回路123のうちの、アドレスADR[N+4]乃至ADR[N+7]のS-Rラッチ回路123にのみ1が保持され、出力される。時刻t16において、センサコントローラ20は、AREA_EN信号とSLSET信号を1から0に遷移させる。
時刻t17乃至t19の処理は、ADR信号が、アドレスADR[N+8]を代表シャッタ行アドレスとして指定する信号である点を除いて、時刻t14乃至t16における処理と同様である。時刻t17乃至t19の処理により、アドレスADR[N+8]乃至ADR[N+11]のS-Rラッチ回路123に1が保持され、出力される。
また、時刻t20乃至t22の処理は、ADR信号が、アドレスADR[N+12]を代表シャッタ行アドレスとして指定する信号である点を除いて、時刻t14乃至t16における処理と同様である。時刻t20乃至t22の処理により、アドレスADR[N+12]乃至ADR[N+15]のS-Rラッチ回路123に1が保持され、出力される。以上のようにして1が出力されるS-Rラッチ回路123に対応するアドレスADR[N]乃至ADR[N+15]の行の画素51では、次の水平走査期間t+1において、電子シャッタ動作が行われる。
時刻t23において、センサコントローラ20は、RTRG信号を0から1に遷移させる。これにより、読み出し行アドレスR1の画素51に供給されるTRG信号が1になる。その結果、この画素51の転送トランジスタ62はオンになり、フォトダイオード61に蓄積された電荷のFD63への転送が開始される。このとき、読み出し行アドレスR1の画素51の選択トランジスタ66はオンになっているため、FD63の電位に応じた画素信号がCDS/ADC回路17に供給される。即ち、読み出し動作が開始される。
時刻t24において、センサコントローラ20は、RTRG信号を1から0に遷移させる。これにより、読み出し行アドレスR1の画素51のフォトダイオード61に蓄積された電荷のFD63への転送が終了し、読み出し動作が終了する。
時刻t25において、センサコントローラ20は、RSEL信号を1から0に遷移させる。そして、次の水平走査期間t+1が開始する。
以上のように、センサコントローラ20は、1水平走査期間中にシャッタ行アドレスと読み出し行アドレスを時分割多重方式で設定する。
また、CMOSイメージセンサ10の垂直選択デコーダ14は、1つの代表シャッタ行アドレスから4つのシャッタ行アドレスを生成する。従って、シャッタ行アドレスを設定するための時間(図6の例では、時刻t10からt23までの時間)が少なくて済む。その結果、高品質の画素信号を高フレームレートで出力させることができる。
即ち、シャッタ行アドレスや読み出し行アドレスといったアドレスを設定するための回路は、垂直選択デコーダ14、ラッチ回路15、垂直駆動回路16、およびセンサコントローラ20といった、電源雑音等を発生させて電気信号の品質を低下させる恐れがあるデジタル信号処理回路である。従って、アドレスの設定を、高精度な信号処理が要求されるアナログ信号演算回路である画素51から画素信号を読み出す動作と同時に行うと画質が低下する恐れがある。よって、アドレスの指定と読み出し動作を同時に行わないようにすることにより、高品質の画素信号を出力することができるが、フレームレートは低下する。
しかしながら、CMOSイメージセンサ10では、シャッタ行アドレスを設定するための時間が少なくて済むので、アドレスの指定と読み出し動作を同時に行わない場合であっても、フレームレートを向上させることができる。その結果、高品質の画素信号を高フレームレートで出力させることができる。
以上のように、CMOSイメージセンサ10では、高品質の画素信号を高フレームレートで出力させることができるが、今後、更なる多画素化や高フレームレート化が要求されることを考慮すると、より多くのシャッタ行アドレスを同時に設定し、シャッタ行アドレスを設定するための時間を短縮することが望ましい。
従って、本開示では、シャッタ行アドレスの範囲を指定することにより、より多くのシャッタ行アドレスを同時に設定する。
<第1実施の形態>
(CMOSイメージセンサの第1実施の形態の構成例)
図7は、本開示を適用したCMOSイメージセンサの第1実施の形態の構成例を示す図である。
図7に示す構成のうち、図1の構成と同じ構成には同じ符号を付してある。重複する説明については適宜省略する。
図7のCMOSイメージセンサ150の構成は、垂直選択デコーダ14が垂直選択デコーダ151に代わる点、および、センサコントローラ20がセンサコントローラ152に代わる点が、図1のCMOSイメージセンサ10の構成と異なる。即ち、CMOSイメージセンサ150は、画素アレイ11、水平選択線12、および垂直信号線13と、垂直選択デコーダ151、ラッチ回路15、垂直駆動回路16、CDS/ADC回路17、水平選択回路18、アンプ回路19、およびセンサコントローラ152からなる制御装置とから構成される。
CMOSイメージセンサ150は、読み出し行アドレスの開始アドレスと終了アドレスに基づいて、読み出し行アドレスを設定し、シャッタ行アドレスの開始アドレスと終了アドレスに基づいて、シャッタ行アドレスを設定する。
具体的には、CMOSイメージセンサ150の垂直選択デコーダ151には、センサコントローラ152から、連続するシャッタ行アドレスまたは読み出し行アドレスの開始アドレスを表すST_ADR信号が供給される。また、垂直選択デコーダ151には、センサコントローラ152から、連続するシャッタ行アドレスまたは読み出し行アドレスの終了アドレスを表すED_ADR信号が供給される。さらに、垂直選択デコーダ151には、センサコントローラ152からAREA_EN信号が供給される。垂直選択デコーダ151は、ST_ADR信号、ED_ADR信号、およびAREA_EN信号に基づいて、シャッタ行アドレスや読み出し行アドレスを生成し、ラッチ回路15に供給する。
ラッチ回路15は、センサコントローラ152から供給されるRLRST信号とRLSET信号に基づいて、垂直選択デコーダ151により生成された読み出し行アドレスを設定する。また、ラッチ回路15は、センサコントローラ152から供給されるSLRST信号とSLSET信号に基づいて、垂直選択デコーダ151により生成されたシャッタ行アドレスを設定する。
以上のように、垂直選択デコーダ151とラッチ回路15は、アドレス設定部として機能し、ST_ADR信号、ED_ADR信号、およびAREA_EN信号に基づいて、シャッタ行アドレスや読み出し行アドレスを設定する。
センサコントローラ152は、各種の信号を生成することにより、CMOSイメージセンサ150による撮像を制御する。具体的には、センサコントローラ152は、ST_ADR信号、ED_ADR信号、およびAREA_EN信号を生成し、垂直選択デコーダ151に供給する。また、センサコントローラ152は、RLSET信号、RLSET信号、SLRST信号、およびSLSET信号を生成し、ラッチ回路15に供給する。さらに、センサコントローラ152は、STRG信号、SRST信号、RTRG信号、RRST信号、およびRSEL信号を生成し、垂直駆動回路16に供給する。
(垂直選択デコーダの構成例)
図8は、図7の垂直選択デコーダ151の構成例を示す図である。
なお、図8では、説明の便宜上、アドレスADR[N]乃至ADR[N+3]に対応する部分のみを図示しているが、他のアドレスの部分も同様である。このことは、後述する図18においても同様である。
図8の垂直選択デコーダ151は、ADRDEC171−1乃至171−4および172−1乃至172−4、AND回路173−1乃至173−4、並びにOR回路174−1乃至174−4および175−1乃至175−4を有する。
ADRDEC171−1および172−1、AND回路173−1、並びにOR回路174−1および175−1は、アドレスADR[N+3]をシャッタ行アドレスまたは読み出し行アドレスとして生成する。同様に、ADRDEC171−2および172−2、AND回路173−2、並びにOR回路174−2および175−2は、アドレスADR[N+2]をシャッタ行アドレスまたは読み出し行アドレスとして生成する。
ADRDEC171−3および172−3、AND回路173−3、並びにOR回路174−3および175−3は、アドレスADR[N+1]をシャッタ行アドレスまたは読み出し行アドレスとして生成する。ADRDEC171−4および172−4、AND回路173−4、並びにOR回路174−4および175−4は、アドレスADR[N+4]をシャッタ行アドレスまたは読み出し行アドレスとして生成する。
ADRDEC171−1乃至171−4、ADRDEC172−1乃至172−4、AND回路173−1乃至173−4、OR回路174−1乃至174−4、OR回路175−1乃至175−4は、それぞれ、対応する行が異なる点を除いて同様の処理を行う。従って、以下では、ADRDEC171−2および172−2、AND回路173−2、並びにOR回路174−2および175−2についてのみ説明する。
ADRDEC171−2には、図7のセンサコントローラ152からMビットのST_ADR信号が入力される。ADRDEC171−2は、入力されたST_ADR信号が、アドレスADR[N+2]を開始アドレスとして指定する信号である場合、1を出力し、アドレスADR[N+2]を開始アドレスとして指定する信号ではない場合、0を出力する。
ADRDEC172−2には、センサコントローラ152からMビットのED_ADR信号が入力される。ADRDEC172−2は、入力されたED_ADR信号が、アドレスADR[N+2]を終了アドレスとして指定する信号である場合、1を出力し、アドレスADR[N+2]を終了アドレスとして指定する信号ではない場合、0を出力する。
AND回路173−2には、1つ後の行のOR回路174−1から出力される信号、ADRDEC171−2から出力される信号の反転信号、および、センサコントローラ152から供給されるAREA_EN信号が入力される。AND回路173−2は、入力された信号の論理積演算を行い、論理積演算の結果をOR回路174−1に供給する。
OR回路174−2は、AND回路173−2から供給される信号と、ADRDEC172−2から出力される信号との論理和演算を行い、論理和演算の結果を、1つ前の行のAND回路173−3と自分の行のOR回路175−2に供給する。
OR回路175−2は、ADRDEC171−2から出力される信号と、OR回路174−2から供給される信号との論理和演算を行う。OR回路175−2は、論理和演算の結果を、対応するアドレスADR[N+2]の生成の有無を表す信号として、図7のラッチ回路15に供給する。即ち、OR回路175−2は、論理和の演算結果として1を生成することにより、対応するアドレスADR[N+2]を生成し、ラッチ回路15に供給する。
なお、以下では、各行のADRDEC171−1に対応するADRDECを特に区別する必要がない場合、まとめてADRDEC171という。同様に、ADRDEC172、AND回路173、OR回路174、OR回路175という。
図8に示す構成により、例えば、ST_ADR信号が表すシャッタ行アドレスの開始アドレスがアドレスADR[N+1]であり、ED_ADR信号が表すシャッタ行アドレスの終了アドレスがアドレスADR[N+3]である場合、垂直選択デコーダ151は以下のように動作する。
即ち、この場合、終了アドレスであるアドレスADR[N+3]に対応するADRDEC172−1の出力は1になり、これにより、OR回路174−1の出力は1となる。従って、OR回路175−1は、論理和演算の結果として1を生成する。
また、AREA_EN信号が1である場合、アドレスADR[N+3]より前のアドレスの行のAND回路173の出力は、ADRDEC171から入力される信号が0になるAND回路173まで1になる。即ち、終了アドレスの1つ前のアドレスADR[N+2]の行から、開始アドレスの1つ後のアドレスADR[N+2]の行までのAND回路173−2の出力が1になる。従って、OR回路175−2は、論理和演算の結果として1を生成する。
開始アドレスであるアドレスADR[N+1]の行のOR回路175−3には、ADRDEC171−3から1が入力されるため、OR回路175−3は、論理和演算の結果として1を生成する。
一方、ADRDEC171−3からAND回路173−3へ入力される信号は0であり、AND回路173−3からOR回路174−3に入力される信号は0である。また、ADRDEC172−3からOR回路174−3に入力される信号も0である。従って、OR回路174−3からの出力は0になる。また、アドレスADR[N+1]より前のアドレスのADRDEC171および172からの出力は0になる。よって、アドレスADR[N+1]より前のアドレスに対応するOR回路175は、論理和演算の結果として0を生成する。
また、図示せぬ最後の行のAND回路173に入力される、AREA_EN信号とADRDEC171からの信号以外の信号は0である。また、最後の行からアドレスADR[N+4]の行までの行のADRDEC171および172には0が入力される。従って、最後の行から、終了アドレスの次のアドレスADR[N+4]の行までのOR回路175は、論理和演算の結果として0を生成する。
以上により、ST_ADR信号が表す開始アドレスから、ED_ADR信号が表す終了アドレスまでのアドレスが、シャッタ行アドレスとして生成される。
これに対して、ST_ADR信号とED_ADR信号が、それぞれ、読み出し行アドレスの開始アドレス、終了アドレスを表す場合、AREA_EN信号が0となる。従って、ADRDEC171またはADRDEC172の出力が1であるOR回路175のみが、論理和演算の結果として1を生成する。即ち、ST_ADR信号が表すアドレスとED_ADR信号が表すアドレスのみが、読み出し行アドレスとして生成される。
(垂直選択デコーダにより生成されるシャッタ行アドレスの説明)
図9は、垂直選択デコーダ151により生成されるシャッタ行アドレスを説明する図である。
図9において、白丸は、センサコントローラ152によって指定されたシャッタ行アドレスを表し、斜線が付された丸は、垂直選択デコーダ151によって生成されたシャッタ行アドレスのうちの、センサコントローラ152によって指定されていないシャッタ行アドレスを表す。このことは、後述する図13においても同様である。
図9の例では、1水平走査期間内のシャッタ行アドレスの開始アドレスと終了アドレスの差分が15である。垂直選択デコーダ151は、開始アドレスから終了アドレスまでの範囲の16個のアドレスをシャッタ行アドレスとして生成する。
具体的には、例えば、水平走査期間tでは、センサコントローラ152が、アドレスADR[N]をシャッタ行アドレスの開始アドレスとして指定するST_ADR信号と、アドレスADR[N+12]をシャッタ行アドレスの終了アドレスとして指定するED_ADR信号を生成する。そして、垂直選択デコーダ14は、そのST_ADR信号とED_ADR信号に基づいて、16個のアドレスADR[N]乃至ADR[N+15]をシャッタ行アドレスとして生成する。
図4に示したように、垂直選択デコーダ14には、16個のシャッタ行アドレスを生成するために4つの代表シャッタ行アドレスを指定するADR信号を入力する必要があったが、図9に示すように、垂直選択デコーダ151には、2つのアドレスを指定するST_ADR信号とED_ADR信号を入力するだけで済む。
図10は、図9の水平走査期間tにおける画素アレイ11の物理イメージを示す図である。
図10では、横方向が列方向であり、縦方向が行方向である。このことは、後述する図21、図24、および図26においても同様である。
図10に示すように、図9の水平走査期間tにおいては、画素アレイ11に配置された画素51の行のうちの、アドレスADR[N]乃至ADR[N+15]で特定される、先頭からN乃至N+15番目の行が、シャッタ行アドレスとして生成される。
なお、垂直選択デコーダ151によって同時に生成されるシャッタ行アドレスの数は、16に限定されない。
(各種の信号のタイミングの例)
図11は、図7のセンサコントローラ152により生成される各種の信号のタイミングの例を示すタイミングチャートである。
図11では、図9の水平走査期間tにおける各種の信号のタイミングを示している。
図11に示すように、センサコントローラ152は、センサコントローラ20と同様に、図示せぬクロック発生器から入力されるクロック信号であるCLK信号にしたがって、各種の信号を生成する。
図11の時刻t1乃至t9において生成される信号は、ADR信号が、読み出し行アドレスR1を指定するST_ADR信号およびED_ADR信号に代わる点を除いて、図6の時刻t1乃至t9において生成される信号と同様であるので、説明は省略する。
図11の時刻t41において、センサコントローラ152は、SLRST信号を0から1に遷移させる。これにより、全てのS-Rラッチ回路123がリセットされる。
時刻t42において、センサコントローラ152は、アドレスADR[N]をシャッタ行アドレスの開始アドレスとして指定するST_ADR信号と、アドレスADR[N+15]をシャッタ行アドレスの終了アドレスとして指定するED_ADR信号とを生成する。
時刻t43において、センサコントローラ152は、AREA_EN信号を0から1に遷移させる。これにより、垂直選択デコーダ14は、アドレスADR[N]乃至ADR[N+15]をシャッタ行アドレスとして生成する。
また、時刻t43において、センサコントローラ152は、SLRST信号を1から0に遷移させ、SLSET信号を0から1に遷移させる。これにより、全てのS-Rラッチ回路123のうちの、アドレスADR[N]乃至ADR[N+15]のS-Rラッチ回路123にのみ1が保持され、出力される。時刻t44において、センサコントローラ152は、AREA_EN信号とSLSET信号を1から0に遷移させる。
時刻t45において、センサコントローラ152は、RTRG信号を0から1に遷移させる。これにより、読み出し行アドレスR1の画素51に供給されるTRG信号が1になる。その結果、読み出し動作が開始される。時刻t46において、センサコントローラ152は、RTRG信号を1から0に遷移させる。これにより、読み出し動作が終了する。時刻t47において、センサコントローラ152は、RSEL信号を1から0に遷移させ、そして、次の水平走査期間t+1が開始する。
以上のように、センサコントローラ152は、1水平走査期間中にシャッタ行アドレスと読み出し行アドレスを時分割多重方式で設定する。
また、センサコントローラ152は、シャッタ行アドレスを設定するために、ST_ADR信号とED_ADR信号を1度生成すれば済む。従って、シャッタ行アドレスの設定に必要な時間は、設定するシャッタ行アドレスの数によらず、時刻t41からt45までの時間である。よって、1水平走査期間を短縮することができ、フレームレートを向上させることができる。
これに対して、図6に示したように、代表シャッタ行アドレスを指定するADR信号を垂直選択デコーダ14に入力する場合、16個のシャッタ行アドレスの設定に必要な時間は、時刻t41からt45までの時間より長い、時刻t10から時刻t23までの時間である。また、設定するシャッタ行アドレスの数が多いほど、シャッタ行アドレスの設定に必要な時間は増加する。
さらに、センサコントローラ152は、アドレスの指定と読み出し動作を同時に行わないように撮像を制御するため、画素信号の品質を向上させることができる。
(CMOSイメージセンサの処理の説明)
図12は、図7のCMOSイメージセンサ150のシャッタ行アドレス生成処理を説明するフローチャートである。
図12のステップS31において、CMOSイメージセンサ150のセンサコントローラ152は、ST_ADR信号として、シャッタ行アドレスの開始アドレスを指定する信号を生成し、垂直選択デコーダ151に供給する。ステップS32において、センサコントローラ152は、ED_ADR信号として、シャッタ行アドレスの終了アドレスを指定する信号を生成し、垂直選択デコーダ151に供給する。
ステップS33において、センサコントローラ152は、AREA_EN信号を1にして、垂直選択デコーダ151に供給する。ステップS34において、垂直選択デコーダ151は、ST_ADR信号、ED_ADR信号、およびAREA_EN信号に基づいて、ST_ADR信号で指定される開始アドレスから、ED_ADR信号で指定される終了アドレスまでの範囲のアドレスを、シャッタ行アドレスとして生成する。そして、処理は終了する。
以上のように、CMOSイメージセンサ150は、ST_ADR信号とED_ADR信号に基づいてシャッタ行アドレスを生成するので、より多くのシャッタ行アドレスを同時に設定することができる。従って、CMOSイメージセンサ150の画素数が多い場合であっても、アドレスの指定と読み出し動作を同時に行わずに、高フレームレート化することができる。その結果、高画質の画素信号を高フレームレートで出力することができる。
なお、上述した説明では、1水平走査期間内に設定されるシャッタ行アドレスの数が常に一定(図9の例では15)であるようにしたが、図13に示すように可変であってもよい。
図13の例では、水平走査期間tにおいて、シャッタ行アドレスの開始アドレスがアドレスADR[N]であり、終了アドレスがアドレスADR[N+7]である。従って、垂直選択デコーダ151によって生成されるシャッタ行アドレスは、アドレスADR[N]乃至ADR[N+7]であり、シャッタ行アドレスの数は8である。
一方、水平走査期間t+1において、シャッタ行アドレスの開始アドレスがアドレスADR[N+8]であり、終了アドレスがアドレスADR[N+23]である。従って、垂直選択デコーダ151によって生成されるシャッタ行アドレスは、アドレスADR[N+8]乃至ADR[N+23]であり、シャッタ行アドレスの数は16である。
また、水平走査期間t+2において、シャッタ行アドレスの開始アドレスがアドレスADR[N+24]であり、終了アドレスがアドレスADR[N+32]である。従って、垂直選択デコーダ151によって生成されるシャッタ行アドレスは、アドレスADR[N+24]乃至ADR[N+32]であり、シャッタ行アドレスの数は9である。
この場合、水平走査期間tおよびt+1における、センサコントローラ152により生成される各種の信号のタイミングの例を示すタイミングチャートは、図14に示すようになる。
図14に示すように、水平走査期間tでは、8個のアドレスADR[N]乃至ADR[N+7]をシャッタ行アドレスとして設定するために、そのシャッタ行アドレスの開始アドレスであるアドレスADR[N]を指定するST_ADR信号と、終了アドレスであるアドレスADR[N+7]を指定するED_ADR信号とが生成される。
また、水平走査期間t+1では、16個のアドレスADR[N+8]乃至ADR[N+23]をシャッタ行アドレスとして設定するために、そのシャッタ行アドレスの開始アドレスであるアドレスADR[N+8]を指定するST_ADR信号と、終了アドレスであるアドレスADR[N+23]を指定するED_ADR信号とが生成される。
以上のように、シャッタ行アドレスを設定するために必要なアドレスは、1水平走査期間内に設定するシャッタ行アドレスの数によらず、シャッタ行アドレスの開始アドレスと終了アドレスの2つである。従って、1水平走査期間内に設定するシャッタ行アドレスの数が異なる場合であっても、CMOSイメージセンサ150を容易に設計することができる。
これに対して、図1のCMOSイメージセンサ10では、図15および図16に示すように、設定するシャッタ行アドレスの数によって、シャッタ行アドレスを設定するために必要なアドレスは変化する。
図15は、水平走査期間t乃至t+3において図13の場合と同一のシャッタ行アドレスを設定する場合の、代表シャッタ行アドレスを説明する図である。図16は、水平走査期間tおよびt+1において図13の場合と同一のシャッタ行アドレスを設定する場合の、センサコントローラ20により生成される各種の信号のタイミングの例を示すタイミングチャートである。
図15および図16に示すように、水平走査期間tにおいて、アドレスADR[N]乃至ADR[N+7]をシャッタ行アドレスとして設定する場合、センサコントローラ20は、アドレスADR[N]およびADR[N+4]のそれぞれを代表シャッタ行アドレスとして指定するADR信号を生成する。
また、図15に示すように、水平走査期間t+2において、アドレスADR[N+24]乃至ADR[N+31]をシャッタ行アドレスとして設定する場合、センサコントローラ20は、アドレスADR[N+24]およびADR[N+28]のそれぞれを代表シャッタ行アドレスとして指定するADR信号を生成する。以上のように、8個のシャッタ行アドレスを設定するために必要なアドレスの数は2個である。
一方、図15および図16に示すように、水平走査期間t+1において、アドレスADR[N+8]乃至ADR[N+23]をシャッタ行アドレスとして設定する場合、センサコントローラ20は、アドレスADR[N+8],ADR[N+12],ADR[N+16]、およびADR[N+20]のそれぞれを代表シャッタ行アドレスとして指定するADR信号を生成する。このように、16個のシャッタ行アドレスを設定するために必要なアドレスの数は4個である。
従って、1水平走査期間内に設定するシャッタ行アドレスの数が異なる場合、CMOSイメージセンサ10の設計は困難である。
<第2実施の形態>
(CMOSイメージセンサの第2実施の形態の構成例)
図17は、本開示を適用したCMOSイメージセンサの第2実施の形態の構成例を示す図である。
図17に示す構成のうち、図7の構成と同じ構成には同じ符号を付してある。重複する説明については適宜省略する。
図17のCMOSイメージセンサ200の構成は、垂直選択デコーダ151が垂直選択デコーダ201に代わる点、および、センサコントローラ152がセンサコントローラ202に代わる点が、図7のCMOSイメージセンサ150の構成と異なる。CMOSイメージセンサ200では、ST_ADR信号とED_ADR信号の遷移時間が短く、遷移時に、ST_ADR信号とED_ADR信号に基づいて誤ったシャッタ行アドレスが生成されることが懸念されないため、AREA_EN信号が生成されない。
具体的には、CMOSイメージセンサ200の垂直選択デコーダ201には、センサコントローラ202から、ST_ADR信号とED_ADR信号が供給される。垂直選択デコーダ201は、ST_ADR信号とED_ADR信号に基づいて、シャッタ行アドレスや読み出し行アドレスを生成し、ラッチ回路15に供給する。
センサコントローラ202は、各種の信号を生成することにより、CMOSイメージセンサ200による撮像を制御する。具体的には、センサコントローラ202は、ST_ADR信号とED_ADR信号を生成し、垂直選択デコーダ201に供給する。また、センサコントローラ202は、RLSET信号、RLSET信号、SLRST信号、およびSLSET信号を生成し、ラッチ回路15に供給する。さらに、センサコントローラ202は、STRG信号、SRST信号、RTRG信号、RRST信号、およびRSEL信号を生成し、垂直駆動回路16に供給する。
(垂直選択デコーダの構成例)
図18は、図17の垂直選択デコーダ201の構成例を示す図である。
図18に示す構成のうち、図8の構成と同じ構成には同じ符号を付してある。重複する説明については適宜省略する。
図18の垂直選択デコーダ201の構成は、AREA_EN信号がAND回路173−1乃至173−4に供給されない点を除いて、図8の垂直選択デコーダ151の構成と同一である。
垂直選択デコーダ201におけるシャッタ行アドレスや読み出し行アドレスを生成する際の動作は、図8の垂直選択デコーダ151においてAREA_EN信号が1である場合と同一である。その結果、ST_ADR信号で指定される開始アドレスから、ED_ADR信号で指定される終了アドレスまでの範囲のアドレスが、シャッタ行アドレスや読み出し行アドレスとして生成される。
<第3実施の形態>
(CMOSイメージセンサの第3実施の形態の構成例)
図19は、本開示を適用したCMOSイメージセンサの第3実施の形態の構成例を示すブロック図である。
図19に示す構成のうち、図17の構成と同じ構成には同じ符号を付してある。重複する説明については適宜省略する。
図19のCMOSイメージセンサ220の構成は、垂直選択デコーダ201の代わりに、シャッタ用垂直選択デコーダ221および読み出し用垂直選択デコーダ222が設けられる点、センサコントローラ20の代わりにコントローラ2223が設けられる点、および、ラッチ回路15が設けられない点が、図17のCMOSイメージセンサ200の構成と異なる。
CMOSイメージセンサ220では、シャッタ行アドレスを生成するシャッタ用垂直選択デコーダ221と、読み出し行アドレスを生成する読み出し用垂直選択デコーダ222とが別々に設けられる。従って、時分割で生成されるシャッタ行アドレスと読み出し行アドレスを保持する必要がなく、ラッチ回路15は設けられない。
具体的には、CMOSイメージセンサ220のシャッタ用垂直選択デコーダ221には、センサコントローラ223から、連続するシャッタ行アドレスの開始アドレスを表すST_SADR信号が供給される。また、シャッタ用垂直選択デコーダ221には、センサコントローラ223から、連続するシャッタ行アドレスの終了アドレスを表すED_SADR信号が供給される。シャッタ用垂直選択デコーダ221は、センサコントローラ223から供給されるST_SADR信号とED_SADR信号に基づいてシャッタ行アドレスを生成し、垂直駆動回路16に供給する。
読み出し用垂直選択デコーダ222には、センサコントローラ223から、1行分の読み出し行アドレスの開始アドレスを表すST_RADR信号が供給される。また、読み出し用垂直選択デコーダ222には、センサコントローラ223から、1行分の読み出し行アドレスの終了アドレスを表すED_RADR信号が供給される。読み出し用垂直選択デコーダ222は、センサコントローラ223から供給されるST_RADR信号とED_RADR信号に基づいて、1行分の読み出し行アドレスを生成し、垂直駆動回路16に供給する。
センサコントローラ223は、各種の信号を生成することにより、CMOSイメージセンサ220による撮像を制御する。具体的には、センサコントローラ223は、ST_SADR信号とED_SADR信号を生成し、シャッタ用垂直選択デコーダ221に供給する。また、センサコントローラ223は、ST_RADR信号とED_RADR信号を生成し、読み出し用垂直選択デコーダ222に供給する。さらに、センサコントローラ223は、STRG信号、SRST信号、RTRG信号、RRST信号、およびRSEL信号を生成し、垂直駆動回路16に供給する。
なお、シャッタ用垂直選択デコーダ221と読み出し用垂直選択デコーダ222の構成は、図18の垂直選択デコーダ201の構成と同一であるので、説明は省略する。
<第4実施の形態>
(CMOSイメージセンサの第4実施の形態の構成例)
図20は、本開示を適用したCMOSイメージセンサの第4実施の形態の構成例を示すブロック図である。
図20に示す構成のうち、図7の構成と同じ構成には同じ符号を付してある。重複する説明については適宜省略する。
図20のCMOSイメージセンサ240の構成は、垂直選択デコーダ151、ラッチ回路15、センサコントローラ152の代わりに、垂直選択デコーダ241、ラッチ回路242、センサコントローラ243が設けられる点が、図7のCMOSイメージセンサ150の構成と異なる。CMOSイメージセンサ240は、画素51の行を2つのグループに分割して、グループごとに画素51の読み出し動作および電子シャッタ動作を行う。即ち、画素アレイ11に対して2種類の走査線を走らせる。
具体的には、CMOSイメージセンサ240の垂直選択デコーダ241は、図8の垂直選択デコーダ151と同様に構成される。垂直選択デコーダ241には、センサコントローラ243から、連続するシャッタ行アドレス、読み出し行アドレス、無効シャッタ行アドレス、または無効読み出し行アドレスの開始アドレスを表すST_ADR信号が供給される。無効シャッタ行アドレスとは、電子シャッタ動作を無効にする画素の行を特定するアドレスであり、無効読み出し行アドレスとは、読み出し動作を無効にする画素の行を特定するアドレスである。
また、垂直選択デコーダ241には、センサコントローラ243から、連続するシャッタ行アドレス、読み出し行アドレス、無効シャッタ行アドレス、または無効読み出し行アドレスの終了アドレスを表すED_ADR信号が供給される。さらに、垂直選択デコーダ241には、センサコントローラ243からAREA_EN信号が供給される。垂直選択デコーダ241は、ST_ADR信号、ED_ADR信号、およびAREA_EN信号に基づいて、シャッタ行アドレス、読み出し行アドレス、無効シャッタ行アドレス、または無効読み出し行アドレスを生成し、ラッチ回路242に供給する。
ラッチ回路242には、センサコントローラ243からRLRST信号、RLSET信号、RLCNCL信号が、SLRST信号、SLSET信号、およびSLCNCL信号が供給される。RLCNCL信号は、垂直選択デコーダ241から供給されるアドレスが無効読み出し行アドレスであるかどうかを表すパルス信号である。RLCNCL信号は、垂直選択デコーダ241から供給されるアドレスが無効読み出し行アドレスであることを表す場合1であり、無効読み出し行アドレスではないことを表す場合0である。
また、SLCNCL信号とは、垂直選択デコーダ241から供給されるアドレスが無効シャッタ行アドレスであるかどうかを表すパルス信号である。RLCNCL信号は、垂直選択デコーダ241から供給されるアドレスが無効シャッタ行アドレスであることを表す場合1であり、無効シャッタ行アドレスではないことを表す場合0である。
ラッチ回路242は、センサコントローラ243から供給されるRLRST信号が1にされたとき、保持している読み出し行アドレスをクリアする。また、ラッチ回路242は、RLCNCL信号が1にされたとき、保持している無効読み出し行アドレスをクリアする。
また、ラッチ回路242は、センサコントローラ243から供給されるRLSET信号が1にされたとき、垂直選択デコーダ14から供給されるアドレスを読み出し行アドレスとして保持する。ラッチ回路242は、保持されている読み出し行アドレスを、垂直駆動回路16に供給することにより、現在の読み出し行アドレスに設定する。
ラッチ回路242はまた、センサコントローラ243から供給されるSLRST信号が1にされたとき、保持しているシャッタ行アドレスをクリアする。また、ラッチ回路242は、SLRST信号が1にされたとき、保持しているシャッタ行アドレスをクリアする。
また、ラッチ回路242は、センサコントローラ243から供給されるSLSET信号が1にされたとき、垂直選択デコーダ14から供給されるアドレスをシャッタ行アドレスとして保持する。ラッチ回路242は、保持されているシャッタ行アドレスを、垂直駆動回路16に供給することにより、現在のシャッタ行アドレスに設定する。
以上のように、垂直選択デコーダ151とラッチ回路242は、アドレス設定部として機能し、ST_ADR信号、ED_ADR信号、およびRLCNCL信号に基づいて、読み出し行アドレスを設定する。また、垂直選択デコーダ151とラッチ回路242は、アドレス設定部として機能し、ST_ADR信号、ED_ADR信号、およびSLCNCL信号に基づいて、無効シャッタ行アドレス以外のシャッタ行アドレスを設定する。
センサコントローラ243は、各種の信号を生成することにより、CMOSイメージセンサ240による撮像を制御する。具体的には、センサコントローラ243は、ST_ADR信号、ED_ADR信号、およびAREA_EN信号を生成し、垂直選択デコーダ14に供給する。
また、センサコントローラ243は、RLCNCL信号、RLRST信号、RLSET信号、SLCNCL信号、SLRST信号、およびSLSET信号を生成し、ラッチ回路242に供給する。さらに、センサコントローラ243は、STRG信号、SRST信号、RTRG信号、RRST信号、およびRSEL信号を生成し、垂直駆動回路16に供給する。
(各グループの走査線の説明)
図21は、画素51の各グループの走査線を説明する図である。
なお、図21において、点線の矢印は、画素51の2つのグループのうちの第1のグループの読み出し行アドレスの行を表し、実線の矢印は、第2のグループの読み出し行アドレスの行を表す。このことは、後述する図24および図26においても同様である。
図21の例では、第1のグループの読み出し行アドレスの行は8行であり、第2のグループの読み出し行アドレスの行は4行である。即ち、第1のグループの走査線の数は、第2のグループの走査線の2倍である。
グループの分類方法としては、例えば、撮像用の画素51と位相差検出用の画素51を別のグループに分類する方法などがある。
(ラッチ回路と垂直駆動回路の構成例)
図22は、図20のラッチ回路242と垂直駆動回路16の構成例を示す図である。
図22に示す構成のうち、図5の構成と同じ構成には同じ符号を付してある。重複する説明については適宜省略する。
図22のラッチ回路242の構成は、AND回路261−1乃至261−4および262−1乃至262−4、並びにOR回路263−1乃至263−4および264−1乃至264−4が新たに設けられる点が、図5のラッチ回路15の構成と異なる。図22の垂直駆動回路16の構成は、図5の垂直駆動回路16の構成と同一であるため、説明は省略する。
AND回路121−1,122−1,261−1、および262−1、OR回路263−1および264−1、並びに、S-Rラッチ回路123−1および124−1は、アドレスADR[N+3]の行に対応する回路である。同様に、AND回路121−2および122−2,261−2、および262−2、OR回路263−2および264−2、並びに、S-Rラッチ回路123−2および124−2は、アドレスADR[N+2]の行に対応する回路である。
また、AND回路121−3および122−3,261−3、および262−3、OR回路263−3および264−3、並びに、S-Rラッチ回路123−3および124−3は、アドレスADR[N+1]の行に対応する回路である。AND回路121−4および122−4,261−4、および262−4、OR回路263−4および264−4、並びに、S-Rラッチ回路123−4および124−4は、アドレスADR[N]の行に対応する回路である。
AND回路261−1乃至261−4、AND回路262−1乃至262−4、OR回路263−1乃至263−4、OR回路264−1乃至264−4は、それぞれ、対応する行が異なる点を除いて同様の処理を行う。従って、以下では、AND回路261−1および262−1、並びに、OR回路263−1および264−1の処理についてのみ説明する。
AND回路261−1には、センサコントローラ243からSLCNCL信号が入力されるとともに、垂直選択デコーダ151のOR回路175−1(図8)からアドレスADR[N+3]の生成の有無を表す信号が入力される。AND回路261−1は、入力された信号の論理積演算を行い、論理積演算の結果をOR回路263−1に供給する。
OR回路263−1は、AND回路261−1から供給される信号と、センサコントローラ243から供給されるSLRST信号の論理和演算を行い、論理和演算の結果をS-Rラッチ回路123−1のRポートに入力する。
以上により、OR回路175−1からの信号が、アドレスADR[N+3]の生成の有りを表す1であり、SLCNCL信号が、垂直選択デコーダ241から供給されるアドレスが無効シャッタ行アドレスであることを表す1である場合、S-Rラッチ回路123−1は、リセットされる。即ち、アドレスADR[N+3]が無効シャッタ行アドレスである場合、S-Rラッチ回路123−1は、アドレスADR[N+3]のシャッタ行アドレスとしての設定を無効にする。また、SLRST信号が、ラッチ回路242に保持されたシャッタ行アドレスの解除を表す1である場合、S-Rラッチ回路123−1は、リセットされる。
AND回路262−1には、センサコントローラ243からRLCNCL信号が入力されるとともに、OR回路175−1から信号が入力される。AND回路262−1は、入力された信号の論理積演算を行い、論理積演算の結果をOR回路264−1に供給する。
OR回路264−1は、AND回路262−1から供給される信号と、センサコントローラ243から供給されるRLRST信号の論理和演算を行い、論理和演算の結果をS-Rラッチ回路124−1のRポートに入力する。
以上により、OR回路175−1からの信号が1であり、RLCNCL信号が、垂直選択デコーダ241から供給されるアドレスが無効読み出し行アドレスであることを表す1である場合、S-Rラッチ回路124−1は、リセットされる。即ち、アドレスADR[N+3]が無効読み出し行アドレスである場合、S-Rラッチ回路124−1は、アドレスADR[N+3]の読み出し行アドレスとしての設定を無効にする。また、RLRST信号が、ラッチ回路242に保持された読み出し行アドレスの解除を表す1である場合、S-Rラッチ回路124−1は、リセットされる。
(無効シャッタ行アドレスの説明)
図23は、無効シャッタ行アドレスを説明する図である。
図23において、白丸は、第1のグループの水平走査期間において、センサコントローラ243によって指定されたシャッタ行アドレスを表す。斜線が付された丸は、第1のグループの水平走査期間において、垂直選択デコーダ151によって生成されたシャッタ行アドレスのうちの、センサコントローラ243によって指定されていないシャッタ行アドレスを表す。
バツ印が付された丸は、第1のグループの水平走査期間における無効シャッタ行アドレスを表す。三角は、第2のグループの水平走査期間において、センサコントローラ243によって指定された読み出し行アドレスを表す。
図23の例では、水平走査期間t乃至t+2は、第1のグループの水平走査期間であり、水平走査期間t+3乃至t+5は、第2のグループの水平走査期間である。
また、第1のグループの水平走査期間では、第1のグループの行の画素51に対する読み出し動作、および、全ての行の画素51に対する電子シャッタ動作が行われる。そして、水平走査期間t+3乃至t+5において、第2のグループの行の画素51に対する読み出し動作、および、第2のグループの読み出し行アドレスの行の画素51に対する電子シャッタ動作が行われる。
このとき、センサコントローラ243は、第1のグループの水平走査期間におけるシャッタ行アドレスのうちの、第2のグループの読み出し行アドレスを、無効シャッタ行アドレスとして指定する。
例えば、第1のグループの水平走査期間tにおいて、シャッタ行アドレスの開始アドレスはアドレスADR[N]であり、終了アドレスはアドレスADR[N+15]である。また、アドレスADR[N+6]は、第2のグループの水平走査期間t+3における読み出し行アドレスである。従って、センサコントローラ243は、アドレスADR[N+6]を無効シャッタ行アドレスの開始アドレスとして指定するST_ADR信号と、アドレスADR[N+6]を無効シャッタ行アドレスの終了アドレスとして指定するED_ADR信号とを生成する。
図24は、無効シャッタ行アドレスが特定する行の画素アレイ11上の位置を表す図である。
図24において、斜線部分は、第1のグループの水平走査期間において電子シャッタ動作が行われる行を表している。このことは、後述する図26においても同様である。
図24に示すように、第1のグループの水平走査期間では、画素アレイ11に配置される画素51の全ての行のうちの、第2のグループの読み出し行アドレスの行以外の行において、電子シャッタ動作が行われる。
(各種の信号のタイミングの例)
図25は、図20のセンサコントローラ243により生成される各種の信号のタイミングの例を示すタイミングチャートである。
図25の時刻t1乃至t9および時刻t41乃至t44における処理は、図11の時刻t1乃至t9および時刻t41乃至t44における処理と同様であるので、説明は省略する。
時刻t44の後、時刻t60において、センサコントローラ243は、アドレスADR[N+8]を無効シャッタ行アドレスの開始アドレスとして表すST_ADR信号と、アドレスADR[N+8]を無効シャッタ行アドレスの終了アドレスとして表すED_ADR信号とを生成する。
また、時刻t60において、センサコントローラ243は、RTRG信号を0から1に遷移させる。これにより、読み出し動作が開始される。
時刻t61において、センサコントローラ243は、SLCNCL信号を0から1に遷移させる。これにより、全てのS-Rラッチ回路123のうちの、アドレスADR[N+8]をシャッタ行アドレスとして保持するS-Rラッチ回路123のみがリセットされる。
時刻t62において、センサコントローラ243は、RTRG信号を1から0に遷移させる。これにより、読み出し動作が終了する。時刻t63において、センサコントローラ243は、SLCNCL信号を1から0に遷移させる。時刻t64において、センサコントローラ243は、RSEL信号を1から0に遷移させ、そして、次の水平走査期間t+1が開始する。
以上のように、CMOSイメージセンサ240は、第1のグループの水平走査期間において、第2のグループの読み出し行アドレスを無効シャッタ行アドレスとして指定する。従って、第1のグループの水平走査期間において、第2のグループの読み出し行アドレスの行の画素51の電荷が破壊されず、CMOSイメージセンサ240は、高品質の画素信号を出力することができる。
これに対して、図26に示すように、第1のグループの水平走査期間において、画素アレイ11に配置される画素51の全ての行の電子シャッタ動作が行われる場合、第2のグループの読み出し行アドレスの行の画素51に蓄積された電荷が破壊される。即ち、第1のグループの水平走査期間は、第2のグループの読み出し行アドレスの行の画素51が電荷を蓄積する期間であり、その期間に、その画素51において電子シャッタ動作が行われると、本来蓄積すべき電荷が排出されてしまう。その結果、画素信号の品質が低下する。
また、図1のCMOSイメージセンサ10において、図20のCMOSイメージセンサ240と同様の撮像制御を行う場合、第1のグループの代表シャッタ行アドレスおよび生成されるシャッタ行アドレス、並びに、第2のグループの読み出し行アドレスは、図27に示すようになる。
図27において、白丸は、第1のグループの水平走査期間において、センサコントローラ20によって指定される代表シャッタ行アドレスを表す。斜線が付された丸は、第1のグループの水平走査期間において、垂直選択デコーダ14によって生成されたシャッタ行アドレスのうちの、代表シャッタ行アドレスではないアドレスを表す。三角は、第2のグループの水平走査期間において、センサコントローラ20によって指定される読み出し行アドレスを表す。
図27に示すように、第1のグループの水平走査期間t乃至t+2におけるシャッタ行アドレスが連続しないため、センサコントローラ20は、図4の場合に比べて、より多くの代表シャッタ行アドレスを指定する必要がある。
例えば、水平走査期間tでは、アドレスADR[N]乃至ADR[N+15]のうちの、第2のグループの読み出し行アドレスであるアドレスADR[N+6]以外をシャッタ行アドレスとして生成する必要がある。従って、センサコントローラ20は、アドレスADR[N], ADR[N+4],ADR[N+5],ADR[N+7],ADR[N+11]、およびADR[N+15]からなる6個のアドレスを、代表シャッタ行アドレスとして指定するADR信号を生成する。
また、この場合のセンサコントローラ20により生成される各種の信号のタイミングの例を示すタイミングチャートは、図28に示すようになる。
図28の時刻t1乃至t14の各種の信号は、図6の時刻t1乃至t14の各種の信号と同様であるので、説明は省略する。
時刻t81において、センサコントローラ20は、SLSET信号を0から1に遷移させるが、AREA_EN信号を0のままにする。これにより、全てのS-Rラッチ回路123のうちの、アドレスADR[N+4]のS-Rラッチ回路123にのみ1が保持され、出力される。時刻t82において、センサコントローラ20は、SLSET信号を1から0に遷移させる。
時刻t83において、センサコントローラ20は、アドレスADR[N+5]を代表シャッタ行アドレスとして指定するADR信号を生成する。時刻t84および時刻t85において、センサコントローラ20は、時刻t81およびt82と同様に、SLSET信号を0から1に遷移させ、1から0に遷移させる。これにより、全てのS-Rラッチ回路123のうちの、アドレスADR[N+5]のS-Rラッチ回路123にのみ1が保持され、出力される。
時刻t86において、センサコントローラ20は、アドレスADR[N+7]を代表シャッタ行アドレスとして指定するADR信号を生成する。時刻t87および時刻t88において、時刻t12および時刻t13と同様に、センサコントローラ20は、AREA_EN信号およびSLSET信号を0から1に遷移させ、1から0に遷移させる。これにより、全てのS-Rラッチ回路123のうちの、アドレスADR[N+7]乃至ADR[N+10]のS-Rラッチ回路123にのみ1が保持され、出力される。
時刻t89において、センサコントローラ20は、アドレスADR[N+11]を代表シャッタ行アドレスとして指定するADR信号を生成する。時刻t90および時刻t91において、時刻t12および時刻t13と同様に、センサコントローラ20は、AREA_EN信号およびSLSET信号を0から1に遷移させ、1から0に遷移させる。これにより、全てのS-Rラッチ回路123のうちの、アドレスADR[N+11]乃至ADR[N+14]のS-Rラッチ回路123にのみ1が保持され、出力される。
時刻t92において、センサコントローラ20は、アドレスADR[N+15]を代表シャッタ行アドレスとして指定するADR信号を生成する。時刻t93および時刻t94において、センサコントローラ20は、時刻t81およびt82と同様に、SLSET信号を0から1に遷移させ、1から0に遷移させる。これにより、全てのS-Rラッチ回路123のうちの、アドレスADR[N+15]のS-Rラッチ回路123にのみ1が保持され、出力される。
時刻t95において、時刻t23と同様に、センサコントローラ20は、RTRG信号を0から1に遷移させる。その結果、読み出し動作が開始される。時刻t96において、時刻t24と同様に、センサコントローラ20は、RTRG信号を1から0に遷移させる。これにより、読み出し動作が終了する。時刻t97において、時刻t25と同様に、センサコントローラ20は、RSEL信号を1から0に遷移させる。そして、次の水平走査期間t+1が開始する。
以上のように、CMOSイメージセンサ10では、無効シャッタ行アドレスを指定することができない。従って、第1のグループの水平走査期間におけるシャッタ行アドレスのうちの、第2のグループの読み出し行アドレス以外のアドレスを、シャッタ行アドレスとして設定する必要がある。よって、代表シャッタ行アドレスの指定が煩雑になり、シャッタ行アドレスを設定するための時間(図28の例では、時刻t10乃至t95までの時間)が、CMOSイメージセンサ240に比べて長くなる。
即ち、CMOSイメージセンサ10は、第1のグループの水平走査期間におけるシャッタ行アドレスのうちの、無効シャッタ行アドレス以外のアドレスを、連続する4つのアドレス単位で指定する必要がある。しかしながら、CMOSイメージセンサ240は、第1のグループの水平走査期間におけるシャッタ行アドレスおよび無効シャッタ行アドレスの開始アドレスと終了アドレスを指定するだけで済む。従って、CMOSイメージセンサ240において指定されるアドレスの数は、CMOSイメージセンサ10において指定されるアドレスの数に比べて少なくなり、シャッタ行アドレスを設定するための時間が短縮される。
(CMOSイメージセンサの処理の説明)
図29は、図20のCMOSイメージセンサ240の無効シャッタ行アドレス生成処理を説明するフローチャートである。この無効シャッタ行アドレス生成処理は、例えば、CMOSイメージセンサ240が図12のシャッタ行アドレス生成処理と同様の処理を行い、その結果得られるシャッタ行アドレスをラッチ回路242に保持させたとき、開始される。
図29のステップS51において、センサコントローラ243は、AREA_EN信号を0にし、垂直選択デコーダ241に供給する。ステップS52において、CMOSイメージセンサ240のセンサコントローラ243は、無効シャッタ行アドレスの開始アドレスを指定するST_ADR信号を生成し、垂直選択デコーダ241に供給する。
ステップS53において、センサコントローラ243は、無効シャッタ行アドレスの終了アドレスを指定するED_ADR信号を生成し、垂直選択デコーダ241に供給する。ステップS54において、垂直選択デコーダ241は、ST_ADR信号、ED_ADR信号、およびAREA_EN信号に基づいて、無効シャッタ行アドレスを生成し、ラッチ回路242に供給する。
ステップS55において、センサコントローラ243は、SLCNCL信号を1にする。ステップS56において、ラッチ回路242は、SLCNCL信号に基づいて、シャッタ行アドレス生成処理によりラッチ回路242に保持されているシャッタ行アドレスのうちの、無効シャッタ行アドレスをクリアする。具体的には、無効シャッタ行アドレスのS-Rラッチ回路123がリセットされる。そして、処理は終了する。
以上のように、CMOSイメージセンサ240は、第1のグループの水平走査期間において、第2のグループの読み出し行アドレスを、無効シャッタ行アドレスとして指定する。従って、第1のグループの水平走査期間において、第2のグループの読み出し行アドレスの画素51の蓄積電荷が破壊されず、画素信号の品質を向上させることができる。
なお、画素51の行のグループの数は、複数であればよく、2に限定されない。
<第5実施の形態>
(固体撮像装置の一実施の形態の構成例)
図30は、本開示を適用した固体撮像装置の一実施の形態の構成例を示すブロック図である。
図30の固体撮像装置900は、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等である。固体撮像装置900は、レンズ群901、固体撮像素子902、DSP回路903、フレームメモリ904、表示部905、記録部906、操作部907、および電源部908からなる。DSP回路903、フレームメモリ904、表示部905、記録部906、操作部907、および電源部908は、バスライン909を介して相互に接続されている。
レンズ群901は、被写体からの入射光(像光)を取り込んで固体撮像素子902の撮像面上に結像する。固体撮像素子902は、上述したCMOSイメージセンサ150(200,220,240)からなる。固体撮像素子902は、レンズ群901によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号としてDSP回路903に供給する。
DSP回路903は、固体撮像素子902から供給される画素信号に対して所定の画像処理を行い、画像処理後の画像信号をフレーム単位でフレームメモリ904に供給し、一時的に記憶させる。
表示部905は、例えば、液晶パネルや有機EL(Electro Luminescence)パネル等のパネル型表示装置からなり、フレームメモリ904に一時的に記憶されたフレーム単位の画素信号に基づいて、画像を表示する。
記録部906は、DVD(Digital Versatile Disk)、フラッシュメモリ等からなり、フレームメモリ904に一時的に記憶されたフレーム単位の画素信号を読み出し、記録する。
操作部907は、ユーザによる操作の下に、固体撮像装置900が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源部908は、電源を、DSP回路903、フレームメモリ904、表示部905、記録部906、および操作部907に対して適宜供給する。
本技術を適用する固体撮像装置は、画像取込部(光電変換部)にCMOSイメージセンサを用いる装置であればよく、固体撮像装置900のほか、撮像機能を有する携帯端末装置、画像読取部にCMOSイメージセンサを用いる複写機などがある。
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、他の効果があってもよい。
また、本開示の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
例えば、第4実施の形態において、第2実施の形態と同様に、AREA_EN信号が生成されなくてもよいし、第3実施の形態と同様に、シャッタ行アドレスを生成する垂直選択デコーダと読み出し行アドレスを生成する垂直選択デコーダが別々に設けられてもよい。
なお、本開示は、以下のような構成もとることができる。
(1)
行列状に配置された画素のうちの、電子シャッタ動作を行う画素の行を特定するシャッタ行アドレスの開始アドレスと終了アドレスに基づいて、前記シャッタ行アドレスを設定するアドレス設定部
を備える制御装置。
(2)
前記アドレス設定部は、前記行列状に配置された画素のうちの、画素信号の読み出しを行う画素の行を特定する読み出し行アドレスの開始アドレスと終了アドレスに基づいて、前記読み出し行アドレスを設定する
ように構成された
前記(1)に記載の制御装置。
(3)
前記アドレス設定部は、前記開始アドレス、前記終了アドレス、および、複数のアドレスの同時生成を有効にする信号に基づいて、前記シャッタ行アドレスを設定する
ように構成された
前記(1)または(2)に記載の制御装置。
(4)
前記アドレス設定部は、前記シャッタ行アドレスにより特定される行のうちの前記電子シャッタ動作を無効にする画素の行を特定する無効シャッタ行アドレス、前記開始アドレス、および前記終了アドレスに基づいて、前記無効シャッタ行アドレス以外の前記シャッタ行アドレスを設定する
ように構成された
前記(1)または(2)に記載の制御装置。
(5)
制御装置が、
行列状に配置された画素のうちの、電子シャッタ動作を行う画素の行を特定するシャッタ行アドレスの開始アドレスと終了アドレスに基づいて、前記シャッタ行アドレスを設定するアドレス設定ステップ
を含む制御方法。
(6)
行列状に配置された画素と、
前記行列状に配置された画素のうちの、電子シャッタ動作を行う画素の行を特定するシャッタ行アドレスの開始アドレスと終了アドレスに基づいて、前記シャッタ行アドレスを設定するアドレス設定部と
を備える固体撮像装置。