JP2020178163A - Imaging apparatus and control method of imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、撮像装置および撮像装置の制御方法に関する。 The present invention relates to an image pickup apparatus and a control method for the image pickup apparatus.
近年、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像素子を用いて撮像し、撮像画像をデジタルデータとして保存することができる撮像装置が知られている。撮像素子としては、XYアドレス方式で各画素信号を読み出すCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型イメージセンサ(以下、CMOSセンサという)がある。撮像素子では、画素の光電変換素子が入射光量に応じた電荷を蓄積し、蓄積した電荷に対応する電気信号を出力する光電変換を行う。 In recent years, there are known imaging devices capable of capturing images using an imaging element such as a digital still camera or a digital video camera and storing the captured images as digital data. As the image sensor, there is a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) type image sensor (hereinafter referred to as a CMOS sensor) that reads out each pixel signal by the XY address method. In the image sensor, the photoelectric conversion element of the pixel accumulates electric charges according to the amount of incident light, and performs photoelectric conversion to output an electric signal corresponding to the accumulated charges.
また、撮像素子は、電子シャッタ機能を備えている。電子シャッタ機能は、画素の光電変換素子をリセットすることにより露光を開始し、光電変換素子に蓄積した電荷を読み出すことにより露光を終了させる。撮像素子は、露光の始まりと終わりを制御するので、低速シャッタから高速シャッタまで、正確な露光時間の制御を実現することが可能である。 Further, the image sensor has an electronic shutter function. The electronic shutter function starts the exposure by resetting the photoelectric conversion element of the pixel, and ends the exposure by reading out the electric charge accumulated in the photoelectric conversion element. Since the image sensor controls the start and end of exposure, it is possible to realize accurate control of the exposure time from a low-speed shutter to a high-speed shutter.
また、CMOSセンサには、ローリングシャッタ動作(フォーカルプレーンシャッタ動作とも呼ばれる)がある。CMOSセンサのローリングシャッタ動作では、CCDセンサと異なり、2次元配列された複数の画素を1ライン毎に順次走査して画素の電荷のリセットを実施する。そして、CMOSセンサは、所定の露光時間経過後に、1ライン毎に順次走査して、蓄積した電荷の読み出しと信号の出力を行う。このように、ローリングシャッタ動作は、ライン毎に電荷読み出しと信号出力のための時間差を持った動作となっている。これにより、1回の撮影動作の中で、ライン毎に露光するタイミングがずれる。 Further, the CMOS sensor has a rolling shutter operation (also called a focal plane shutter operation). In the rolling shutter operation of the CMOS sensor, unlike the CCD sensor, a plurality of pixels arranged in two dimensions are sequentially scanned for each line to reset the charge of the pixels. Then, after the elapse of a predetermined exposure time, the CMOS sensor sequentially scans each line to read out the accumulated charges and output a signal. As described above, the rolling shutter operation is an operation having a time difference for charge reading and signal output for each line. As a result, the timing of exposure for each line shifts in one shooting operation.
この課題に対しては、特許文献1には、グローバルシャッタ機能を備えたCMOSセンサが開示されている。CMOSセンサは、各画素が電荷保持部を備え、電子シャッタ動作を全画素同時に実施することで、露光を開始する。また、CMOSセンサは、露光期間の終了時は、全画素同時に光電変換素子の電荷を電荷保持部に転送することで露光を終了させる。これにより、CMOSセンサは、全画素の露光動作を同時に実施することが可能となる。
To solve this problem,
撮像装置では、明るいところと暗いところが混在するような被写体の撮像を行う場合に、ダイナミックレンジが不足しがちであるという問題がある。例えば、撮像装置は、明るいところに合わせて露光時間を短く制御すると、暗い部分で十分な露光時間がとれないために、黒つぶれやS/Nの劣化による画質の低下が発生する。逆に、撮像装置は、暗いところに合わせて露光時間を長く制御すると、光電変換素子の蓄積電荷量が飽和レベルに達してしまい、一定以上の明るさの被写体領域が飽和した輝度レベルに設定される白とびが発生する。 The imaging device has a problem that the dynamic range tends to be insufficient when capturing an image of a subject in which bright and dark areas are mixed. For example, in an imaging apparatus, if the exposure time is controlled to be short in accordance with a bright place, a sufficient exposure time cannot be obtained in a dark part, so that the image quality is deteriorated due to blackout and deterioration of S / N. On the contrary, if the exposure time of the imaging device is controlled to be long according to a dark place, the accumulated charge amount of the photoelectric conversion element reaches the saturation level, and the subject region having a certain brightness or more is set to the saturated brightness level. Overexposure occurs.
特許文献2には、明るい部分と暗い部分の階調を正確に再現する手法として、ダイナミックレンジ拡大処理(以下、HDR処理という)が開示されている。撮像装置は、HDR処理では、撮像素子上での入射光量が少ない画素では露光時間が長い信号を用いて、高いS/Nを実現し、入射光量が多い画素では露光時間が短い信号を用いて、飽和を回避する。撮像装置は、長時間露光した撮像信号と短時間露光した撮像信号を用いて合成する。 Patent Document 2 discloses a dynamic range expansion process (hereinafter referred to as HDR process) as a method for accurately reproducing the gradation of a bright portion and a dark portion. In HDR processing, the image sensor uses a signal with a long exposure time for pixels with a small amount of incident light on the image sensor to achieve a high S / N ratio, and uses a signal with a short exposure time for pixels with a large amount of incident light. , Avoid saturation. The image pickup apparatus synthesizes the image pickup signal exposed for a long time and the image pickup signal exposed for a short time.
しかしながら、特許文献2は、長時間露光期間と短時間露光期間がそれぞれ異なるタイミングのため、動きのある被写体の場合、ずれて撮影されてしまうことになる。このため、一回の撮影でグローバルシャッタ機能とHDR処理を同時に実現するのが難しいという課題がある。また、入射光量が多い画素における短時間露光においては、扱える電荷が光電変換素子の飽和電荷量に制限されるため、ダイナミックレンジ拡大処理に限界があるという課題もある。 However, in Patent Document 2, since the long exposure period and the short exposure period are different timings, in the case of a moving subject, the images are taken out of alignment. Therefore, there is a problem that it is difficult to realize the global shutter function and the HDR processing at the same time in one shooting. Further, in the short-time exposure of a pixel having a large amount of incident light, the charge that can be handled is limited to the saturated charge amount of the photoelectric conversion element, so that there is a problem that the dynamic range expansion process is limited.
本発明の目的は、動きのある被写体のずれを防止し、ダイナミックレンジを拡大することができるようにすることである。 An object of the present invention is to prevent a moving subject from shifting and to expand the dynamic range.
本発明の一観点によれば、複数の画素と、前記画素の信号をアナログからデジタルに変換するアナログデジタル変換部とを有し、前記複数の画素の各々は、光を電荷に変換し、前記変換した電荷を蓄積する光電変換部と、前記光電変換部からオーバーフローした電荷を保持する第1の保持部と、電荷を保持するための第2の保持部と、前記光電変換部に蓄積されている電荷を前記第2の保持部に転送する第1の転送部と、電荷を保持するための第3の保持部と、前記第2の保持部に保持されている電荷を前記第3の保持部に転送する第2の転送部と、前記第1の保持部に保持されている電荷を前記第3の保持部に転送する第3の転送部とを有し、前記アナログデジタル変換部は、前記第1の転送部と前記第2の転送部により前記光電変換部に蓄積されている電荷が前記第3の保持部に転送された電荷に基づく信号が基準信号より小さい場合には、前記第1の転送部と前記第2の転送部により前記光電変換部に蓄積されている電荷が前記第3の保持部に転送された電荷に基づく第1の信号をアナログからデジタルに変換し、前記第1の転送部と前記第2の転送部により前記光電変換部に蓄積されている電荷が前記第3の保持部に転送された電荷に基づく信号が基準信号より大きい場合には、前記第1の転送部と前記第2の転送部により前記光電変換部に蓄積されている電荷が前記第3の保持部に転送された電荷と前記第3の転送部により前記第1の保持部に保持されている電荷が前記第3の転送部に転送された電荷に基づく第2の信号をアナログからデジタルに変換する撮像装置が提供される。
According to one aspect of the present invention, it has a plurality of pixels and an analog-digital conversion unit that converts the signal of the pixels from analog to digital, and each of the plurality of pixels converts light into electric charges and described above. A photoelectric conversion unit that stores the converted charge, a first holding unit that holds the charge overflowing from the photoelectric conversion unit, a second holding unit that holds the charge, and the photoelectric conversion unit are stored. A first transfer unit that transfers an electric charge to the second holding unit, a third holding unit for holding the electric charge, and a third holding unit that holds the electric charge held in the second holding unit. The analog-digital conversion unit includes a second transfer unit that transfers the electric charge to the unit and a third transfer unit that transfers the electric charge held in the first holding unit to the third holding unit. When the charge accumulated in the photoelectric conversion unit by the first transfer unit and the second transfer unit is smaller than the reference signal, the signal based on the charge transferred to the third holding unit is the first. The electric charge accumulated in the photoelectric conversion unit by the
本発明によれば、動きのある被写体のずれを防止し、ダイナミックレンジを拡大することができるようにすることである。 According to the present invention, it is possible to prevent the displacement of a moving subject and expand the dynamic range.
以下に説明する実施形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。 The embodiment described below is an example as a means for realizing the present invention, and should be appropriately modified or changed depending on the configuration of the device to which the present invention is applied and various conditions, and the present invention is the following embodiment. It is not limited to.
図1は、本実施形態による撮像装置100の構成を示す図である。撮像装置100は、例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどである。撮像装置100は、光学系111、撮像素子112、信号処理部113、圧縮伸張部114、同期制御部115、操作部116、画像表示部117および画像記録部118を有する。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an
光学系111は、被写体を結像させるためのレンズ、ズームや合焦を行うためのレンズ駆動機構、メカニカルシャッタ機構、および絞り機構などを有する。光学系111は、同期制御部115からの制御信号に基づいて、駆動される。
The
撮像素子112は、XYアドレス方式のCMOSセンサであり、同期制御部115からの制御信号に応じて、光学系111により結像された光像を電気信号に変換し、電気信号をアナログからデジタルに変換し、デジタルの画像信号を出力する。
The
同期制御部115は、信号処理部113を制御する。信号処理部113は、撮像素子112から入力される画像信号に対して、ホワイトバランス調整、色補正、ガンマ補正等の信号処理、並びに、AF(Auto Focus)およびAE(Auto Exposure)等の制御情報の検出を実施する。
The
圧縮伸張部114は、同期制御部115の制御の下、信号処理部113で信号処理された画像信号に圧縮符号化処理を実施したり、同期制御部115から供給された静止画像の符号化データを伸張復号化処理する。また、圧縮伸張部114は、動画像の圧縮符号化/伸張復号化処理を実行してもよい。
Under the control of the
同期制御部115は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、およびRAM(Random Access Memory)などから構成されるマイクロコントローラである。同期制御部115は、ROMなどに記憶されたプログラムを実行することにより、撮像装置100の各構成要素を制御する。
The
操作部116は、例えば、シャッタレリーズボタンなどの各種操作キー、レバー、ダイヤルなどを有し、ユーザによる入力操作に応じた制御信号を同期制御部115に出力する。
The
画像表示部117は、液晶表示器(Liquid Crystal Display)などの表示デバイスと、これに対するインタフェース回路などを有する。画像表示部117は、同期制御部115から供給された画像信号から、表示させるための画像信号を生成し、この画像信号を表示デバイスに供給して画像を表示させる。
The
画像記録部118は、例えば、可搬型の半導体メモリなどの記録媒体に対して、圧縮伸張部114により圧縮符号化された画像ファイルを同期制御部115から入力して記録する。また、画像記録部118は、同期制御部115からの制御信号を基に、記録媒体から指定された画像ファイルを読み出し、同期制御部115に出力する。
The
次に、撮像装置100の動作について説明する。静止画像の撮像前、撮像素子112は、画像信号をフレーム単位で信号処理部113に順次出力する。信号処理部113は、撮像素子112からの画像信号に対して信号処理を施し、カメラスルー画像の信号として、同期制御部115を介して、画像表示部117に出力する。画像表示部117は、カメラスルー画像を表示し、ユーザは、表示画像を見て画角合わせを行うことができる。
Next, the operation of the
操作部116のシャッタレリーズボタンが押下されると、撮像素子112は、同期制御部115の制御により、1フレーム分の画像信号を静止画として、信号処理部113に出力する。信号処理部113は、1フレーム分の画像信号に信号処理を施し、処理後の画像信号を、同期制御部115を介して圧縮伸張部114に出力する。
When the shutter release button of the
圧縮伸張部114は、入力された画像信号を圧縮符号化し、符号化データを生成し、符号化データを同期制御部115に出力する。同期制御部115は、符号化データを含む画像ファイルを生成し、画像ファイルを画像記録部118に出力する。画像記録部118は、静止画の画像ファイルを記録媒体に記録する。
The compression /
次に、静止画の再生処理について説明する。同期制御部115は、操作部116の静止画再生の操作に応じて、選択された画像ファイルを画像記録部118から読み出し、画像ファイルを圧縮伸張部114に出力する。圧縮伸張部114は、画像ファイル内の符号化データに対して伸張復号化処理を実行し、伸張復号化処理した画像信号を同期制御部115を介して画像表示部117に出力する。画像表示部117は、入力した画像信号を静止画として表示する。
Next, the still image reproduction process will be described. The
次に、動画の記録処理について説明する。操作部116の操作により、動画の記録が指示される。撮像素子112は、画像信号をフレーム単位で信号処理部113に順次出力する。信号処理部113は、撮像素子112からの画像信号に対して信号処理を施し、同期制御部115を介して、圧縮伸張部114に出力する。圧縮伸張部114は、信号処理後の画像信号に対して圧縮符号化処理を施し、動画像の符号化データを順次生成し、同期制御部115に出力する。同期制御部115は、動画像の符号化データを含む動画像ファイルを生成して画像記録部118に出力する。画像記録部118は、動画像ファイルを記録媒体に記録する。
Next, the moving image recording process will be described. By operating the
次に、動画の再生処理について説明する。操作部116の操作により、動画の再生が指示される。同期制御部115は、画像記録部118から動画像ファイルを読み出して圧縮伸張部114に出力する。圧縮伸張部114は、動画像ファイル内の符号化データに対して伸張復号化処理を実行し、伸張復号化処理した画像信号を同期制御部115を介して画像表示部117に出力する。画像表示部117は、入力した画像信号を動画として表示する。
Next, the video reproduction process will be described. Playback of the moving image is instructed by the operation of the
図2は、図1の撮像素子112の構成例を示す図である。撮像素子112は、例えばCMOSセンサである。撮像素子112は、画素領域201、垂直走査部202、複数の列信号処理部203、水平走査部207、出力部209、および、タイミング部211を有する。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of the
画素領域201は、行列状に配置された複数の画素200を有する。複数の画素200は、行列状の画素P11〜P86で示される。1行目の画素200は、画素P11〜P16で表される。8行目の画素200は、画素P81〜P86で表される。図2においては、8行6列の画素200を例として示す。画素200の行列数は、この数に限定されない。
The
奇数行の画素200では、R(赤)フィルタが設けられた画素と、G(緑)フィルタが設けられた画素とが交互に配置される。偶数行の画素200では、G(緑)フィルタが設けられた画素と、B(青)フィルタが設けられた画素とが交互に配置される。
In the
垂直走査部202は、画素領域201の画素200を1行ずつ選択し、選択した画素行のリセット動作や読み出し動作を制御する。垂直走査部202は、各行の制御線221を介して、各行の画素200に接続される。垂直走査部202は、行単位で、画素200を制御する。
The
各列の信号線231は、各列の画素200に共通に接続される。各列の画素200は、制御線221により選択されると、それぞれ、各列の信号線231を介して、各列の列信号処理部203に画素信号を出力する。
The signal lines 231 in each row are commonly connected to the
各列の列信号処理部203は、各列の信号線231の画素信号に対して、それぞれ、アナログからデジタルに変換する。水平走査部207は、各列の列選択線251を介して列信号処理部203を列毎に選択し、列信号処理部203に記憶されているデジタルの画素信号を、出力線261を介して出力部209に転送する。出力部209は、デジタルの画素信号を行単位で信号処理部113に出力する。
The column
タイミング部211は、同期制御部115からの制御信号に基づいて、撮像素子112の各構成要素に対して、各種のクロック信号や制御信号などを出力する。タイミング211は、制御線271、281および285を介して、垂直走査部202、列信号処理部203および水平走査部207に対して、クロック信号や制御信号などを出力する。
The
図3は、画素200の構成例を示す回路図である。画素200は、光電変換部PD、転送トランジスタGST、保持トランジスタGSH、読み出しトランジスタGTX、コントロールトランジスタOFC、保持トランジスタOFS、および読み出しトランジスタOTXを有する。さらに、画素200は、フローティングディフュージョン(FD)300、リセットトランジスタRST、増幅トランジスタTD、および選択トランジスタSELを有する。各列の画素200は、それぞれ、各列の信号線231に接続される。各列の信号線231には、それぞれ、負荷トランジスタ231が接続される。
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration example of the
転送部301は、転送トランジスタGST、保持トランジスタGSHおよび読み出しトランジスタGTXを有する。転送部302は、コントロールトランジスタOFC、保持トランジスタOFSおよび読み出しトランジスタOTXを有する。
The
垂直走査部202は、制御線221を介して、転送トランジスタGST、保持トランジスタGSH、読み出しトランジスタGTX、コントロールトランジスタOFC、保持トランジスタOFSおよび読み出しトランジスタOTXのゲート信号を制御する。さらに、垂直走査部202は、制御線221を介して、リセットトランジスタRSTおよび選択トランジスタSELのゲート信号を制御する。
The
光電変換部PDは、例えばフォトダイオードであり、光を電荷に変換し、変換した電荷を蓄積する。光電変換部PDは、アノードがグランド電位ノードに接続され、カソードが転送トランジスタGSTおよびコントロールトランジスタOFCに接続される。 The photoelectric conversion unit PD is, for example, a photodiode, which converts light into electric charges and stores the converted electric charges. In the photoelectric conversion unit PD, the anode is connected to the ground potential node, and the cathode is connected to the transfer transistor GST and the control transistor OFC.
光電変換部PDのカソードは、転送トランジスタGST、保持トランジスタGSHおよび読み出しトランジスタGTXを介して、FD300に接続される。転送トランジスタGST、保持トランジスタGSHおよび読み出しトランジスタGTXは、MOS電界効果トランジスタである。
The cathode of the photoelectric conversion unit PD is connected to the
光電変換部PDのカソードは、コントロールトランジスタOFC、保持トランジスタOFSおよび読み出しトランジスタOTXを介して、FD300に接続される。コントロールトランジスタOFC、保持トランジスタOFSおよび読み出しトランジスタOTXは、MOS電界効果トランジスタである。FD300は、電荷を保持する電荷保持部である。
The cathode of the photoelectric conversion unit PD is connected to the
リセットトランジスタRSTは、ドレインが電源電圧ノードVddに接続され、ソースがFD300に接続され、FD300の電圧を電源電圧ノードVddの電圧にリセットする。 In the reset transistor RST, the drain is connected to the power supply voltage node Vdd, the source is connected to the FD300, and the voltage of the FD300 is reset to the voltage of the power supply voltage node Vdd.
増幅トランジスタTDは、ゲートがFD300に接続され、ドレインが電源電圧ノードVddに接続され、ソースが選択トランジスタSELのドレインに接続され、FD300に保持されている電荷量に応じた電圧を出力する。選択トランジスタSELは、ソースが信号線231に接続され、増幅トランジスタTDの出力信号を画素200の出力信号として、信号線231に出力する。
The amplification transistor TD has a gate connected to the FD300, a drain connected to the power supply voltage node Vdd, a source connected to the drain of the selection transistor SEL, and outputs a voltage corresponding to the amount of charge held in the FD300. In the selection transistor SEL, the source is connected to the
負荷トランジスタTLは、ソースとゲートがグランド電位ノードに接続され、ドレインが信号線231に接続される。負荷トランジスタTLは、増幅トランジスタTDとともにソースフォロア回路を構成している。画素200が信号を出力する場合、負荷トランジスタTLは、ゲート接地の定電流源として動作する。
In the load transistor TL, the source and the gate are connected to the ground potential node, and the drain is connected to the
コントロールトランジスタOFC、増幅トランジスタTDおよび負荷トランジスタTL以外のトランジスタは、スイッチとして働き、ゲート信号がハイレベルの場合に導通し(オンし)、ゲート信号がローレベルの場合に遮断する(オフする)。 Transistors other than the control transistor OFC, amplification transistor TD and load transistor TL act as switches, conducting (turning on) when the gate signal is high level and shutting off (turning off) when the gate signal is low level.
FD300は、電荷を電圧に変換する。FD300は、画素信号となる電圧と転送される電荷の関係において、リニアリティが保てる範囲で動作させることが望ましい。そこで、光電変換部PDがオーバーフローする直前の電荷量と、FD300における電荷電圧変換のリニアリティが保てる電荷量が略等しくなるように設定する。この設定は、光電変換部PDの容量とFD300の容量との比が1:1の状態である。
The
また、保持トランジスタGSHが保持可能な飽和容量をGSH容量と呼ぶ。また、保持トランジスタOFSが電荷保持可能な飽和容量をOFS容量と呼ぶ。光電変換部PDの容量とFD300の容量とGSH容量とOFS容量との比は、略1:1:1:3となるように設定されている。FD300の電荷電圧変換の変換ゲインは、1倍である。
Further, the saturation capacitance that can be held by the holding transistor GSH is called a GSH capacitance. Further, the saturation capacitance in which the holding transistor OFS can hold a charge is called an OFS capacitance. The ratio of the capacity of the photoelectric conversion unit PD, the capacity of the
ここで、光電変換部PDの容量とFD300の容量とGSH容量との比は、1:1:1であればよい。光電変換部PDの容量とOFS容量との比は、1:3に限らず、1以上に設定されていれば、後述する効果がある。
Here, the ratio of the capacity of the photoelectric conversion unit PD, the capacity of the
図4は、図2の列信号処理部203の構成例を示す図である。列信号処理部203は、スイッチ回路401、比較器402、カウンタ回路403、ラッチ回路404、演算回路405、AND回路406およびサンプルホールド容量407を有する。制御線281は、制御線pSwS、信号線Vrmp、制御線pCNT、制御線pLTCおよび制御線pCALを含む。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of the column
AND回路406は、制御線pSwSおよびpSwHの信号の論理積信号をスイッチ回路401に出力する。スイッチ回路401は、AND回路406の出力信号に応じて、信号線231の信号をサンプルホールド容量407に書き込む。信号線Vsigは、サンプルホールド容量407に接続されている。スイッチ回路401は、AND回路406の出力信号がハイレベルの場合に導通し、AND回路406の出力信号がローレベルの場合に遮断する。
The AND
タイミング部211は、信号線Vrmpに図7のランプ波G1または判定信号Vjdを出力する。ランプ波G1は、図7に示すように、初期電圧から徐々に増加する三角波である。ランプ波G1の振幅は、サンプルホールド容量407に接続されている信号線Vsigの信号の振幅に対して十分に大きければよい。
The
比較器402は、信号線Vsigの信号と信号線Vrmpのランプ波G1を比較し、比較結果をカウンタ回路403に出力する。例えば、信号線Vsigの信号と信号線Vrmpのランプ波G1の大小関係が逆転した場合に、比較器402がカウンタ回路403に出力する出力信号は、ハイレベルからローレベルに変化する。
The
また、比較器402は、信号線Vsigの信号と信号線Vrmpの基準信号Vjdを比較し、比較結果を制御線pSwHに出力する。例えば、信号線Vsigの信号が信号線Vrmpの基準信号Vjdより大きい場合に、制御線pSwHは、ハイレベルになる。信号線Vsigの信号が信号線Vrmpの基準信号Vjdより小さい場合に、制御線pSwHは、ローレベルになる。以下、制御線pSwHがハイレベルの場合を高照度の場合といい、制御線pSwLがローレベルの場合を低照度の場合という。
Further, the
タイミング部211は、信号線Vrmpのランプ波G1のレベル変化が開始すると、制御線pCNTへのクロック信号の出力を開始する。カウンタ回路403は、制御線pCNTのクロック信号を基にカウンタを行い、比較器402の出力信号がハイレベルからローレベルに変化すると、その時点のカウント値を保持してラッチ回路404に出力する。このカウント値は、信号線Vsigの信号をアナログからデジタルに変換したデジタル値である。比較器402とカウンタ回路403とラッチ回路404は、アナログデジタル変換部である。
The
ラッチ回路404は、カウンタ回路403が出力するカウント値を保持し、制御線pLTCの信号に応じて、保持しているカウント値を演算回路405に出力する。
The
演算回路405は、演算部であり、制御線pCALの信号に応じて、ラッチ回路404が出力するカウント値を記憶し、信号処理を実施し、画素信号を保持する。また、演算回路405は、列選択線251の信号に応じて、記憶している画素信号を出力線261に出力する。
The
図5は、撮像装置100の撮影動作を示すタイミングチャートである。フレーム同期信号FSは、フレーム単位の同期信号であり、立ち下がりで有効となる。フレーム同期信号FSは、時刻s01、s03、s06、s08およびs11の等間隔で立ち下がる。図5の垂直方向は、撮像素子112の画素領域201を行毎に制御する場合の最初の行から最後の行までの行番号を示す。
FIG. 5 is a timing chart showing the photographing operation of the
時刻s01およびs06で始まるフレームは、グローバルシャッタ動作における露光を行うフレームである。時刻s02およびs07では、全画素200において、同時に、光電変換部PDの電荷はリセットされ、露光が開始する。
The frames starting with the times s01 and s06 are the frames for the exposure in the global shutter operation. At time s02 and s07, the electric charge of the photoelectric conversion unit PD is reset at the same time in all the
時刻s03およびs08で始まるフレームは、グローバルシャッタ動作における読み出し動作を行うフレームである。時刻s03およびs08では、全画素200において、同時に、転送トランジスタGSTは、光電変換部PDに蓄積されている電荷を保持トランジスタGSHに転送することで、露光を終了させる。保持トランジスタGSHは、電荷を保持する。これにより、同時露光によるグローバルシャッタ動作が実現できることになる。
The frames starting with the times s03 and s08 are the frames for performing the read operation in the global shutter operation. At times s03 and s08, at all
時刻s04〜s05と時刻s09〜s10では、全画素200の行順で、読み出しトランジスタGTXは、保持トランジスタGSHに保持されている電荷をFD300に転送する。増幅トランジスタTDは、FD300に保持されている電荷量に応じた電圧を、選択トランジスタSELを介して信号線231に出力する。
At times s04 to s05 and times s09 to s10, the read transistor GTX transfers the electric charge held by the holding transistor GSH to the FD300 in the row order of all
このように、撮像装置100は、露光フレームと読み出しフレームを組み合わせてグローバルシャッタ動作を実現する。撮像装置100は、露光フレームと読み出しフレームを交互に実施することで、動画撮影も可能である。
In this way, the
図6は、撮像素子112の制御方法を示すタイミングチャートである。ライン同期信号LSは、ライン単位の同期信号であり、立ち下がりで有効となる。ライン同期信号LSは、フレーム同期信号FSの期間内で、画素領域201を行毎に制御する場合の最初の行から最後の行までの同期信号である。
FIG. 6 is a timing chart showing a control method of the
制御線221は、制御線pSEL、pRST、pOFC、pOFS、pOTX、pGST、pGSHおよびpGTXを含む。制御線pSELは、選択トランジスタSELのゲートに接続される。制御線pRSTは、リセットトランジスタRSTのゲートに接続される。制御線pOFCは、コントロールトランジスタOFCのゲートに接続される。制御線pOFSは、保持トランジスタOFSのゲートに接続される。制御線pOTXは、読み出しトランジスタOTXのゲートに接続される。制御線pGSTは、転送トランジスタGSTのゲートに接続される。制御線pGSHは、保持トランジスタGSHのゲートに接続される。制御線pGTXは、読み出しトランジスタGTXのゲートに接続される。
The
時刻t1〜t8は、図5の時刻s02およびs07における全画素同時リセットを実施する行を示す。時刻t1では、ライン同期信号LSが立ち下がる。 Times t1 to t8 indicate lines for performing simultaneous reset of all pixels at times s02 and s07 in FIG. At time t1, the line synchronization signal LS falls.
時刻t2では、制御線pRST、pOFC、pOFS、pOTX、pGST、pGSHおよびpGTXがハイレベルになる。すると、リセットトランジスタRST、コントロールトランジスタOFC、保持トランジスタOFS、読み出しトランジスタOTX、転送トランジスタGST、保持トランジスタGSHおよび読み出しトランジスタGTXがオン状態になる。これにより、光電変換部PD、転送部301、転送部302およびFD300の電圧は、電源電圧ノードVddの電圧にリセットされる。
At time t2, the control lines pRST, pOFC, pOFS, pOTX, pGST, pGSH and pGTX are at high levels. Then, the reset transistor RST, the control transistor OFC, the holding transistor OFS, the reading transistor OTX, the transfer transistor GST, the holding transistor GSH, and the reading transistor GTX are turned on. As a result, the voltages of the photoelectric conversion unit PD, the
時刻t3では、制御線pGSTがローレベルになり、転送トランジスタGSTがオフ状態になる。時刻t4では、制御線pGSHがローレベルになり、保持トランジスタGSHがオフ状態になる。時刻t5では、制御線pGTXがローレベルになり、読み出しトランジスタGTXがオフ状態になる。これにより、転送部301のリセットが解除される。
At time t3, the control line pGST goes low and the transfer transistor GST goes off. At time t4, the control line pGSH goes to a low level and the holding transistor GSH goes off. At time t5, the control line pGTX becomes low level and the read transistor GTX is turned off. As a result, the reset of the
また、時刻t4では、制御線pOFCがローレベルになり、コントロールトランジスタOFCがオフ状態になる。時刻t5では、制御線pOFSがローレベルになり、保持トランジスタOFSがオフ状態になる。時刻t6では、制御線pOTXがローレベルになり、読み出しトランジスタGTXがオフ状態になる。読み出しトランジスタGTXは、保持トランジスタOFSとFD300とを切断した状態にする。これにより、転送部302および光電変換部PDのリセットが解除される。
Further, at time t4, the control line pOFC becomes low level and the control transistor OFC is turned off. At time t5, the control line pOFS becomes low level and the holding transistor OFS is turned off. At time t6, the control line pOTX goes low and the read transistor GTX goes off. The readout transistor GTX is in a state where the holding transistor OFS and the FD300 are disconnected. As a result, the reset of the
時刻t7では、制御線pOFSがハイレベルになり、保持トランジスタOFSがオン状態になる。時刻t8では、制御線pOFCが第3の電位になる。第3の電位は、ローレベルより高く、ハイレベルより低い電位である。また、時刻t8では、制御線pRSTがローレベルになり、リセットトランジスタRSTがオフ状態になり、FD300のリセットが解除される。 At time t7, the control line pOFS becomes high level and the holding transistor OFS is turned on. At time t8, the control line pOFC becomes the third potential. The third potential is higher than the low level and lower than the high level. Further, at time t8, the control line pRST becomes a low level, the reset transistor RST is turned off, and the reset of the FD300 is released.
コントロールトランジスタOFCは、制御線pOFCが第3の電位になると、光電変換部PDでオーバーフローした電荷を、保持トランジスタGSHでなく、保持トランジスタOFSに導く。光電変換部PDは、所定量の電荷を蓄積可能である。光電変換部PDで所定量を超えた電荷は、コントロールトランジスタOFCを介して、保持トランジスタOFSに流れ込む。保持トランジスタOFSは、コントロールトランジスタOFCを介して、光電変換部PDからオーバーフローした電荷を保持する保持部である。 When the control line pOFC reaches the third potential, the control transistor OFC guides the charge overflowed by the photoelectric conversion unit PD to the holding transistor OFS instead of the holding transistor GSH. The photoelectric conversion unit PD can accumulate a predetermined amount of electric charge. The electric charge exceeding a predetermined amount in the photoelectric conversion unit PD flows into the holding transistor OFS via the control transistor OFC. The holding transistor OFS is a holding unit that holds the electric charge overflowing from the photoelectric conversion unit PD via the control transistor OFC.
時刻t2では、転送トランジスタGSTがオフ状態になる。その後、時刻t3において、コントロールトランジスタOFCがオフ状態になると、露光が開始する。すなわち、光電変換部PDは、リセットが解除され、電荷蓄積期間が開始する。 At time t2, the transfer transistor GST is turned off. After that, at time t3, when the control transistor OFC is turned off, the exposure starts. That is, the photoelectric conversion unit PD is released from the reset, and the charge accumulation period starts.
時刻t9〜t12は、図5の時刻s03およびs08における全画素同時転送を実施する行を示す。時刻t9では、ライン同期信号LSがローレベルになる。 Times t9 to t12 indicate lines at which all pixels are simultaneously transferred at times s03 and s08 in FIG. At time t9, the line synchronization signal LS becomes low level.
時刻t10では、制御線pGSTおよびpGSHがハイレベルにあり、転送トランジスタGSTおよび保持トランジスタGSHがオン状態になる。転送トランジスタGSTは、光電変換部PDに蓄積されている電荷を保持トランジスタGSHに転送する。保持トランジスタGSHは、保持部であり、転送された電荷を保持する。 At time t10, the control lines pGST and pGSH are at a high level, and the transfer transistor GST and the holding transistor GSH are turned on. The transfer transistor GST transfers the electric charge stored in the photoelectric conversion unit PD to the holding transistor GSH. The holding transistor GSH is a holding portion and holds the transferred charge.
時刻t11では、制御線pOFCがローレベルになり、コントロールトランジスタOFCがオフ状態になる。コントロールトランジスタOFCは、オーバーフローした電荷を転送を終了する。 At time t11, the control line pOFC becomes low level and the control transistor OFC is turned off. The control transistor OFC ends the transfer of the overflowed charge.
時刻t12では、制御線pGSTがローレベルになり、転送トランジスタGSTがオフ状態になる。転送トランジスタGSTは、光電変換部PDに蓄積されている電荷の転送を終了する。これにより、露光が終了し、光電変換部PDの電荷蓄積期間が終了する。 At time t12, the control line pGST goes to a low level and the transfer transistor GST goes off. The transfer transistor GST ends the transfer of the electric charge stored in the photoelectric conversion unit PD. As a result, the exposure is completed, and the charge accumulation period of the photoelectric conversion unit PD is completed.
図7は、図5の時刻s04〜s05と時刻s09〜s10において、行毎に画素200の信号を読み出す動作を示す波形図である。信号線Vsigは、サンプルホールド容量407から比較器402の入力端子に接続される。信号線Vrmpは、タイミング部211から比較器402に入力端子に接続される。図7の垂直方向は電圧Vを示し、図7の水平方向は時間tを示す。電圧Vは、ランプ波G1の初期電圧を基準した電圧である。
FIG. 7 is a waveform diagram showing an operation of reading a signal of
期間tr1では、列信号処理部203は、初期設定する。初期設定は、例えば、比較器402の入力信号のクランプを実施する。制御線pSwHおよびpSwSがハイレベルになる。AND回路406は、ハイレベルを出力し、スイッチ回路401は、信号線231を信号線Vsigに接続する。サンプルホールド容量407は、信号線231の信号を保持する。比較器402は、内部で、信号線VsigおよびVrmpの信号を基準レベルとしてクランプする。
In the period tr1, the column
図6の時刻t13では、ライン同期信号LSがローレベルになる。時刻t14では、制御線pSELがハイレベルになり、選択トランジスタSELがオン状態になる。 At time t13 in FIG. 6, the line synchronization signal LS becomes low level. At time t14, the control line pSEL becomes high level and the selection transistor SEL is turned on.
また、時刻t14では、制御線pRESがハイレベルになり、リセットトランジスタSELがオン状態になる。リセットトランジスタSELは、FD300を電源電圧ノードVddの電圧にリセットする。
Further, at time t14, the control line pRES becomes high level and the reset transistor SEL is turned on. The reset transistor SEL resets the
時刻t15では、制御線pRESがハイレベルになり、リセットトランジスタSELがオン状態になる。リセットトランジスタSELは、FD300を電源電圧ノードVddの電圧にリセットする。保持トランジスタGSHおよびOFSは、それぞれ、上記の電荷を保持した状態を維持する。
At time t15, the control line pRES becomes high level and the reset transistor SEL is turned on. The reset transistor SEL resets the
図7の期間tt1は、図6の時刻t15の後の期間である。期間tt1では、増幅トランジスタTDは、FD300のリセット解除に基づくN信号Vn_Hを、選択トランジスタSELおよびスイッチ回路401を介して、信号線Vsigに出力する。N信号Vn_Hは、サンプルホールド容量407に保持される。
The period tt1 in FIG. 7 is the period after the time t15 in FIG. In the period tt1, the amplification transistor TD outputs the N signal Vn_H based on the reset release of the
なお、期間tt1の後、タイミング部211は、制御線pSwSをローレベルにし、スイッチ回路401をオフ状態にしてもよい。N信号Vn_Hは、サンプルホールド容量407に保持される。
After the period tt1, the
期間tr2では、タイミング部211は、信号線Vrmpnのランプ波G1のレベル変化を開始し、制御線pCNTのクロック信号の出力を開始する。カウンタ回路403は、クロック信号に基づくカウント値のカウントを開始する。比較器402は、信号線VsigのN信号Vn_Hと信号線Vrmpのランプ波G1とを比較する。
In the period tr2, the
期間tngsは、カウント回路403のN信号Vn_Hのカウント期間である。期間tngsの終了時刻では、ランプ波G1とN信号Vn_Hの大小関係が逆転し、比較器402の出力信号は、ハイレベルからローレベルに変化する。すると、カウンタ回路403は、その時点のカウント値をラッチ回路403に出力する。このカウント値は、N信号Vn_Hをアナログからデジタルに変換したデジタル値cngsである。ラッチ回路403および演算回路405は、N信号Vn_Hのデジタル値cngsを保持する。
The period tngs is the counting period of the N signal Vn_H of the
次に、図6の時刻t16〜t18の処理が行われる。時刻t16では、制御線pGTXがハイレベルになり、読み出しトランジスタGTXがオン状態なる。読み出しトランジスタGTXは、保持トランジスタGSHに保持されている電荷をFD300に転送する。FD300は、保持部であり、転送された電荷を保持する。
Next, the processing at times t16 to t18 in FIG. 6 is performed. At time t16, the control line pGTX goes to a high level and the read transistor GTX is turned on. The read transistor GTX transfers the electric charge held by the holding transistor GSH to the FD300. The
時刻t17では、制御線pGSHがローレベルになり、保持トランジスタGSHがオフ状態なる。時刻t18では、制御線pGTXがローレベルになり、読み出しトランジスタGTXがオフ状態なる。読み出しトランジスタGTXは、保持トランジスタGSHに保持されている電荷の転送を終了する。なお、保持トランジスタOFSは、オーバーフロー電荷を保持した状態を維持する。タイミング部211は、制御線pSwSをハイレベルにし、スイッチ回路401をオン状態にする。
At time t17, the control line pGSH goes to a low level and the holding transistor GSH goes off. At time t18, the control line pGTX goes low and the read transistor GTX goes off. The read transistor GTX ends the transfer of charges held in the holding transistor GSH. The holding transistor OFS maintains a state in which the overflow charge is held. The
図7の期間tt2では、増幅トランジスタTDは、FD300に保持されている光電変換に基づくS信号VgsLまたはVgsHを、選択トランジスタSELおよびスイッチ回路401を介して信号線Vsigに出力する。S信号VgsLは、光電変換部PDが低照度の光を入射した場合の信号である。S信号VgsHは、光電変換部PDが高照度の光を入射した場合の信号である。
In the period tt2 of FIG. 7, the amplification transistor TD outputs the S signal VgsL or VgsH based on the photoelectric conversion held in the
低照度の場合、画素200は、S信号VgsLを出力し、光電変換部PDの電荷はオーバーフローせず、保持トランジスタOFSには電荷が保持されない。高照度の場合、画素200は、S信号VgsHを出力し、光電変換部PDの電荷はオーバーフローし、保持トランジスタOFSには電荷が保持される。
In the case of low illuminance, the
なお、期間tt2の後、タイミング部211は、制御線pSwSをローレベルにし、スイッチ回路401をオフ状態にしてもよい。サンプルホールド容量407は、S信号VgsLまたはVgsHを保持する。
After the period tt2, the
まず、画素200がS信号VgsHを出力する場合を説明する。期間tr3では、タイミング部211は、信号線Vrmpに対して、固定レベルの基準信号Vjdを出力する。比較器402は、信号線VsigのS信号VgsHと信号線Vrmpの基準信号Vjdとを比較する。比較器402は、S信号VgsHが基準信号Vjdより大きいので、制御線pSwHにハイレベルを出力する。制御線pSwHがハイレベルであるので、AND回路406はハイレベルを出力し、スイッチ回路401はオン状態になる。
First, a case where the
次に、画素200がS信号VgsLを出力する場合を説明する。期間tr3では、比較器402は、S信号VgsLが基準信号Vjdより小さいので、制御線pSwHにローレベルを出力する。AND回路406はローレベルを出力し、スイッチ回路401はオフ状態になる。サンプルホールド容量407は、S信号VgsLを保持している。
Next, a case where the
期間tt3は、図6の時刻t19以後の期間に対応する。時刻t19では、制御線pOTXがハイレベルになり、読み出しトランジスタOTXがオン状態になる。読み出しトランジスタOTXは、保持トランジスタOFSとFD300とを接続した状態にする。読み出しトランジスタOTXは、保持トランジスタOFSのオーバーフロー電荷をFD300に転送する。FD300は、上記で読み出しトランジスタGTXにより転送された電荷に対して、読み出しトランジスタOTXにより転送された電荷を加算し、加算された電荷を保持する。
The period tt3 corresponds to the period after the time t19 in FIG. At time t19, the control line pOTX goes to a high level and the read transistor OTX is turned on. The readout transistor OTX is in a state in which the holding transistor OFS and the FD300 are connected. The readout transistor OTX transfers the overflow charge of the holding transistor OFS to the FD300. The
読み出しトランジスタOTXは、保持トランジスタOFSの容量とFD300の容量とを接続する。FD300の容量と保持トランジスタOFSの容量との比は、略1:3となっている。保持トランジスタOFSとFD300の容量の電荷から電圧への変換ゲインは、FD300の容量のみの場合の変換ゲインに対して、1/4倍である。 The readout transistor OTX connects the capacitance of the holding transistor OFS and the capacitance of the FD300. The ratio of the capacitance of the FD300 to the capacitance of the holding transistor OFS is approximately 1: 3. The charge-to-voltage conversion gain of the capacitances of the holding transistors OFS and FD300 is 1/4 times the conversion gain of the FD300 capacitance alone.
なお、低照度の場合、画素200は、S信号VgsLを出力し、光電変換部PDの電荷はオーバーフローせず、保持トランジスタOFSには電荷が保持されていない。
In the case of low illuminance, the
これにより、図7の期間tt3では、低照度の場合、信号線Vsigでは、S信号VgsLがS信号VgoLに低下する。S信号VgoLは、S信号VgsLの1/4倍の信号である。S信号VgoLは、保持トランジスタGSHの容量に保持されていた電荷に対応する信号である。 As a result, in the period tt3 of FIG. 7, in the case of low illuminance, the S signal VgsL decreases to the S signal VgoL in the signal line Vsig. The S signal VgoL is a signal that is 1/4 times the S signal VgsL. The S signal VgoL is a signal corresponding to the electric charge held in the capacitance of the holding transistor GSH.
同様に、高照度の場合、信号線Vsigでは、S信号VgsHがS信号VgoHに低下する。S信号VgoHは、保持トランジスタGSHの容量に保持されていた電荷と保持トランジスタOFSの容量に保持されていた電荷が加算された電荷に対応する信号である。 Similarly, in the case of high illuminance, the S signal VgsH decreases to the S signal VgoH in the signal line Vsig. The S signal VgoH is a signal corresponding to a charge obtained by adding the electric charge held in the capacitance of the holding transistor GSH and the electric charge held in the capacitance of the holding transistor OFS.
高照度の場合、信号線Vsigには、S信号VgoHが出力され、上記のように、スイッチ回路401がオン状態になる。サンプルホールド容量407は、S信号VgoHを保持する。なお、期間tt3の後、タイミング部211は、制御線pSwSをローレベルにし、スイッチ回路401をオフ状態にしてもよい。サンプルホールド容量407は、S信号VgoHを保持する。
In the case of high illuminance, the S signal VgoH is output to the signal line Vsig, and the
低照度の場合、信号線Vsigには、S信号VgoLが出力され、上記のように、スイッチ回路401がオフ状態になる。サンプルホールド容量407は、S信号VgsLを保持したままである。
In the case of low illuminance, the S signal VgoL is output to the signal line Vsig, and the
期間tr4では、タイミング部211は、信号線Vrmpnのランプ波G1のレベル変化を開始し、制御線pCNTのクロック信号の出力を開始する。カウンタ回路403は、クロック信号に基づくカウント値のカウントを開始する。
In the period tr4, the
高照度の場合、比較器402は、信号線VsigのS信号VgoHと信号線Vrmpのランプ波G1とを比較する。期間tsgoHは、カウント回路403のS信号VgoHのカウント期間である。期間tsgoHの終了時刻では、ランプ波G1とS信号VgoHの大小関係が逆転し、比較器402の出力信号は、ハイレベルからローレベルに変化する。すると、カウンタ回路403は、その時点のカウント値をラッチ回路403に出力する。このカウント値は、S信号VgoHをアナログからデジタルに変換したデジタル値csgoHである。ラッチ回路403および演算回路405は、S信号VgoHのデジタル値csgoHを保持する。
In the case of high illuminance, the
低照度の場合、比較器402は、信号線VsigのS信号VgsLと信号線Vrmpのランプ波G1とを比較する。期間tsgsLは、カウント回路403のS信号VgsLのカウント期間である。期間tsgsLの終了時刻では、ランプ波G1とS信号VgsLの大小関係が逆転し、比較器402の出力信号は、ハイレベルからローレベルに変化する。すると、カウンタ回路403は、その時点のカウント値をラッチ回路403に出力する。このカウント値は、S信号VgsLをアナログからデジタルに変換したデジタル値csgsLである。ラッチ回路403および演算回路405は、S信号VgsLのデジタル値csgsLを保持する。
In the case of low illuminance, the
期間tr4のランプ波G1の変化率は、期間tr2のランプ波G1の変化率と同じである。期間tr4のランプ波G1の最大レベルは、基準信号Vjdのレベルでよい。 The rate of change of the lamp wave G1 in the period tr4 is the same as the rate of change of the lamp wave G1 in the period tr2. The maximum level of the ramp wave G1 of the period tr4 may be the level of the reference signal Vjd.
期間tt4は、図6の時刻t20〜t21の期間に対応する。時刻t20では、制御信号pRSTがハイレベルになり、リセットトランジスタRSTがオン状態になる。読み出しトランジスタOTXは、オン状態を維持している。リセットトランジスタRSTは、保持トランジスタOFSの容量とFD300の容量を電源電圧ノードVddの電圧にリセットする。 The period tt4 corresponds to the period from time t20 to t21 in FIG. At time t20, the control signal pRST becomes high level and the reset transistor RST is turned on. The readout transistor OTX remains on. The reset transistor RST resets the capacitance of the holding transistor OFS and the capacitance of the FD300 to the voltage of the power supply voltage node Vdd.
時刻t21では、制御信号pRSTがローレベルになり、リセットトランジスタRSTがオフ状態になる。リセットトランジスタRSTは、保持トランジスタOFSの容量とFD300の容量のリセットを解除する。 At time t21, the control signal pRST goes low and the reset transistor RST goes off. The reset transistor RST releases the reset of the capacitance of the holding transistor OFS and the capacitance of the FD300.
これにより、期間tt4では、画素200は、保持トランジスタOFSの容量とFD300の容量のリセット解除に基づくN信号Vn_Lを出力する。高照度の場合、タイミング部211は、制御線pSwSをハイレベルにし、スイッチ回路401をオン状態にし、サンプルホールド容量407は、N信号Vn_Lを保持する。N信号Vn_Lは、読み出しトランジスタOTXが保持トランジスタOFSの容量とFD300の容量とを接続した場合のN信号である。
As a result, in the period tt4, the
低照度の場合、スイッチ回路401は、オフ状態を維持し、サンプルホールド容量407は、S信号VgsLを保持した状態を維持する。
In the case of low illuminance, the
期間tr5では、タイミング部211は、信号線Vrmpnのランプ波G1のレベル変化を開始し、制御線pCNTのクロック信号の出力を開始する。カウンタ回路403は、クロック信号に基づくカウント値のカウントを開始する。高照度の場合、比較器402は、信号線VsigのN信号Vn_Lと信号線Vrmpのランプ波G1とを比較する。
In the period tr5, the
期間tngoは、カウント回路403のN信号Vn_Lのカウント期間である。期間tngoの終了時刻では、ランプ波G1とN信号Vn_Lの大小関係が逆転し、比較器402の出力信号は、ハイレベルからローレベルに変化する。すると、カウンタ回路403は、その時点のカウント値をラッチ回路403に出力する。このカウント値は、N信号Vn_Lをアナログからデジタルに変換したデジタル値cngoである。ラッチ回路403および演算回路405は、N信号Vn_Lのデジタル値cngoを保持する。
The period tngo is the counting period of the N signal Vn_L of the
演算回路405は、制御線pSwHがローレベルであり、低照度の場合、S信号VgsLのデジタル値csgsLとN信号Vn_Hのデジタル値cngsとの差分を演算し、その差分をS信号VgsLの画素値として記憶する。
The
また、演算回路405は、制御線pSwHがハイレベルであり、高照度の場合、S信号VgoHのデジタル値csgoHとN信号Vn_Lのデジタル値cngoとの差分を演算し、その差分の4倍の値をS信号VgoHの画素値として記憶する。この4倍は、保持トランジスタOFSの容量とFD300の容量の変換ゲインが1/4になっているための補正処理である。これにより、演算回路405は、低照度の場合の画素値に対して、高照度の場合の画素値の変換ゲインを補正することができる。
Further, the
低照度の場合の画素値と低照度の場合の画素値の電荷電圧変換の変換ゲインの違いを補正するため、演算回路405は、S信号VgoHのデジタル値csgoHとN信号Vn_Lのデジタル値cngoとの差分を補正する。なお、演算回路405は、その補正の代わりに、上記のS信号VgsLのデジタル値csgsLとN信号Vn_Hのデジタル値cngsとの差分を補正してもよい。
In order to correct the difference in the conversion gain of the charge-voltage conversion of the pixel value in the case of low illuminance and the pixel value in the case of low illuminance, the
期間tt5は、図6の時刻t22〜t24の期間に対応する。時刻t22では、制御線pOFSがローレベルになり、保持トランジスタOFSがオフ状態になる。時刻t23では、制御線pOTXがローレベルになり、読み出しトランジスタOTXがオフ状態になる。読み出しトランジスタOTXは、FD300の容量を保持トランジスタOFSの容量から切断する。FD300の容量の電荷電圧変換の変換ゲインは、1倍に戻る。 The period tt5 corresponds to the period from time t22 to t24 in FIG. At time t22, the control line pOFS becomes low level and the holding transistor OFS is turned off. At time t23, the control line pOTX becomes low level and the read transistor OTX is turned off. The readout transistor OTX cuts the capacitance of the FD300 from the capacitance of the holding transistor OFS. The conversion gain of the charge-voltage conversion of the capacitance of the FD300 returns to 1 time.
時刻t24では、制御信号pSELがローレベルになり、選択トランジスタSELがオフ状態になる。選択トランジスタSELは、増幅トランジスタTDを信号線231から切断する。その後、次のライン同期信号LSがローベルになり、次の行の処理が開始する。
At time t24, the control signal pSEL becomes low level and the selection transistor SEL is turned off. The selection transistor SEL cuts the amplification transistor TD from the
水平走査部207は、各列の列選択線251を介して、各列の列信号処理部203の演算回路405を順に選択する。各列の演算回路405は、順に、各列の画素値を出力線261を介して出力部209に出力する。
The
以上のように、撮像装置100は、一回の撮影で、グローバルシャッタ機能とダイナミックレンジ拡大処理を同時に実現し、画素200が扱える電荷量を増大させることができる。撮像素子112は、光電変換部PDのオーバーフロー電荷を保持するための保持トランジスタOFSを用いて、全画素200の同時露光によるグローバルシャッタ動作を実現する。グローバルシャッタ動作では、全画素200が同時露光されるので、動きのある被写体のずれを防止することができる。
As described above, the
また、撮像素子112は、保持トランジスタOFSおよびGSHに保持された電荷を加算することにより、光電変換部PDの電荷がオーバーフローした場合の画素値を生成することができる。また、撮像素子112は、高照度のS信号VgsHの場合には電荷電圧変換の変換ゲインを1/4倍にし、低照度のS信号VgsLの場合には電荷電圧変換の変換ゲインを1倍にすることより、ダイナックレンジが拡大したHDR処理を実現することができる。期間tr4の1回のS信号のアナログデジタル変換を行うだけで、HDR処理を実現できるので、フレームレートを向上させることができる。
Further, the
撮像装置100は、デジタルカメラ、ビデオカメラの他、スマートフォン、タブレット、工業用カメラ、医療用カメラ、車載カメラ等に適用可能である。
The
なお、上記実施形態は、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。 It should be noted that all of the above embodiments merely show examples of embodiment in carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed in a limited manner by these. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or its main features.
100 撮像装置、112 撮像素子、200 画素、203 列信号処理部、300 FD、PD 光電変換部、GST 転送トランジスタ、GSH 保持トランジスタ、GTX 読み出しトランジスタ、OFC コントロールトランジスタ、OFS 保持トランジスタ、OTX 読み出しトランジスタ 100 image sensor, 112 image sensor, 200 pixels, 203 column signal processing unit, 300 FD, PD photoelectric conversion unit, GST transfer transistor, GSH holding transistor, GTX read transistor, OFC control transistor, OFS holding transistor, OTX read transistor
Claims (7)
前記画素の信号をアナログからデジタルに変換するアナログデジタル変換部とを有し、
前記複数の画素の各々は、
光を電荷に変換し、前記変換した電荷を蓄積する光電変換部と、
前記光電変換部からオーバーフローした電荷を保持する第1の保持部と、
電荷を保持するための第2の保持部と、
前記光電変換部に蓄積されている電荷を前記第2の保持部に転送する第1の転送部と、
電荷を保持するための第3の保持部と、
前記第2の保持部に保持されている電荷を前記第3の保持部に転送する第2の転送部と、
前記第1の保持部に保持されている電荷を前記第3の保持部に転送する第3の転送部とを有し、
前記アナログデジタル変換部は、
前記第1の転送部と前記第2の転送部により前記光電変換部に蓄積されている電荷が前記第3の保持部に転送された電荷に基づく信号が基準信号より小さい場合には、前記第1の転送部と前記第2の転送部により前記光電変換部に蓄積されている電荷が前記第3の保持部に転送された電荷に基づく第1の信号をアナログからデジタルに変換し、
前記第1の転送部と前記第2の転送部により前記光電変換部に蓄積されている電荷が前記第3の保持部に転送された電荷に基づく信号が基準信号より大きい場合には、前記第1の転送部と前記第2の転送部により前記光電変換部に蓄積されている電荷が前記第3の保持部に転送された電荷と前記第3の転送部により前記第1の保持部に保持されている電荷が前記第3の転送部に転送された電荷に基づく第2の信号をアナログからデジタルに変換することを特徴とする撮像装置。 With multiple pixels
It has an analog-to-digital conversion unit that converts the signal of the pixel from analog to digital.
Each of the plurality of pixels
A photoelectric conversion unit that converts light into electric charges and stores the converted electric charges.
A first holding unit that holds the electric charge overflowing from the photoelectric conversion unit, and
A second holding part for holding the electric charge,
A first transfer unit that transfers the electric charge accumulated in the photoelectric conversion unit to the second holding unit, and
A third holding part for holding the electric charge,
A second transfer unit that transfers the electric charge held in the second holding unit to the third holding unit, and
It has a third transfer unit that transfers the electric charge held in the first holding unit to the third holding unit.
The analog-to-digital converter
When the signal based on the charge accumulated in the photoelectric conversion unit by the first transfer unit and the second transfer unit and transferred to the third holding unit is smaller than the reference signal, the first transfer unit is used. The charge accumulated in the photoelectric conversion unit by the transfer unit 1 and the second transfer unit converts the first signal based on the charge transferred to the third holding unit from analog to digital.
When the signal based on the charge accumulated in the photoelectric conversion unit by the first transfer unit and the second transfer unit and transferred to the third holding unit is larger than the reference signal, the first transfer unit is used. The charge accumulated in the photoelectric conversion unit by the transfer unit 1 and the second transfer unit is held in the first holding unit by the charge transferred to the third holding unit and the third transfer unit. An image pickup apparatus characterized in that a second signal based on the charge transferred to the third transfer unit is converted from analog to digital.
前記複数の画素において、前記第1の転送部は、前記光電変換部に蓄積されている電荷を同時に前記第2の保持部に転送することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 The photoelectric conversion unit of the plurality of pixels is reset at the same time.
The imaging device according to claim 1, wherein the first transfer unit simultaneously transfers the electric charge accumulated in the photoelectric conversion unit to the second holding unit in the plurality of pixels.
前記第1の転送部と前記第2の転送部により前記光電変換部に蓄積されている電荷が前記第3の保持部に転送された電荷に基づく信号が基準信号より小さい場合には、前記第3の転送部が前記第1の保持部と前記第3の保持部とを切断した状態における前記第3の保持部に保持されている電荷量に基づく第1の信号をアナログからデジタルに変換し、
前記第1の転送部と前記第2の転送部により前記光電変換部に蓄積されている電荷が前記第3の保持部に転送された電荷に基づく信号が基準信号より大きい場合には、前記第3の転送部が前記第1の保持部と前記第3の保持部とを接続した状態における前記第3の保持部に保持されている電荷量に基づく第2の信号をアナログからデジタルに変換することを特徴とする請求項1または2に記載の撮像装置。 The analog-to-digital converter
When the charge accumulated in the photoelectric conversion unit by the first transfer unit and the second transfer unit is smaller than the reference signal, the signal based on the charge transferred to the third holding unit is the first. The first signal based on the amount of electric charge held in the third holding unit in a state where the transfer unit 3 cuts the first holding unit and the third holding unit is converted from analog to digital. ,
When the charge accumulated in the photoelectric conversion unit by the first transfer unit and the second transfer unit is larger than the reference signal, the signal based on the charge transferred to the third holding unit is the first. A second signal based on the amount of electric charge held in the third holding unit in a state where the transfer unit 3 connects the first holding unit and the third holding unit is converted from analog to digital. The imaging device according to claim 1 or 2, characterized in that.
前記第3の転送部が前記第1の保持部と前記第3の保持部とを切断した状態における前記第3の保持部のリセット解除に基づく第3の信号をアナログからデジタルに変換し、
前記第3の転送部が前記第1の保持部と前記第3の保持部とを接続した状態における前記第1の保持部および前記第3の保持部のリセット解除に基づく第4の信号をアナログからデジタルに変換する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。 The analog-to-digital converter
A third signal based on the reset release of the third holding unit in a state where the third transferring unit disconnects the first holding unit and the third holding unit is converted from analog to digital.
An analog fourth signal based on the reset release of the first holding unit and the third holding unit in a state where the third transfer unit connects the first holding unit and the third holding unit. The imaging apparatus according to any one of claims 1 to 3, further comprising converting from to digital.
前記演算部は、
前記第1の転送部と前記第2の転送部により前記光電変換部に蓄積されている電荷が前記第3の保持部に転送された電荷に基づく信号が基準信号より小さい場合には、前記第1の信号のデジタル値と前記第3の信号のデジタル値との差分を演算し、
前記第1の転送部と前記第2の転送部により前記光電変換部に蓄積されている電荷が前記第3の保持部に転送された電荷に基づく信号が基準信号より大きい場合には、前記第2の信号のデジタル値と前記第4の信号のデジタル値との差分を演算することを特徴とする請求項4に記載の撮像装置。 It also has a calculation unit,
The calculation unit
When the signal based on the charge accumulated in the photoelectric conversion unit by the first transfer unit and the second transfer unit is transferred to the third holding unit is smaller than the reference signal, the first transfer unit is used. Calculate the difference between the digital value of the signal 1 and the digital value of the third signal,
When the charge accumulated in the photoelectric conversion unit by the first transfer unit and the second transfer unit is larger than the reference signal, the signal based on the charge transferred to the third holding unit is the first. The imaging device according to claim 4, wherein the difference between the digital value of the signal 2 and the digital value of the fourth signal is calculated.
前記画素の信号をアナログからデジタルに変換するアナログデジタル変換部とを有する撮像装置の制御方法であって、
前記複数の画素の各々は、
光を電荷に変換し、前記変換した電荷を蓄積する光電変換部と、
前記光電変換部からオーバーフローした電荷を保持する第1の保持部と、
電荷を保持するための第2の保持部と、
前記光電変換部に蓄積されている電荷を前記第2の保持部に転送する第1の転送部と、
電荷を保持するための第3の保持部と、
前記第2の保持部に保持されている電荷を前記第3の保持部に転送する第2の転送部と、
前記第1の保持部に保持されている電荷を前記第3の保持部に転送する第3の転送部とを有し、
前記アナログデジタル変換部が、前記第1の転送部と前記第2の転送部により前記光電変換部に蓄積されている電荷が前記第3の保持部に転送された電荷に基づく信号が基準信号より小さい場合には、前記第1の転送部と前記第2の転送部により前記光電変換部に蓄積されている電荷が前記第3の保持部に転送された電荷に基づく第1の信号をアナログからデジタルに変換し、
前記アナログデジタル変換部が、前記第1の転送部と前記第2の転送部により前記光電変換部に蓄積されている電荷が前記第3の保持部に転送された電荷に基づく信号が基準信号より大きい場合には、前記第1の転送部と前記第2の転送部により前記光電変換部に蓄積されている電荷が前記第3の保持部に転送された電荷と前記第3の転送部により前記第1の保持部に保持されている電荷が前記第3の転送部に転送された電荷に基づく第2の信号をアナログからデジタルに変換することを特徴とする撮像装置の制御方法。 With multiple pixels
A control method for an imaging device having an analog-to-digital conversion unit that converts a pixel signal from analog to digital.
Each of the plurality of pixels
A photoelectric conversion unit that converts light into electric charges and stores the converted electric charges.
A first holding unit that holds the electric charge overflowing from the photoelectric conversion unit, and
A second holding part for holding the electric charge,
A first transfer unit that transfers the electric charge accumulated in the photoelectric conversion unit to the second holding unit, and
A third holding part for holding the electric charge,
A second transfer unit that transfers the electric charge held in the second holding unit to the third holding unit, and
It has a third transfer unit that transfers the electric charge held in the first holding unit to the third holding unit.
The analog-digital conversion unit uses the reference signal as a signal based on the charge accumulated in the photoelectric conversion unit by the first transfer unit and the second transfer unit and transferred to the third holding unit. When it is small, the charge accumulated in the photoelectric conversion unit by the first transfer unit and the second transfer unit transfers a first signal based on the charge transferred to the third holding unit from analog. Convert to digital
The analog-digital conversion unit uses the reference signal as a signal based on the charge accumulated in the photoelectric conversion unit by the first transfer unit and the second transfer unit and transferred to the third holding unit. When it is large, the charge accumulated in the photoelectric conversion unit by the first transfer unit and the second transfer unit is transferred to the third holding unit, and the charge is transferred by the third transfer unit. A control method for an image pickup apparatus, characterized in that a charge held in a first holding unit converts a second signal based on the charge transferred to the third transfer unit from analog to digital.
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JP2019077089A JP2020178163A (en) | 2019-04-15 | 2019-04-15 | Imaging apparatus and control method of imaging apparatus |
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WO2024154623A1 (en) * | 2023-01-18 | 2024-07-25 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Photodetection device and electronic device |
WO2024214517A1 (en) * | 2023-04-13 | 2024-10-17 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Light detection device and electronic apparatus |
-
2019
- 2019-04-15 JP JP2019077089A patent/JP2020178163A/en active Pending
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