KR20110019725A - 고체 촬상 소자 및 카메라 시스템 - Google Patents

Abstract

셔터와 게인을 동시에 설정하는 경우에도, 무효 프레임의 발생을 방지하는 것이 가능한 고체 촬상 소자 및 카메라 시스템을 제공한다. 광 신호를 전기 신호로 변환하고, 그 전기 신호를 노광 시간에 따라서 축적하는 기구를 갖는 복수의 화소 회로가 행렬 형상으로 배열된 화소 어레이부(110)와, 설정 데이터에 따라서 상기 화소부의 셔터 동작 및 판독을 행하도록 구동 가능한 화소 구동부(120)와, 외부로부터의 셔터 설정 데이터 및 게인 설정 데이터를 유지하고, 셔터 설정 및 게인 설정을 적어도 화소 구동부에 반영시키는 타이밍을 제어하는 기능을 포함하는 인터페이스부(170)를 갖고, 인터페이스부(170)는 설정되고 나서 1프레임 후의 다음 프레임에 게인을 반영시키는 기능을 포함한다.

Description

고체 촬상 소자 및 카메라 시스템 {SOLID-STATE IMAGING ELEMENT AND CAMERA SYSTEM}

본 발명은 CMOS 이미지 센서로 대표되는 고체 촬상 소자 및 카메라 시스템에 관한 것이다.

최근, CCD를 대신하는 고체 촬상 소자(이미지 센서)로서, CMOS 이미지 센서가 주목을 모으고 있다.

이것은 CMOS 이미지 센서가 다음의 과제를 극복하고 있기 때문이다.

즉, CCD 화소의 제조에는 전용 프로세스를 필요로 하고, 또한 그 동작에는 복수의 전원 전압이 필요하며, 또한 복수의 주변 IC를 조합하여 동작시킬 필요가 있다.

이러한 CCD의 경우, 시스템이 매우 복잡화된다고 하는 여러가지의 문제를 CMOS 이미지 센서가 극복하고 있기 때문이다.

CMOS 이미지 센서는, 그 제조에는 일반적인 CMOS형 집적 회로와 동일한 제조 프로세스를 이용하는 것이 가능하고, 또한 단일 전원에서의 구동이 가능하며, 나아가 CMOS 프로세스를 사용한 아날로그 회로나 논리 회로를 동일 칩 내에 혼재시킬 수 있다.

이로 인해, CMOS 이미지 센서는 주변 IC의 수를 줄일 수 있는 등의 큰 장점을 복수 겸비하고 있다.

CCD의 출력 회로는, 부유 확산층(FD: Floating Diffusion)을 갖는 FD 앰프를 사용한 1채널(ch) 출력이 주류이다.

이에 대하여, CMOS 이미지 센서는 화소마다 FD 앰프를 겸비하고 있고, 그 출력은 화소 어레이 중의 어느 1행을 선택하고, 그것들을 동시에 열 방향으로 판독하도록 하는 열 병렬 출력형이 주류이다.

이것은 화소 내에 배치된 FD 앰프에서는 충분한 구동 능력을 얻는 것은 곤란하며, 따라서 데이터 레이트를 낮추는 것이 필요하여, 병렬 처리가 유리하게 되었기 때문이다.

그리고, CMOS 이미지 센서에서는 일반적으로 화소를 리셋할 때에, 행마다 순차적으로 화소를 리셋해 가는 방식이 취해지는 경우가 많다.

이 방식을 롤링 셔터라고 칭한다.

도 1은, 4개의 트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지 센서의 화소예를 도시하는 도면이다.

이 화소(1)는, 예를 들어 포토다이오드로 이루어지는 광전 변환 소자(11)를 갖고, 이 1개의 광전 변환 소자(11)에 대하여, 전송 트랜지스터(12), 리셋 트랜지스터(13), 증폭 트랜지스터(14), 및 선택 트랜지스터(15)의 4개의 트랜지스터를 능동 소자로서 갖는다.

광전 변환 소자(11)는, 입사광을 그 광량에 따른 양의 전하(여기에서는 전자)로 광전 변환한다.

전송 트랜지스터(12)는, 광전 변환 소자(11)와 플로팅 디퓨전 FD 사이에 접속되고, 전송 제어선 LTx를 통하여 그 게이트(전송 게이트)에 송신 신호(구동 신호) TG가 공급된다.

이에 의해, 광전 변환 소자(11)에서 광전 변환된 전자를 플로팅 디퓨전 FD에 전송한다.

리셋 트랜지스터(13)는, 전원 라인 LVDD와 플로팅 디퓨전 FD 사이에 접속되고, 리셋 제어선 LRST를 통하여 그 게이트에 리셋 신호 RST가 공급된다.

이에 의해, 플로팅 디퓨전 FD의 전위를 전원 라인 LVDD의 전위로 리셋한다.

플로팅 디퓨전 FD에는, 증폭 트랜지스터(14)의 게이트가 접속되어 있다. 증폭 트랜지스터(14)는, 선택 트랜지스터(15)를 통하여 신호선(16)에 접속되고, 화소부 외의 정전류원과 소스 폴로워를 구성하고 있다.

그리고, 선택 제어선 LSEL을 통하여 어드레스 신호(선택 신호) SEL이 선택 트랜지스터(15)의 게이트에 공급되고, 선택 트랜지스터(15)가 온한다.

선택 트랜지스터(15)가 온하면, 증폭 트랜지스터(14)는 플로팅 디퓨전 FD의 전위를 증폭하여 그 전위에 따른 전압을 신호선(16)에 출력한다. 신호선(16)을 통하여, 각 화소로부터 출력된 전압은 칼럼 회로(열 처리 회로)에 출력된다.

이 화소의 리셋 동작이란, 광전 변환 소자(11)에 축적되어 있는 전하를, 전송 트랜지스터(12)를 온하고, 광전 변환 소자(11)에 축적된 전하를 플로팅 디퓨전 FD에 전송하여 방출하게 된다.

이 때, 플로팅 디퓨전 FD는 사전에 광전 변환 소자(11)의 전하를 받을 수 있도록, 리셋 트랜지스터(13)를 온하여 전하를 전원측으로 방출하고 있다. 혹은 전송 트랜지스터(12)를 온하고 있는 동안, 이것과 병행으로서 리셋 트랜지스터(13)를 온으로 하여, 직접 전원에 전하를 방출하는 경우도 있다.

이들 일련의 동작을 단순화하여 「화소 리셋 동작」 혹은 「셔터 동작」이라고 칭한다.

한편 판독 동작에서는, 우선 리셋 트랜지스터(13)를 온으로 하여 플로팅 디퓨전 FD를 리셋하고, 그 상태에서 온된 선택 트랜지스터(15)를 통하여 잉여 전하(노이즈)가 출력 신호선(16)에 출력된다. 이것을 P상 출력이라고 칭한다.

다음으로, 전송 트랜지스터(12)를 온으로 하여 광전 변환 소자(11)에 축적된 전하를 플로팅 디퓨전 FD에 전송하고, 그 출력을 출력 신호선(16)에 출력한다. 이것을 D상 출력이라고 칭한다.

화소 회로 외부에서 D상 출력과 P상 출력의 차분을 취하고, 플로팅 디퓨전 FD의 리셋 노이즈를 캔슬하여 화상 신호로 한다.

단순화하여 이들 일련의 동작을 단순하게 「화소 판독 동작」이라고 칭한다.

도 2는, 도 1의 화소를 2차원 어레이 형상으로 배치한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 일반적인 구성예를 도시하는 도면이다.

도 2의 CMOS 이미지 센서(20)는, 도 1에 도시한 화소 회로를 2차원 어레이 형상으로 배치한 화소 어레이부(21), 화소 구동 회로(수직 주사 회로)(22), 및 칼럼 회로(열 처리 회로)(23)에 의해 구성되어 있다.

화소 구동 회로(22)는, 각 행의 화소의 전송 트랜지스터(12), 리셋 트랜지스터(13), 선택 트랜지스터(15)의 온, 오프를 제어한다.

칼럼 회로(23)는, 화소 구동 회로(22)에 의해 판독하고 제어된 화소행의 데이터를 수취하여, 후단의 신호 처리 회로에 전송하는 회로이다.

도 3은, 도 2에 도시한 회로의 롤링 셔터 동작의 타이밍차트를 도시하는 도면이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 행 순차적으로 화소 리셋 동작을 행하여 가고, 그것을 쫓아가는 형태로 행 순차적으로 화소 판독 동작을 행한다.

각 행의 화소는, 화소 리셋 동작과 화소 판독 동작 사이에, 광전 변환 소자에 신호를 축적하고, 이것을 화소 판독 동작에서 판독한다.

그런데, 상술한 바와 같은 촬상 소자를 갖는 카메라에 있어서는, 역광의 씬이나 명암의 휘도차가 큰 씬을 촬영할 때에는, 피사체의 조도로 노광 시간을 맞춘 표준 화상만으로는 백화 현상이나 흑화 현상이 발생한다.

따라서, 노광 시간이 다른 비표준 화상을 복수매 촬영하고, 표준 화상에서 지나치게 밝은 영역이나 지나치게 어두운 영역을 비표준 화상에 합성 게인을 건 화상으로 치환함으로써 다이나믹 레인지의 확대를 행하고, 출력 비트에 맞추어 압축이 행하여진다.

예를 들어, 와이드 다이나믹 레인지(WD)라고 불리는 처리에서는, 복수회 노광에 의해 다이나믹 레인지(DR)가 넓은 화상을 취득하여, 복수 화상의 합성과 다이나믹 레인지(DR)의 압축이 행하여진다.

[특허문헌1]일본특허공개제2004-166269호공보

그런데, 와이드 다이나믹 레인지 구동에서 저휘도측과 고휘도측의 노광비를 설정하기 위하여, 셔터뿐만 아니라 게인도 설정할 필요가 생겼다.

그러나, 기존의 기술에서는 셔터와 게인의 설정을 동시에 행하면, 무효 프레임이 발생한다고 하는 문제가 생긴다.

기존의 기술에서는 게인 설정이 레지스터 통신 후의 갱신 타이밍에서 반영되면, 그 프레임에 게인 설정이 반영된다.

게인 설정만의 변경이면 문제는 없다.

그러나, 셔터 설정과 게인 설정을 동일 통신 기간에서 행한 경우, 그 프레임에 반영되는 게인에 대하여 셔터 설정은 1프레임 후부터 반영되기 때문에, 도 4에 도시한 바와 같이 1프레임 무효의 프레임이 발생하게 되는 문제가 생긴다.

기존의 기술에서 무효의 프레임이 발생하게 되는 문제를 해결하게 하는 것은 가능하다.

그 대책은, 예를 들어 도 5에 도시한 바와 같이, 셔터 설정을 행한 프레임의 다음 프레임에서 게인 설정을 행하는 등의 방법이다.

그러나, 이 방법에서는 셔터 설정과 게인 설정의 통신을 나누어 2회 통신을 행할 필요가 있기 때문에, 설정에 수고를 요하게 된다.

또한, 와이드 다이나믹 레인지 구동과 같은 복수의 프레임을 필요로 하는 동작의 경우, 도 6에 도시한 바와 같이 선두의 프레임에서 셔터 설정과 게인 설정을 행하면, 마찬가지로 전의 1프레임이 무효 프레임으로 된다고 하는 문제가 발생한다.

이로 인해, 와이드 다이나믹 레인지 구동을 실현시키고 있는 복수의 프레임이 무효로 되어 버린다.

본 발명은 셔터와 게인을 동시에 설정하는 경우에도, 무효 프레임의 발생을 방지하는 것이 가능한 고체 촬상 소자 및 카메라 시스템을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 제1 관점의 고체 촬상 소자는, 광 신호를 전기 신호로 변환하고, 그 전기 신호를 노광 시간에 따라서 축적하는 기구를 갖는 복수의 화소 회로가 행렬 형상으로 배열된 화소부와, 설정 데이터에 따라서 상기 화소부의 셔터 동작 및 판독 동작을 행하도록 구동 가능한 화소 구동부와, 외부로부터의 셔터 설정 데이터 및 게인 설정 데이터를 유지하고, 셔터 설정 및 게인 설정을 적어도 상기 화소 구동부에 반영시키는 타이밍을 제어하는 기능을 포함하는 인터페이스부를 갖고, 상기 인터페이스부는 설정되고 나서 1프레임 후의 다음 프레임에 게인을 반영시키는 기능을 포함한다.

상기 인터페이스부는 복수 프레임의 구동을 검출하고, 1프레임 게인의 상기 반영을 지연시키는 기능을 갖는다.

적합하게는, 상기 인터페이스부는 게인 설정값의 반영을 1프레임 지연시켜 행할지, 1프레임 지연시키지 않고 반영시킬지를 선택하는 절환부를 갖는다.

적합하게는, 상기 인터페이스부는 외부로부터의 셔터 설정 데이터 및 게인 설정 데이터를 유지하는 데이터 유지부와, 갱신 타이밍 신호를 받아 1프레임 지연 갱신 타이밍 신호를 생성하는 지연 갱신 타이밍 생성부와, 상기 지연 갱신 타이밍 신호를 받아 공급되는 게인 설정값을 1프레임분 지연시켜 출력하는 게인 유지부와, 상기 갱신 타이밍 신호를 받아, 상기 데이터 유지부에 유지된 셔터 설정값을 그대로 출력하고, 게인 설정값을 상기 게인 유지부에 공급하는 반영 제어부를 포함한다.

적합하게는, 상기 인터페이스부는 외부로부터의 셔터 설정 데이터 및 게인 설정 데이터를 유지하는 데이터 유지부와, 갱신 타이밍 신호를 받아 1프레임 지연 갱신 타이밍 신호를 생성하는 지연 갱신 타이밍 생성부와, 상기 지연 갱신 타이밍 신호를 받아 공급되는 게인 설정값을 1프레임분 지연시켜 출력하는 게인 유지부와, 상기 갱신 타이밍 신호를 받아, 상기 데이터 유지부에 유지된 셔터 설정값 및 게인 설정값을 그대로 출력하고, 게인 설정값을 상기 게인 유지부에 공급하는 반영 제어부와, 상기 반영 제어부로부터 출력되는 지연되어 있지 않은 게인 설정값 또는 상기 게인 유지부에 의해 지연된 게인 설정값을 선택적으로 출력하는 절환부를 포함한다.

본 발명의 카메라 시스템은, 고체 촬상 소자와, 상기 촬상 소자에 피사체상을 결상하는 광학계와, 상기 촬상 소자의 출력 화상 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 갖고, 상기 고체 촬상 소자는, 광 신호를 전기 신호로 변환하고, 그 전기 신호를 노광 시간에 따라서 축적하는 기구를 갖는 복수의 화소 회로가 행렬 형상으로 배열된 화소부와, 설정 데이터에 따라서 상기 화소부의 셔터 동작 및 판독 동작을 행하도록 구동 가능한 화소 구동부와, 외부로부터의 셔터 설정 데이터 및 게인 설정 데이터를 유지하고, 셔터 설정 및 게인 설정을 적어도 상기 화소 구동부에 반영시키는 타이밍을 제어하는 기능을 포함하는 인터페이스부를 갖고, 상기 인터페이스부는 설정되고 나서 1프레임 후의 다음 프레임에 게인을 반영시키는 기능을 포함한다.

본 발명에 따르면, 외부로부터 인터페이스부에 셔터 설정 데이터 및 게인 설정 데이터가 입력되어 유지된다.

그리고, 인터페이스부에서는 셔터 설정 및 게인 설정을 반영시킬 때에, 셔터 설정값은 지연시키지 않고 그대로 반영시키고, 게인 설정값이 설정되고 나서 1프레임 후의 다음 프레임에 게인을 반영시킨다.

본 발명에 따르면, 셔터와 게인을 동시에 설정하는 경우에도 무효 프레임의 발생을 방지할 수 있다.

도 1은, 4개의 트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지 센서의 화소예를 도시하는 도면.
도 2는, 도 1의 화소를 2차원 어레이 형상으로 배치한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 일반적인 구성예를 도시하는 도면.
도 3은, 일반적인 CMOS 이미지 센서의 롤링 셔터의 셔터 동작과 수평 주기의 관계를 나타내는 타이밍도.
도 4는, 1프레임 무효의 프레임이 발생하게 되는 문제가 생기는 것을 설명하기 위한 도면.
도 5는, 셔터 설정을 행한 프레임의 다음 프레임에서 게인 설정을 행하는 경우에, 셔터 설정과 게인 설정의 통신을 나누어 2회 통신을 행할 필요가 있는 것을 설명하기 위한 도면.
도 6은, 선두의 프레임에서 셔터 설정과 게인 설정을 행하면, 전의 1프레임이 무효 프레임으로 된다고 하는 문제가 발생하는 것을 설명하기 위한 도면.
도 7은, 본 발명의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 구성예를 도시하는 도면.
도 8은, 본 실시 형태에 관한 4개의 트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지 센서의 화소의 일례를 도시하는 도면.
도 9는, 본 발명의 실시 형태에 관한 인터페이스부의 구성예를 도시하는 회로도.
도 10은, 본 실시 형태와 기존 기술의 기본적인 구동을 비교하여 도시하는 타이밍도.
도 11은, 본 실시 형태와 기존 기술의 복수 프레임 구동의 경우를 비교하여 도시하는 타이밍도.
도 12는, 본 실시 형태에 관한 셔터 설정 및 게인 설정 처리를 설명하기 위한 타이밍도.
도 13은, 본 실시 형태에 관한 인터페이스부의 1프레임 갱신 타이밍을 지연시키는 기능과, 지연시키지 않는 기능을 절환하는 구성예를 도시하는 도면.
도 14는, 본 실시 형태에 관한 열 병렬 ADC 탑재 고체 촬상 소자(CMOS 이미지 센서)의 구성예를 도시하는 블록도.
도 15는, 본 발명의 실시 형태에 관한 고체 촬상 소자가 적용되는 카메라 시스템의 구성의 일례를 도시하는 도면.

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면에 관련지어 설명한다.

도 7은, 본 발명의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)의 구성예를 도시하는 도면이다.

이 CMOS 이미지 센서(100)는 화소 어레이부(110), 화소 구동부로서의 수직 주사 회로(120), 및 수평 주사 회로(130), 칼럼 판독 회로(140), 제어부(150), 데이터 처리부(160), 및 인터페이스부(170)를 갖는다.

화소 어레이부(110)는, 복수의 화소 회로(110A)가 2차원 형상(매트릭스 형상)으로 배열되어 있다.

또한, 고체 촬상 소자(100)에 있어서는, 화소 어레이부(110)의 신호를 순차적으로 판독하기 위한 제어계로서의 구성부를 갖는다.

즉, 고체 촬상 소자(100)는, 내부 클록이나 인터페이스부(170)를 포함하는 제어부(150), 행 어드레스나 행 주사를 제어하는 수직 주사 회로(120), 열 어드레스나 열 주사를 제어하는 수평 주사 회로(130), 및 칼럼 판독 회로(140)가 배치되어 있다.

제어부(150)에 배치된 인터페이스부(170)에 대해서는 후에 상세하게 설명한다.

도 8은, 본 실시 형태에 관한 4개의 트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지 센서의 화소의 일례를 도시하는 도면이다.

이 화소 회로(110A)는, 예를 들어 포토다이오드로 이루어지는 광전 변환 소자(111)를 갖는다.

그리고, 화소 회로(110A)는, 이 1개의 광전 변환 소자(111)에 대하여, 전송 트랜지스터(112), 리셋 트랜지스터(113), 증폭 트랜지스터(114), 및 선택 트랜지스터(115)의 4개의 트랜지스터를 능동 소자로서 갖는다.

광전 변환 소자(111)는, 입사광을 그 광량에 따른 양의 전하(여기에서는 전자)로 광전 변환한다.

전송 트랜지스터(112)는, 광전 변환 소자(111)와 출력 노드로서의 플로팅 디퓨전 FD 사이에 접속되고, 전송 제어선 LTx를 통하여 그 게이트(전송 게이트)에 제어 신호인 송신 신호 TG가 공급된다.

이에 의해, 전송 트랜지스터(112)는, 광전 변환 소자(111)에서 광전 변환된 전자를 플로팅 디퓨전 FD에 전송한다.

리셋 트랜지스터(113)는, 전원 라인 LVDD와 플로팅 디퓨전 FD 사이에 접속되고, 리셋 제어선 LRST를 통하여 그 게이트에 제어 신호인 리셋 신호 RST가 공급된다.

이에 의해, 리셋 트랜지스터(113)는 플로팅 디퓨전 FD의 전위를 전원 라인 LVDD의 전위로 리셋한다.

플로팅 디퓨전 FD에는 증폭 트랜지스터(114)의 게이트가 접속되어 있다. 증폭 트랜지스터(114)는 선택 트랜지스터(115)를 통하여 신호선(116)에 접속되고, 화소부 외의 정전류원과 소스 폴로워를 구성하고 있다.

그리고, 선택 제어선 LSEL을 통하여 어드레스 신호에 따른 제어 신호인 선택 신호 SEL이 선택 트랜지스터(115)의 게이트에 공급되고, 선택 트랜지스터(115)가 온한다.

선택 트랜지스터(115)가 온하면, 증폭 트랜지스터(114)는 플로팅 디퓨전 FD의 전위를 증폭하여 그 전위에 따른 전압을 신호선(116)에 출력한다. 신호선(116)을 통하여, 각 화소로부터 출력된 전압은 칼럼 판독 회로(140)에 출력된다.

이들 동작은, 예를 들어 전송 트랜지스터(112), 리셋 트랜지스터(113), 및 선택 트랜지스터(115)의 각 게이트가 행 단위로 접속되어 있는 점으로부터, 1행분의 각 화소에 대하여 동시에 행하여진다.

화소 어레이부(110)에 배선되어 있는 리셋 제어선 LRST, 전송 제어선 LTx, 및 선택 제어선 LSEL이 1조로서 화소 배열의 각 행 단위로 배선되어 있다.

이들 리셋 제어선 LRST, 전송 제어선 LTx, 및 선택 제어선 LSEL은 수직 주사 회로(120)에 의해 구동된다.

수직 주사 회로(120)는, 고체 촬상 소자의 셔터 동작ㆍ판독 동작을 행할 때의 행의 지정을 행하는 기능을 갖는다.

수직 주사 회로(120)는, 인터페이스부(170)에 의한 셔터 설정 데이터 및 노광비에 관한 게인 설정 데이터를 반영시켜, 고체 촬상 소자의 셔터 구동 처리 기능을 갖는다.

칼럼 판독 회로(140)는, 수직 주사 회로(120)에 의해 판독하고 제어된 화소행의 판독 데이터를 수취하고, 이 판독 데이터는 수평 주사 회로(130)를 통하여 후단의 데이터 처리부(160)에 전송한다.

칼럼 판독 회로(140)는, 상관 이중 샘플링(CDS: Correlated Double Sampling) 등의 신호 처리를 실시하는 기능을 갖는다.

이하, 본 실시 형태에 관한 인터페이스부(170)의 구체적인 구성 및 기능에 대하여 설명한다.

인터페이스부(170)는 클록 CLK, 데이터 DT, 인에이블 신호 ENB에 따라, 셔터 설정 데이터나 게인 설정 데이터를 유지하고, 셔터 설정 데이터 및 게인 설정 데이터를 수직 주사 회로(120)에 반영시키는 타이밍을 제어하는 기능을 갖는다.

기존 기술에서는 게인의 설정을 행하였을 때, 설정을 행한 프레임에 게인을 반영하면, 하나 전의 프레임부터 반영되게 되어, 1프레임 무효의 프레임이 발생하게 된다.

따라서, 본 실시 형태의 인터페이스부(170)는, 설정되고 나서 1프레임 후에 게인을 반영시킴으로써, 무효의 프레임이 발생하지 않도록 하는 기능을 포함한다.

인터페이스부(170)는 외부로부터 설정된 게인 설정 데이터를 유지하고, 다음 프레임에서 반영시킨다.

인터페이스부(170)는 복수 프레임을 갖는 구동을 검출하여, 자동으로 1프레임 게인의 반영을 지연시키는 기능을 갖는다.

인터페이스부(170)에 있어서는, 게인 설정 데이터를 반영하는 타이밍을 셔터 설정 데이터와 함께 변경하는 경우, 나누어 레지스터 설정 통신을 행하는 것보다 동일한 통신 기간 내에 행하고, 또한 무효의 프레임이 발생하지 않고, 동 프레임부터 반영시킨다.

도 9는, 본 발명의 실시 형태에 관한 인터페이스부의 구성예를 도시하는 회로도이다.

도 9의 인터페이스부(170)는 시리얼/패럴렐 변환부(171), 데이터 유지부(172), 1프레임 지연 갱신 타이밍 생성부(173), 반영 제어부(174), 및 게인 유지부(175)를 갖는다.

시리얼/패럴렐 변환부(171)는 외부로부터 받은 클록 CLK, 데이터 DT, 인에이블 신호 ENB에 따라, 3선 시리얼 데이터를 패럴렐 데이터로 변환한다.

데이터 유지부(172)는, 패럴렐 데이터로 변환된 셔터 설정 데이터 및 게인 설정 데이터를 유지한다.

1프레임 지연 갱신 타이밍 생성부(173)는, 수직 동기 신호 Vsync에 동기하여 외부로부터 공급되는 갱신 타이밍 신호 UTM에 따라, 1프레임 지연시키는 지연 갱신 타이밍 신호 DUTM을 생성하고, 게인 유지부(175)에 출력한다.

반영 제어부(174)는, 외부로부터 공급되는 갱신 타이밍 신호 UTM에 동기하여, 데이터 유지부(172)에 유지된 셔터 설정 데이터 STR을, 후단의 수직 주사 회로(120) 등에 공급하고, 게인 설정 데이터를 게인 유지부(175)에 공급한다.

게인 유지부(175)는, 래치로서의 레지스터 REG를 1 또는 복수 갖고, 1프레임 지연시키는 지연 갱신 타이밍 신호 DUTM을 받아, 공급된 게인 설정 데이터를 1프레임분 유지한 후, 후단의 수직 주사 회로(120) 등에 공급한다.

도 10은, 본 실시 형태와 기존 기술의 기본적인 구동을 비교하여 도시하는 타이밍도이다.

도 11은, 본 실시 형태와 기존 기술의 복수 프레임 구동의 경우를 비교하여 도시하는 타이밍도이다.

인터페이스부(170)에 있어서, 3선 시리얼에서 외부로부터 입력된 데이터 DT는, 시리얼/패럴렐 변환부(171)에서 시리얼 데이터로부터 패럴렐 데이터로 변환되고, 데이터 유지부(172)에 유지된다.

그리고, 내부에서 생성되는 지연 갱신 타이밍 신호 DUTM에 의해, 유지되어 있던 데이터는 고체 촬상 소자(100) 내부에 반영되고, 제어부(150)에 의해 각 기능부, 예를 들어 수직 주사 회로(120) 등을 제어한다.

데이터 유지부(172)에 유지되어 있던 데이터를 내부에 반영하는 동작은, 게인 설정만 반영하는 동작을 지연시키고 있다.

데이터 유지부(172)에서 유지하고 있는 설정 데이터를 게인 설정만 갱신 타이밍 UTM에서 내부에 반영시키지 않고, 도 10에 도시한 바와 같이 1프레임 지연 갱신 타이밍 생성부(173)에서 1프레임분 지연시킨 지연 갱신 타이밍 신호 DUTM에서 내부에 반영시킨다.

또한, 도 11에 도시한 바와 같이, 와이드 다이나믹 레인지 구동과 같은 복수의 프레임을 필요로 하는 경우에는, 상기에서 무효 프레임의 발생을 방지할 수 있다.

단, 매 프레임에 게인 설정을 바꾸는 구동의 경우, 1프레임 지연시킨 갱신 타이밍에서 반영시키는 것만으로는, 그 때 통신한 게인의 레지스터의 데이터가 반영되게 된다.

이로 인해, 이러한 구동에서도 게인 설정의 반영을 1프레임 지연시키기 위하여, 본 실시 형태에 있어서는 게인 유지부(175)에 래치인 레지스터 REG를 설치하고, 1프레임 지연 갱신 타이밍에서 반영시키고 있다.

이에 의해, 매 프레임에 게인 설정을 행하는 경우에도 무효 프레임을 발생시키지 않게 하는 것이 가능해진다.

도 12는, 본 실시 형태에 관한 셔터 설정 및 게인 설정 처리를 설명하기 위한 타이밍도이다.

통신 기간 T1에 설정된 셔터 설정값 S1, 게인 설정값 G1은 데이터 유지부(172)에 데이터 유지된다.

그리고, 갱신 타이밍 신호 UTM에 의해 반영 제어부(174)를 통하여 제어 내부 레지스터 REG에 반영되는데, 이 시점에서는 셔터 설정값 S1만이 내부에 반영된다.

게인 설정값 G1은, 1프레임 후의 게인의 지연 갱신 타이밍 신호 DUTM에 의해, 게인 유지부(175)를 통하여 내부 레지스터에 갱신 입력된다.

그리고, 출력 단자 TO에 출력된다.

이상의 방법으로 무효 프레임을 발생시키지 않고, 게인 설정이 반영되는 것을 실현하고 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 내부에의 갱신 타이밍을 1프레임 지연시킨 갱신 타이밍을 설정함으로써, 외부로부터 설정된 게인 설정의 반영을 1프레임 지연시키는 것이 가능해진다.

또한, 통상의 구동에서는 2회 레지스터의 통신을 행할 필요가 없어진다.

또한, 게인 전용의 내부 래치를 설치함으로써, 매 프레임 외부로부터 게인 설정을 변경한 경우에도 1프레임 지연된 게인 반영이 가능해지고, 무효 프레임의 발생을 없앨 수 있다.

또한, 인터페이스부(170)는 게인 설정의 반영을 1프레임 지연시키는 기능만을 갖는 경우를 예로 설명하였지만, 예를 들어 도 13에 도시한 바와 같이 1프레임 갱신 타이밍을 지연시키는 기능과, 지연시키지 않는 기능을 절환하도록 구성하는 것도 가능하다.

도 13은, 본 실시 형태에 관한 인터페이스부의 1프레임 갱신 타이밍을 지연시키는 기능과, 지연시키지 않는 기능을 절환하는 구성예를 도시하는 도면이다.

도 13의 인터페이스부(170)는, 도 9의 구성에 추가하여 절환부(176)를 갖는다.

절환부(176)는, 시리얼/패럴렐 변환부(171A)에 의한 절환 신호 S171에 의해 반영 제어부(174)에서 1프레임 지연되어 있지 않은 게인 설정 데이터 또는 게인 유지부(175)에서 1프레임분 지연된 게인 설정 데이터를 선택 절환하여 출력한다.

도 13의 구성에 따르면, 1프레임 갱신 타이밍을 지연시키는 기능과, 지연시키지 않는 기능을 절환하는 것을 가능하게 함으로써, 이제까지의 게인 설정의 반영에서 사용하고자 한 경우에도 대응이 가능하다.

또한, 각 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 열 병렬형의 아날로그-디지털 변환 장치(이하, ADC(Analog digital converter)라고 약칭함)를 탑재한 CMOS 이미지 센서로서 구성하는 것도 가능하다.

도 14는, 본 실시 형태에 관한 열 병렬 ADC 탑재 고체 촬상 소자(CMOS 이미지 센서)의 구성예를 도시하는 블록도이다.

이 고체 촬상 소자(200)는, 도 14에 도시한 바와 같이 촬상부로서의 화소 어레이부(210), 화소 구동부로서의 수직 주사 회로(220), 수평 전송 주사 회로(230), 타이밍 제어 회로(240)를 갖는다.

또한, 고체 촬상 소자(200)는 ADC군(250), 디지털-아날로그 변환 장치(이하, DAC(Digital Analog converter)라고 약칭함)(260), 앰프 회로(S/A)(270), 및 신호 처리 회로(280)를 갖는다.

화소 어레이부(210)는 포토다이오드와 화소 내 앰프를 포함하는, 예를 들어 도 8에 도시한 바와 같은 화소가 매트릭스 형상(행렬 형상)으로 배치되어 구성된다.

또한, 고체 촬상 소자(200)에 있어서는, 화소 어레이부(210)의 신호를 순차적으로 판독하기 위한 제어 회로로서 다음의 회로가 배치되어 있다.

즉, 고체 촬상 소자(200)에 있어서는, 제어 회로로서 내부 클록을 생성하는 타이밍 제어 회로(240), 행 어드레스나 행 주사를 제어하는 수직 주사 회로(220), 그리고 열 어드레스나 열 주사를 제어하는 수평 전송 주사 회로(230)가 배치된다

그리고, 타이밍 제어 회로(240)가, 도 7 내지 도 13에 관련지어 설명한 인터페이스부(170, 170A)를 포함하는 제어부(150)가 배치되어 있다.

ADC군(250)은 비교기(251), 카운터(252), 및 래치(253)를 갖는 ADC가 복수열 배열되어 있다.

비교기(251)는 DAC(260)에 의해 생성되는 참조 전압을 계단 형상으로 변화시킨 램프 파형(RAMP)인 참조 전압 Vslop와, 행 선마다 화소로부터 수직 신호선을 경유하여 얻어지는 아날로그 신호를 비교한다.

카운터(252)는 비교기(251)의 비교 시간을 카운트한다.

ADC군(250)은 n비트 디지털 신호 변환 기능을 갖고, 수직 신호선(열 선)마다 배치되고, 열 병렬 ADC 블록이 구성된다.

각 래치(253)의 출력은, 예를 들어 2n비트 폭의 수평 전송선(290)에 접속되어 있다.

그리고, 수평 전송선(290)에 대응한 2n개의 앰프 회로(270) 및 신호 처리 회로(280)가 배치된다.

ADC군(250)에 있어서는, 수직 신호선에 판독된 아날로그 신호(전위 Vsl)는 열마다 배치된 비교기(251)에서 참조 전압 Vslop(일정 기울기를 가진 선형으로 변화하는 슬로프 파형)와 비교된다.

이 때, 비교기(251)와 마찬가지로 열마다 배치된 카운터(252)가 동작하고 있고, 램프 파형의 일정 전위 Vslop와 카운터값이 일대일 대응을 취하면서 변화함으로써 수직 신호선의 전위(아날로그 신호) Vsl을 디지털 신호로 변환한다.

참조 전압 Vslop의 변화는 전압의 변화를 시간의 변화로 변환하는 것이며, 그 시간을 일정 주기(클록)로 세는 것에 의해 디지털값으로 변환하는 것이다.

그리고, 아날로그 전기 신호 Vsl과 참조 전압 Vslop가 교차하였을 때, 비교기(251)의 출력이 반전되고, 카운터(252)의 입력 클록을 정지하여, AD 변환이 완료된다.

이상의 AD 변환 기간 종료 후, 수평 전송 주사 회로(230)에 의해, 래치(253)에 유지된 데이터가 수평 전송선(290), 앰프 회로(270)를 거쳐 신호 처리 회로(280)에 입력되고, 2차원 화상이 생성된다.

이와 같이 하여 열 병렬 출력 처리가 행하여진다.

이러한 효과를 갖는 고체 촬상 소자는 디지털 카메라나 비디오 카메라의 촬상 디바이스로서 적용할 수 있다.

도 15는, 본 발명의 실시 형태에 관한 고체 촬상 소자가 적용되는 카메라 시스템의 구성의 일례를 도시하는 도면이다.

이 카메라 시스템(300)은, 도 15에 도시한 바와 같이 본 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(고체 촬상 소자)(100, 200)가 적용 가능한 촬상 디바이스(310)와, 이 촬상 디바이스(310)의 화소 영역에 입사광을 유도하는(피사체상을 결상하는) 광학계, 예를 들어 입사광(상광)을 촬상면 상에 결상시키는 렌즈(320)와, 촬상 디바이스(310)를 구동하는 구동 회로(DRV)(330)와, 촬상 디바이스(310)의 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로(PRC)(340)를 갖는다.

구동 회로(330)는, 촬상 디바이스(310) 내의 회로를 구동하는 스타트 펄스나 클록 펄스를 포함하는 각종 타이밍 신호를 생성하는 타이밍 제너레이터(도시하지 않음)를 갖고, 소정의 타이밍 신호에서 촬상 디바이스(310)를 구동한다.

또한, 신호 처리 회로(340)는, 촬상 디바이스(310)의 출력 신호에 대하여 소정의 신호 처리를 실시한다.

신호 처리 회로(340)에서 처리된 화상 신호는, 예를 들어 메모리 등의 기록 매체에 기록된다. 기록 매체에 기록된 화상 정보는, 프린터 등에 의해 하드카피된다. 또한, 신호 처리 회로(340)에서 처리된 화상 신호를 액정 디스플레이 등으로 이루어지는 모니터에 동화상으로서 비추어낸다.

상술한 바와 같이, 디지털 스틸 카메라 등의 촬상 장치에 있어서, 촬상 디바이스(310)로서 상술한 촬상 소자(100, 200)를 탑재함으로써 저소비 전력이고, 고정밀한 카메라를 실현할 수 있다.

100: 고체 촬상 소자
110: 화소 어레이부
110A: 화소
111: 광전 변환 소자
112: 전송 트랜지스터
113: 리셋 트랜지스터
114: 증폭 트랜지스터
115: 선택 트랜지스터
120: 수직 주사 회로(화소 구동부)
130: 수평 주사 회로
140: 칼럼 판독 회로
150: 제어부
160: 데이터 처리부
170: 인터페이스부
171: 시리얼/패럴렐 변환부
172: 데이터 유지부
173: 1프레임 지연 갱신 타이밍 생성부
174: 반영 제어부
175: 게인 유지부
176: 절환부
200: 고체 촬상 소자
210: 화소 어레이부
220: 수직 주사 회로
230: 수평 전송 주사 회로
240: 타이밍 제어 회로
250: ADC군
260: DAC
270: 앰프 회로(S/A)
280: 신호 처리 회로
300: 카메라 시스템
310: 촬상 디바이스
320: 렌즈
330: 구동 회로
340: 신호 처리 회로

Claims (6)

1. 고체 촬상 소자로서,
   광 신호를 전기 신호로 변환하고, 그 전기 신호를 노광 시간에 따라서 축적하는 기구를 갖는 복수의 화소 회로가 행렬 형상으로 배열된 화소부와,
   설정 데이터에 따라서 상기 화소부의 셔터 동작 및 판독 동작을 행하도록 구동 가능한 화소 구동부와,
   외부로부터의 셔터 설정 데이터 및 게인 설정 데이터를 유지하고, 셔터 설정 및 게인 설정을 적어도 상기 화소 구동부에 반영시키는 타이밍을 제어하는 기능을 포함하는 인터페이스부를 갖고,
   상기 인터페이스부는, 설정되고 나서 1프레임 후의 다음 프레임에 게인을 반영시키는 기능을 포함하는, 고체 촬상 소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 인터페이스부는 복수 프레임의 구동을 검출하고, 1프레임 게인의 상기 반영을 지연시키는 기능을 갖는, 고체 촬상 소자.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 인터페이스부는, 게인 설정값의 반영을 1프레임 지연시켜 행할지, 1프레임 지연시키지 않고 반영시킬지를 선택하는 절환부를 갖는, 고체 촬상 소자.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 인터페이스부는,
   외부로부터의 셔터 설정 데이터 및 게인 설정 데이터를 유지하는 데이터 유지부와,
   갱신 타이밍 신호를 받아 1프레임 지연 갱신 타이밍 신호를 생성하는 지연 갱신 타이밍 생성부와,
   상기 지연 갱신 타이밍 신호를 받아 공급되는 게인 설정 데이터를 1프레임분 지연시켜 출력하는 게인 유지부와,
   상기 갱신 타이밍 신호를 받아, 상기 데이터 유지부에 유지된 셔터 설정 데이터를 그대로 출력하고, 게인 설정 데이터를 상기 게인 유지부에 공급하는 반영 제어부를 포함하는, 고체 촬상 소자.
5. 제3항에 있어서, 상기 인터페이스부는,
   외부로부터의 셔터 설정 데이터 및 게인 설정 데이터를 유지하는 데이터 유지부와,
   갱신 타이밍 신호를 받아 1프레임 지연 갱신 타이밍 신호를 생성하는 지연 갱신 타이밍 생성부와,
   상기 지연 갱신 타이밍 신호를 받아 공급되는 게인 설정값을 1프레임분 지연시켜 출력하는 게인 유지부와,
   상기 갱신 타이밍 신호를 받아, 상기 데이터 유지부에 유지된 셔터 설정값 및 게인 설정값을 그대로 출력하고, 게인 설정값을 상기 게인 유지부에 공급하는 반영 제어부와,
   상기 반영 제어부로부터 출력되는 지연되어 있지 않은 게인 설정값 또는 상기 게인 유지부에 의해 지연된 게인 설정값을 선택적으로 출력하는 절환부를 포함하는, 고체 촬상 소자.
6. 카메라 시스템으로서,
   고체 촬상 소자와,
   상기 촬상 소자에 피사체상을 결상하는 광학계와,
   상기 촬상 소자의 출력 화상 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 갖고,
   상기 고체 촬상 소자는,
   광 신호를 전기 신호로 변환하고, 그 전기 신호를 노광 시간에 따라서 축적하는 기구를 갖는 복수의 화소 회로가 행렬 형상으로 배열된 화소부와,
   설정 데이터에 따라서 상기 화소부의 셔터 동작 및 판독 동작을 행하도록 구동 가능한 화소 구동부와,
   외부로부터의 셔터 설정 데이터 및 게인 설정 데이터를 유지하고, 셔터 설정 및 게인 설정을 적어도 상기 화소 구동부에 반영시키는 타이밍을 제어하는 기능을 포함하는 인터페이스부를 갖고,
   상기 인터페이스부는 설정되고 나서 1프레임 후의 다음 프레임에 게인을 반영시키는 기능을 포함하는, 카메라 시스템.
   

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