JP7102161B2 - 撮像装置、撮像システム、及び、移動体 - Google Patents
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Description
を切り替えるランプ信号切り替え回路と、選択回路と、を有し、前記ゲイン切り替え回路と、前記ランプ信号切り替え回路とのそれぞれが、前記選択回路を介して、前記出力ノードに電気的に接続され、前記選択回路は、前記ゲイン切り替え回路と前記ランプ信号切り替え回路の一方に信号を選択的に出力する構成を備え、前記信号は、前記ゲイン切り替え回路においては前記ゲインの切り替えに用いる信号であり、前記ランプ信号切り替え回路においては前記傾きの切り替えに用いる信号であることを特徴とする撮像装置を提供する。
(撮像装置)
図1は、本発明の第1実施形態の撮像装置(光電変換装置ともいう)の構成の一例を示したブロック図である。本実施形態の撮像装置は、複数の画素101が行列状に配列されている。図1では、16個の画素101を4行4列に配列した例を示しているが、実際の撮像装置では数千万個の画素101が配列されている。この撮像装置は、いわゆるCMOSイメージセンサである。
7により、水平出力線108、信号処理回路109を介して撮像装置の外部に順次出力される。垂直走査回路110は、順次所定の行を選択する動作を行う。タイミング生成部111は、垂直走査回路110、水平走査回路107、列回路104、ランプ信号出力回路105、カウンタ回路106に駆動信号を供給する。また、タイミング生成部111は、外部の回路(例えば撮像システムの制御部)から撮像条件の設定値(ISO感度、フレームレートなど)を取得し、撮像条件に応じて後述する駆動モードの切り替えを行う、モード切り替え部としての機能も提供する。
図2は、本実施形態に係る画素101の回路構成の一例を示す図である。画素101において、光電変換部201は入射光を電荷に変換し蓄積する。ここでは例としてフォトダイオードを示している。転送MOSトランジスタ202は、光電変換部201に蓄積された電荷をフローティングディフュージョン(以下FD)203に転送する。FD203は、転送された電荷を電圧に変換する。選択MOSトランジスタ205がオンされると、増
幅MOSトランジスタ204は、FD203に発生した電圧信号を増幅して垂直出力線102に出力する。リセットMOSトランジスタ206は、FD203の電位、および、転送MOSトランジスタ202を介して光電変換部201の電位をSVDDにリセットする。転送MOSトランジスタ202、リセットMOSトランジスタ206、選択MOSトランジスタ205はそれぞれ垂直走査回路110に接続され、制御信号PTX、PRES、PSELにより制御される。
図3は、本実施形態に係る列回路104の回路構成の一例を示す図である。画素101から出力された画素出力信号PIXOUTが、垂直出力線102を介して列アンプ301に入力される。
まず、画素101の信号出力レベルに応じてランプ信号の傾きを切り替えてAD変換を行う動作について説明する。
図4は、電荷読み出し動作の一例を示すタイミングチャートである。各駆動パルスのタイミング、画素出力電圧、列アンプ出力電圧、ランプ信号を模式的に示している。
時刻t401で、垂直走査回路110は、リセットパルスPRESをローレベルとする。リセットパルスPRESをローレベルとした時に出力される画素信号PIXOUTを「画素基準信号」と表記する。画素基準信号は、画素101が有するノイズ成分を含む信号である。
時刻t403で、水平走査回路107は、比較器リセットパルスCOMPRESをハイレベルとし、所定時間後にローレベルとする。比較器リセットパルスCOMPRESは、
比較器303のリセットを行い初期化するためのものである。
時刻t409から時刻t411の期間で、比較器303のもう一方にランプ信号VRAMP_Jが入力される。ランプ信号VRAMP_Jはランプ信号出力回路105によって生成され、ランプ信号切り替え回路304を介して比較器303に入力される。
AMP_Lを選択して比較器303に入力する。すなわち、画像信号が低輝度の信号である場合には、相対的に傾きの小さい第1のランプ信号VRAMP_LがAD変換に用いられることとなる。
時刻t411で、ランプ信号VRAMP_H及びVRAMP_Lのどちらの信号をS信号AD変換期間に使用するかの判定を終了し、ランプ信号VRAMP_Jの電位をリセットする。
時刻t413で、信号VRAMP_Hの電圧が列アンプ出力信号AMPOUTを上回り、比較器303が出力するCOMPOUTの信号値が変化する。この時のカウント信号CNTの値(カウント値)をSメモリ305Bが保持する。この時にSメモリ305Bが保持したカウント信号CNTの値が、S信号をAD変換したデジタル値である。
ここで、AD変換結果の補正処理について説明する。例えば、ランプ信号VRAMP_Hの傾きがランプ信号VRAMP_Lの傾きの4倍である場合、カウント信号CNTの1
カウントに対応する信号振幅はVRAMP_Hのほうが4倍になる。そこで、信号の電位レベルに対するデジタル出力を合わせるために、VRAMP_HにてAD変換されたカウント値に対してデジタルゲインで4倍する処理を行う。信号処理回路109に入力されたS信号に対して補正処理が必要かどうかは、判定値メモリ305Cに保持された判定値Jにより判断することができる。判定値J=0であれば、ランプ信号VRAMP_Hが選択されているため、S信号を4倍する処理を行い、J=1であれば、ランプ信号VRAMP_Lが選択されているため、S信号を4倍する処理は行わない。
次に、もう一つの画素信号読み出し動作である、画素101の信号出力レベルに応じて列アンプゲインを切り替えてAD変換を行う動作について説明する。
、1/8倍、1/4倍、1/2倍とする。帰還容量Cf1、Cf2、Cf3、Cf4すべてを使用する際のゲインは、1/(1/8+1/8+1/4+1/2)=1倍である。帰還容量Cf1、Cf2のみ使用する際のゲインは1/(1/8+1/8)=4倍である。
時刻t504から時刻t506の期間で、ランプ信号出力回路105により、ランプ信号VRAMP_Hの電位が時間に依存して初期値から上昇する。ここではVRAMP_Hのみをランプ信号切り替え回路304を介して比較器303に入力する。例えば、ランプ信号VRAMP_Hの傾きがランプ信号VRAMP_Lの傾きの4倍である場合、VRAMP_LのAD変換ゲインを1倍とすると、VRAMP_Hは単位時間当たりのランプ信号の電位変化量が大きいためAD変換ゲインは1/4倍となる。詳細は後述するが、低輝度時に列アンプゲイン4倍を使用した際にVRAMP_HでAD変換ゲインを1/4倍することで、光信号に対するAD変換後のデジタル値を適正化している。これらの駆動は、タイミング生成部111からランプ信号出力回路105及びランプ信号切り替え回路304に制御信号を送ることにより実現される。
時刻t507に転送パルスPTXをハイレベルとし、時刻t508に転送パルスPTXをローレベルとする。これにより、光電変換部201に入射した光によって生成された信号電荷がFD203に転送される。増幅MOSトランジスタ204は、FD203に転送された信号電荷に基づく電圧信号を出力する。この電圧信号が選択MOSトランジスタ205を介して垂直出力線102に出力される。この信号が画素信号PIXOUTの一つである画像信号である。
信号)がローレベルからハイレベル(=1)となる。出力COMPOUTは、選択回路306にも入力されており、本動作モードにおいて、選択回路306はゲイン切り替え回路302に切り替え信号を出力し、ゲイン切り替え回路302はゲイン切り替え信号を列アンプ301に入力する。信号AMPOUTの電圧が基準電圧VREF2よりも低い際には、スイッチSW1~SW4は変化せず、ゲインは4倍のまま変わらない。
時刻t510から時刻t511の期間で、比較器303の出力COMPOUTの値(判定値J)が、選択回路306に入力される。また、判定値Jは、判定値メモリ305C(第2のメモリ)にも保持される。
時刻t512から時刻t514の期間で、ランプ信号出力回路105は、ランプ信号VRAMP_Hの電位を時間に依存して初期値から上昇させていく。図5の場合、時刻t510から時刻t511の期間の列アンプ出力信号AMPOUTの電圧は、基準電圧VREF2よりも大きいので、列アンプゲインは1倍に切り替えられている。
時刻t513で、信号VRAMP_Hの電圧が列アンプ出力信号AMPOUTを上回り、比較器303が出力するCOMPOUTの信号値が変化する。この時のカウント信号CNTの信号値をSメモリ305Bが保持する。この時にSメモリ305Bが保持したカウント信号CNTの信号値が、S信号をAD変換した値である。
ここで、AD変換結果の補正処理について説明する。信号処理回路109に入力されたS信号に対して補正処理が必要かどうかは、判定値メモリ305Cに保持された判定値Jにより判断することができる。判定値J=0であれば、列アンプゲインが4倍から1倍へゲイン低下する変更が行われるため、S信号を4倍する処理を行い、J=1であれば、列アンプゲインは4倍のままのため、S信号を4倍する処理は行わない。
095までカウントする構成として、ランプ信号VRAMP_Hは4095カウントで振幅1[V]となるよう制御する。
駆動モードBは、低輝度時のランダムノイズを低減できる点では有利であるが、ISO感度が高い場合に高ゲインの切り替え動作が必要になるという不利がある。例えばISO感度に比例してゲインを設定していくと、ISO25600の場合に、低輝度時に64倍、高輝度時に16倍という高ゲインの切り替えを行わなければならない。高ゲイン時はアンプの応答性が低下し、静定に時間がかかるため、所望の時間内に画素信号の読み出し動作を完了することが困難となる。一方、駆動モードAは、アンプの静定を待つ時間が必要ないので、高速化には有利である。
本発明の第2実施形態について説明する。第1実施形態では、ISO感度設定に応じて駆動モードを切り替えたのに対し、本実施形態では、フレームレートに応じて駆動モード
を切り替える。具体的には、フレームレートが所定のフレームレートより高い場合には、画素信号の読み出しを高速化するため駆動モードAに切り替え、それ以外の場合は、ランダムノイズを低減するため駆動モードBに切り替える。撮像装置の構成及び駆動方法は、第1実施形態と同様であるため、説明を省略する。
本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態では、ISO感度設定とフレームレートに応じて駆動モードを切り替える。撮像装置の構成及び駆動方法は、第1実施形態と同様であるため、説明を省略する。
本発明の第4実施形態による撮像システムについて、図9を用いて説明する。図9は、本実施形態による撮像システムの概略構成を示すブロック図である。
、撮像システムに一体化されていてもよいし、撮像システムへの装着が可能な撮像レンズでもよい。
本発明の第5実施形態による撮像システム及び移動体について、図10A及び図10Bを用いて説明する。図10A及び図10Bは、本実施形態による撮像システム及び移動体の構成を示す図である。
取得部414を有する。また、撮像システム400は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離取得部416と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部418と、を有する。ここで、視差取得部414や距離取得部416は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部418はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。また、FPGA(Field Programmable Gate Array)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。
101:画素
104:列回路(AD変換部)
301:列アンプ
302:ゲイン切り替え回路
303:比較器
304:ランプ信号切り替え回路
305A:Nメモリ
305B:Sメモリ
305C:判定値メモリ
306:選択回路
Claims (16)
- 受光量に応じた信号を出力する画素と、
ランプ信号を用いて、前記画素から出力される信号に対応するデジタル値を得るAD変換部と、を備え、
前記AD変換部は、
前記画素から出力される信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路の出力信号と前記ランプ信号とを用いて生成する比較結果信号を出力する出力ノードを有する比較回路と、
前記比較回路の結果に基づいて、前記出力信号に応じたデジタル値を保持するメモリと、
前記増幅回路のゲインを切り替えるゲイン切り替え回路と、
前記ランプ信号の傾きを切り替えるランプ信号切り替え回路と、
選択回路と、を有し、
前記ゲイン切り替え回路と、前記ランプ信号切り替え回路とのそれぞれが、前記選択回路を介して、前記出力ノードに電気的に接続され、
前記選択回路は、前記ゲイン切り替え回路と前記ランプ信号切り替え回路の一方に信号を選択的に出力する構成を備え、
前記信号は、前記ゲイン切り替え回路においては前記ゲインの切り替えに用いる信号であり、前記ランプ信号切り替え回路においては前記傾きの切り替えに用いる信号である
ことを特徴とする撮像装置。 - 前記信号は、前記比較回路における、前記増幅回路の出力信号と、閾値との比較による第2の比較結果信号であり、前記出力ノードから前記選択回路に出力されることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記AD変換部は、前記第2の比較結果信号を保持する第2のメモリをさらに有し、
前記出力ノードに、前記第2のメモリと前記選択回路が電気的に接続されていることを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。 - 第1の傾きの第1のランプ信号と、前記第1の傾きよりも大きい傾きの第2の傾きの第2のランプ信号とを出力するランプ信号供給部をさらに有し、
前記ランプ信号切り替え回路に前記第1のランプ信号と前記第2のランプ信号とが入力され、
前記ランプ信号切り替え回路は、前記第1のランプ信号と前記第2のランプ信号の一方を選択して出力することによって、前記比較回路に出力するランプ信号の傾きの切り替えを行うことを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 受光量に応じた信号を出力する画素と、
ランプ信号を用いて、前記画素から出力される信号に対応するデジタル値を得るAD変換部と、を備え、
前記AD変換部は、
前記画素から出力される信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路の出力信号と前記ランプ信号とを用いて生成する比較結果信号を出力する出力ノードを有する比較回路と、
前記比較回路の結果に基づいて、前記出力信号に応じたデジタル値を保持するメモリと、
前記増幅回路のゲインを切り替えるゲイン切り替え回路と、
前記ランプ信号の傾きを切り替えるランプ信号切り替え回路と、を有し、
前記ゲイン切り替え回路と、前記ランプ信号切り替え回路とが、前記出力ノードに電気的に接続され、
前記AD変換部は、駆動モードとして、
前記画素から出力される信号の大きさに応じて、AD変換に用いるランプ信号の傾きを前記ランプ信号切り替え回路によって切り替える、第1の駆動モードと、
前記画素から出力される信号の大きさに応じて、前記増幅回路のゲインを前記ゲイン切り替え回路によって切り替える、第2の駆動モードと、を有する
ことを特徴とする撮像装置。 - 前記AD変換部は、駆動モードとして、
前記画素から出力される信号の大きさに応じて、AD変換に用いるランプ信号の傾きを前記ランプ信号切り替え回路によって切り替える、第1の駆動モードと、
前記画素から出力される信号の大きさに応じて、前記増幅回路のゲインを前記ゲイン切り替え回路によって切り替える、第2の駆動モードと、を有する
ことを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記第1の駆動モードでは、前記画素から出力される信号が低輝度の信号である場合に、前記画素から出力される信号が高輝度の信号である場合よりも、傾きの小さいランプ信号に切り替えられる
ことを特徴とする請求項5又は6に記載の撮像装置。 - 前記第1の駆動モードでは、前記増幅回路の出力信号が基準電圧より低い場合に、前記増幅回路の出力信号が前記基準電圧より高い場合よりも、傾きの小さいランプ信号に切り替えられる
ことを特徴とする請求項5~7のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記第2の駆動モードでは、前記画素から出力される信号が低輝度の信号である場合に、前記画素から出力される信号が高輝度の信号である場合よりも、大きいゲインに切り替えられる
ことを特徴とする請求項5~8のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記第2の駆動モードでは、前記増幅回路の出力信号が基準電圧より低い場合に、前記増幅回路の出力信号が前記基準電圧より高い場合よりも、大きいゲインに切り替えられることを特徴とする請求項5~9のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 撮像条件に応じて前記AD変換部の駆動モードを切り替えるモード切り替え部を有することを特徴とする請求項5~10のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記撮像条件はISO感度を含み、
前記モード切り替え部は、ISO感度が所定の感度より高い場合に前記第1の駆動モードに切り替え、それ以外の場合に前記第2の駆動モードに切り替える
ことを特徴とする請求項11に記載の撮像装置。 - 前記撮像条件はフレームレートを含み、
前記モード切り替え部は、フレームレートが所定のフレームレートより高い場合に前記第1の駆動モードに切り替え、それ以外の場合に前記第2の駆動モードに切り替える
ことを特徴とする請求項11に記載の撮像装置。 - 前記撮像条件はISO感度とフレームレートを含み、
前記モード切り替え部は、
ISO感度が第1の感度より高い場合に前記第1の駆動モードに切り替え、
ISO感度が第2の感度より低い場合に前記第2の駆動モードに切り替え、
ISO感度が前記第2の感度以上かつ前記第1の感度以下の場合には、フレームレートが所定のフレームレートより高い場合に前記第1の駆動モードに切り替え、それ以外の場合に前記第2の駆動モードに切り替える
ことを特徴とする請求項11に記載の撮像装置。 - 請求項1~14のいずれか1項に記載の撮像装置と、
前記撮像装置から出力される信号を処理する信号処理部と、
を有することを特徴とする撮像システム。 - 移動体であって、
請求項1~14のいずれか1項に記載の撮像装置と、
前記撮像装置の前記画素から出力される信号から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする移動体。
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