JP6999381B2

JP6999381B2 - 固体撮像装置

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Publication number: JP6999381B2
Application number: JP2017228284A
Authority: JP
Inventors: 達基岩尾; 卓治浦田; 佳直森川
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2022-01-18
Anticipated expiration: 2037-11-28
Also published as: JP2019102842A; CN110035240B; US10659711B2; CN110035240A; US20190166322A1

Description

本発明は、固体撮像装置に関する。

従来、ＣＭＯＳイメージセンサ及びＣＣＤイメージセンサ等の固体撮像素子の画像転送においては、一定の画素数のデータを一定のフレームレートで転送し続けることはできない（特許文献１及び２）。その理由として、外部のフレームレートのクロックに対して、整数比となるような内部クロックが生成できれば良いが、あるブロックの転送スピードがそれに合致しないため、非整数比の内部クロックを使用することになる。したがって、外部のフレームレートと少しずれたフレームレートとなることが問題であった。

上述の課題を解決するために、従来の固体撮像素子には水平ブランキング機構が備えられている。しかし、従来の水平ブランキング機構は、上述の課題を改善できるものの、完全に解消するまでには至っていない。

特開2008-118698号公報特開2008-16977号公報

本発明の一態様は、固体撮像素子の画像転送におけるフレームレートを精度よく制御可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る固体撮像装置は、撮像部からの画像データを読み出す駆動装置を備え、上記駆動装置は、上記撮像部から上記画像データを読み出すとき、上記画像データを、Ｖ行Ｈ列の画像データと、Ｖ’行Ｈ’列のブランキングデータとで構成し、少なくとも１フレーム毎に上記画像データのデータ数を可変とする。

本発明の一態様によれば、固体撮像素子の画像転送におけるフレームレートを精度よく制御可能な固体撮像装置を提供することができる。

本発明の実施形態１に係る固体撮像装置に含まれる駆動装置の概略構成を示すブロック図である。画素部及びブランキング部からなる１画像分のデータの模式図である。一般的な水平ブランキング機構が図２に示したデータを転送する時のタイミングチャートを示す図である。上記実施形態１に係る、画素部及びブランキング部からなる１画像分のデータの模式図である。上記実施形態１に係る水平ブランキング機構が図４に示したデータを転送する時のタイミングチャートを示す図である。本発明の実施形態４に係る、画素部及びブランキング部からなる１画像分のデータの模式図である。

〔実施形態１〕
以下、本発明の実施形態１について、詳細に説明する。まず、図２及び図３を用いて、一般的な水平ブランキング機構について、簡単に説明する。

図２は、画素部及びブランキング部からなる１画像分のデータの模式図である。図２に示すように、画像エリアを含む画素部（Frame Output Data）はＨ列及びＶ行で規定され、ブランキング部（Hblank、Vblank）はＨ’列及びＶ’行で規定されている。Ｈ列、Ｈ’列、Ｖ行及びＶ’行は整数となる。Ｈ列、Ｈ’列、Ｖ行及びＶ’行は画素数で定義されるからである。

図３は、水平ブランキング機構が図２に示したデータを転送する時のタイミングチャートを示す図である。フレームレートは、固体撮像装置の外部から入力される外部信号であるＸＦＴＲＧ信号及び、固体撮像装置の内部で、ＸＦＴＲＧ信号と同期するように生成される内部信号であるＣＬＫ信号から規定される。ＸＦＴＲＧ信号の周期及び周波数は、それぞれ、Ｔｘｆｔｒｇ（ｓ）及びＦｘｆｔｒｇ（Ｈｚ）である。ＣＬＫ信号の周期及び周波数は、それぞれ、Ｔｃｌｋ（ｓ）及びＦｃｌｋ（Ｈｚ）である。図３では、ＸＦＴＲＧ信号及びＣＬＫ信号が共に立上るタイミングで、１画像分のデータの転送が開始する。

Ｈ列、Ｈ’列、Ｖ行、Ｖ’行、Ｔｘｆｔｒｇ、Ｆｘｆｔｒｇ、Ｔｃｌｋ及びＦｃｌｋは、次の式（１）の関係を満たすことが理想である。

Ｔｃｌｋ＝１／Ｆｃｌｋであることから、式（１）は次の式（２）となる。

式（２）の左辺の１／Ｆｃｌｋを右辺に移動すれば、式（２）は次の式（３）となる。

ここで、外部信号（外部クロック）であるＸＦＴＲＧ信号は、一般に、実数である。ＦｘｆｔｒｇとＦｃｌｋとの比が整数となるように、ＣＬＫ信号を生成することが可能であれば、式（３）の右辺を整数とすることができる。しかし、実際は、あるブロックの転送スピードをそれに合わせて選択することができない。このため、式（３）の右辺を整数とすることができない。その結果、式（３）の右辺は実数となり、整数とはならず、それゆえ、次の式（４）に示すとおり、式（３）の左辺と右辺との間で等号は成立しない。

式（４）の左辺と右辺との間における等号不成立に起因する誤差が積み上がることになり、これにより、フレームレートを一定に保ち続けることができない、といった問題が生じる。

このため、一般的な水平ブランキング機構では、一定の時間毎に、Ｖ’行及びＨ’列の値を一つ増減する操作（ここでは、１画素分を増減する操作）を行う。これにより、上述の積み上がる誤差を解消することにより、フレームレートとデータ転送との同期を保っている。

本発明者らは、一般的な水平ブランキング機構においてこれまで行われてきた、Ｖ’行及びＨ’列の値を一つ増減する、という上述の操作を不要とすべく、鋭意検討を行った結果、本発明を発明するに至った。

以下、本発明の特徴部分について説明する。なお、固体撮像装置の一般的な技術に関しては、説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態１に係る固体撮像装置に含まれる駆動装置の概略構成を示すブロック図である。駆動装置１は、位置検出部１１と、判定部１２と、決定部１３と、差分検出部１４と、調整部１５と、を備える。駆動装置１は、撮像面に複数の光電変換素子が配置された撮像部（図示省略）からの画像データを読み出す処理を制御する。位置検出部１１、判定部１２、決定部１３、差分検出部１４及び調整部１５の各機能については、後述する。なお、図１に示した駆動装置１の概略構成は、後述する実施形態２～５の各実施形態に係る駆動装置の構成を示すものでもある。

本発明の実施形態１に係る固体撮像装置では、駆動装置１が、フレームレートとデータ転送とを誤差なく同期させるため、差分検出部１４は、ＸＦＴＲＧ信号及び内部信号から上記の式（４）の左辺と右辺との差分を検出し、調整部１５は、差分検出部１４の検出結果に基づく調整信号を出力し、上記の式（４）の左辺を限りなく、右辺の実数に近づける処理を行う。

図４は、本実施形態１に係る、画素部及びブランキング部からなる１画像分のデータの模式図である。図４に示すように、１画像分の行において、Ｈ列の幅がＨＡであるＶ１行と、Ｈ列の幅がＨＡ＋１であるＶ２行とを設定する。すなわち、Ｖ１行におけるＨ列の幅とＶ２行におけるＨ列の幅とを１画素分だけ異なるものとする。

一般的は水平ブランキング機構では、すべての行において１画素分の増減を行う。このため、フレームレートとデータ転送との誤差は大きくなる。

本実施形態によれば、１画像分の行毎に１画素分の増減を制御することで、フレームレートを精度よく制御することができる。

なお、すべての行において１画素分の増減を行うことは一例に過ぎず、本発明の一実施形態は、要は、任意の単位クロック時間の増減を行うものである。例えば１画素を１０ビット信号で出力（１ビットの出力に１クロックを必要とするので、１０ビットの出力に１０クロックを必要とする）するのであれば、１／１０画素分の出力に必要とする１クロック単位（１ビットの出力に必要とする１クロック）で増減を行うことも可能である。

〔実施形態２〕
上記の実施形態１におけるＨＡ、Ｖ１行及びＶ２行に適切な整数を選択すると、上記の式（４）は、端数α及びβを用いて、次の式（５）及び（６）で表される。ただし、ｎは、Ｆｃｌｋ／Ｆｘｆｔｒｇを超えない最大の整数とする。

Ｎビット信号では、式（５）のα及び式（６）のβは、Ｎビットの整数ｐ及び整数ｑとその端数で示される。

このとき、ｐ回のうちのｑ回で１画素分の補正を行うことにより、さらに精度よくフレームレートを制御することができる。

例えば、３ビット信号の場合、式（７）からαが０．４２１９５であれば、端数α’は次の式（９）で表される。

この場合、８回のうちの３回で１画素分の補正を行うことにより、上記の実施形態１よりも精度よくフレームレートを制御することができる。

〔実施形態３〕
上記の実施形態２において除去することができない端数α’及び端数β’のシフトがあっても、ＳＯＬ信号を利用し、決められた一定の範囲に収めることで、人為的な制御を不要とする。

本実施形態では、上記の実施形態２における２つのモード（Ａｍｏｄｅ及びＢｍｏｄｅ）を利用する。例えば、Ａｍｏｄｅで駆動しているとＳＯＬ信号がＸＦＴＲＧ信号からシフトして、決められた範囲から逸脱するまえに、Ｂｍｏｄｅに切り替える。すると，シフト方向が反転する。以下同様にして、ｍｏｄｅを自動的に切り替えることにより、ＳＯＬ信号を決められた制御範囲に収める。これによって、ＸＦＴＲＧ信号とデータ転送とを一定の範囲で、且つ永続的に制御することができる。このため、人為的な調整は不要となる。

図５を用いて、より具体的に説明する。図５は、本実施形態に係る水平ブランキング機構が図４に示したデータを転送する時のタイミングチャートを示す図である。

図４に示すように、Ａｍｏｄｅ及びＢｍｏｄｅのいずれにおいても、ｐ回のうちのｑ回で補正を行ったとしても、上述のα’又はβ’が切り捨てられる。

例えば、上述の式（９）に示したように、十進数である０．４２１９５を二進数で表すと、
０．４２１９５（十進数表記）
＝０．２５＋０．１２５＋０．０４６９５（十進数表記）
＝０．０１＋０．００１＋α’（二進数表記）
となる。

３ビット信号の場合、端数α’は、０．００１（二進数表記）以下となり、３ビット信号では表現することができない。このため、端数α’は切り捨てられる。端数β’についても同様である。

このため、Frame Output Dataの、ＸＦＴＲＧ信号からの位置は、次第にシフトしていく。具体的には、Ａｍｏｄｅであれば、ＸＦＴＲＧ信号に近づき、Ｂｍｏｄｅであれば、ＸＦＴＲＧ信号から遠ざかる。

そこで、Frame Output Dataの頭にあるＳＯＬ(Start of Line)信号を利用する。ＳＯＬ信号が制御範囲Ｒに収まるよう制御する。

例えば、Ａｍｏｄｅの場合、ＳＯＬ信号はＸＦＴＲＧ信号に近づいていく。位置検出部１１は、ＸＦＴＲＧ信号及び内部信号（ＣＬＫ信号）からＳＯＬ信号の位置を検出する。判定部１２は、位置検出部１１の検出結果からＳＯＬ信号が制御範囲Ｒの下端を下回ると判定する。決定部１３は、判定部１２の判定結果に基づき、ＡｍｏｄｅからＢｍｏｄｅへのｍｏｄｅの切り替えを決定する。調整部１５は、決定部１３の決定結果に基づく調整信号を出力し、Ｂｍｏｄｅを実行する。

次第に、ＳＯＬ信号が制御範囲Ｒの上端に近づいていく。位置検出部１１は、ＸＦＴＲＧ信号及び内部信号からＳＯＬ信号の位置を検出する。判定部１２は、位置検出部１１の検出結果からＳＯＬ信号が制御範囲Ｒの上端を上回ると判定する。決定部１３は、判定部１２の判定結果に基づき、ＢｍｏｄｅからＡｍｏｄｅへのｍｏｄｅの切り替えを決定する。調整部１５は、決定部１３の決定結果に基づく調整信号を出力し、Ａｍｏｄｅを実行する。

以降、同様に、ＡｍｏｄｅとＢｍｏｄｅとが交互に切り替えられる。こうすることにより、ＳＯＬ信号の、ＸＦＴＲＧ信号からのシフト量を制御範囲Ｒ内に収めることができる。ＡｍｏｄｅとＢｍｏｄｅとの切り替えを自動的に行わない場合、Frame Output DataのＸＦＴＲＧ信号からのシフトを解消するためには、ＡｍｏｄｅからＢｍｏｄｅへの切り替え、又は、ＡｍｏｄｅからＢｍｏｄｅへの切り替えを人手により行わなければならない。この切り替えは、例えば、レジスタの値を書き直すことにより行われる。本実施形態によれば、このようなレジスタの値を書き直す作業が不要となる。

〔実施形態４〕
上述した実施形態１は、垂直ブランキング機構においても、適用可能である。図６は、本発明の実施形態４に係る、画素部及びブランキング部からなる１画像分のデータの模式図である。

一般的は垂直ブランキング機構では、すべての行で１画素分を増減するので、フレームレートを合わせるには、誤差が大きかった。本実施形態によれば、行毎に１画素分の増減を制御することにより、フレームレートを精度よく制御することができる。

〔実施形態５〕
上述した実施形態２は、垂直ブランキング機構においても、適用可能である。後述する式（１４）及び式（１５）を満たす、端数α及びβにおいて、上述の式（７）及び（８）は同様に成立する。したがって、実施形態２と同様、ｐ回のうちのｑ回で１画素分の補正を行うことにより、さらに精度よくフレームレートを制御することができる。

〔実施形態６〕
上述した実施形態３は、垂直ブランキング機構においても、適用可能である。実施形態３と同様に手法により、ＡｍｏｄｅとＢｍｏｄｅｔとを繰り返すことにより、ＸＦＴＲＧ信号とデータ転送とを一定の範囲で、且つ永続的に制御することができる。このため、人為的な調整は不要となる。

〔その他の実施形態〕
上述の実施形態１～６は、行又は列を１画素分の増減によるブランキング調整を例として説明したが、本発明はこの例に限定されるものではない。実施形態１～６は、本願発明の理解のしやすさを考慮した実施形態であることに留意すべきである。

例えば、或る行において２画素分の列を増やし、次の行において列を増減させず、その次の行において１画素分の列を増やし、といったように任意に設定可能であり、転送モードに応じた適切な増減数を設定しても良い。

なお、本発明は、画素単位の増減ではなく、任意の単位クロック時間の増減で調整できることは上述したとおりである。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る固体撮像装置は、撮像部からの画像データを読み出す駆動装置を備え、上記駆動装置は、上記撮像部から上記画像データを読み出すとき、上記画像データを、Ｖ行Ｈ列の画像データと、Ｖ’行Ｈ’列のブランキングデータとで構成し、少なくとも１フレーム毎に上記画像データのデータ数を可変とする。

上記構成によれば、固体撮像素子の画像転送におけるフレームレートを精度よく制御することができる。

本発明の態様２に係る固体撮像装置は、上記態様１において、上記駆動装置は、上記ブランキングデータのＶ’行を変化させる。

本発明の態様３に係る固体撮像装置は、上記態様１において、上記駆動装置は、上記ブランキングデータのＨ’列を変化させる。

本発明の態様４に係る固体撮像装置は、上記態様１において、上記駆動装置は、上記ブランキングデータのＶ’行及びＨ’列を変化させる。

本発明の態様５に係る固体撮像装置は、上記態様４において、上記ブランキングデータのＶ’行及びＨ’列は、下記の式（１０）及び式（１１）を満たす。

ただし、Ｆｘｆｔｒｇは、固体撮像装置の外部から入力されるＸＦＴＲＧ信号の周波数、Ｆｃｌｋは、ＸＦＴＲＧ信号に同期するように固体撮像装置の内部で生成されるＣＬＫ信号の周波数である。

本発明の態様６に係る固体撮像装置は、上記態様１～５のいずれかにおいて、上記駆動装置は、下記の式（１２）又は式（１３）を満たす、上記画像データを読み出す。

ただし、Ｆｘｆｔｒｇは、固体撮像装置の外部から入力されるＸＦＴＲＧ信号の周波数、Ｆｃｌｋは、ＸＦＴＲＧ信号に同期するように固体撮像装置の内部で生成されるＣＬＫ信号の周波数、Ｖ１は、１画像分の行における、Ｈ’列の幅がＨＡ＋１である行、Ｖ２は、１画像分の行における、Ｈ’列の幅がＨＡである行である。

ただし、Ｆｘｆｔｒｇは、固体撮像装置の外部から入力されるＸＦＴＲＧ信号の周波数、Ｆｃｌｋは、ＸＦＴＲＧ信号に同期するように固体撮像装置の内部で生成されるＣＬＫ信号の周波数、Ｖ１＋１は、１画像分の行における、Ｈ’列の幅がＨＡ＋１である行、Ｖ２－１は、１画像分の行における、Ｈ’列の幅がＨＡである行である。

本発明の態様７に係る固体撮像装置は、上記態様１～５のいずれかにおいて、上記駆動装置は、下記の式（１４）又は式（１５）を満たす、上記画像データを読み出す。

ただし、Ｆｘｆｔｒｇは、固体撮像装置の外部から入力されるＸＦＴＲＧ信号の周波数、Ｆｃｌｋは、ＸＦＴＲＧ信号に同期するように固体撮像装置の内部で生成されるＣＬＫ信号の周波数、Ｈ１は、１画像分の列における、Ｖ’行の幅がＶＡ＋１である列、Ｈ２は、１画像分の列における、Ｖ’行の幅がＶＡである列である。

ただし、Ｆｘｆｔｒｇは、固体撮像装置の外部から入力されるＸＦＴＲＧ信号の周波数、Ｆｃｌｋは、ＸＦＴＲＧ信号に同期するように固体撮像装置の内部で生成されるＣＬＫ信号の周波数、Ｈ１＋１は、１画像分の列における、Ｖ’行の幅がＶＡ＋１である列、Ｈ２－１は、１画像分の列における、Ｖ’行の幅がＶＡである列である。

本発明の態様８に係る固体撮像装置は、上記態様６において、上記ブランキングデータのＨ’列の幅は、少なくとも１フレーム毎に可変する。

本発明の態様９に係る固体撮像装置は、上記態様７において、上記ブランキングデータのＶ’行の幅は、少なくとも１フレーム毎に可変する。

本発明の態様１０に係る固体撮像装置は、上記態様６～９のいずれかにおいて、上記Ａｍｏｄｅと上記Ｂｍｏｄｅとを交互に切り替える。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

１駆動装置
１１位置検出部
１２判定部
１３決定部
１４差分検出部
１５調整部

Claims

撮像部からの画像データを読み出す駆動装置を備え、
上記駆動装置は、
上記撮像部から上記画像データを読み出すとき、上記画像データを、Ｖ行Ｈ列の画像データと、垂直ブランキングデータと、水平ブランキングデータとで構成し、
少なくとも１フレーム毎に上記垂直ブランキングデータの行の幅及び上記水平ブランキングデータの列の幅を可変とし、
上記垂直ブランキングデータの行の幅は、下記の式（１）を満たし、上記水平ブランキングデータの列の幅は、下記の式（２）を満たすことを特徴とする固体撮像装置。

ただし、Ｆｘｆｔｒｇは、固体撮像装置の外部から入力されるＸＦＴＲＧ信号の周波数、Ｆｃｌｋは、ＸＦＴＲＧ信号に同期するように固体撮像装置の内部で生成されるＣＬＫ信号の周波数、Ｖ’及びＶ’＋１は、垂直ブランキングデータの行の幅、Ｈ’及びＨ’＋１は、水平ブランキングデータの列の幅である。
上記駆動装置は、上記垂直ブランキングデータの行の幅を変化させることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
上記駆動装置は、上記水平ブランキングデータの列の幅を変化させることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
撮像部からの画像データを読み出す駆動装置を備え、
上記駆動装置は、
上記撮像部から上記画像データを読み出すとき、上記画像データを、Ｖ行Ｈ列の画像データと、垂直ブランキングデータと、水平ブランキングデータとで構成し、
少なくとも１フレーム毎に上記垂直ブランキングデータの行の幅及び上記水平ブランキングデータの列の幅を可変とし、
上記駆動装置は、上記画像データを読み出すときの駆動モードである下記の式（３）のＡｍｏｄｅ又は式（４）のＢｍｏｄｅで、上記画像データを読み出すことを特徴とする固体撮像装置。

ただし、Ｆｘｆｔｒｇは、固体撮像装置の外部から入力されるＸＦＴＲＧ信号の周波数、Ｆｃｌｋは、ＸＦＴＲＧ信号に同期するように固体撮像装置の内部で生成されるＣＬＫ信号の周波数、Ｖ１は、１画像分の行における、水平ブランキングデータの列の幅がＨＡ＋１である行、Ｖ２は、１画像分の行における、水平ブランキングデータの列の幅がＨＡである行である。

ただし、Ｆｘｆｔｒｇは、固体撮像装置の外部から入力されるＸＦＴＲＧ信号の周波数、Ｆｃｌｋは、ＸＦＴＲＧ信号に同期するように固体撮像装置の内部で生成されるＣＬＫ信号の周波数、Ｖ１＋１は、１画像分の行における、水平ブランキングデータの列の幅がＨＡ＋１である行、Ｖ２－１は、１画像分の行における、水平ブランキングデータの列の幅がＨＡである行である。
撮像部からの画像データを読み出す駆動装置を備え、
上記駆動装置は、
上記撮像部から上記画像データを読み出すとき、上記画像データを、Ｖ行Ｈ列の画像データと、垂直ブランキングデータと、水平ブランキングデータとで構成し、
少なくとも１フレーム毎に上記垂直ブランキングデータの行の幅及び上記水平ブランキングデータの列の幅を可変とし、
上記駆動装置は、上記画像データを読み出すときの駆動モードである下記の式（５）のＡｍｏｄｅ又は式（６）のＢｍｏｄｅで、上記画像データを読み出すことを特徴とする固体撮像装置。

ただし、Ｆｘｆｔｒｇは、固体撮像装置の外部から入力されるＸＦＴＲＧ信号の周波数、Ｆｃｌｋは、ＸＦＴＲＧ信号に同期するように固体撮像装置の内部で生成されるＣＬＫ信号の周波数、Ｈ１は、１画像分の列における、垂直ブランキングデータの行の幅がＶＡ＋１である列、Ｈ２は、１画像分の列における、垂直ブランキングデータの行の幅がＶＡである列である。

ただし、Ｆｘｆｔｒｇは、固体撮像装置の外部から入力されるＸＦＴＲＧ信号の周波数、Ｆｃｌｋは、ＸＦＴＲＧ信号に同期するように固体撮像装置の内部で生成されるＣＬＫ信号の周波数、Ｈ１＋１は、１画像分の列における、垂直ブランキングデータの行の幅がＶＡ＋１である列、Ｈ２－１は、１画像分の列における、垂直ブランキングデータの行の幅がＶＡである列である。
上記水平ブランキングデータの列の幅は、少なくとも１フレーム毎に可変することを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
上記垂直ブランキングデータの行の幅は、少なくとも１フレーム毎に可変することを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
上記Ａｍｏｄｅと上記Ｂｍｏｄｅとを交互に切り替えることを特徴とする請求項４～７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。