以下、各実施例について、図面を参照しながら説明する。
(実施例1)
図1は、本実施例の撮像装置の構成を示した図である。撮像装置は、撮像装置全体を制御するCPU101と、CPU101からの同期信号、通信を受けて動作する制御部102を有する。さらに撮像装置は、制御部102の制御信号を受けて動作する垂直走査部103と、画素セル201が複数行、複数列に渡って配された画素部104を有する。画素セル201については、201の符号の後に(m、n)と表記して、画素セル201がm行目、n列目に位置していることを表している。以降、本明細書では、必要に応じて画素セル201のアドレスを(m、n)で表記する。さらに撮像装置は、画素部104からの信号を処理する列回路105と、水平走査部106と、信号出力部107とを有する。列回路105と水平走査部106は制御部102の制御信号を受けて動作する。列回路105は複数の列信号処理回路を有する。
図2は、1列の画素セル201に関わる構成を表している。1列の画素セル201に対応して、複数の信号線である信号線202、信号線203が配されている。1つの画素セル201は、信号線202と信号線203とに接続されている。信号線202には、電流源204と、増幅部206とが接続されている。また、信号線203には、電流源205と増幅部207とが接続されている。1つの列信号処理回路は、増幅部206と増幅部207の一方を有する。つまり、信号線202と信号線203は、互いに異なる列信号処理回路に接続されている。
図3は、画素セル201の構成を示した図である。画素セル201は、複数の光電変換部として、フォトダイオード301、フォトダイオード302を有する。フォトダイオード301には、赤(図3ではRと表記した)のカラーフィルタを透過した光が入射する。フォトダイオード302には、緑(図3ではGrと表記した)のカラーフィルタを透過した光が入射する。赤のカラーフィルタは、第1の色の光を光電変換部に入射させる第1のカラーフィルタである。また、緑のカラーフィルタは、第2の色の光を光電変換部に入射させる第2のカラーフィルタである。画素セル201は、転送トランジスタ303、転送トランジスタ304、増幅トランジスタ306を有する。転送トランジスタ303は、フォトダイオード301と、増幅トランジスタ306の入力ノードFDとに接続されている。また、転送トランジスタ304は、フォトダイオード302と、増幅トランジスタ306の入力ノードFDとに接続されている。また、画素セル201は、リセットトランジスタ305を有する。リセットトランジスタ305は、電源電圧VDDが供給されるとともに、入力ノードFDに接続されている。画素セル201は、選択トランジスタ307、選択トランジスタ308を有する。選択トランジスタ307、選択トランジスタ308のそれぞれは、1つの増幅トランジスタ306に接続されている。また、選択トランジスタ307は、信号線202に接続されている。また、選択トランジスタ308は、信号線203に接続されている。図1で述べた垂直走査部103は、転送トランジスタ303のゲートに信号PTX1(n)を供給し、転送トランジスタ304のゲートに信号PTX2(n)を供給する。なお、この信号の表記に用いる(n)は、n行目の画素セル201に供給される信号であることを示している。信号PTX1(n)がHighとなると、転送トランジスタ303は、フォトダイオード301が蓄積した電荷を入力ノードFDに転送する。信号PTX2(n)がHighとなると、転送トランジスタ304は、フォトダイオード302が蓄積した電荷を入力ノードFDに転送する。
また、垂直走査部103は、リセットトランジスタ305のゲートに信号PRES(n)を供給する。信号PRES(n)がHighとなると、リセットトランジスタ305は、入力ノードFDを、電源電圧VDDの電位に基づく電位にリセットする。
また、垂直走査部103は、選択トランジスタ307のゲートに信号PSEL1(n)を供給し、選択トランジスタ308のゲートに信号PSEL2(n)を供給する。信号PSEL1(n)がHighとなると、図2に示した電流源204から、信号線202と選択トランジスタ307を介して、増幅トランジスタ306に電流が供給される。この電流の供給によって、増幅トランジスタ306は、入力ノードFDの電位に基づく信号を、選択トランジスタ307を介して信号線202に出力するソースフォロワ動作を行う。また、電源電圧VDDと、増幅トランジスタ306と、電流源204とによって、ソースフォロワ回路が形成される。一方、信号PSEL2(n)がHighとなると、図2に示した電流源205から、信号線203と選択トランジスタ308を介して、増幅トランジスタ306に電流が供給される。この電流の供給によって、増幅トランジスタ306は、入力ノードFDの電位に基づく信号を、選択トランジスタ308を介して信号線203に出力するソースフォロワ動作を行う。また、電源電圧VDDと、増幅トランジスタ306と、電流源205とによって、ソースフォロワ回路が形成される。
図4は、垂直走査部103の構成を示した図である。垂直走査部103はアドレスデコーダ部401と行駆動部410〜41nとで構成される。アドレスデコーダ部401は制御部102で生成されたアドレス信号vaddrをaddr_bit(0)〜(n)にデコードする。行駆動部410は、読み出し走査用の、セット手段4101と、シャッタ走査用の、セット手段4102を備える。
また、行駆動部410は、読み出し走査用のデコードビット保持部4103と、シャッタ走査用のデコードビット保持部4104を備える。
また、行駆動部410は、PSEL生成部4105と、PRES生成部4106と、PTXイネーブル生成部4107と、PTX生成部4108と、レベルシフト部4109を備える。レベルシフト部4109は、入力された信号のレベルを、トランジスタの制御信号として用いるのに好適なレベルの電位にシフトする回路である。
読み出し走査用のセット手段4101は、制御部102で生成された信号rd_resetを用いて、読み出し走査用のデコードビット保持部4103a、4103bのリセットを行う。また、制御部102で生成された信号rd_latch1_enとaddr_bit(0)の論理積を用いて、読み出し走査用のデコードビット保持部4103aのセットを行う。
制御部102で生成された信号rd_latch2_enとaddr_bit(0)の論理積を用いて、読み出し走査用のデコードビット保持部4103bのセットを行う。
信号rd_resetは、行駆動部410〜41nで共通の信号であり、各行駆動部のデコードビット保持部4103、デコードビット保持部4104を同時にリセットすることができる。また、制御部102でアドレス信号vaddrを順次生成し、アドレスデコード部401はaddr_bitに順次デコードする。行駆動部410〜41nでは、共通の信号であるrd_latch1_en、および、rd_latch2_enをaddr_bitの遷移に同期してLow→High、High→Lowとレベルを遷移させる。これによって、行駆動部410〜41nは、デコードビット保持部4103、4104を順次セットできる。
シャッタ走査用セット手段4102は、読み出し走査用のセット手段4101と同様の構成である。信号はsh_reset、および、sh_latch1_enとsh_latch2_enを用いる。
読み出し走査用のデコードビット保持部4103は、4103a〜4103dで構成している。そして4103a、4103bは、各々1次保持回路で、一例としてSR−Latchを用いている。4103c、4103dは、同期用の2次保持回路で、一例としてD−Latchを用いており、制御部102で生成された信号rd_gateによって、各行の一時保持回路で保持したデコードビットを同期化(同時にセット)することができる。
シャッタ走査用のデコードビット保持部4104は、読み出し走査用のデコードビット保持部4103と同様の構成である。シャッタ走査用のデコードビット保持部4104は、4104a〜4104dで構成している。信号はsh_gateを用いる。
PSEL生成部4105は、デコードビット保持部4103の信号LATRD1(0)、LATRD2(0)と制御部102で生成される信号pselとの組合せ論理回路で構成される。
画素の駆動信号PSEL1(0)のレベルシフト前の信号は、デコードビット保持部4103の2次保持回路4103cの信号LATRD1と信号pselの論理積によって生成する。また、画素の駆動信号PSEL2(0)のレベルシフト前の信号は、デコードビット保持部4103の2次保持回路4103dの信号LATRD2と信号pselの論理積によって生成される。
PRES生成部4106は、デコードビット保持部4103、4104の信号と制御部102で生成される信号pres_rd_b、pres_sh_bとの組合せ論理回路で構成される。信号PRES(n)は、この組合せ論理回路によって生成される。
PTXイネーブル生成部4107は、デコードビット保持部4103の信号LATRD1、LATRD2と、制御部102で生成されるモードセレクト信号mode_selとの組合せ論理回路で構成される。mode_selがHighの場合、LATRD1、LATRD2のいずれかがHighになると、TX1_EN、TX2_ENがHighになる。mode_selがLowの場合、LATRD1がHighになるとTX1_ENがHighになり、LATRD2がHighになるとTX2_ENがHighになる。
PTX生成部4108は、PTXイネーブル生成部4107の信号TX1_EN、TX2_ENと、デコードビット保持部4104の信号と、制御部102の信号ptx1_rd、ptx2_rd、ptx_shとを組み合せる論理回路で構成される。
図5は、図4で示した垂直走査部103、および、画素部104の動作の一例を示すタイミングチャートである。なお、この駆動方法では、画素セル201(x,y)のRのフォトダイオード301の電荷に基づく信号を信号線202と信号線203の一方に読み出す期間と、画素セル201(x,y+1)のGrのフォトダイオード302の電荷に基づく信号を信号線202と信号線203の他方に読み出す期間とを重ねる。以降、この方式を異色並列読み出しと表記する。
本駆動方法の場合は、モードセレクト信号mode_selはLow出力とする。
まず、フォトダイオード301,302のリセット動作について述べる。ここでは、ローリングシャッター方式(フォトダイオード301、302の電気的リセットタイミングから、読み出しタイミングまでの時間が、露光時間になる)を例にとって説明する。また、この例では、シャッタ開始信号SH_STRと垂直同期信号VDの間隔が露光時間に相当する。
時刻T00において、フォトダイオード301,302のリセット動作を開始する。CPU101は、制御部102に対して、シャッタ開始信号SH_STRと水平同期信号HDを入力する。
次に、時刻T00から時刻T00aにおいて、シャッタ走査用のデコードビット保持部4104の1次保持回路4104a、4104bを一括リセットする。制御部102は信号sh_resetをLow→High→Lowと遷移させ、全行の1次保持回路4104a、4104bをリセットする。
次に、時刻T00aから時刻T00bにおいて、シャッタ走査用のデコードビット保持部4104の1次保持回路4104aをセットする。制御部102はvaddrを0に設定し、アドレスデコード部401のaddr_bit(0)はHighを出力する。また、他のaddr_bit(1)〜addr_bit(n)はLowを出力する。この時、信号sh_latch1_enをLow→High→Lowと遷移させ、0行目の1次保持回路4104aにはHighがセットされる。一方、他行の1次保持回路4104aにはLowがセットされる。
次に、時刻T00bから時刻T00cにおいて、シャッタ走査用のデコードビット保持部4104の1次保持回路4104bをセットする。制御部102はvaddrを1に設定し、アドレスデコード部401のaddr_bit(1)はHighを出力する。また、他のaddr_bit(y)はLowを出力する。この時、信号sh_latch2_enをLow→High→Lowと遷移させ、1行目の1次保持回路4104bにはHighがセットされる。一方、他行の1次保持回路4104bにはLowがセットされる。
次に、時刻T00cから時刻T01cにおいて、シャッタ走査用のデコードビット保持部4104の2次保持回路4104c、4104dが保持動作を行う。制御部102は、信号sh_gateをLow→High→Lowと遷移させる。すると垂直走査部103では、シャッタ走査用の全てのデコードビット保持部の2次保持回路4104cが、1次保持回路4104aのQの出力を取り込む。また同様に、シャッタ走査用の全てのデコードビット保持部の2次保持回路4104dが、1次保持回路4104bのQの出力を取り込む。したがって、この期間中、0行目の2次保持回路4104cのQはHighを出力し続け、他行の2次保持回路4104cのQはLowを出力し続ける。また、この期間中、1行目の2次保持回路4104dのQはHighを出力し続け、他行の2次保持回路4104dのQはLowを出力し続ける。
同様の時間帯、時刻T00cから時刻T01cにおける画素駆動信号について説明する。
PRES(0)、PRES(1)は、信号pres_sh_bの反転波形に準じて遷移する。PRES(0)、PRES(1)がHighなので、画素セル201(0,0)〜(m,0)および画素セル201(0,1)〜(m,1)の入力ノードFDはリセット状態(電源電圧VDDに基づく電位)となる。ただし本実施例では、行選択の有無に関わらず、読み出し時以外、入力ノードFDはリセット状態としている。
PTX1(0)、PTX2(1)は、信号ptx_shの波形に準じて遷移する。この時、PTX1(0)がLow→High→Lowと遷移し、画素セル201(0,0)〜(m,0)のフォトダイオード301(Rのフォトダイオード301)がリセットされる。また同様に、PTX2(1)がLow→High→Lowと遷移し、画素セル201(0,1)〜(m,1)のフォトダイオード302(Grのフォトダイオード302)がリセットされる。
これ以降、時刻T01cから時刻T02cにおいては、選択する行を変えて、上記と同様の動作を行う。画素セル201(0,1)〜(m,1)のフォトダイオード301(Rのフォトダイオード301)がリセットされる。また、画素セル201(0,2)〜(m,2)のフォトダイオード302(Grのフォトダイオード302)がリセットされる。
これ以降も同様にして、選択する行を変えながら、フォトダイオード301(Rのフォトダイオード301)およびフォトダイオード302(Grのフォトダイオード302)をリセットしていく。最終的には、画素セル201(0,n−1)〜(m,n−1)のフォトダイオード301(Rのフォトダイオード301)がリセットされる。また、画素セル201(0,n)〜(m,n)のフォトダイオード302(Grのフォトダイオード302)がリセットされる。
次に、フォトダイオード301、302が蓄積した電荷に基づく信号の読み出し動作について述べる。
時刻T10において、フォトダイオード301、302の蓄積した電荷に基づく信号の読み出し動作を開始する。CPU101は、制御部102に対して、垂直同期信号VDと水平同期信号HDを入力する。
次に、時刻T10から時刻T10aにおいて、読み出し走査用のデコードビット保持部4103の1次保持回路4103a、4103bを一括リセットする。制御部102は信号rd_resetをLow→High→Lowと遷移させ、全行の1次保持回路4103a、4103bをリセットする。
次に、時刻T10aから時刻T10bにおいて、読み出し走査用のデコードビット保持部4103の1次保持回路4103aをセットする。制御部102はvaddrを0に設定し、アドレスデコード部401のaddr_bit(0)はHighを出力する。また、他のaddr_bit(1)〜addr_bit(n)はLowを出力する。この時、信号rd_latch1_enをLow→High→Lowと遷移させ、0行目の1次保持回路4103aにはHighがセットされる。一方、他行の1次保持回路4103aにはLowがセットされる。
次に、時刻T10bから時刻T10cにおいて、読み出し走査用のデコードビット保持部4103の1次保持回路4103bをセットする。制御部102は、vaddrを1に設定し、アドレスデコード部401のaddr_bit(1)はHighを出力する。また、他のaddr_bit(y)はLowを出力する。この時、信号rd_latch2_enをLow→High→Lowと遷移させ、1行目の1次保持回路4103bにはHighがセットされる。一方、他行の1次保持回路4103bにはLowがセットされる。
次に時刻T10cから時刻T11cにおいて、読み出し走査用のデコードビット保持部4103の2次保持回路4103c、4103dが信号の保持動作を行う。制御部102は、信号rd_gateをLow→High→Lowと遷移させる。すると垂直走査部103では、読み出し走査用の全てのデコードビット保持部の2次保持回路4103cが、1次保持回路4103aのQの出力を取り込む。また同様に、読み出し走査用の全てのデコードビット保持部の2次保持回路4103dが、1次保持回路4103bのQの出力を取り込む。したがって、この期間中、0行目の2次保持回路4103cのQ(LATRD1(0))はHighを出力し続け、他行の2次保持回路4103cのQはLowを出力し続ける。また、この期間中、1行目の2次保持回路4104dのQ(LATRD2(1))はHighを出力し続け、他行の2次保持回路4104dのQはLowを出力し続ける。
同様の時間帯、時刻T10cから時刻T11cにおけるPTXイネーブル生成部4107の動作について説明する。0行目では、mode_selがLow、LATRD1(0)がHigh、なのでTX1_EN(0)はHighになる。また、mode_selがLow、LATRD2(0)がLowなのでTX2_EN(0)はLowになる。1行目では、mode_selがLow、LATRD1(1)がLow、なのでTX1_EN(1)はLowになる。また、mode_selがLow、LATRD2(1)がHigh、なのでTX2_EN(1)はHighになる。その他の全ての行では、TX1_EN(y)、TX2_EN(y)ともにLowになる。
同様の時間帯、時刻T10cから時刻T11cにおける画素駆動信号について説明する。
PSEL1(y)は、LATRD1(0)がHighなので、PSEL1(0)のみ信号pselの波形に準じて遷移する。したがって、画素セル201(0,0)〜(m,0)では選択トランジスタ307がオンし、信号線202と接続する。また、それ以外の行は、信号線202と接続しない。
PSEL2(y)は、LATRD2(1)がHighなので、PSEL2(1)のみ信号pselの波形に準じて遷移する。したがって、画素セル201(0,1)〜(m,1)では選択トランジスタ308がオンし、信号線203と接続する。また、それ以外の行は、信号線203と接続しない。
PRES(y)は、LATRD1(0)およびLATRD2(1)がHighなので、PRES(0)、PRES(1)が信号pres_rd_bの反転波形に準じて遷移する。したがって、画素セル201(0,0)〜(m,0)および画素セル201(0,1)〜(m,1)では、pres_rd_bがHighの期間、入力ノードFDのリセットが解除される。また、それ以外の行は、入力ノードFDはリセット状態が保持される。
PTX1(y)は、TX1_EN(0)がHighなので、PTX1(0)のみ信号ptx1_rdの波形に準じて遷移する。したがって、画素セル201(0,0)〜(m,0)のフォトダイオード301(Rのフォトダイオード301)を、信号線202を介して読み出すことができる。
PTX2(y)は、TX2_EN(1)がHighなので、PTX2(1)のみ信号ptx2_rdの波形に準じて遷移する。したがって、画素セル201(0,1)〜(m,1)のフォトダイオード302(Grのフォトダイオード302)を、信号線203を介して読み出すことができる。
これ以降、時刻T11cから時刻T12cにおいては、選択する行を変えて、上記と同様の動作を行う。画素セル201(0,1)〜(m,1)のフォトダイオード301(Rのフォトダイオード301)を読み出す。また、画素セル201(0,2)〜(m,2)のフォトダイオード302(Grのフォトダイオード302)を読み出す。
これ以降も同様にして、選択する行を変えながら、フォトダイオード301(Rのフォトダイオード301)およびフォトダイオード302(Grのフォトダイオード302)の電荷に基づく信号を読み出していく。最終的には、画素セル201(0,n−1)〜(m,n−1)のフォトダイオード301(Rのフォトダイオード301)の電荷に基づく信号を読み出す。また、画素セル201(0,n)〜(m,n)のフォトダイオード302(Grのフォトダイオード302)の電荷に基づく信号を読み出す。
この駆動方法(異色並列読み出し)の場合、PSEL1(y)とPTX1(y)の行選択タイミングが同じで、PSEL2(y)とPTX2(y)の行選択タイミングが同じである。このことを利用して、読み出し走査用のデコードビット保持部4103をPSELとPTXで共通使用し、走査回路を簡略化している。
異色並列読み出しは、カラーフィルタの物理的な配列に準じて、フォトダイオード301、302の電荷に基づく信号を信号線202、203に読み出すことができる。これにより、撮像装置が出力する信号を用いて画像を生成する後段システムにおいて、信号を並べ替える処理を省略することができる。これにより、この後段システムの負荷を低減することができる。
なお、本実施例では、画素セル201(x,y)のRのフォトダイオード301の電荷に基づく信号を信号線202、信号線203の一方に読み出す期間と、画素セル201(x,y+1)のGrのフォトダイオード302の電荷に基づく信号を信号線202、信号線203の他方に読み出す期間とを重ねている。この期間の重ね方は、信号の読み出しの開始から終了までの全ての期間同士を一致させるように重ねなくともよい。つまり、画素セル201(x,y)のRのフォトダイオード301の電荷に基づく信号を信号線202、信号線203の一方に読み出す期間の少なくとも一部の期間と、画素セル201(x,y+1)のGrのフォトダイオード302の電荷に基づく信号を信号線202、信号線203の他方に読み出す期間の少なくとも一部の期間とが重なっていればよい。ただし、信号の読み出しの開始から終了までの全期間同士を一致させるように重ねるようにすれば、信号の読み出しをより高速に行うことができる効果が得られる。
(実施例2)
本実施例の撮像装置について、実施例1と異なる点を中心に説明する。
本実施例の撮像装置に構成は実施例1で述べた構成と同じである。
図6は、図4で示した垂直走査部103および画素部104の動作の一例を示すタイミングチャートである。なお、ここで示す駆動方法では、画素セル201(x、y)と画素セル201(x、y+1)と画素セル201(x、y+2)と画素セル201(x、y+3)のRのフォトダイオード301の電荷に基づく信号を並列に読み出す。以降、この方式を同色並列読み出しと表記する。また、画素セル201(x、y)の選択トランジスタ307がオンの状態である期間と画素セル201(x、y+1)の選択トランジスタ307がオンの状態である期間とを重ねる。これにより、画素セル201(x、y)と、画素セル201(x、y+1)の各々が出力する信号を信号線202で混合する。同様に、画素セル201(x、y+2)の選択トランジスタ308がオンの状態である期間と画素セル201(x、y+3)の選択トランジスタ308がオンの状態である期間とを重ねる。これにより、画素セル(x、y+2)と、画素セル201(x、y+3)の各々が出力する信号を、信号線203で混合する。駆動方法1−1よりも、同時に読み出す画素セル数が多いので、高速で読み出しが可能である。したがって、本駆動方法では、同色並列読み出しを行っている。また、画素セル201の各々の増幅トランジスタ306の入力ノードは、他の増幅トランジスタ306の入力ノードには接続されない。これにより、画素セル201の各々の増幅トランジスタは、対応する画素セル201のフォトダイオードが生成した電荷に基づく信号を出力する。
本駆動方法の場合は、モードセレクト信号mode_selはHigh出力とする。
まず、フォトダイオードのリセット動作について述べる。ここでは、駆動方式1−1と同様に、ローリングシャッター方式を例にとって説明する。シャッタ開始信号SH_STRと垂直同期信号VDの間隔が露光時間に相当する。
時刻T00において、フォトダイオードのリセット動作を開始する。CPU101は、制御部102に対して、シャッタ開始信号SH_STRと水平同期信号HDを入力する。
次に、時刻T00から時刻T00aにおいて、シャッタ走査用のデコードビット保持部4104の1次保持回路4104a、4104bを一括リセットする。制御部102は、信号sh_resetをLow→High→Lowと遷移させ、全行の1次保持回路4104a、4104bをリセットする。
次に、時刻T00aから時刻T00bにおいて、2行分のシャッタ走査用のデコードビット保持部4104の1次保持回路4104aをセットする。まず、制御部102はvaddrを0に設定し、アドレスデコード部401のaddr_bit(0)はHighを出力する。この時、他のaddr_bit(1)〜addr_bit(n)はLowを出力する。ここで、信号sh_latch1_enをLow→High→Lowと遷移させ、0行目の1次保持回路4104aにHighをセットする。その後同様にして、制御部102はvaddrを1に設定し、信号sh_latch1_enをLow→High→Lowと遷移させ、1行目の1次保持回路4104aにHighをセットする。
次に、時刻T00bから時刻T00cにおいても、前時間帯と同様に、シャッタ走査用のデコードビット保持部4104の1次保持回路4104aをセットする。制御部102はvaddrを2に設定し、信号sh_latch1_enをLow→High→Lowと遷移させ、2行目の1次保持回路4104aにHighをセットする。その後同様にして、制御部102はvaddrを3に設定し、信号sh_latch1_enをLow→High→Lowと遷移させ、3行目の1次保持回路4104aにHighをセットする。
次に、時刻T00cから時刻T01cにおいて、シャッタ走査用のデコードビット保持部4104の2次保持回路4104c、4104dが保持動作を行う。制御部102は信号sh_gateをLow→High→Lowと遷移させる。すると垂直走査部103では、全てのシャッタ走査用のデコードビット保持部の2次保持回路4104cが、1次保持回路4104aのQの出力を取り込む。また同様に、全てのシャッタ走査用のデコードビット保持部の2次保持回路4104dが、1次保持回路4104bのQの出力を取り込む。したがって、この期間中、0行目、1行目、2行目、3行目の2次保持回路4104cのQはHighを出力し続け、他行の2次保持回路4104cのQはLowを出力し続ける。また、この期間中、全行において2次保持回路4104dのQはLowを出力し続ける。
同様の時間帯、時刻T00cから時刻T01cにおける画素駆動信号について説明する。
PRES(y00)(以下y00は0〜3)は、信号pres_sh_bの反転波形に準じて遷移する。PRES(y00)がHighなので、画素セル201(0,y00)〜(m,y00)、の入力ノードFDはリセット状態(電源電圧VDDに基づく電位)となる。ただし本実施例では、行選択の有無に関わらず、読み出し時以外、入力ノードFDはリセット状態としている。
PTX1(y00)は、信号ptx_shの波形に準じて遷移する。この時、PTX1(y00)がLow→High→Lowと遷移し、画素セル201(0,y00)〜(m,y00)のフォトダイオード301(R)がリセットされる。
PTX2(y)は、この時間帯は、全ての行でLowが保持される。したがって、フォトダイオード302(Gr)はリセットされない。
これ以降、時刻T01cから時刻T02cにおいては、選択する行を変えて、上記と同様の動作を行う。画素セル201(0、y01)〜(m、y01)、(y01は1〜4)のフォトダイオード302(Gr)がリセットされる。
これ以降も同様にして、水平同期信号HD単位で、フォトダイオード301(R)のリセットと、フォトダイオード302(Gr)のリセットを切り替えながら、選択する行をシフトしていく。
次に、フォトダイオード301、302の電荷に基づく信号の読み出し動作について述べる。
時刻T10において、フォトダイオード301、302の電荷に基づく信号の読み出し動作を開始する。CPU101は、制御部102に対して、垂直同期信号VDと水平同期信号HDを入力する。
次に、時刻T10から時刻T10aにおいて、読み出し走査用のデコードビット保持部4103の1次保持回路4103a、4103bを一括リセットする。制御部102は、信号rd_resetをLow→High→Lowと遷移させ、全行の1次保持回路4103a、4103bをリセットする。
次に、時刻T10aから時刻T10bにおいて、2行分の読み出し走査用のデコードビット保持部4103の1次保持回路4103aをセットする。制御部102はvaddrを0に設定し、アドレスデコード部401のaddr_bit(0)はHighを出力する。この時、信号rd_latch1_enをLow→High→Lowと遷移させ、0行目の1次保持回路4103aにHighをセットする。その後同様にして、制御部102はvaddrを1に設定し、信号rd_latch1_enをLow→High→Lowと遷移させ、1行目の1次保持回路4103aにHighをセットする。
次に、時刻T10bから時刻T10cにおいて、2行分の読み出し走査用のデコードビット保持部4103の1次保持回路4103bをセットする。制御部102はvaddrを2に設定し、信号rd_latch2_enをLow→High→Lowと遷移させ、2行目の1次保持回路4103bにHighをセットする。その後同様にして、制御部102はvaddrを3に設定し、信号rd_latch2_enをLow→High→Lowと遷移させ、3行目の1次保持回路4103bにHighをセットする。
次に、時刻T10cから時刻T11cにおいて、読み出し走査用のデコードビット保持部4103の2次保持回路4103c、4103dが保持動作を行う。制御部102は、信号rd_gateをLow→High→Lowと遷移させる。すると垂直走査部103では、全ての読み出し走査用のデコードビット保持部の2次保持回路4103cが、1次保持回路4103aのQの出力を取り込む。また同様に、全ての読み出し走査用のデコードビット保持部の2次保持回路4103dが、1次保持回路4103bのQの出力を取り込む。したがって、この期間中、0行目、1行目の2次保持回路4103cのQ(LATRD1(0)、LATRD1(1))はHighを出力し続け、他行の2次保持回路4103cのQはLowを出力し続ける。また、この期間中、2行目、3行目の2次保持回路4104dのQ(LATRD2(2)、LATRD2(3))はHighを出力し続け、他行の2次保持回路4104dのQはLowを出力し続ける。
同様の時間帯、時刻T10cから時刻T11cにおけるPTXイネーブル生成部4107の動作について説明する。0行目、1行目では、mode_selがHigh、LATRD1(0)、LATRD1(1)がHigh、なので、TX1_EN(0)、TX1_EN(1)はHighになり、TX2_EN(0)、TX2_EN(1)もHighになる。2行目、3行目では、mode_selがHigh、LATRD2(2)、LATRD2(3)がHighなので、TX2_EN(2)、TX2_EN(3)はHighになり、TX1_EN(2)、TX1_EN(3)もHighになる。その他の全ての行では、TX1_EN(y)、TX2_EN(y)ともにLowになる。
同様の時間帯、時刻T00cから時刻T01cにおける画素駆動信号について説明する。
PSEL1(y10_1)(以下y10_1は0〜1)は、LATRD1(y10_1)がHighなので、信号pselの波形に準じて遷移する。したがって、画素セル201(0,y10_1)〜(m,y10_1)では選択トランジスタ307がオンし、信号線202と接続する。また、それ以外の行は、信号線202と接続しない。
PSEL2(y10_2)(以下y10_2は2〜3)は、LATRD2(y10_2)がHighなので、信号pselの波形に準じて遷移する。したがって、画素セル201(0,y10_2)〜(m,y10_2)では選択トランジスタ308がオンし、信号線203と接続する。また、それ以外の行は、信号線203と接続しない。
PRES(y10_1)およびPRES(y10_2)は、その行のLATRD1およびLATRD2のいずれかがHighなので、信号pres_rd_bの反転波形に準じて遷移する。したがって、画素セル201(0,y10_1)〜(m,y10_1)および画素セル201(0,y10_2)〜(m,y10_2)では、pres_rd_bがHighの期間、入力ノードFDのリセットが解除される。また、それ以外の行は、入力ノードFDはリセット状態が保持される。
PTX1(y10_1)は、TX1_EN(y10_1)がHighなので、信号ptx1_rdの波形に準じて遷移する。したがって、画素セル201(0,y10_1)〜(m,y10_1)のフォトダイオード301(R)を、信号線202を介して読み出すことができる。したがって、画素セル201(x、0)と画素セル201(x、1)のフォトダイオード301(R)の電荷に基づく信号同士を混合することができる。
PTX1(y10_2)は、TX1_EN(y10_2)がHighなので、信号ptx1_rdの波形に準じて遷移する。したがって、画素セル201(0,y10_2)〜(m,y10_2)のフォトダイオード301(R)を、信号線203を介して読み出すことができる。したがって、画素セル201(x、2)と画素セル201(x、3)のフォトダイオード301(R)の電荷に基づく信号同士を混合することができる。
また、全てのPTX2(y)は、信号ptx2_rdがLow固定なので、TX2_EN(y)のHigh/Lowに関わらず、Low固定となる。したがって、全ての画素セル201のフォトダイオード302(Gr)の電荷に基づく信号の読み出しを行わない。
これ以降、時刻T11cから時刻T12cにおいては、選択する行を変えて、上記と同様の動作を行う。画素セル201(0,y11)〜(m,y11)、(y11は1〜4)のフォトダイオード302(Gr)を読み出す。この際、画素セル201(x、1)と画素セル201(x、2)のフォトダイオード302(Gr)に基づく信号同士を混合し、画素セル201(x、3)と画素セル201(x、4)のフォトダイオード302(Gr)の電荷に基づく信号同士を混合する。
これ以降も同様にして、水平同期信号HD単位で、フォトダイオード301(R)の電荷に基づく信号の読み出しと、フォトダイオード302(Gr)の電荷に基づく信号の読み出しを切り替えながら、選択する行をシフトしていく。
この駆動方法(同色並列読み出し、信号混合処理あり)の場合、PSEL1(y)とPTX1(y)の行選択タイミングは同じではない。また、PSEL2(y)とPTX2(y)の行選択タイミングも同じではない。しかし、PTXイネーブル生成部4107を備えることで、読み出し走査用のデコードビット保持部4103をPSELとPTXで共通使用し、走査回路を簡略化している。この際、信号ptx1_rdとptx2_rdを水平同期信号HD単位で交互に遷移させる必要がある。
本実施例によれば、隣接する画素セルを同じ信号線に接続し、信号混合処理をすることができる。この信号混合処理によって、複数のフォトダイオードの電荷に基づく信号を1つの信号とすることができる。これにより、実施例1の駆動方法に対して、複数の画素セル201から信号を読み出す動作を高速化することができる。
また、本実施例の駆動方法と、実施例1の駆動方法とを切り替えて用いることができる。この場合には、後段システムが信号の順序を並べ替える処理を簡略できる実施例1の駆動方法と、実施例1の駆動方法よりも高速な読み出しを行うことができる、本実施例の駆動方法とを選択することができる。
また、本実施例の垂直走査部103は、実施例1および本実施例の駆動方法を実現することができる。
また、本実施例では、混合処理を行う信号が、同色のフォトダイオードの電荷に基づく信号であったが、この例に限定されるものではない。例えば、画素セル201は、カラーフィルタを備えないモノクロの画素セル201であってもよいため、混合する信号は、同色のフォトダイオードの電荷に基づく信号同士でなくともよい。
(実施例3)
本実施例の撮像装置について、実施例1と異なる点を中心に説明する。本実施例の撮像装置は、1つの画素セルが、4つのフォトダイオードを備える点が実施例1の画素セル201と異なっている。また、画素セルからの信号の読み出し動作もまた、実施例1の動作とは異なっている。
図7は、本実施例に係るn行目の画素セル201の構成例を示す図である。
画素セル201は、4つのフォトダイオード7011、7012、7021、7022と、転送トランジスタ7031、7032、7041、7042と、入力ノードFDを有する。さらに画素セル201は、リセットトランジスタ705と、増幅トランジスタ706と、選択トランジスタ707、708を有する。
転送トランジスタ7031、7032、7041、7042は、それぞれフォトダイオード7011、7012、7021、7022と入力ノードFDとの間に接続している。
m列目のフォトダイオード7021、7022には、Greenのカラーフィルターを透過した光が入射する。また、m列目のフォトダイオード7021、7022は、1つのマイクロレンズを共有している。1つのマイクロレンズを共有したフォトダイオード7021、7022は、Gr画素である。
m列目のフォトダイオード7011、7012には、Redのカラーフィルターを透過した光が入射する。また、m列目のフォトダイオード7011、7012は、1つのマイクロレンズを共有している。1つのマイクロレンズを共有したフォトダイオード7011、7012は、R画素である。
m+1列目のフォトダイオード7021、7022(不図示)には、Blueのカラーフィルターを透過した光が入射する。また、m列目のフォトダイオード7021、7022は、1つのマイクロレンズを共有している。1つのマイクロレンズを共有したフォトダイオード7021、7022は、B画素である。
m+1列目のフォトダイオード7011、7012(不図示)には、Greenのカラーフィルターを透過した光が入射する。また、m+1列目のフォトダイオード7011、7012は、1つのマイクロレンズを共有している。1つのマイクロレンズを共有したフォトダイオード7011、7012は、Gb画素である。
このように、n行目に配置された、m列目の画素セル201と(m+1)列目の画素セルとによって、ベイヤー配列を形成している。
図8は、本実施例に係る垂直走査部103の構成例を示すブロック図である。
垂直走査部103は、アドレスデコーダ部801と行駆動部810〜81nとで構成される。アドレスデコーダ部801は、制御部102で生成されたアドレス信号vaddrをaddr_bit(0)〜(n)にデコードする。
行駆動部810は、読み出し走査用のセット手段8101と、シャッタ走査用のセット手段8102を備える。また、行駆動部810は、読み出し走査用のデコードビット保持部8103と、シャッタ走査用のデコードビット保持部8104を備える。また、行駆動部810は、PSEL生成部8105と、PRES生成部8106と、PTXイネーブル生成部8107と、PTX生成部8108と、レベルシフト部8109を備える。レベルシフト部8109は、入力された信号のレベルを、トランジスタの制御信号として用いるのに好適なレベルの電位にシフトする回路である。
実施例1とは、PTX生成部8108が異なるので、以下に説明する。
PTX生成部8108は、PTXイネーブル生成部8107の出力TX1_EN(0)、TX2_EN(0)と、デコードビット保持部8104の出力と、制御部102で生成される信号ptx1a_rd、ptx1b_rd、ptx2a_rd、ptx2b_rd、ptx_shとを組合せる論理回路で構成される。画素の駆動信号PTX1a(0)、PTX1b(0)、PTX2a(0)、PTX2b(0)のレベルシフト前の信号は、図8に示す組合せ論理回路によって生成される。
なお、各信号の生成回路の一例を図4に示して説明したが、回路構成はその限りではない。
以下に、本実施例にかかる撮像装置の駆動方法について説明する。
図9は、図8で示した垂直走査部103、および、画素部104の動作の一例を示すタイミングチャートである。なお、PTX生成部8108の動作以外は、実施例1の駆動方法と同じである。図9のタイミングチャートでは、各行のLATRD1(y)、LATRD2(y)、TX1_EN(y)、TX2_EN(y)を図示していないが、図5と同じである。
ここで示す駆動方法では、画素セル201(x、y)のR画素の電荷に基づく信号と、画素セル201(x、y+1)のGr画素の電荷に基づく信号とを並列に読み出す(異色並列読み出し)。また、画素セル間での信号混合処理は行わない。
本駆動方法の場合は、モードセレクト信号mode_selはLow出力とする。
まず、フォトダイオードのリセット動作について述べる。実施例1の駆動方法と同じく、ローリングシャッター方式を例にとって説明する。
時刻T00から時刻T00cにおける、シャッタ走査用のデコードビット保持部8104の1次保持回路8104a、8104bのリセット/セット動作は、実施例1の駆動方法と同じである。
時刻T00cから時刻T01cにおける、シャッタ走査用のデコードビット保持部8104の2次保持回路8104c、8104dの保持動作は、実施例1の駆動方法と同じである。
同じ時間帯、時刻T00cから時刻T01cにおける画素駆動信号について説明する。
PRES(0)、PRES(1)は、信号pres_sh_bの反転波形に準じて遷移する。PRES(0)、PRES(1)がHighなので、画素セル201(0,0)〜(m,0)および画素セル201(0,1)〜(m,1)の入力ノードFDはリセット状態(電源電圧VDDに基づく電位)となる。ただし本実施例では、行選択の有無に関わらず、読み出し時以外、入力ノードFDはリセット状態としている。
PTX1a(0)PTX1b(0)、PTX2a(1)、PTX2b(1)は、信号ptx_shの波形に準じて遷移する。この時、PTX1a(0)、PTX1b(0)がLow→High→Lowと遷移し、画素セル201(0,0)〜(m,0)のフォトダイオード7011、7012(R画素)が其々リセットされる。また同様に、PTX2a(1)、PTX2b(1)がLow→High→Lowと遷移し、画素セル201(0,1)〜(m,1)のフォトダイオード7021、7022(Gr画素)が其々リセットされる。
これ以降、時刻T01cから時刻T02cにおいては、選択する行を変えて、上記と同様の動作を行う。画素セル201(0,1)〜(m,1)のフォトダイオード7011、7012(R画素)がリセットされる。また、画素セル201(0,2)〜(m,2)のフォトダイオード7021、7022(Gr画素)がリセットされる。
これ以降も同様にして、選択する行を変えながら、フォトダイオード7011、7012(R画素)およびフォトダイオード7021、7022(Gr画素)をリセットしていく。最終的には、画素セル201(0,n−1)〜(m,n−1)のフォトダイオード7011、7012(R画素)がリセットされる。また、画素セル201(0,n)〜(m,n)のフォトダイオード7021、7022(Gr画素)がリセットされる。
次に、フォトダイオードの電荷に基づく信号の読み出し動作について述べる。
時刻T10から時刻T10cにおける、読み出し走査用のデコードビット保持部8103の1次保持回路8103a、8103bのリセット/セット動作は、実施例1の駆動方法と同じである。
時刻T10cから時刻T11cにおける、読み出し走査用のデコードビット保持部8103の2次保持回路8103c、8103dの保持動作は、実施例1の駆動方法と同じである。
同じ時間帯、時刻T10cから時刻T11cにおける、PTXイネーブル生成部8107の動作は、実施例1の駆動方法と同じである。
同じ時間帯、時刻T10cから時刻T11cにおける画素駆動信号について説明する。
PSEL1(y)は、LATRD1(0)がHighなので、PSEL1(0)のみ信号pselの波形に準じて遷移する。したがって、画素セル201(0,0)〜(m,0)では選択トランジスタ707がオンし、信号線202と接続する。また、それ以外の行は、信号線202と接続しない。
PSEL2(y)は、LATRD2(1)がHighなので、PSEL2(1)のみ信号pselの波形に準じて遷移する。したがって、画素セル201(0,1)〜(m,1)では選択トランジスタ708がオンし、信号線203と接続する。また、それ以外の行は、信号線203と接続しない。
PRES(y)は、LATRD1(0)およびLATRD2(1)がHighなので、PRES(0)、PRES(1)が信号pres_rd_bの反転波形に準じて遷移する。したがって、画素セル201(0,0)〜(m,0)および画素セル201(0,1)〜(m,1)では、pres_rd_bがHighの期間、入力ノードFDのリセットが解除される。また、それ以外の行は、入力ノードFDはリセット状態が保持される。
PTX1a(y)は、TX1_EN(0)がHighなので、PTX1a(0)のみ信号ptx1a_rdの波形に準じてLow→High→、Low→High→Lowと遷移する。また、PTX1b(y)は、TX1_EN(0)がHighなので、PTX1b(0)のみ信号ptx1b_rdの波形に準じてLow→High→Lowと遷移する。
したがって、まず、画素セル201(0,0)〜(m,0)のフォトダイオード7011(R画素)の電荷に基づく信号を、信号線202を介して読み出す。次に、同じく画素セル201(0,0)〜(m,0)のフォトダイオード7011、7012(R画素)の蓄積した電荷同士を入力ノードFDで加算する。この加算された電荷に基づく信号が、信号線202を介して読み出される。
PTX2a(y)は、TX2_EN(1)がHighなので、PTX2a(1)のみ信号ptx2a_rdの波形に準じてLow→High→Low→High→Lowと遷移する。また、PTX2b(y)は、TX2_EN(1)がHighなので、PTX1b(1)のみ信号ptx2b_rdの波形に準じてLow→High→Lowと遷移する。したがって、まず、画素セル201(0,1)〜(m,1)のフォトダイオード7021(Gr画素)の電荷に基づく信号を、信号線203を介して読み出す。次に、同じく画素セル201(0,0)〜(m,0)のフォトダイオード7021、7022(Gr画素)の築盛した電荷同士を入力ノードFDで加算する。この加算された電荷に基づく信号が、信号線203を介して読み出される。
これ以降、時刻T11cから時刻T12cにおいては、選択する行を変えて、上記と同じ動作を行う。画素セル201(0,1)〜(m,1)のフォトダイオード7011、7012(R画素)の電荷に基づく信号を読み出す。また、画素セル201(0,2)〜(m,2)のフォトダイオード7021、7022(Gr画素)の電荷に基づく信号を読み出す。
これ以降も同様にして、選択する行を変えながら、フォトダイオード7011、7012(R画素)およびフォトダイオード7021、7022(Gr画素)の電荷に基づく信号を読み出していく。最終的には、画素セル201(0,n−1)〜(m,n−1)のフォトダイオード7011、7012(R画素)の電荷に基づく信号を読み出す。また、画素セル201(0,n)〜(m,n)のフォトダイオード7021、7022(Gr画素)の電荷に基づく信号を読み出す。
この駆動方法(異色並列読み出し、信号混合処理なし)の場合、PSEL1(y)とPTX1a(y)、PTX1b(y)の行選択タイミングが同じで、PSEL2(y)とPTX2a(y)、PTX2b(y)の行選択タイミングが同じである。このことを利用して、読み出し走査用のデコードビット保持部8103をPSELとPTXで共通使用し、走査回路を簡略化している。
また、本実施例の撮像装置もまた、実施例1の撮像装置と同じ効果を有している。
(実施例4)
本実施例の撮像装置について、実施例3と異なる点を中心に説明する。本実施例の撮像装置は、実施例3の撮像装置に対し、実施例2で述べた信号混合処理の動作を適用した動作である。
図10は、図8で示した垂直走査部103および画素部104の動作の一例を示すタイミングチャートである。なお、PTX生成部8108の動作以外は、実施例1の駆動方法1−2と同様である。図10のタイミングチャートでは、各行のLATRD1(y)、LATRD2(y)、TX1_EN(y)、TX2_EN(y)を図示していないが、図6と同じである。
ここで示す駆動方法では、画素セル201(x、y)と画素セル201(x、y+1)と画素セル201(x、y+2)と画素セル201(x、y+3)のR画素の電荷に基づく信号を並列に読み出す(同色並列読み出し)。また、画素セル201(x、y)と画素セル201(x、y+1)を同じ信号線202に接続して信号混合処理を行う。同様に、画素セル201(x、y+2)と画素セル201(x、y+3)を同じ信号線203に接続して信号混合処理を行う。実施例3で述べた動作よりも、並列に読み出す画素セルの数が多いため、実施例3の動作よりも高速な信号の読み出しが可能である。また、隣接している画素の信号を混合する場合、入力ノードFDを共有しているR画素、Gr画素を同時に読み出すことは困難である。本実施例では、同色並列読み出しを行っている。
本駆動方法の場合は、モードセレクト信号mode_selはHigh出力とする。
まず、フォトダイオードのリセット動作について述べる。実施例2の駆動方法と同じく、ローリングシャッター方式を例にとって説明する。
時刻T00から時刻T00cにおける、シャッタ走査用のデコードビット保持部8104の1次保持回路8104a、8104bのリセット/セット動作は、実施例2の駆動方法と同じである。
時刻T00cから時刻T01cにおける、シャッタ走査用のデコードビット保持部8104の2次保持回路8104c、8104dの保持動作は、実施例2の駆動方法と同じである。
同じ時間帯、時刻T00cから時刻T01cにおける画素駆動信号について説明する。
PRES(y00)(以下y00は0〜3)は、信号pres_sh_bの反転波形に準じて遷移する。PRES(y00)がHighなので、画素セル201(0,y00)〜(m,y00)、の入力ノードFDはリセット状態(電源電圧VDDに基づく電位)となる。ただし本実施例では、行選択の有無に関わらず、読み出し時以外、入力ノードFDはリセット状態としている。
PTX1a(y00)、PTX1b(y00)は、信号ptx_shの波形に準じて遷移する。この時、PTX1a(y00)、PTX1b(y00)がLow→High→Lowと遷移し、画素セル201(0,y00)〜(m,y00)のフォトダイオード7011、7012(R画素)がリセットされる。
PTX2a(y)、PTX2b(y)は、この時間帯は、全ての行でLowが保持される。したがって、フォトダイオード7021、7022(Gr画素)はリセットされない。
これ以降、時刻T01cから時刻T02cにおいては、選択する行を変えて、上記と同様の動作を行う。画素セル201(0、y01)〜(m、y01)、(y01は1〜4)のフォトダイオード7021、7022(Gr画素)がリセットされる。
次に、フォトダイオードの電荷に基づく信号の読み出し動作について述べる。
時刻T10から時刻T10cにおける、読み出し走査用のデコードビット保持部8103の1次保持回路8103a、8103bのリセット/セット動作は、実施例2の駆動方法と同じである。
時刻T10cから時刻T11cにおける、読み出し走査用のデコードビット保持部8103の2次保持回路8103c、8103dの保持動作は、実施例2の駆動方法と同じである。
同じ時間帯、時刻T10cから時刻T11cにおける、PTXイネーブル生成部8107の動作は、実施例2の駆動方法と同じである。
同じ時間帯、時刻T10cから時刻T11cにおける画素駆動信号について説明する。
PSEL1(y10_1)(以下y10_1は0〜1)は、LATRD1(y10_1)がHighなので、信号pselの波形に準じて遷移する。したがって、画素セル201(0,y10_1)〜(m,y10_1)では選択トランジスタ307がオンし、信号線202と接続する。また、それ以外の行は、信号線202と接続しない。
PSEL2(y10_2)(以下y10_2は2〜3)は、LATRD2(y10_2)がHighなので、信号pselの波形に準じて遷移する。したがって、画素セル201(0,y10_2)〜(m,y10_2)では選択トランジスタ308がオンし、信号線203と接続する。また、それ以外の行は、信号線203と接続しない。
PRES(y10_1)およびPRES(y10_2)は、その行のLATRD1およびLATRD2のいずれかがHighなので、信号pres_rd_bの反転波形に準じて遷移する。したがって、画素セル201(0,y10_1)〜(m,y10_1)および画素セル201(0,y10_2)〜(m,y10_2)では、pres_rd_bがHighの期間、入力ノードFDのリセットが解除される。また、それ以外の行は、入力ノードFDはリセット状態が保持される。
PTX1a(y10_1)は、TX1_EN(y10_1)がHighなので、信号ptx1a_rdの波形に準じてLow→High→Low→High→Lowと遷移する。また、PTX1b(y10_1)は、TX1_EN(y10_1)がHighなので、信号ptx1b_rdの波形に準じてLow→High→Lowと遷移する。この際、まずPTX1a(y10_1)だけがHighになるので、画素セル201(0,y10_1)〜(m,y10_1)のフォトダイオード7011(R画素)の電荷に基づく信号を、信号線202を介して読み出す。したがって、画素セル201(x、0)と画素セル201(x、1)のフォトダイオード7011(R画素)の電荷に基づく信号を信号線202で混合することができる。次にPTX1a(y10_1)とPTX1b(y10_1)がHighになるので、同じく画素セル201(0,y10_1)〜(m,y10_1)のフォトダイオード7011、7012(R画素)を入力ノードFDで加算して、信号線202を介して読み出す。したがって、入力ノードFDで加算した画素セル201(x、0)のR画素と、入力ノードFDで加算した画素セル201(x、1)のR画素の各々の信号を、信号線202で混合することができる。
PTX1a(y10_2)は、TX1_EN(y10_2)がHighなので、信号ptx1a_rdの波形に準じてLow→High→Low→High→Lowと遷移する。また、PTX1b(y10_2)は、TX1_EN(y10_2)がHighなので、信号ptx1b_rdの波形に準じてLow→High→Lowと遷移する。この際、まずPTX1a(y10_2)だけがHighになるので、画素セル201(0,y10_2)〜(m,y10_2)のフォトダイオード7011(R画素)の電荷に基づく信号を、信号線203を介して読み出す。したがって、画素セル201(x、2)と画素セル201(x、3)のフォトダイオード7011(R画素)の信号を、信号線203で混合することができる。次にPTX1a(y10_2)とPTX1b(y10_2)がHighになるので、同じく画素セル201(0,y10_2)〜(m,y10_2)のフォトダイオード7011、7012(R画素)を入力ノードFDで加算して、信号線203を介して読み出す。したがって、入力ノードFDで加算した画素セル201(x、2)のR画素と、入力ノードFDで加算した画素セル201(x、3)のR画素とを、信号線203で混合することができる。
また、全てのPTX2a(y)、PTX2b(y)は、信号ptx2_rdがLow固定なので、TX2_EN(y)のHigh/Lowに関わらず、Low固定となる。したがって、全ての画素セル201のフォトダイオード7021、7022(Gr画素)は読み出しを行わない。
これ以降、時刻T11cから時刻T12cにおいては、選択する行を変えて、上記と同様の動作を行う。画素セル201(0,y11)〜(m,y11)、(y11は1〜4)のフォトダイオード302(Gr画素)を読み出す。この際、画素セル201(x、1)と画素セル201(x、2)のGr画素の信号を混合し、画素セル201(x、3)と画素セル201(x、4)のGr画素の信号を混合する。
これ以降も同様にして、水平同期信号HD単位で、フォトダイオード7011、7012(R画素)の電荷に基づく信号の読み出しと、フォトダイオード7021、7022(Gr画素)の電荷に基づく信号の読み出しを切り替えながら、選択する行がシフトされる。
この駆動方法(同色並列読み出し、信号混合処理あり)の場合、PSEL1(y)とPTX1a(y)、PTX1b(y)の行選択タイミングは同じではない。また、PSEL2(y)とPTX2a(y)、PTX2b(y)の行選択タイミングも同じではない。しかし、PTXイネーブル生成部8107を備えることで、読み出し走査用のデコードビット保持部8103をPSELとPTXで共通使用し、走査回路を簡略化している。この際、信号(ptx1a_rd、ptx1b_rd)と(ptx2a_rd、ptx2b_rd)を水平同期信号HD単位で交互に遷移させる必要がある。
本実施例の撮像装置もまた、実施例2の撮像装置と同じ効果を備える。また、実施例3で述べた駆動方法と、本実施例の駆動方法とを切り替えて動作させてもよい。
また実施例3および本実施例では、画素が2つのフォトダイオードを有する構成を基に説明したがこの例に限定されるものではなく、さらに多い数のフォトダイオードを備えていてもよい。
なお、実施例3と本実施例では、1つのマイクロレンズを共有する複数のフォトダイオードの、一方のフォトダイオードのみの電荷に基づく信号(第1信号とする)を画素セル201から読み出す。さらに、複数のフォトダイオードの電荷を加算することによって得た電荷に基づく信号(第2信号とする)を、画素セル201から読み出すことを説明した。この第1信号と、第2信号から第1信号を差し引いた信号(第3信号)とを用いて、一方のフォトダイオードに入射した光と他方のフォトダイオードに入射した光との位相差を検出することができる。この位相差を用いて、焦点検出を行うことができる。また、第2信号を用いて、画像を生成することができる。この第2信号から第1信号を差し引く処理と、位相差を利用した焦点検出と、画像の生成は、撮像装置の外部に設けられ、撮像装置の信号が入力される信号処理部が行うようにすればよい。なお、この撮像装置の外部とは、撮像装置と同一のチップであってもよく、例えば、撮像装置が設けられた半導体基板に対し、信号処理部が設けられた半導体基板を積層することによって1つのチップとする形態であってもよい。また、この信号処理部は、撮像装置の内部、つまり撮像装置が設けられた半導体基板と同一の半導体基板に設けられていてもよい。また、第2信号から第1信号を差し引く処理と、位相差を利用した焦点検出と、画像の生成の一部の処理を撮像装置の内部で行い、他の一部の処理を撮像装置の外部で行うようにしてもよい。
(実施例5)
本実施例は、実施例2の撮像装置の構成と同じであり、駆動方法が異なる例である。
実施例2の駆動方法では、2つの画素セル201の信号を混合する例について示した。本実施例では、3つの画素セル201の各々の信号を混合する。また、全てのフォトダイオードの電荷が順次、入力ノードFDに転送される。
図11は、本実施例の信号の読み出し動作と、フォトダイオードに入射する光の色とフォトダイオードのレイアウトとを合わせて示した図である。本実施例の駆動方法は、信号を混合する画素セル201の行数が2行から3行になること以外は、実施例2の駆動方法と同じである。
この場合、混合処理したR画素の信号の色重心と、混合処理したGr画素の信号の色重心の距離が均等になる。これにより、撮像装置が出力する信号を用いて生成した画像において、良好な色特性が得られる。
(実施例6)
本実施例について、実施例1、実施例2と異なる点を中心に説明する。
本実施例の撮像装置の構成は、実施例1、実施例2と同じである。実施例1では、信号混合処理を行わず、異色並列読み出しを行う駆動方法を説明した。実施例2では、同色並列読み出しで、信号混合処理を行う駆動方法を説明した。本実施例は、異色並列読み出しで信号混合処理を行う駆動方法である。
図12は、本実施例の駆動方法を模式的に示した図である。図12は、フォトダイオード301、302のレイアウトと、読み出しタイミングとを合わせて示した図である。本実施例では、画素セル201(x、y)、画素セル201(x、y+1)のRのフォトダイオード301の電荷に基づく信号と、画素セル201(x、y+3)、画素セル201(x、y+4)のGrのフォトダイオード302の電荷に基づく信号とが並列に読み出される。つまり、異色並列読み出しが行われる。また、画素セル201(x、y)、画素セル201(x、y+1)のRの電荷に基づく信号同士が、信号線202、信号線203の一方で混合される。また、画素セル201(x、y+3)、画素セル201(x、y+4)のGrのフォトダイオード302の電荷に基づく信号同士が、信号線202、信号線203の他方で混合される。また、本実施例では、5つの画素セル201のRのフォトダイオード301のうち、信号を読み出すのは、2つの画素セル201のRのフォトダイオード301である。残る3つの画素セル201のRのフォトダイオード301については信号を読み出さない。同じく、5つの画素セル201のGrのフォトダイオード301のうち、信号を読み出すのは、2つの画素セル201のGrのフォトダイオード301である。残る3つの画素セル201のGrのフォトダイオード301については信号を読み出さない。このように、本実施例では、第1の信号線で混合する信号を出力する、一部の複数の画素セル同士の間に配された画素セルの数と、第2の信号線で混合する信号を出力する、他の一部の複数の画素セル同士の間に配された画素セルの数とを同じにする。
図13は、本実施例の駆動を示したタイミングチャートである。
本駆動方法の場合は、モードセレクト信号mode_selはLow出力とする。
まず、フォトダイオードのリセット動作について述べる。ここでは、駆動方式1−1と同様に、ローリングシャッター方式を例にとって説明する。シャッタ開始信号SH_STRと垂直同期信号VDの間隔が露光時間に相当する。
時刻T00において、フォトダイオードのリセット動作を開始する。CPU101は、制御部102に対して、シャッタ開始信号SH_STRと水平同期信号HDを入力する。
次に、時刻T00から時刻T00aにおいて、シャッタ走査用のデコードビット保持部4104の1次保持回路4104a、4104bを一括リセットする。
次に、時刻T00aから時刻T00bにおいて、2行分のシャッタ走査用のデコードビット保持部4104の1次保持回路4104aをセットする。まず、制御部102はvaddrを0に設定し、アドレスデコード部401のaddr_bit(0)はHighレベルを出力する。この時、他のaddr_bit(1)〜addr_bit(n)はLowレベルを出力する。ここで、信号sh_latch1_enをLow→High→Lowと遷移させ、0行目の1次保持回路4104aにHighをセットする。その後同様にして、制御部102はvaddrを1に設定し、1行目の1次保持回路4104aにHighをセットする。
次に、時刻T00bから時刻T00cにおいて、2行分のシャッタ走査用のデコードビット保持部4104の1次保持回路4104bをセットする。制御部102はvaddrを3に設定し、信号sh_latch2_enをLow→High→Lowと遷移させ、3行目の1次保持回路4104bにHighをセットする。その後同様にして、制御部102はvaddrを4に設定し、4行目の1次保持回路4104bにHighをセットする。
次に、時刻T00cから時刻T01cにおいて、シャッタ走査用のデコードビット保持部4104の2次保持回路4104c、4104dが保持動作を行う。制御部102は信号sh_gateをLow→High→Lowと遷移させる。すると垂直走査部103では、全てのシャッタ走査用のデコードビット保持部の2次保持回路4104cが、1次保持回路4104aのQの出力を取り込む。また同様に、全てのシャッタ走査用のデコードビット保持部の2次保持回路4104dが、1次保持回路4104bのQの出力を取り込む。したがって、この期間中、0行目、1行目の2次保持回路4104cのQはHighを出力し続け、3行目、4行目の2次保持回路4104dのQはHighを出力し続ける。また他行の2次保持回路4104c、4104dのQはLowを出力し続ける。
同様の時間帯、時刻T00cから時刻T01cにおける画素駆動信号について説明する。
PRES(y)は、行選択の有無に関わらず、読み出し時以外、入力ノードFDはリセット状態としている。
PTX1(y00_1)(y00_1は0〜1)は、信号ptx_shの波形に準じて遷移する。この時、PTX1(y00_1)がLow→High→Lowと遷移し、画素セル201(0,y00_1)〜(m,y00_1)のRのフォトダイオード301がリセットされる。
PTX2(y00_2)(y00_2は3〜4)は、信号ptx_shの波形に準じて遷移する。この時、PTX2(y00_2)がLow→High→Lowと遷移し、画素セル201(0,y00_2)〜(m,y00_2)のGrのフォトダイオード302がリセットされる。
これ以降、時刻T01cから時刻T02cにおいては、選択する行を変えて、上記と同様の動作を行う。画素セル201(0、y01_1)〜(m、y01_1)、(y01_1は5〜6)のRのフォトダイオード301がリセットされる。また、画素セル201(0、y01_2)〜(m、y01_2)、(y01_2は8〜9)のGrのフォトダイオード302がリセットされる。
これ以降も同様にして、選択する行をシフトしながら、フォトダイオード301、302をリセットしていく。
次に、フォトダイオードの読み出し動作について述べる。
時刻T10において、フォトダイオードの読み出し動作を開始する。CPU101は、制御部102に対して、垂直同期信号VDと水平同期信号HDを入力する。
次に、時刻T10から時刻T10aにおいて、読み出し走査用のデコードビット保持部4103の1次保持回路4103a、4103bを一括リセットする。
次に、時刻T10aから時刻T10bにおいて、2行分の読み出し走査用のデコードビット保持部4103の1次保持回路4103aをセットする。制御部102は、vaddrを0に設定し、アドレスデコード部401のaddr_bit(0)はHighレベルを出力する。この時、信号rd_latch1_enをLow→High→Lowと遷移させ、0行目の1次保持回路4103aにHighをセットする。その後同様にして、制御部102はvaddrを1に設定し、1行目の1次保持回路4103aにHighをセットする。
次に、時刻T10bから時刻T10cにおいて、2行分の読み出し走査用のデコードビット保持部4103の1次保持回路4103bをセットする。制御部102は、vaddrを3に設定し、アドレスデコード部401のaddr_bit(3)はHighレベルを出力する。この時、信号rd_latch2_enをLow→High→Lowと遷移させ、3行目の1次保持回路4103bにHighをセットする。その後同様にして、制御部102はvaddrを4に設定し、1行目の1次保持回路4103bにHighをセットする。
次に、時刻T10cから時刻T11cにおいて、読み出し走査用のデコードビット保持部4103の2次保持回路4103c、4103dが保持動作を行う。制御部102は、信号rd_gateをLow→High→Lowと遷移させる。すると垂直走査部103では、全ての読み出し走査用のデコードビット保持部の2次保持回路4103cが、1次保持回路4103aのQの出力を取り込む。また同様に、全ての読み出し走査用のデコードビット保持部の2次保持回路4103dが、1次保持回路4103bのQの出力を取り込む。したがって、この期間中、0行目、1行目の2次保持回路4103cのQ(LATRD1(0)、LATRD1(1))はHighを出力し続ける。また、この期間中、3行目、4行目の2次保持回路4104dのQ(LATRD2(3)、LATRD2(4))はHighを出力し続け、他行の2次保持回路4104dのQはLowを出力し続ける。
同様の時間帯、時刻T、0cから時刻T、1cにおけるPTXイネーブル生成部4107の動作について説明する。(y10_1)行目(y00_1は0〜1)では、mode_selがLow、LATRD1(y10_1)がHigh、なのでTX1_EN(y10_1)はHighになる。また(y10_2)行目(y00_2は3〜4)では、mode_selがLow、LATRD2(y10_2)がHigh、なのでTX2_EN(y10_2)はHighになる。
同様の時間帯、時刻T10cから時刻T11cにおける画素駆動信号について説明する。
PSEL1(y10_1)は、LATRD1(y10_1)がHighなので、信号pselの波形に準じて遷移する。したがって、画素セル201(0,y10_1)〜(m,y10_1)では選択トランジスタ307がオンし、信号線202と接続する。また、それ以外の行は、信号線202と接続しない。
PSEL2(y10_2)は、LATRD2(1)がHighなので、信号pselの波形に準じて遷移する。したがって、画素セル201(0,y10_2)〜(m,y10_2)では選択トランジスタ308がオンし、信号線203と接続する。また、それ以外の行は、信号線203と接続しない。
PRES(y10_1)とPRES(y10_2)は、LATRD1(y10_1)もしくはLATRD2(y10_2)がHighなので、PRES(y10_1)、PRES(y10_2)が信号pres_rd_bの反転波形に準じて遷移する。したがって、画素セル201(0,y10_1)〜(m,y10_1)および画素セル201(0,y10_2)〜(m,y10_2)では、pres_rd_bがHighの期間、入力ノードFDのリセットが解除される。また、それ以外の行は、入力ノードFDはリセット状態が保持される。
PTX1(y10_1)は、TX1_EN(y10_1)がHighなので、信号ptx1_rdの波形に準じて遷移する。したがって、画素セル201(0,y10_1)〜(m,y10_1)のRのフォトダイオード301を、信号線202を介して読み出すことができる。したがって、画素セル201(x、0)と画素セル201(x、1)のRのフォトダイオード301の電荷に基づく信号同士を、信号線202で混合することができる。
PTX2(y10_2)は、TX2_EN(y10_2)がHighなので、PTX2(y10_2)のみ信号ptx2_rdの波形に準じて遷移する。したがって、画素セル201(0,y10_2)〜(m,y10_2)のGrのフォトダイオード302を、信号線203を介して読み出すことができる。したがって、画素セル201(x、3)と画素セル201(x、4)のGrのフォトダイオード302の電荷に基づく信号を信号線203で混合することができる。
これ以降、時刻T11cから時刻T12cにおいては、選択する行を変えて、上記と同様の動作を行う。画素セル201(0,y11_1)〜(m,y11_1)(y11_1は5〜6)のRのフォトダイオード301を読み出す。この際、画素セル201(x、5)と画素セル201(x、6)のRのフォトダイオード301の電荷に基づく信号同士を混合する。また、画素セル201(0,y11_2)〜(m,y11_2)(y11_2は8〜9)のGrのフォトダイオード302の電荷に基づく信号同士を混合する。この際、画素セル201(x、8)と画素セル201(x、9)のGrのフォトダイオード302の電荷に基づく信号同士を混合する。
本実施例では、信号混合処理を行った、Rのフォトダイオード301の色重心と、信号混合処理を行ったGrのフォトダイオード302の色重心の距離が均等となる。よって、撮像装置が出力した信号を用いて生成する画像において、良好な色特性が得られる。
(実施例7)
本実施例は、上述した各実施例の撮像装置を有する撮像システムに関する。
撮像システムとして、デジタルスチルカメラやデジタルカムコーダーや監視カメラなどがあげられる。図14に、撮像システムの例としてデジタルスチルカメラに撮像装置を適用した場合の模式図を示す。
図14に例示した撮像システムは、レンズの保護のためのバリア1501、被写体の光学像を撮像装置1504に結像させるレンズ1502、レンズ1502を通過する光量を可変にするための絞り1503を有する。レンズ1502、絞り1503は撮像装置1504に光を集光する光学系である。また、図14に例示した撮像システムは撮像装置1504より出力される出力信号の処理を行う出力信号処理部1505を有する。出力信号処理部1505は必要に応じて各種の補正、圧縮を行って信号を出力する動作を行う。
図14に例示した撮像システムはさらに、画像データを一時的に記憶する為のバッファメモリ部1506、外部コンピュータ等と通信する為の外部インターフェース部1507を有する。さらに撮像システムは、撮像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体1509、記録媒体1509に記録または読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部1508を有する。さらに撮像システムは、各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御演算部1510、撮像装置1504と出力信号処理部1505に各種タイミング信号を出力するタイミング供給部1511を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、撮像システムは少なくとも撮像装置1504と、撮像装置1504から出力された出力信号を処理する出力信号処理部1505とを有すればよい。
なお、出力信号処理部1505は、実施例4で述べた、焦点検出を行う信号処理部とすることができる。
以上のように、本実施例の撮像システムは、撮像装置1504を適用して撮像動作を行うことが可能である。
なお、上記実施例は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。また、これまで述べた各実施例を種々組み合わせて実施することができる。