JP5419660B2 - Imaging apparatus and driving method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、撮像装置及びその駆動方法に関する。 The present invention relates to an imaging apparatus and a driving method thereof.
固体撮像装置においては、S/N比の向上や、ダイナミックレンジの拡大が求められる。このような要求に対し、下記の特許文献1では画素信号のレベルを検出する検出回路と増幅回路とを行列状に配列された画素の列毎に設け、画素信号に対する増幅率を画素毎に制御している。これにより、S/N比を保ちながらダイナミックレンジを拡大するとしている。下記の特許文献2では、相対的に明るい領域の信号を撮像するために撮像素子からの出力信号をAD変換したデータと、相対的に暗い領域の信号を撮像するために撮像素子からの出力信号をAD変換したデータとを各々メモリ部に記憶し、はめ込み合成を行う。これにより、撮像素子のダイナミックレンジを有効に利用することができるとしている。
In a solid-state imaging device, an improvement in S / N ratio and an expansion of a dynamic range are required. In response to such a request, in
しかしながら、特許文献1に開示される技術では画素の各列毎に、画素信号のレベル検出手段とそれに応じた増幅率を個別に設定するフィードバック手段の両者が必要で、センサ内部回路が複雑化してしまう。また、検出した結果を基に増幅率を制御するため、検出結果の反映までに1フレーム分の時間遅れが生じる課題がある。一方、特許文献2に開示される技術では、高輝度補正信号と画素信号の両者の画像を蓄積するための2つのメモリ部が必要になり、回路規模が増大する。また、画素信号と高輝度補正信号は、蓄積時間の異なる2フレーム分の露光・読み出し動作を必要とするため動作速度が遅くなる課題がある。
However, the technique disclosed in
上述の問題点に鑑みて、本発明は、S/N比の向上及びダイナミックレンジの拡大を行うことができる撮像装置及びその駆動方法を提供することを目的とする。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide an imaging apparatus capable of improving an S / N ratio and expanding a dynamic range and a driving method thereof.
本発明の撮像装置は、2次元行列状に配列され、光電変換素子を用いて信号を生成する複数の画素と、前記複数の画素の各列に設けられ、同一画素の信号に対してp倍の増幅率で増幅した第1の画素信号及び前記p倍とは異なるq倍の増幅率で増幅した第2の画素信号を出力する列増幅部と、前記複数の列増幅部の各々に対応して設けられ、対応する前記列増幅部の出力を保持する保持部と、前記複数の画素の各列に設けられ、前記保持部に保持された、前記列増幅部により増幅された第1の画素信号及び第2の画素信号をアナログからデジタルに変換する列AD変換部と、前記複数の画素の各列に設けられ、前記列AD変換部により変換された第1の画素信号が閾値未満のときには前記列AD変換部により変換された第1の画素信号を選択し、前記列AD変換部により変換された第1の画素信号が閾値より大きいときには前記列AD変換部により変換された第2の画素信号を選択する置換部と、前記置換部により選択された各列の第1の画素信号又は第2の画素信号を順次選択する水平走査回路とを有し、前記列増幅部は、オペアンプと、入力容量と、接続状態を切り替えられる複数の帰還容量とを有し、前記画素のリセットを行うと共に、少なくとも2個の前記帰還容量が接続された状態で、前記オペアンプの入出力端子をショートし、その後、一方の前記帰還容量を帰還経路から電気的に切断し、前記列増幅部のゲインをq倍にした状態で前記列増幅部の出力を前記保持部が保持し、その後、他方の前記帰還容量を帰還経路から電気的に切断し、さらに前記一方の帰還容量を帰還経路に電気的に接続することで、前記列増幅部のゲインをp倍にした状態で前記列増幅部の出力を前記保持部が保持し、その後、前記列増幅部のゲインがp倍の状態で前記光電変換素子の光電変換に基づく信号を前記画素から出力させ、さらに、前記列増幅部の出力を前記保持部が保持し、その後、前記一方の帰還容量を帰還経路から電気的に切断し、さらに前記他方の帰還容量を帰還経路に電気的に接続することで、前記列増幅部のゲインをq倍にした状態で前記列増幅部の出力を前記保持部が保持することを特徴とする。 An imaging device according to the present invention is arranged in a two-dimensional matrix and is provided in each column of a plurality of pixels that generate signals using photoelectric conversion elements, and is multiplied by p with respect to the signal of the same pixel. A column amplifying unit that outputs a first pixel signal amplified at an amplification factor of q and a second pixel signal amplified at a q-times amplification factor different from the p-fold, and a plurality of column amplification units, respectively. provided Te, a holding portion for holding the output of the corresponding column amplifier provided in each column of the plurality of pixels, which is held by the holding portion, the first pixel that is amplified by the column amplifier A column AD converter that converts the signal and the second pixel signal from analog to digital, and a first pixel signal that is provided in each column of the plurality of pixels and converted by the column AD converter is less than a threshold value Select the first pixel signal converted by the column AD converter A replacement unit that selects the second pixel signal converted by the column AD conversion unit when the first pixel signal converted by the column AD conversion unit is larger than a threshold, and each column selected by the replacement unit the first have a horizontal scanning circuit for sequentially selecting the pixel signal or the second pixel signal of the column amplifier unit includes an operational amplifier, an input capacitance, and a plurality of feedback capacitors for switching the connection state The pixel is reset and at least two feedback capacitors are connected, the input / output terminal of the operational amplifier is short-circuited, and then one of the feedback capacitors is electrically disconnected from the feedback path, The holding unit holds the output of the column amplification unit in a state where the gain of the column amplification unit is q times, and then the other feedback capacitor is electrically disconnected from the feedback path, and the one feedback capacitor is further disconnected. The By electrically connecting to the return path, the holding unit holds the output of the column amplification unit in a state where the gain of the column amplification unit is multiplied by p, and then the gain of the column amplification unit is p times In this state, a signal based on the photoelectric conversion of the photoelectric conversion element is output from the pixel, the output of the column amplification unit is held by the holding unit, and then the one feedback capacitor is electrically disconnected from the feedback path. In addition, the holding unit holds the output of the column amplification unit in a state where the gain of the column amplification unit is q times by electrically connecting the other feedback capacitor to the feedback path. To do.
本発明によれば、S/N比を向上し、ダイナミックレンジを拡大することができる。 According to the present invention, the S / N ratio can be improved and the dynamic range can be expanded.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態による固体撮像素子(撮像装置)の概略構成例を表した図である。まず、信号のS/N比を向上し、固体撮像素子のダイナミックレンジを拡大する原理を説明する。固体撮像素子1は、画素101が行列状に配列された画素部10と、各列毎に列増幅部102、ノイズ除去部120、列AD変換部121、置換部122を備える。また、固体撮像素子1は、画素部10から1画面分のデータを読み出すために、任意の行を選択するための垂直走査回路103、及びその1行からの信号を順次読み出す水平走査回路104を備える。画素部10は、2次元行列状に配列され、光電変換素子PD(図3)を用いて信号を生成する複数の画素101を有する。また、固体撮像素子1は、さらに水平走査回路104により各列の信号を順次選択して読み出す水平出力信号線群の後段には、補正部124、ビット変換部125、出力部126を備えている。画素101は、光電変換を行う光電変換素子を含み、光電変換素子で発生した電荷を電圧信号に変換して出力する画素出力部や、画素101を選択するための画素選択部等をさらに備えていても良い。なお、図の簡略化のために画素101は9個しか示していないが、実際にはm行×n列の画素101があるものとする。各列増幅部102は、列アンプ増幅率制御信号φC1,φC2,φC3により、全列を一括して増幅率を変更できる。ここでは、同一の行に対して2回信号を読み出すにあたり、増幅率を変更して読み出す。ノイズ除去部120は、画素101からノイズ成分とノイズを含んだ信号成分の両者を読み出して差分をとり、信号成分を取り出す。φCTS1,φCTN1,φCTS2,φCTN2,φCOLSEL1,φCOLSEL2は、ノイズ除去部120で必要となる制御パルスを示している。列AD変換部121は、φADCLK等のAD制御信号を入力し、アナログデジタル(AD)変換を実行する。ここでは、同一の行から2回読み出した信号に対して各々AD変換を実行する。置換部122は、置換トリガ信号φFLAGCHKを入力し、1回目に読み出したデジタル信号を2回目に読み出したデジタル信号で置換するか否かの判定を列毎に行い、条件に一致した場合に置換を実行する。これにより2回読み出した信号の合成を行う。補正部124は増幅率を変更して読み出した2種類の信号の増幅率の誤差の補正演算を行う。ビット変換部125は、入力信号のうち、増幅率を変更して読み出した2種類の信号の少なくとも一方に由来する信号にデジタル的な増幅率変換を行い、読み出す信号のビット数を増やして出力する。出力部126は、固体撮像素子1から外部システムに画像信号を伝送する出力回路部であり、例えば低電圧振幅の差動信号ペア等の出力形式に変換して画像信号を外部へ出力する。タイミング生成部123は、MCLKIN端子から入力するクロックをカウントしてデコードすることで、各部に送る駆動パルス及び制御信号を生成する。このような回路構成をとることにより、固体撮像素子1内部で、2種類の増幅率で増幅した画像信号の合成を可能な構成としている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration example of a solid-state imaging device (imaging device) according to the first embodiment of the present invention. First, the principle of improving the S / N ratio of the signal and expanding the dynamic range of the solid-state imaging device will be described. The solid-
図1に示す固体撮像素子1において、列増幅部102の増幅率が1倍であるときの、画素101に入射する光量に対する、列AD変換部121から出力される信号成分との関係を図2(a)の「信号(×1)」で示す。図2(a)では、横軸に入射光量、縦軸に列AD変換部121の出力の大きさを示す。入射光量がIsat(×1)を超えると、出力は飽和してVsatとなる。ここでは、飽和レベルVsatは、列増幅部102の飽和レベルであっても、列AD変換部121の飽和レベルであっても、以下の議論は適用できる。図中、破線は画素101に起因して生じる画素ノイズnを示し、一点鎖線は列AD変換部121に起因する出力ノイズNを示している。画素ノイズnは、例えば画素に含まれる画素出力部や画素選択部で発生するノイズ等が考えられる。より具体的には、画素出力部が、垂直信号線VLに設けられた定電流源とでソースフォロワ回路を構成するような場合において、定電流源を流れる電流値の時間的な揺らぎ等が画素ノイズnの要因となりうる。出力ノイズNには、例えば列AD変換部121を駆動することで発生するノイズが含まれる。なお、画素ノイズn及び出力ノイズNは、常に一定のレベルのノイズとなるわけではなく、時間によって変動する。図2(a)では、それぞれのノイズが時間的に変動したときの最大レベルを示している。なお、本明細書では、増幅率が1倍の増幅も増幅に含まれる。
In the solid-
図2(a)に示すように、列増幅部102における増幅率が1倍であるときには、一般に出力ノイズNの方が画素ノイズn(×1)よりも大きいので、出力ノイズNが支配的となる。これは、画素101は水平走査のため低速駆動、低帯域であり、出力アンプは信号を順次出力するので高速駆動、広帯域に起因している。つまり、信号(×1)が出力ノイズNよりも小さくなるような入射光量を受けた画素101からの信号は、出力ノイズNの影響のために固体撮像素子1から正しく取り出すことができない。例えば、固体撮像素子1から出力される出力のレベルがv0であったとする。出力v0が出力されたタイミングにおいてはノイズのレベルが小さく、入射光量に正しく対応したレベルであるかもしれないし、本来はv0よりも小さいレベルの出力が得られるにも関わらず、ノイズの影響で出力がv0になっているのかもしれない。
As shown in FIG. 2A, when the amplification factor in the
図2(a)において、信号(×1)を得たのと同一の画素101から出力された信号に対して、列増幅部102によりG倍の増幅率をかけることを考える(G>1)。このときの入射光量と列AD変換部121からの出力との関係を図2(a)中の「信号(×G)」で示した。信号(×G)は、信号(×1)よりも少ない入射光量Isat(×G)で飽和出力Vsatになる。言い換えると、列増幅部102の増幅率が大きいほど、入射光量に対する列AD変換部121の出力を表す直線の傾きが大きくなる。また、列増幅部102の増幅率を変えることで、信号成分のみならず、画素ノイズnもG倍の増幅率で増幅されるが、出力ノイズNは列増幅部102の増幅率に依存しない。そのため、列増幅部102の増幅率を高くすると、増幅された画素ノイズnが出力ノイズNを上回るようになる。つまり、列増幅部102の増幅率をG倍にすることで増幅された画素ノイズnが支配的となり、出力ノイズNが相対的に小さくなる。したがって、列増幅部102の増幅率が1の時には支配的であった出力ノイズNのために正しく取り出すことができなかった入射光量での信号を取り出すことができるようになる。列増幅部102の増幅率をG倍にすることで取り出すことができるようになった入射光量の範囲をAとして示している。つまり、入射光量の範囲Aの分だけ固体撮像素子1のダイナミックレンジが拡大したことと同義に扱える。
In FIG. 2A, it is considered that the signal output from the
そこで、入射光量が0からIaまでの範囲は信号(×G)を、入射光量がIaより大きい領域では信号(×1)を利用することが考えられるが、入射光量Iaを境に信号レベルが大きく変化してしまう。そのため、列AD変換部121から出力された信号(×G)を、処理回路で1/G倍する。この様子を図2(b)に示す。信号(×G)は信号(×G・1/G)となり、信号(×1)の特性と一致する。同様にして、画素ノイズn(×G)は1/G倍されることで画素ノイズn(×1)と一致する。一方で、出力ノイズNは、列増幅部102の増幅率をG倍にしても変化しないので、処理回路で1/G倍すると、出力ノイズN(1/G)になる。つまり、処理回路で1/G倍することにより、入射光量が0からIsatまでの範囲における出力ノイズNによるノイズ成分が低減されることにより、信号(×1)よりも信号(×G・1・G)の方が出力ノイズNに対するS/N比が高い信号となる。
Therefore, it is conceivable to use the signal (× G) in the range where the incident light amount is from 0 to Ia, and the signal (× 1) in the region where the incident light amount is larger than Ia. It will change greatly. Therefore, the signal (× G) output from the
また、図2(b)のように、Isat(×G)がIaよりも大きい場合には、入射光量がIaからIsat(×G)の範囲についても信号(×G・1/G)を利用することでS/N比の高い信号を得ることができる。入射光量がIsat(×G)までの領域は、被写体が相対的に暗い状態であるので、S/N比が向上することの効果は特に顕著である。 Further, as shown in FIG. 2B, when Isat (× G) is larger than Ia, the signal (× G · 1 / G) is also used for the range of the incident light quantity from Ia to Isat (× G). By doing so, a signal with a high S / N ratio can be obtained. In the region where the amount of incident light reaches Isat (× G), the subject is in a relatively dark state, so the effect of improving the S / N ratio is particularly significant.
以上で説明したことをまとめたものが図2(c)である。入射光量が0からIsatまでの範囲では信号(×G・1/G)を利用し、入射光量がIsatよりも大きい範囲では信号(×1)を利用する。入射光量がIsatの点についてはどちらを利用しても良いが、信号(×G・1/G)の方がより高いS/N比となるので、信号(×G・1/G)を用いることが好ましい。出力ノイズと画素ノイズに着目すると、入射光量が0からIsatまでの範囲では出力ノイズNよりも画素ノイズn(×1)の方が支配的となり、入射光量がIsatよりも大きい範囲では出力Nが画素ノイズn(×1)よりも支配的となる。なお、図2(c)においてAで示した入射光量の範囲よりも入射光量が少ない範囲においては、信号(×G・1/G)が画素ノイズn(×1)よりも小さいレベルになってしまう。したがって、固体撮像素子1から出力される信号が有効であるのは、入射光量がIbよりも大きい範囲に限られる。しかし、先述のように出力ノイズや画素ノイズは時間的な揺らぎを持っており、その最大レベルを図2では示している。動画のように連続的に画像を取得すると、ノイズ成分が平均化されるので、全体としては画素ノイズnよりも低いレベルになる。このため、信号(×G・1/G)が画素ノイズn(×1)よりも小さい領域の画像の一部を認識できるようになる。つまり、入射光量の小さい範囲における出力ノイズNを抑圧することで、図2(b)における画素ノイズn(×1)よりも低いレベルの入射光量であっても、画像としては認識できる可能性が高まるという効果がある。
FIG. 2C summarizes what has been described above. The signal (× G · 1 / G) is used in the range where the incident light amount is from 0 to Isat, and the signal (× 1) is used in the range where the incident light amount is larger than Isat. Either may be used for the point where the amount of incident light is Isat, but the signal (× G · 1 / G) is used because the signal (× G · 1 / G) has a higher S / N ratio. It is preferable. Focusing on output noise and pixel noise, pixel noise n (× 1) is more dominant than output noise N in the range where the incident light quantity is from 0 to Isat, and output N is in the range where the incident light quantity is greater than Isat. It becomes more dominant than pixel noise n (× 1). In the range where the amount of incident light is smaller than the range of the amount of incident light indicated by A in FIG. 2C, the signal (× G · 1 / G) is at a level smaller than the pixel noise n (× 1). End up. Therefore, the signal output from the solid-
また、上記の説明においては、一の画素から出力される信号に対して2種類の増幅率で増幅するものを説明した。しかし、本実施形態の思想に従えば、一の画素から出力される信号に対して3種類以上の増幅率で増幅してもよいことは明らかである。これにより、より広範な入射光量の範囲に対してS/N比の向上が実現できる。 In the above description, the signal that is amplified by two types of amplification factors with respect to the signal output from one pixel has been described. However, according to the idea of this embodiment, it is obvious that a signal output from one pixel may be amplified with three or more amplification factors. Thereby, the improvement of the S / N ratio can be realized over a wider range of incident light quantity.
また、列増幅部102における増幅率を1倍とG倍に設定する場合を例に取って説明したが、増幅率の組み合わせを限定するものではない。例えば、2倍と16倍との組み合わせや、0.5倍と4倍の組み合わせ等でもよい。
Moreover, although the case where the amplification factor in the
また、上記説明では、G倍で増幅した信号に対して1/G倍、すなわち列増幅部102における増幅率の逆数をかける処理を行った。しかし、これは異なる増幅率で増幅して得られた2つの信号の特性を合わせる(図2における同一直線に乗るようにする)ためのものであるので、必ず1/G倍しなければならないものではない。例えば一の信号を列増幅部102で2倍及び16倍の増幅率で増幅した場合には、16倍の増幅率で増幅することで得られた信号を1/8倍すればもう一方の信号と特性を合わせることができる。また、2倍の増幅率で増幅することで得られた信号を1/2倍し、16倍の増幅率で増幅することで得られた信号を1/16倍しても特性を合わせることができる。
Further, in the above description, a process of multiplying the signal amplified by G times by 1 / G times, that is, the reciprocal of the amplification factor in the
なお、ダイナミックレンジを拡大し、さらにS/N比を向上するという目的は2つの信号について上記特性を合わせなくても達成できる。1倍とG倍の増幅率で増幅された2つの信号のうち、G倍の増幅率で増幅された信号に対して、1/G倍ではなく、例えば1/(2G)倍であっても出力ノイズNを低減することは可能なので、ダイナミックレンジを拡大し、さらにS/N比を向上することができる。ただし、この場合には、図2(c)におけるIsat(×G)を境に特性の連続性がなくなる(オフセットが生じる)ので、オフセット補正を行うことが望ましい。 The purpose of expanding the dynamic range and further improving the S / N ratio can be achieved without matching the above characteristics for the two signals. Of the two signals amplified at the amplification factor of 1 and G, the signal amplified at the amplification factor of G is not 1 / G, but is 1 / (2G), for example. Since the output noise N can be reduced, the dynamic range can be expanded and the S / N ratio can be further improved. However, in this case, it is desirable to perform offset correction because the continuity of characteristics is lost (offset occurs) at Isat (× G) in FIG.
以上のことをまとめると、ある画素から出力された一の信号から、列増幅部102によってp倍の増幅率で増幅した信号とq倍の増幅率で増幅信号とを得る。ここで、p>qであり、1<pであるとする。さらに、高い増幅率であるp倍の増幅率で増幅された信号に基づいて固体撮像素子1から出力される画像信号に対して、1を下回る倍率をかける処理を行う。これによって、ダイナミックレンジが拡大し、さらにS/N比を向上させることができる。
In summary, a signal amplified by a
また、1を下回る倍率をq/p倍とすることで、q倍の増幅率で増幅された信号と特性を合わせることができる。仮にq倍の増幅率で増幅された信号に対してさらにrの倍率をかける場合には、1を下回る倍率を(q/p)×rとすることで2つの信号の特性を合わせることができる。つまり、1を下回る倍率がq/pを約数に持つ値であればよい。 Further, by setting the magnification below 1 to q / p times, it is possible to match the characteristics of the signal amplified with the amplification factor of q times. If a signal multiplied by a factor of q is further multiplied by r, the characteristics of the two signals can be matched by setting the magnification below 1 to (q / p) × r. . That is, it is sufficient that the magnification below 1 is a value having q / p as a divisor.
本発明の第1の実施形態に係る固体撮像素子1の例とその概略の動作を、引き続き図1を用いて説明する。同じ列に設けられた画素101は同一の垂直信号線VLを介して列増幅部102に接続されている。垂直走査回路103により信号φVnの画素行Vnが選択されると、画素行Vnに接続した画素101から各垂直信号線VLに信号が出力され、列アンプ増幅率制御信号φC1,φC2,φC3の増幅率設定に従い、列増幅部102で増幅される。このとき、同じ増幅率で画素リセットによるノイズを除去するため画素リセット直後の信号と光信号蓄積を行った後の信号の増幅を行った後、両者の差分をノイズ除去部120で取得する。ノイズ除去部120によりノイズを除去した信号をAD制御信号φADCLKで定まるタイミングで列AD変換部121によりAD変換を行う。ここでは、同じ画素行Vnから増幅率を変えて2回ノイズ除去後の信号を読み出してAD変換を行う。AD変換された第1のデジタル信号と第2のデジタル信号は、置換部122に送られる。置換部122では、まず、第1のデジタル信号を格納した後に、信号φFLAGCHKをトリガとして、第2のデジタル信号と置換するかどうかを各列毎に判定して条件に該当する列の第1のデジタル信号を第2のデジタル信号に置換する。また、このとき、置換したか否かのフラグも列毎に格納を行う。置換部122からの出力バスDATA0[12:0]と水平信号出力バスDATA1[12:0]とを接続するバススイッチの信号φH1,φH2,φH3・・・が水平走査回路104により出力される。すると、バススイッチがオンし、各列からの置換後のデジタル信号が列の順序で補正部124に順次入力される。
An example of the solid-
補正部124では必要な補正処理を施す。補正部124は、フラグを参照して、元の信号が第1のデジタル信号と第2のデジタル信号のいずれかを見分けて、列増幅部102起因の増幅率誤差を、該当する信号に対して補正を行う。ビット変換部125は、フラグを参照して、元の信号が第1のデジタル信号と第2のデジタル信号のいずれかを見分けて、一方もしくは両方の信号に対してデジタルゲインをかける。具体的には、p倍の増幅率をかけられた第1のデジタル信号と、q倍の増幅率をかけられた第2のデジタル信号において、第2のデジタル信号が第1のデジタル信号に対して概略p/q倍の増幅率になるようにする。ビット変換部125は、一方の信号に対してnビットのビットシフトを行い2n倍相当の増幅率をかけるビット変換を行う。ここでは、ビット変換部125は、3ビットシフトを行い、入力する13ビットの信号をDATA2[15:0]の16ビット信号としている。出力部126は、例えば入力したDATA2[15:0]の16ビットバス幅の信号を、信号の線数を減らすため多重化するとともに、ノイズを軽減するため低振幅の差動対の信号に変換を行い、出力信号DATAOUTとして固体撮像素子1の外部へと出力する。タイミング生成部123は、垂直走査回路103や水平走査回路104に信号を供給するもので、さらに、列増幅部102、ノイズ除去部120、列AD部121、置換部122の制御する信号を供給しても良い。なお、タイミング生成部106は固体撮像素子1の外部に設けても良いし、また一部の制御信号を外部から供給してもよい。
The
このようにして、1行分の画像信号を固体撮像素子1から出力する期間に、内部では画素行から2回にわたりアナログ画素信号を読み出し、異なる増幅率で増幅後、AD変換を行った第1のデジタル信号と第2のデジタル信号を列毎に合成する。また、その後各列から順次読み出してシリアル化した後、補正とビット変換を行う。
In this manner, in the period in which the image signal for one row is output from the solid-
以下、各部の詳細の構成と動作を説明する。図1における1つの画素101に関して、列増幅部102及びノイズ除去部120の構成をより詳細に示した等価回路図が図3である。画素101は光電変換素子であるフォトダイオードPDと、フォトダイオードPDに蓄積された電荷を、画素出力部SFを構成するMOSトランジスタのゲート端子に転送する転送部TXを含む。画素出力部SFの入力部であるゲート端子は、リセット部RESを介して電源VDDと接続されている。さらに、画素出力部SFのソース端子は画素選択部SELを介して列増幅部102の入力容量C0の一方の端子と接続されると共に、定電流源Icntにも接続される。列増幅部102はオペアンプAmpを備える。オペアンプAmpの反転入力端子は入力容量C0の他方の端子と接続される。オペアンプAmpの反転入力端子と出力端子とは、帰還容量C1、C2、C3がそれぞれスイッチを介して接続するように設けられている。さらに、オペアンプAmpの反転入力端子と出力端子とを短絡するスイッチが設けられている。オペアンプAmpの非反転入力端子には電源Vrefが与えられる。画素101から垂直信号線VLに出力された信号に対しては、オペアンプAmpの帰還経路に接続される帰還容量C1、C2、C3の容量値と、入力容量C0の容量値との比で決定される増幅率がかかって増幅される。ここでは、帰還容量C1、C2及びC3の容量値はそれぞれ入力容量C0の容量値の1倍、1/8倍及び1/16倍とする。つまり、本実施形態においては各列増幅部に増幅率が可変である列増幅器を備えている。後述するが、画素に起因するノイズが入力容量C0で低減される。ここでは入力容量C0、オペアンプAmp、信号φCが入力されるスイッチとを含めて第1のCDS(Correlated Double Sampling;相関二重サンプリング)回路とする。
The detailed configuration and operation of each unit will be described below. FIG. 3 is an equivalent circuit diagram showing the configuration of the
列増幅部102で増幅された信号は、ノイズ除去部120内の保持容量CTS1、CTN1、CTS2、CTN2に選択的に伝達されて保持される。保持容量CTS1及びCTS2には、フォトダイオードPDで光電変換されることで得られる電荷に基づく信号が保持され、保持容量CTN1及びCTN2には、画素出力部SFをリセットしたことに基づく信号が保持される。保持容量CTS1及びCTN1に保持された信号は、信号φCOLSEL1により導通されるスイッチを介して差動増幅器D.Ampの異なる入力端子に接続される。保持容量CTS2及びCTN2に保持された信号は、信号φCOLSEL2により導通されるスイッチを介して差動増幅器D.Ampの異なる入力端子に接続される。差動増幅器D.Amp1は、保持容量CTS1及びCTN1で保持された信号の差分と、保持容量CTS2及びCTN2で保持された信号の差分を時系列に出力する。ここで、保持容量と差動増幅器とを含めて第2のCDS回路とする。第2のCDS回路によって列増幅部102に起因するオフセットが低減される。
The signal amplified by the
図4を用いて、図3で示した画素101、列増幅部102、ノイズ除去部120に係る1水平走査期間における固体撮像素子1の駆動方法をまず説明する。ここでは、帰還容量C1とC2を用いる場合であり、それぞれの容量値は、入力容量C0の容量値の1倍と1/8倍であるものとする。すなわち、1倍と8倍の増幅率で一つの信号を増幅する場合を説明する。また、図3において、TX、RES、SELで示されるスイッチに入力される信号をそれぞれφTX、φRES、φSELで表し、信号がハイレベルである時にスイッチが導通するものとする。また、帰還容量C1、C2、C3とオペアンプAmpの反転入力端子との間に存在するスイッチに与えられる信号をそれぞれφC1、φC2、φC3と表し、信号がハイレベルである時にスイッチが導通するものとする。保持容量CTS1、CTN1、CTS2、CTN2と列増幅部102の出力端子との間にあるスイッチに与えられる信号をそれぞれφCTS1、φCTN1、φCTS2、φCTN2と表し、信号がハイレベルである時にスイッチが導通するものとする。
A method for driving the solid-
まず、時刻t0において信号φTX及びφHnを除く信号がハイレベルに遷移する。信号φSELがハイレベルになると画素選択部SELが導通するので、画素出力部SFのソース端子と定電流源Icntとが電気的に接続されてソースフォロワ回路が形成される。これにより画素出力部SFのゲート端子の電位に応じたレベルが信号として垂直信号線VLに現れる。このタイミングで信号φRESがハイレベルであるので、垂直信号線VLには、画素出力部SFのゲート端子をリセットしている状態に対応するレベルが現れる。また、信号φC、φC1、φC2、φC3がそれぞれハイレベルになることでオペアンプAmpの反転入力端子と出力端子とが短絡されると共に、帰還容量C1、C2及びC3がリセットされる。オペアンプAmpの仮想接地により、帰還容量C1及びC2の両端子の電位は電源Vrefと同電位と見なせる。信号φCTN1、φCTS1、φCTN2及びφCTS2がハイレベルであるので、オペアンプAmpの出力によって保持容量CTN1、CTS1、CTN2及びCTS2がリセットされる。 First, at time t0, signals other than the signals φTX and φHn transition to a high level. Since the pixel selection unit SEL becomes conductive when the signal φSEL becomes high level, the source terminal of the pixel output unit SF and the constant current source Icnt are electrically connected to form a source follower circuit. Accordingly, a level corresponding to the potential of the gate terminal of the pixel output unit SF appears on the vertical signal line VL as a signal. Since the signal φRES is at the high level at this timing, a level corresponding to the state in which the gate terminal of the pixel output unit SF is reset appears on the vertical signal line VL. Further, when the signals φC, φC1, φC2, and φC3 are respectively set to the high level, the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier Amp are short-circuited, and the feedback capacitors C1, C2, and C3 are reset. Due to the virtual grounding of the operational amplifier Amp, the potentials of both terminals of the feedback capacitors C1 and C2 can be regarded as the same potential as the power supply Vref. Since the signals φCTN1, φCTS1, φCTN2, and φCTS2 are at a high level, the holding capacitors CTN1, CTS1, CTN2, and CTS2 are reset by the output of the operational amplifier Amp.
時刻t1に信号φRESがローレベルに遷移し、画素出力部SFのゲート端子のリセット状態が解除される。このリセット状態の解除に伴って発生するノイズ成分が画素ノイズnの一因である。 At time t1, the signal φRES transitions to a low level, and the reset state of the gate terminal of the pixel output unit SF is released. A noise component generated with the cancellation of the reset state contributes to the pixel noise n.
時刻t2において信号φC1、φC2、φC3、φCTN1、φCTS1、φCTN2及びφCTS2がローレベルになり、それぞれに対応するスイッチが非導通状態になる。 At time t2, the signals φC1, φC2, φC3, φCTN1, φCTS1, φCTN2, and φCTS2 are at a low level, and the corresponding switches are turned off.
その後、時刻t3において信号φCがローレベルに遷移することで、オペアンプAmpの入出力端子の短絡状態が解除される。入力容量C0では、画素出力部SFのゲート端子をリセットしたことに対応するレベルが、Vrefによりクランプされる。 Thereafter, the signal φC transitions to a low level at time t3, whereby the short-circuit state of the input / output terminals of the operational amplifier Amp is released. In the input capacitor C0, the level corresponding to the reset of the gate terminal of the pixel output unit SF is clamped by Vref.
時刻t4に信号φC1及びφCTN1がハイレベルになり、時刻t5に信号φCTN1がローレベルになることで、この時の列増幅部102の出力が保持容量CTN1に保持される。ここでは信号φC1がハイレベルであるので、オペアンプAmpの帰還経路には帰還容量C1のみが電気的に接続されている。すなわち、列増幅部102の増幅率がC0/C1=C0/C0=1となる。保持容量CTN1に保持される信号には、列増幅部102に起因するオフセット成分が含まれる。
The signals φC1 and φCTN1 become high level at time t4, and the signal φCTN1 becomes low level at time t5, whereby the output of the
時刻t6に信号φC1がローレベルに遷移し、時刻t7に信号φC2がハイレベルに遷移することで、オペアンプAmpの帰還経路には帰還容量C2のみが電気的に接続される。つまり、列増幅部102の増幅率がC0/C2=C0/(C0/8)=8となる。
At time t6, the signal φC1 changes to low level, and at time t7, the signal φC2 changes to high level, so that only the feedback capacitor C2 is electrically connected to the feedback path of the operational amplifier Amp. That is, the amplification factor of the
時刻t7から信号φCTN2がパルス状にハイレベルになり、信号φCTN2がローレベルになると、列増幅部102に起因するオフセット成分を含む信号が保持容量CTN2に保持される。
When the signal φCTN2 becomes a high level in a pulse shape from time t7 and the signal φCTN2 becomes a low level, a signal including an offset component caused by the
時刻t8に信号φTXがハイレベルに遷移すると、フォトダイオードPDに蓄積されていた電荷が画素出力部SFのゲート端子へと転送される。これにより画素出力部SFのゲート端子の電位が変化するので、垂直信号線VLに現れるレベルも変化する。このとき入力容量C0は浮遊状態にあるので、時刻t1でクランプされた垂直信号線VLのレベルからの電位の変動分のみがオペアンプAmpの反転入力端子に入力される。つまり、クランプ容量よりも前で発生したノイズ成分のうち、時刻t3における垂直信号線VLのレベルと、時刻t8以降のタイミングにおけるレベルとで、相関性のあるノイズ成分はクランプ動作により低減することができる。これにより光電変換に基づく信号がオペアンプAmpに入力される。ただし、定電流源Icntを流れる電流のゆらぎや、画素出力部SFで発生する1/fノイズと呼ばれるノイズ等は時刻t1と時刻t8とで異なる(相関性がない)ので、クランプ動作により低減することができない。本実施形態においては、このような相関性がないノイズ成分が画素ノイズnに相当する。 When the signal φTX transits to a high level at time t8, the charge accumulated in the photodiode PD is transferred to the gate terminal of the pixel output unit SF. As a result, the potential at the gate terminal of the pixel output unit SF changes, so that the level appearing on the vertical signal line VL also changes. At this time, since the input capacitor C0 is in a floating state, only the change in potential from the level of the vertical signal line VL clamped at time t1 is input to the inverting input terminal of the operational amplifier Amp. That is, among the noise components generated before the clamp capacitance, the noise components correlated with the level of the vertical signal line VL at time t3 and the level at the timing after time t8 can be reduced by the clamping operation. it can. As a result, a signal based on photoelectric conversion is input to the operational amplifier Amp. However, fluctuations in the current flowing through the constant current source Icnt, noise called 1 / f noise generated in the pixel output unit SF, and the like are different at the time t1 and the time t8 (no correlation), and thus are reduced by the clamping operation. I can't. In the present embodiment, such a non-correlated noise component corresponds to the pixel noise n.
時刻t8では入力容量C0の容量値の1/8倍の容量値を持つ帰還容量C2のみがオペアンプAmpの帰還経路に存在するので、光電変換に基づく信号は8倍の増幅率で増幅されることになる。時刻t8から信号φCTS2がパルス状にハイレベルになっており、列増幅部102で8倍に増幅された信号は信号φCTS2がローレベルに遷移することで保持容量CTS2に保持される。保持容量CTS2に保持される信号には、保持容量CTN2と同様に、列増幅部102に起因するオフセットが含まれる。
At time t8, only the feedback capacitor C2 having a capacitance value that is 1/8 times the capacitance value of the input capacitor C0 is present in the feedback path of the operational amplifier Amp. Therefore, a signal based on photoelectric conversion is amplified with an amplification factor of 8 times. become. The signal φCTS2 is at a high level in a pulse shape from time t8, and the signal amplified eight times by the
時刻t9に信号φC2がローレベルに遷移し、時刻t10に信号φC1がハイレベルに遷移することで、オペアンプAmpの帰還経路には帰還容量C1のみが電気的に接続された状態になる。帰還容量C1の容量値は入力容量C0の容量値と同じであるので、列増幅部102に入力される信号は1倍の増幅率で増幅される。
At time t9, the signal φC2 changes to low level, and at time t10, the signal φC1 changes to high level, so that only the feedback capacitor C1 is electrically connected to the feedback path of the operational amplifier Amp. Since the capacitance value of the feedback capacitor C1 is the same as the capacitance value of the input capacitor C0, the signal input to the
時刻t10から信号φCTS1がハイレベルになり、これがローレベルに遷移すると、垂直信号線VLに現れたレベルを1倍の増幅率で増幅した信号が保持容量CTS1に保持される。ここで保持容量CTS1に保持される信号には、保持容量CTN1と同様に、列増幅部102に起因するオフセットが含まれる。この後、信号φSELがローレベルになることで、画素選択部SELがオフし、画素101の選択状態が解除される。
When the signal φCTS1 changes to the high level from time t10 and changes to the low level, a signal obtained by amplifying the level appearing on the vertical signal line VL with the amplification factor of 1 is held in the holding capacitor CTS1. Here, the signal held in the storage capacitor CTS1 includes an offset caused by the
時刻t11において信号φCOLSEL2がハイレベルとなることで、保持容量CTS2,CTN2に保持された信号が差動増幅器D.Ampを介して後段の列AD変換部121に対して第1の画素信号が出力される。
At time t11, the signal φCOLSEL2 becomes high level, so that the signals held in the holding capacitors CTS2 and CTN2 are changed to the differential amplifier D.D. The first pixel signal is output to the subsequent column
続いて、時刻t13において信号φCOLSEL1がハイレベルとなることで、保持容量CTS1,CTN1に保持された信号が差動増幅器D.Ampを介して後段の列AD変換部121に対して第2の画素信号が出力される。各保持容量に保持される信号には、列増幅部102に起因するオフセットが含まれるので、差動増幅器D.Ampにより差分を取ることでオフセット成分を低減することが可能となる。差動増幅器D.Ampは,8倍の増幅率で増幅された信号S2と1倍の増幅率で増幅された信号S1を順次出力する。信号S1及びS2には、上述の出力ノイズNが含まれる。ここでの信号S1及びS2は、図2における出力Vに対応する。第1の画素信号と第2の画素信号は後述する列AD変換部121でAD変換が行われた後、置換部122で列毎にいずれか一方が出力信号として選択される。
Subsequently, when the signal φCOLSEL1 becomes high level at time t13, the signals held in the holding capacitors CTS1 and CTN1 are changed to the differential amplifier D.D. The second pixel signal is output to the subsequent column
その後、時刻t14において、水平走査回路104の駆動パルスφHCLKにより、各列の置換後のデータが順次後段の補正部124に読み出される。
Thereafter, at time t14, the replacement data of each column is sequentially read out to the
列増幅部102は、複数の画素101の各列に設けられ、同一画素の信号に対してp倍(例えば8)の増幅率で増幅した第1の画素信号及びp倍とは異なるq倍(例えば1倍)の増幅率で増幅した第2の画素信号を出力する。また、列増幅部102は、第1の画素信号及び第2の画素信号を時系列で出力する。ノイズ除去部120は、列増幅部102の後段において複数の画素101の各列に設けられる。そして、ノイズ除去部120は、画素101のリセット状態での列増幅部102により増幅された信号と画素101のリセット解除状態での列増幅部102により増幅された信号との差分信号を列AD変換部121に出力する。本実施形態においては、各列に列増幅部102とノイズ除去部120が設けられているので、1行分の画素について並列的に処理を行える。つまり、水平走査回路104で各列の信号を水平信号線にアナログ的に読み出す場合と比較してより低速に駆動することができるので、ノイズの発生源となりにくいという利点がある。
The
続いて、図5を用いて、列AD変換部121と置換部122の構成を説明する。列AD変換部121はリファレンス信号発生部128とコンパレータ129からなる。ただし、リファレンス信号発生部128は、列AD変換部121の外で各列に共通にRAMP信号を供給するように構成してもよい。ここでは、リファレンス信号発生部128は、RAMP信号として信号φADCLKで順次レベルが増加するランプ波形を発生させる。
Next, the configuration of the column
コンパレータ129では、列AD変換部121に入力したアナログ信号ASIGと、リファレンス信号発生部128で生成されたRAMP信号とを比較する。コンパレータ129はCNTRST信号でリセットされ、出力COMPOUTとしてハイレベルを出力する。リセット後は+端子のASIG信号のレベルに対して、−端子に入力するRAMP信号のレベルの方が上回るまで、コンパレータ出力COMPOUTとしてハイレベルを維持する。ASIG信号のレベルに対して、RAMP信号のレベルの方が上回った後は出力COMPOUTがローレベルに遷移する。一旦遷移した場合は入力信号によらず、リセットされるまではローレベルを保持し続ける。
The
置換部122は判定部127と、12ビットカウンタ130で構成される。12ビットカウンタ130のカウントアップのイネーブル端子CEには、コンパレータ出力COMPOUTが接続されている。そのため、RAMP信号と入力信号ASIGのレベルとのレベル差の関係が逆転してコンパレータ出力COMPOUTがローレベルになるまでカウンタ130はカウントアップを行い、そのカウント値を出力する。得られたカウンタ出力値が入力したASIG信号をAD変換した値に相当する。カウンタ出力値は置換部122の出力のうち下位12ビット(DATA0[11:0])となる。
The
判定部127はカウンタ130の結果を用いてカウンタ出力をそのまま用いるか、再度カウンタ130をリセットしてカウント値を置換するかの判定を行い、置き換えに必要な回路を制御する。また、判定部127は、判定結果を後段の信号処理の制御にも用いることが可能なように、FLAG信号を出力する。FLAG信号は、置換部122の出力のうち上位1ビット(DATA0[12])となる。ここでは、まず、第1の画素信号として8倍の増幅率で読み出されたASIG信号をAD変換して得られたカウンタ130の出力を12ビットデコーダ131でデコードする。このデコード値はDタイプのフリップフロップ回路(D−FF回路)132に入力されるが、イネーブル端子(CE)にφFLAGCHK信号が入力した時のみ、D−FF回路132の出力として反映される。また、D−FF回路132の出力がFLAG信号として出力するとともに、次段のDタイプのフリップフロップ回路(D−FF回路)133に接続されている。D−FF回路132の出力と、D−FF回路133の反転出力の両者はAND回路134に入力され、その出力と信号φHSTARTがOR回路135に入力されている。OR回路135の出力が信号CNTRSTは、カウンタ130とコンパレータ129のリセット端子に入力されている。
The determination unit 127 determines whether to use the counter output as it is based on the result of the
φFLAGCHK信号が入力したタイミングで、カウンタ130の出力が任意の条件に達していた場合に、12ビットデコーダ131の出力が後段に反映され、CNTRST信号としてカウンタ130とコンパレータ129のリセットが行われる。続いて入力する第2の画素信号としての増幅率1倍の信号は、AD変換され、カウンタ130の値が更新される。カウンタ130の出力が任意の条件に達していない場合は、カウンタ130とコンパレータ129はリセットされないため、続いて入力する第2の画素信号はAD変換されず、カウンタ130の値は第1の画素信号の値のまま更新されない。
When the output of the
このようにして、第1の画素信号のAD変換後のデジタルデータがある条件に達していた場合は、第2の画素信号のAD変換後のデジタルデータに置き換え、達していない場合は置き換えず第1の画素信号のデジタルデータを用いる。デコーダ131に設定される条件の具体例としては、例えば全ビットが1となった場合や、上位3ビットが1となった場合等が設定される。後述の例では4095に達した場合を条件として設定しており、この場合は12ビットカウンタ130の出力全ビットが1となったときに相当する。デコーダ131は、12ビットカウンタ130の後段に12入力のAND回路を1個用意する形となる。
In this way, if the digital data after AD conversion of the first pixel signal has reached a certain condition, it is replaced with the digital data after AD conversion of the second pixel signal, and if not, the replacement is not performed. Digital data of one pixel signal is used. As specific examples of conditions set in the
列AD変換部121は、複数の画素101の各列に設けられ、列増幅部102により増幅され、ノイズ除去部120によりノイズ除去された第1の画素信号及び第2の画素信号をアナログからデジタルに変換する。置換部122は、複数の画素101の各列に設けられ、列AD変換部121により変換された第1の画素信号が閾値(例えば4095)未満のときには列AD変換部121により変換された第1の画素信号を選択する。また、置換部122は、列AD変換部121により変換された第1の画素信号が閾値(例えば4095)以上のときには列AD変換部121により変換された第2の画素信号を選択する。水平走査回路104は、置換部122により選択された各列の第1の画素信号又は第2の画素信号を順次選択する。列毎の置換部122の出力は、水平走査回路104により順次選択されて、後段の補正部124に読み出される。なお、閾値未満のときと閾値以上のときを例に説明したが、閾値以下のときと閾値より大きいときでも同様である。
The column
図6に、補正部124、ビット変換部125、出力部126の構成を示す。列増幅部102には、固体撮像素子1毎の増幅率のばらつきや、固体撮像素子1内の列毎の増幅率のばらつき、異なる増幅率の比率のばらつき等の誤差がある。補正部124では、こうした誤差の補正を行う。補正部124において、701はDATA1[12]として入力するフラグ信号を一時記憶するためのレジスタであり、702はこのレジスタ701の値を後段で用いる際に対応する画像データとタイミングを合わせるためのタイミング調整回路である。703は、DATA1[11:0]として入力する置換後の12ビットの画像データを一時記憶するためのレジスタである。このレジスタ703の出力は2経路に分配され、同時に同じ信号に対して異なる処理が行われる。704は、乗算回路705の経路とタイミングを合わせるためのタイミング調整回路である。705は乗算器等で構成される演算回路であり、例えば不図示の外部マイコンと通信手段により、装置の起動時にROMから読み出された値を補正係数として演算を行う補正回路である。細かな増幅率の補正は演算規模が多く必要となるが、水平走査回路104で読み出された後に補正処理回路を設けることで、各列毎に設ける必要がなくなり、回路規模を抑えることを可能としている。
FIG. 6 shows configurations of the
ビット変換部125において、706は補正部124から伝達されるフラグ信号を一時記憶するためのタイミング調整回路であり、その出力は選択回路709と16ビットレジスタ710にタイミングが調整されて送信される。707は補正部124のタイミング調整回路704から伝達される12ビットの画像データの上位に3ビット付加する上位ビット付加回路である。結果的にフルスケールに対してデータのレベルが1/8となる。708は、補正部124の乗算回路705から伝達される12ビットの画像データの上位に3ビット付加するとともに、データを上位ビット側に3ビットシフトする上位ビットシフト回路である。結果的にフルスケールに対してデータのレベルは維持される。709は上位ビット付加回路707からの画像データと上位ビットシフト回路708からの画像データをタイミング調整回路706からのフラグ信号に従って切り替える選択回路である。710が選択後の画像データ15ビットとフラグ1ビットをあわせて一時記憶する16ビットのレジスタである。フラグにより第1の画素信号の成分か第2の画素信号の成分かを見分けている。選択回路709は、判別した結果、第1の画素信号に起因したデジタル信号の成分に対しては上位ビット付加回路707側の出力を選択するとともに、第2の画素信号に起因したデジタル信号の成分に対しては上位ビットシフト回路708の出力を選択する。この結果、合成後の信号のうち、q倍(1倍)の増幅率で増幅された第2の画素信号に起因する成分は、p倍(8倍)の増幅率で増幅された第1の画素信号に起因する成分に対して相対的にp/q倍(8倍)となるように変換される。
In the
出力部126において、711はビット変換部125からの16ビットのデータ(15ビットの画像データ+フラグ1ビット)DATA2[15:0]を固体撮像素子1の外部のシステムに出力DATAOUTとして伝送する形式に変換する出力形式変換回路である。例えば、出力形式変換回路711は、外部放射ノイズを少なくするため低電圧の差動出力としたり、少ない線数で伝送するため多重化してビット数よりも少ない信号ペア線の本数にシリアライズする回路である。出力形式変換回路711では、出力するデータを16ビットとしたが、タイミング調整回路706からのフラグ信号が固体撮像素子1以降で不要な場合は画像データのみの15ビットのデータとして出力してもかまわない。
In the
図5、図6とあわせて図7及び図8を用いて、列AD変換部121から出力部126までの固体撮像素子1の駆動方法を説明する。図7及び図8は、画像信号ASIGのレベルに応じて置換部122で行う判定により第2の画素信号期間でのフラグFLAGがハイレベルの場合とローレベルの場合での動作の違いを示している。図7及び図8において、1水平走査(1H)期間は、水平走査回路104のスタートパルスφHSTARTの間の期間として示している。ここでは、垂直走査回路103のn番目のVnラインからn+1番目のVn+1ライン間の信号を示している。また、φHCLKは水平走査回路104の走査クロックである。信号φCOLSEL2が8倍の増幅率での第1の画素信号のノイズ除去部120からの読み出し期間を示し、信号φCOLSEL1が1倍の増幅率での第2の画素信号のノイズ除去部120からの読み出し期間を示している。
A driving method of the solid-
また、ASIG信号は列AD変換部121に入力するアナログ信号を示しており、RAMP信号はAD変換するためのリファレンス信号発生部128で生成する比較用信号を示している。また、COMPOUTは、コンパレータ129による両者の比較結果である。φADCLKはAD変換を行うためにリファレンス信号発生部128やカウンタ130等で用いられるクロックである。さらに、φFLAGCHKは置換判定を行うタイミングを与えるトリガ信号であり、FLAG信号は判定部127の結果出力としてのフラグである。CNTRSTはカウンタ130とコンパレータ129のリセット信号であり、DATA0[11:0]が置換部122の出力の下位12ビットである。φHCLKが水平走査回路104のクロックであり、DATA1[12:0]が補正部124に入力する各列から順次読み出された画像信号とフラグ信号である。また、DATA2[15:0]がビット変換部125の出力であり、DATAOUTが出力部126の出力を示している。
The ASIG signal indicates an analog signal input to the column
1水平走査期間のうち、各列が順次選択されて水平走査が行われる前の期間をブランキング期間という。このブランキング期間の間に先述のように列増幅部102で増幅率を変えて画素部10からノイズ除去部120に2回信号が読み出される。さらに同じブランキング期間において、まず信号φCOLSEL2の期間にノイズ除去部120から8倍の増幅率で増幅された第1の画素信号に相当する信号が読み出され、ASIG信号がコンパレータ129に入力される。このとき、ASIG信号は、リファレンス信号発生部128でφADCLKをクロックとして生成されたRAMP信号と比較が行われる。比較結果の出力COMPOUTは、RAMP信号のレベルがASIG信号を下回っている間はローレベル、上回るとハイレベルに遷移する。
Of one horizontal scanning period, a period before each column is sequentially selected and horizontal scanning is performed is referred to as a blanking period. During the blanking period, the signal is read twice from the pixel unit 10 to the
図7では、φADCLKのカウント数が12ビットの最大値4095(10進数)に達するまでRAMP信号のレベルがASIG信号を下回っている。そのため、COMPOUTもこのタイミングまで反転がおきず、12ビットカウンタ130は最大値4095をカウント値として出力する。本実施形態では、12ビットデコーダ131は4095以上に達した場合にハイレベルを出力するように設定されており、この時点でハイレベル出力に遷移する。このためフラグ信号FLAGは、φFLAGCHKが入力することでハイレベルに遷移する。また、CNTRST信号がコンパレータ129とカウンタ130をリセットする。これにより、カウント値DATA0[11:0]は一旦、10進数で4095となっていたが、再度初期値に戻りカウントアップされることになる。
In FIG. 7, the level of the RAMP signal is lower than the ASIG signal until the count number of φADCLK reaches the maximum value 4095 (decimal number) of 12 bits. Therefore, COMPOUT is not inverted until this timing, and the 12-
次に、信号φCOLSEL1の期間にノイズ除去部120から1倍の増幅率で増幅された第2の画素信号に相当する信号が読み出され、ASIG信号がコンパレータ129に入力して再度RAMP信号と比較が行われる。2回目の読み出しでは、φADCLKのカウント数が2047に達した段階でRAMP信号のレベルがASIG信号を上回り、COMPOUTが反転する。この結果、12ビットカウンタ130は2047をカウント値として出力する。これにより、例示した垂直行Vnライン目のこの列の出力は、DATA0[11:0]=2047、またFLAG=DATA0[12]=1で確定する。
Next, during the period of the signal φCOLSEL1, a signal corresponding to the second pixel signal amplified by the amplification factor of 1 is read from the
水平走査回路104のクロックφHCLKに従い、こうして確定した各列の出力値が補正部124以降に送られパイプライン処理される。補正部124に入力したDATA1[12:0]は、先述のように、該当するフラグの信号に対して列増幅部102等に起因した誤差が補正される。また、ビット変換部125は、13ビットの信号を16ビットの出力DATA2[15:0]に変換した後、出力部126は差動出力に変換を行い、出力DATAOUTとして固体撮像素子1から出力する。
In accordance with the clock φHCLK of the horizontal scanning circuit 104, the output value of each column determined in this way is sent to the
ここで、図9の模式図を用いて補正部124及びビット変換部125で行われる処理について説明する。図9(a)は、8倍の増幅率で画素101から読み出された信号を模式的に示しており、横軸が1行中の位置を示しており、a,b,cは各列の位置を示している。ここでは、画素から読み出した信号は0列からa列に進むに従い0から12ビットの最大値である4095まで増加し、a列からb列までは4095以上のため飽和しており、b列からc列までは4095から0に向かい減少している。図9(b),(c)は、1倍の増幅率で画素101から読み出された信号を模式的に示しており、図9(a)と同じくa,b,cは各列の位置を示している。本来は、増幅率が8倍異なる同一の画素信号のため、図9(b),(c)においてa列及びb列の値は点線部で示されるように((4095+1)/8)−1=511となるべきである。しかし、実際には列増幅部102の増幅率誤差等により、a列及びb列の値は実線のように誤差を有している。図9(b)では大きめに、また図9(c)では小さめに値が得られてしまう場合を示している。このため、補正部124は、図9(b)又は(c)のような状況の場合はa列及びb列の値が511になるように補正係数を乗算してa列及びb列の値が図9(a)と一致するように補正を行う。また、ビット変換部125は、図9(a)の信号に対しては、単に上位ビットを3ビット付加するだけとして値は変わらない処理を行い、図9(b)あるいは(c)の信号に対しては3ビットを付加するとともに上位側に3ビットシフトを行う。ビットシフトの結果、図9(b)あるいは(c)の信号は8倍の値に変換される。実際には、補正前の置換部122の段階で4095を閾値として、0列からa列の間と、b列からc列までの間は図9(a)の信号を、a列からb列までの間は図9(b)あるいは(c)の信号がフラグで識別される形で合成されている。補正及びビット変換後のデータは、図9(a)と(b)の組み合わせの場合は図9(d)となり、図9(a)と(c)の組み合わせの場合は図9(e)となる。図9(d)では最大値が飽和してしまうが、図9(a)と(b)の画像を合成したつなぎ目のa列及びb列で階調の段差が発生せず、画質劣化が抑えられる。
Here, processing performed in the
ここで、図10を用いて先に1倍の増幅率の信号を読み出した場合を検討する。図10(a)は、1倍の増幅率で画素101から読み出された信号を模式的に示しており、横軸が1行中の位置を示しており、a,b,cは各列の位置を示している。ここでは、画素101から読み出した信号は0列から進むに従い0から12ビットの最大値である4095まで増加し、a列で511となる。また、4095に達してからc列までは4095から0に向かい減少し、b列で511となっている。図10(b),(c)は、8倍の増幅率で画素から読み出された信号を模式的に示しており、図10(a)と同じくa,b,cは各列の位置を示している。本来は、増幅率が1/8倍異なる同一の画素信号のため、図10(b),(c)においてa列及びb列の値は点線部で示されるように((511+1)/8)−1=4095となるべきである。しかし、実際には列増幅部102の増幅率誤差等により、a列及びb列の値は実線のように誤差を有している。図10(b)では小さめに、また図10(c)では大きめに値が得られてしまう場合を示している。このため、補正部124は、図10(b)又は(c)のような状況の場合はa列及びb列の値が511になるように補正係数を乗算してa列及びb列の値が図10(a)と一致するように補正を行う。また、ビット変換部125では、図10(a)の信号に対しては、3ビットを付加するとともに上位側に3ビットシフトを行う。図10(b)あるいは(c)の信号に対しては、単に上位ビットを3ビット付加するだけとして値は変わらない処理を行う。ビットシフトの結果、図10(a)の信号は8倍の値に変換される。補正及びビット変換後のデータは図10(a)と(b)の組み合わせの場合は図10(d)、図10(a)と(c)の組み合わせの場合は図10(e)となる。しかし、図10(b)においては、0〜a列までのデータが4095を超えていないため、実線のデータを点線のように補正を行うことは可能である。しかし、図10(c)においては、0〜a列までのデータが4095を超えてしまっているため、実線のデータを点線のように補正を行おうとしても4095で飽和した一部のデータは、補正を行うことができない。このため、図10(e)のa列及びb列付近では画像のつなぎ目が不自然となる画質劣化が生じてしまう。このような理由から、本実施形態では、第1の画素信号と第2の画素信号を読み出して列AD変換を行い、第1の画素信号で判定を行い合成を行う。その際、本実施形態は、判定を行う画像としては高い増幅率で読み出した信号を用いるように構成することにより、少ない構成で誤差を少なくすることができる。
Here, the case where a signal having an amplification factor of 1 is read first will be discussed with reference to FIG. FIG. 10A schematically shows a signal read from the
図6に示すように、補正部124は、水平走査回路104により選択された第1の画素信号又は第2の画素信号に対して、第1の画素信号及び第2の画素信号の間の相対的な誤差を補正し、ビット変換部125に出力する。ビット変換部125は、水平走査回路104により選択され、補正部124により補正された第1の画素信号又は第2の画素信号に対して、第1の画素信号については第1の倍率(例えば1倍)で乗算されかつビット数が増加した画素信号を出力する。そして、ビット変換部125は、第2の画素信号については第1の倍率とは異なる第2の倍率(p/q倍)で乗算されかつビット数が増加した画素信号を出力する。ここで、p>qであり、例えばp=8、q=1である。置換部122は、第1の画素信号及び第2の画素信号のいずれを選択したかを示すフラグ信号FLAGをビット変換部125に出力する。ビット変換部125は、フラグ信号FLAGが第1の画素信号の選択を示すときには、第1の画素信号が第1の倍率で乗算されかつビット数が増加した画素信号を出力する。そして、ビット変換部125は、フラグ信号FLAGが第2の画素信号の選択を示すときには、第2の画素信号が第2の倍率で乗算されかつビット数が増加した画素信号を出力する。
As illustrated in FIG. 6, the
図8では、φADCLKのカウント数が12ビットの1999(10進数)に達した段階でRAMP信号のレベルがASIG信号を上回ったので、COMPOUTもこのタイミングで反転し、12ビットカウンタ130は「1999」をカウント値として出力する。本実施形態では、12ビットデコーダ131は4095以上に達した場合にハイレベルを出力するように設定されており、したがって、デコーダ131の出力はローレベルのままとなる。このためフラグ信号FLAGは、φFLAGCHKが入力されてもローレベルを保持する。したがって、コンパレータ129とカウンタ130はこの段階でリセットされず、置換が行われないことになる。信号φCOLSEL1のハイレベル期間にノイズ除去部120から1倍の増幅率で増幅された第2の画素信号に相当する信号が読み出される。すると、ASIG信号がコンパレータ129に入力されるとともに、RAMP信号も入力されるが、コンパレータ129で両者の比較は行われない。2回目の読み出しでは、φADCLKのカウント数が249に達した段階でRAMP信号のレベルがASIG信号を上回るが、COMPOUTはローレベルのままとなる。
In FIG. 8, since the level of the RAMP signal exceeds the ASIG signal when the count number of φADCLK reaches 1999 (decimal number) of 12 bits, COMPOUT is also inverted at this timing, and the 12-
これにより、例示した垂直行Vnライン目のこの列の出力は、DATA0[11:0]=1999、またFLAG=DATA0[12]=0で確定する。この場合も、水平走査回路104のクロックφHCLKに従い、確定した各列の出力値が補正部124にDATA1[12:0]として順次出力され、パイプライン処理されることによりビット変換部125で16ビットの出力DATA2[15:0]に変換される。その後、出力部126は、差動出力に変換して出力DATAOUTとして固体撮像素子1から出力する。
As a result, the output of this column in the illustrated vertical row Vn line is determined by DATA0 [11: 0] = 1999 and FLAG = DATA0 [12] = 0. Also in this case, in accordance with the clock φHCLK of the horizontal scanning circuit 104, the determined output value of each column is sequentially output as DATA1 [12: 0] to the
本実施形態のポイントは、1水平走査期間の画像信号を固体撮像素子1から読み出す間に、増幅率を切り替えた複数の画素信号を読み出して列毎に合成を行うことにある。すなわち、列増幅部102、列AD変換部121及び置換部122は、水平走査回路104が1行分の画素信号を選択して出力する周期の間に、第1の画素信号及び第2の画素信号の処理を行う。また、列毎の合成として列AD変換部121と各列に設けられた置換部122を用いることにある。この結果、少ないビット数の列AD変換を2回行う時間で、本来であればAD変換にさらに時間のかかる高いビット数に相当する精度の出力を得ることができる。列AD変換は一般にデータのビット精度を増加するほど変換時間がかかることが知られている。例えば、単純なランプ型のリファレンス信号と比較してAD変換を行う方式の場合、15ビットの精度を得るためには12ビットの8倍の変換時間を必要とする。本実施形態により、増幅率を変えて信号を2回読み出し、12ビットのAD変換を2回行うことにより、15ビット相当の精度を得ながら、AD変換時間は1/4で済む効果が得られる。また、同じ信号を行単位であらかじめ定めた2つの増幅率で読み出すだけなので、前のフレームの信号をフィードバックして結果を反映させる時間や、蓄積を2回行ったりする必要がなく、フレームレートも早くできる。画素信号を2回読み出してAD変換する必要があるが、速度の低下率としては少ないと判断される。また、各列で第1の画素信号と第2の画素信号を合成後に水平走査により読み出すため、固体撮像素子1の外部でフレーム合成のためのメモリを用意する必要がなく回路規模を抑えることができる。また、各列の増幅率を個別にフィードバック制御する必要がなく、各列の列増幅部102は共通の動作を行うため、構造も単純化できる。このようにして、少ない回路規模と少ない動作速度低下で、固体撮像素子1から出力される信号のS/N比を向上し、ダイナミックレンジを拡大した固体撮像素子1が実現できる。
The point of this embodiment is to read out a plurality of pixel signals whose amplification factors are switched and read out the signals for each column while reading out the image signal of one horizontal scanning period from the solid-
(第2の実施形態)
第1の実施形態では、1水平走査期間に同じ列増幅部102から増幅率を変えて信号を2回読み出したものを列AD変換部121でAD変換を行うとともに、各列に設けられた置換部122において合成を行った。本発明の第2の実施形態では、1水平走査期間に2つの列増幅部から増幅率の異なる画素信号を同時に読み出して、その2つの信号を1つの列AD変換部でAD変換と合成を行う例を示す。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the column
図11は、本発明の第2の実施形態の固体撮像素子1の等価回路図を示す。1つの画素101に関して、列増幅部102A,102B、及びノイズ除去部120の構成をより詳細に示している。本実施形態において、列増幅部102A,102Bとノイズ除去部120が各列で2系統ずつ用意されるところが特徴である。画素101は第1の実施形態(図3)と同様である。また図11において同一の番号を付与したものは、第1の実施形態の図3と同等の部分である。列増幅部102A及び102Bは同じ画素列に設けられた異なる増幅率を有する増幅部であり、第1の実施形態の列増幅部102の代わりに設けられる。ここでは、帰還容量C1、C2の容量値はそれぞれ入力容量C0の容量値の1倍、1/8倍とする。つまり、本実施形態においては、増幅率が異なる2つの列増幅部102A及び102Bを備えている。列増幅部102Aで増幅された信号は、ノイズ除去部120内の保持容量CTS1又はCTN1に選択的に伝達されて保持される。また、列増幅部102Bで増幅された信号は、ノイズ除去部120内の保持容量CTS2又はCTN2に選択的に伝達されて保持される。保持容量CTS1及びCTS2には、フォトダイオードPDで光電変換されることで得られる電荷に基づく信号が保持され、保持容量CTN1及びCTN2には、画素出力部SFをリセットしたことに基づく信号が保持される。以後は、第1の実施形態と同様、保持容量CTS1及びCTN1に保持された信号は、信号φCOLSEL1により導通されるスイッチを介して差動増幅器D.Ampの異なる入力端子に入力される。保持容量CTS2及びCTN2に保持された信号は、信号φCOLSEL2により導通されるスイッチを介して差動増幅器D.Ampの異なる入力端子に入力される。差動増幅器D.Amp1は、保持容量CTS1及びCTN1で保持された信号の差分と、保持容量CTS2及びCTN2で保持された信号の差分を時系列に出力する。
FIG. 11 is an equivalent circuit diagram of the solid-
図12を用いて、図11で示した画素101、列増幅部102A,102B、ノイズ除去部120に係る1水平走査期間における動作をまず説明する。帰還容量C1とC2のそれぞれの容量値は、入力容量C0の容量値の1倍と1/8倍であるものとする。すなわち、1倍と8倍の増幅率で一つの信号を増幅する場合を説明する。まず、時刻t0において信号φTX及びφHnを除く信号がハイレベルに遷移する。信号φSELがハイレベルになると画素選択部SELが導通するので、画素出力部SFのソース端子と定電流源Icntとが電気的に接続されてソースフォロワ回路が形成される。これにより画素出力部SFのゲート端子の電位に応じたレベルが信号として垂直信号線VLに現れる。このタイミングで信号φRESがハイレベルであるので、リセット部RESがオンし、垂直信号線VLには、画素出力部SFのゲート端子をリセットしている状態に対応するレベルが現れる。また、信号φC、φC1、φC2がそれぞれハイレベルになることでオペアンプAmpの反転入力端子と出力端子とが短絡されると共に、帰還容量C1、C2がリセットされる。オペアンプAmpの仮想接地により、帰還容量C1及びC2の両端子の電位は電源Vrefと同電位と見なせる。信号φCTN1、φCTS1、φCTN2及びφCTS2がハイレベルであるので、オペアンプAmpの出力によって保持容量CTN1、CTS1、CTN2及びCTS2がリセットされる。
First, operations in one horizontal scanning period related to the
時刻t1からt3までの動作は第1の実施形態と同様である。時刻t7で信号φCTN1及びφCTN2がパルス状にハイレベルになり、信号φCTN1及びφCTN2がローレベルになると、列増幅部102A及び102Bに起因するオフセット成分を含む信号が保持容量CTN1とCTN2に保持される。時刻t8に信号φTXがハイレベルに遷移すると、フォトダイオードPDに蓄積されていた電荷が画素出力部SFのゲート端子へと転送される。時刻t8から信号φCTS1及びφCTS2がパルス状にハイレベルになっており、列増幅部102Aで1倍に増幅された信号は信号φCTS1がローレベルに遷移することで保持容量CTS1に保持される。また、列増幅部102Bで8倍に増幅された信号は信号φCTS2がローレベルに遷移することで保持容量CTS2に保持される。
The operation from time t1 to t3 is the same as in the first embodiment. At time t7, when the signals φCTN1 and φCTN2 become a high level in a pulse shape and the signals φCTN1 and φCTN2 become a low level, signals including offset components caused by the
時刻t9に信号φC1とφC2がローレベルに遷移する。この後、信号φSELがローレベルになることで、画素選択部SELがオフし、画素101の選択状態が解除される。時刻t11において信号φCOLSEL2がハイレベルとなることで、保持容量CTS2、CTN2に保持された信号は差動増幅器D.Ampに出力される。差動増幅器D.Ampは、保持容量CTS2及びCTN2の信号の差分信号を列AD変換部121に第1の画素信号として出力する。続いて、時刻t13において信号φCOLSEL1がハイレベルとなることで、保持容量CTS1、CTN1に保持された信号は差動増幅器D.Ampに出力される。差動増幅器D.Ampは、保持容量CTS1及びCTN1の信号の差分信号を列AD変換部121に第2の画素信号として出力する。列AD変換部121以降は、第1の実施形態の図5及び図6で示したものと同様である。第1の画素信号と第2の画素信号は、列AD変換部121でAD変換された後、置換部122で列毎にいずれか一方が出力信号として選択される。その後、時刻t14において、水平走査回路104の駆動パルスφHCLKにより、各列の置換後のデータが順次後段の補正部124に読み出される。
At time t9, the signals φC1 and φC2 transition to the low level. Thereafter, when the signal φSEL becomes low level, the pixel selection unit SEL is turned off and the selection state of the
以上のように、第1の列増幅部102Bは、p倍(例えば8倍)の増幅率で増幅した第1の画素信号を出力する。第2の列増幅部102Aは、q倍(例えば1倍)の増幅率で増幅した第2の画素信号を出力する。この結果、少ないビット数の列AD変換を2回行う時間で、本来であればAD変換にさらに時間のかかる高いビット数に相当する精度の出力を得ることができる。本実施形態により、増幅率を変えて信号を2回読み出し、12ビットのAD変換を2回行うことにより、15ビット相当の精度を得ながら、AD変換時間は1/4で済む効果が得られる。また、同じ画素101の信号を行単位であらかじめ定めた2つの増幅率で読み出すだけなので、前のフレームの信号をフィードバックして結果を反映させる時間や、蓄積を2回行ったりする必要がなく、フレームレートも早くできる。また、各列で第1の画素信号と第2の画素信号を合成後に水平走査により読み出すため、固体撮像素子1の外部でフレーム合成のためのメモリを用意する必要がなく回路規模を抑えることができる。また、各列の増幅率を個別にフィードバック制御する必要がなく、各列の列増幅部102A,102Bは共通の動作を行うため、構造も単純化できる。
As described above, the first
第1及び第2の実施形態によれば、1フレーム分の時間遅れが生じることもなく、メモリ部で回路規模が大きくならず、動作速度低下を防止し、固体撮像素子1から出力される信号のS/N比を向上し、ダイナミックレンジを拡大した固体撮像素子1が実現できる。
According to the first and second embodiments, a time delay for one frame does not occur, the circuit scale does not increase in the memory unit, a reduction in operation speed is prevented, and a signal output from the solid-
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。 The above-described embodiments are merely examples of implementation in carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed in a limited manner. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or the main features thereof.
1 固体撮像素子、101 画素、102 列増幅部、103 垂直走査回路、104 水平走査回路、121 列AD(アナログデジタル)変換部、122 置換部、124 補正部、125 ビット変換部
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記複数の画素の各列に設けられ、同一画素の信号に対してp倍の増幅率で増幅した第1の画素信号及び前記p倍とは異なるq倍の増幅率で増幅した第2の画素信号を出力する列増幅部と、
前記複数の列増幅部の各々に対応して設けられ、対応する前記列増幅部の出力を保持する保持部と、
前記複数の画素の各列に設けられ、前記保持部に保持された、前記列増幅部により増幅された第1の画素信号及び第2の画素信号をアナログからデジタルに変換する列AD変換部と、
前記複数の画素の各列に設けられ、前記列AD変換部により変換された第1の画素信号が閾値未満のときには前記列AD変換部により変換された第1の画素信号を選択し、前記列AD変換部により変換された第1の画素信号が閾値より大きいときには前記列AD変換部により変換された第2の画素信号を選択する置換部と、
前記置換部により選択された各列の第1の画素信号又は第2の画素信号を順次選択する水平走査回路とを有し、
前記列増幅部は、オペアンプと、入力容量と、接続状態を切り替えられる複数の帰還容量とを有し、
前記画素のリセットを行うと共に、少なくとも2個の前記帰還容量が接続された状態で、前記オペアンプの入出力端子をショートし、
その後、一方の前記帰還容量を帰還経路から電気的に切断し、前記列増幅部のゲインをq倍にした状態で前記列増幅部の出力を前記保持部が保持し、
その後、他方の前記帰還容量を帰還経路から電気的に切断し、さらに前記一方の帰還容量を帰還経路に電気的に接続することで、前記列増幅部のゲインをp倍にした状態で前記列増幅部の出力を前記保持部が保持し、
その後、前記列増幅部のゲインがp倍の状態で前記光電変換素子の光電変換に基づく信号を前記画素から出力させ、さらに、前記列増幅部の出力を前記保持部が保持し、
その後、前記一方の帰還容量を帰還経路から電気的に切断し、さらに前記他方の帰還容量を帰還経路に電気的に接続することで、前記列増幅部のゲインをq倍にした状態で前記列増幅部の出力を前記保持部が保持することを特徴とする撮像装置。 A plurality of pixels arranged in a two-dimensional matrix and generating signals using photoelectric conversion elements;
A first pixel signal that is provided in each column of the plurality of pixels and that is amplified with a gain of p times with respect to the signal of the same pixel, and a second pixel that is amplified with a gain of q times different from the p times A column amplifier for outputting a signal;
A holding unit that is provided corresponding to each of the plurality of column amplification units and holds an output of the corresponding column amplification unit;
A column AD conversion unit that is provided in each column of the plurality of pixels and that is held in the holding unit and that converts the first pixel signal and the second pixel signal amplified by the column amplification unit from analog to digital; ,
When the first pixel signal provided in each column of the plurality of pixels and converted by the column AD conversion unit is less than a threshold, the first pixel signal converted by the column AD conversion unit is selected, and the column A replacement unit that selects the second pixel signal converted by the column AD conversion unit when the first pixel signal converted by the AD conversion unit is larger than a threshold;
Have a horizontal scanning circuit for sequentially selecting the first pixel signal or the second pixel signals of each column selected by said replacement unit,
The column amplifying unit includes an operational amplifier, an input capacitor, and a plurality of feedback capacitors capable of switching connection states.
The pixel is reset, and at least two of the feedback capacitors are connected, and the input / output terminal of the operational amplifier is short-circuited,
Thereafter, one of the feedback capacitors is electrically disconnected from the feedback path, and the holding unit holds the output of the column amplification unit with the gain of the column amplification unit multiplied by q.
Thereafter, the other feedback capacitor is electrically disconnected from the feedback path, and the one feedback capacitor is electrically connected to the feedback path, so that the column amplification unit has a gain of p times in the state where the gain is increased. The holding unit holds the output of the amplification unit,
Thereafter, a signal based on photoelectric conversion of the photoelectric conversion element in a state where the gain of the column amplification unit is p times is output from the pixel, and further, the output of the column amplification unit is held by the holding unit,
Thereafter, the one feedback capacitor is electrically disconnected from the feedback path, and the other feedback capacitor is electrically connected to the feedback path, so that the gain of the column amplifier is increased by q times. An imaging apparatus , wherein the holding unit holds the output of the amplification unit .
さらに、前記水平走査回路により選択された第2の画素信号に対してp/q倍で乗算された画素信号を出力するビット変換部を有することを特徴とする請求項1又は2記載の撮像装置。 p> q,
3. The imaging apparatus according to claim 1, further comprising a bit conversion unit that outputs a pixel signal obtained by multiplying the second pixel signal selected by the horizontal scanning circuit by p / q times. .
前記p倍の増幅率で増幅した第1の画素信号を出力する第1の列増幅部と、
前記q倍の増幅率で増幅した第2の画素信号を出力する第2の列増幅部とを有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 column amplification unit includes:
A first column amplifier for outputting a first pixel signal amplified at the amplification factor of p,
The imaging apparatus according to claim 1, further comprising: a second column amplification unit that outputs a second pixel signal amplified by the amplification factor of q.
前記複数の画素の列毎に、同一画素の信号に対してp倍の増幅率で増幅した第1の画素信号及び前記p倍とは異なるq倍の増幅率で増幅した第2の画素信号を出力する列増幅ステップと、
前記複数の画素の列毎に、前記列増幅ステップにより増幅された第1の画素信号及び第2の画素信号をアナログからデジタルに変換する列AD変換ステップと、
前記複数の画素の列毎に、前記列AD変換ステップにより変換された第1の画素信号が閾値未満のときには前記列AD変換ステップにより変換された第1の画素信号を選択し、前記列AD変換ステップにより変換された第1の画素信号が閾値より大きいときには前記列AD変換ステップにより変換された第2の画素信号を選択する置換ステップと、
前記置換ステップにより選択された各列の第1の画素信号又は第2の画素信号を順次選択する水平走査ステップとを有し、
前記列増幅ステップにおいて、
前記画素のリセットを行うと共に、少なくとも2個の前記帰還容量が接続された状態で、前記オペアンプの入出力端子をショートし、
その後、一方の前記帰還容量を帰還経路から電気的に切断し、前記列増幅部のゲインをq倍にした状態で前記列増幅部の出力を保持し、
その後、他方の前記帰還容量を帰還経路から電気的に切断し、さらに前記一方の帰還容量を帰還経路に電気的に接続することで、前記列増幅部のゲインをp倍にした状態で前記列増幅部の出力を保持し、
その後、前記列増幅部のゲインがp倍の状態で前記光電変換素子の光電変換に基づく信号を前記画素から出力させ、さらに、前記列増幅部の出力を保持し、
その後、前記一方の帰還容量を帰還経路から電気的に切断し、さらに前記他方の帰還容量を帰還経路に電気的に接続することで、前記列増幅部のゲインをq倍にした状態で前記列増幅部の出力を保持することを特徴とする撮像装置の駆動方法。 Driving an imaging apparatus having a plurality of pixels arranged in a two-dimensional matrix and generating a signal using a photoelectric conversion element, and a column amplification unit including an operational amplifier, an input capacitor, and a plurality of feedback capacitors whose connection state can be switched. A method,
For each column of the plurality of pixels, a first pixel signal amplified at a p-fold amplification rate with respect to the signal of the same pixel and a second pixel signal amplified at a q-fold amplification rate different from the p-fold are obtained. An output column amplification step;
A column AD conversion step for converting the first pixel signal and the second pixel signal amplified by the column amplification step from analog to digital for each column of the plurality of pixels;
For each column of the plurality of pixels, when the first pixel signal converted by the column AD conversion step is less than a threshold, the first pixel signal converted by the column AD conversion step is selected, and the column AD conversion is performed. A replacement step of selecting the second pixel signal converted by the column AD conversion step when the first pixel signal converted by the step is larger than a threshold;
Have a horizontal scanning step of sequentially selecting the first pixel signal or the second pixel signals of each column selected by said replacement step,
In the column amplification step,
The pixel is reset, and at least two of the feedback capacitors are connected, and the input / output terminal of the operational amplifier is short-circuited,
Thereafter, one of the feedback capacitors is electrically disconnected from the feedback path, and the output of the column amplification unit is held in a state where the gain of the column amplification unit is multiplied by q.
Thereafter, the other feedback capacitor is electrically disconnected from the feedback path, and the one feedback capacitor is electrically connected to the feedback path, so that the column amplification unit has a gain of p times in the state where the gain is increased. Hold the output of the amplifier,
Thereafter, a signal based on photoelectric conversion of the photoelectric conversion element in a state where the gain of the column amplification unit is p times is output from the pixel, and further holds the output of the column amplification unit,
Thereafter, the one feedback capacitor is electrically disconnected from the feedback path, and the other feedback capacitor is electrically connected to the feedback path, so that the gain of the column amplifier is increased by q times. A driving method of an imaging apparatus, characterized by holding an output of an amplification unit .
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