JP2004356866A - 撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、高画素の固体撮像素子によって動画撮影が可能な撮像装置を提供することを目的とする。
【解決手段】固体撮像素子1周辺の雰囲気温度を温度検出器5で検出すると、ゲイン制御部6に検出した温度を報知する。ゲイン制御部6では、LUT6aを参照することによって、報知された温度における映像信号のオフセット値及びゲイン量を確認し、確認したオフセット値及びゲイン量に基づいてデジタルゲイン演算部4の動作を制御する。よって、デジタルゲイン演算部4より温度補償された映像信号が出力される。
【選択図】 図1
【解決手段】固体撮像素子1周辺の雰囲気温度を温度検出器5で検出すると、ゲイン制御部6に検出した温度を報知する。ゲイン制御部6では、LUT6aを参照することによって、報知された温度における映像信号のオフセット値及びゲイン量を確認し、確認したオフセット値及びゲイン量に基づいてデジタルゲイン演算部4の動作を制御する。よって、デジタルゲイン演算部4より温度補償された映像信号が出力される。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光量に応じた電気信号を出力する感光素子を有する固体撮像素子を備えた撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
撮像装置に内蔵される固体撮像素子は、小型、軽量で低消費電力であるのみならず、画像歪や焼き付きが無く、振動や磁界などの環境条件に強い。又、LSI(Large Scale Integrated circuit)と共通の工程又は類似の工程で製造できるので、信頼性が高く、量産にも適している。このため、ライン状に画素が配された固体撮像素子がファクシミリやフラットベッドスキャナに、マトリクス状に画素が配された固体撮像素子がビデオカメラやデジタルカメラなどに幅広く使用されている。ところで、このような固体撮像装置は光電変換素子で発生した光電荷を読み出す(取り出す)手段によってCCD型とMOS型に大きく分けられる。CCD型は光電荷をポテンシャルの井戸に蓄積しつつ、転送するようになっており、ダイナミックレンジが狭いという欠点がある。一方、MOS型はフォトダイオードのpn接合容量に蓄積した電荷をMOSトランジスタを通して読み出すようになっている。
【0003】
このようなMOS型固体撮像素子のダイナミックレンジを広くするために、本出願人は、入射した光量に応じた光電流を発生しうる感光手段と、光電流を入力するMOSトランジスタと、このMOSトランジスタをサブスレッショルド電流が流れうる状態にバイアスするバイアス手段とを備え、光電流を対数変換するようにした固体撮像素子を提案した(特許文献1参照)。しかしながら、このような光電流を対数変換する固体撮像素子より出力される電気信号は温度に影響される。
【0004】
よって、このような電気信号を増幅回路で増幅した出力信号をそのまま映像信号として出力したとき、固体撮像素子周囲の雰囲気温度に影響されてその映像信号のレベルが変化してしまうという問題があった。即ち、図15のように、常温時に比べて温度が高くなると、対数変換域の出力と照度と関係を示す傾きが増加し、又、常温時に比べて温度が低くなると、対数変換域の出力と照度と関係を示す傾きが減少する。
【0005】
そこで、本出願人は、このような固体撮像素子周囲の雰囲気温度の影響を低減させるために、各画素から出力される映像信号と各画素の感度バラツキを表すノイズ信号とが入力される出力回路に感温素子を設けた固体撮像素子を提案した(特許文献2参照)。この固体撮像素子は、出力回路内に、感温素子を有するとともに映像信号を増幅する反転増幅器と、感温素子を有するとともにノイズ信号を増幅する反転増幅器とを備え、それぞれの反転増幅器で増幅された映像信号及びノイズ信号を差動増幅回路に入力する。そして、感度バラツキによるノイズ成分と固体撮像素子周囲の雰囲気温度によるノイズ成分とが除去された映像信号が、この差動増幅回路から出力される。
【0006】
【特許文献1】
特開平11−313257号公報
【特許文献2】
特開2001−251556号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献2のように出力回路内に感光素子を設けた構成としたとき、正確に温度補償を行うためには、感温素子及び感温素子が接続されるオペアンプの調整を行う必要があるが、固体撮像素子内における信号レベルが小さいため、このような各素子の調整は困難である。又、このような構成の出力回路では、感温素子により検出される温度範囲が狭いため、広い温度範囲にあたって温度補償を行うことができない。
【0008】
このような問題を鑑みて、本発明は、固体撮像素子の温度によって出力に与えられる影響を十分に抑圧することができる撮像装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に記載の撮像装置は、入射光量に応じた電気信号を出力する感光素子を備えた画素を有する固体撮像素子を備える撮像装置において、前記固体撮像素子の温度を検出する温度検出器と、前記固体撮像素子の温度と前記映像信号に与えるゲインとの関係を記憶させたゲイン調整用テーブルを備え、当該ゲイン調整用テーブルを参照して、前記温度検出器で検出された前記固体撮像素子の温度に基づいて前記ゲインを設定するゲイン制御部と、を有することを特徴とする。
【0010】
このような撮像装置において、前記画素が、前記感光素子からの電気信号を対数変換する出力回路を備えるとき、前記固体撮像素子から出力される映像信号に含まれる前記固体撮像素子の温度に影響される成分を除去することができる。よって、前記映像信号を、前記固体撮像素子の温度に対する補償が施された信号とすることができる。尚、前記温度検出器によって検出される前記固体撮像素子の温度は、前記固体撮像素子自体の温度であってもよく、前記固体撮像素子周辺の雰囲気温度であってもよい。
【0011】
又、このような撮像装置において、請求項2に記載するように、前記ゲイン制御部が、前記感光素子への入射光量に対する前記映像信号の信号レベルの変化の割合が一定となるように、前記ゲインを調整する。このとき、前記ゲイン制御部が、前記映像信号の信号レベルの前記感光素子への入射光量の対数値に対する比例定数が一定となるように、前記ゲインを調整するものとしても構わない。
【0012】
又、請求項1又は請求項2に記載の撮像装置において、前記ゲイン制御部が、前記映像信号の信号レベルにおけるオフセット値が一定となるように、調整するものとしても構わない。このとき、当該オフセット値が、前記固体撮像素子の温度毎に、前記ゲイン調整用テーブルに格納されるものとしても構わない。
【0013】
又、請求項1又は請求項2に記載の撮像装置において、前記画素が、前記感光素子からの電気信号が入力されるとともにサブスレッショルド領域で動作するトランジスタを備えて、入射光量に対して自然対数的に変換した映像信号を出力するとともに、前記固体撮像素子が、前記固体撮像素子の温度に応じた電圧を出力する電圧発生回路を有し、該電圧発生回路から出力される電圧によって、前記トランジスタをバイアスすることによって、前記トランジスタのポテンシャル状態を設定するものとし、前記画素から出力される映像信号のオフセット値を一定とするようにしても構わない。
【0014】
又、請求項3に記載するように、前記固体撮像素子から出力されるアナログ信号である映像信号を増幅するアンプを備え、当該アンプにおいて前記映像信号に与えるゲインを前記ゲイン制御部で調整するようにしても構わない。このとき、当該アンプで増幅された映像信号をデジタル信号に変換するAD変換部と、AD変換部で変換されたデジタル信号となる映像信号を出力側のダイナミックレンジに応じた映像信号に変換するデジタルゲイン演算部と、を備えるようにしても構わない。又、前記固体撮像素子内に、前記画素から出力されるアナログ信号である映像信号を増幅するアンプを備えるようにしても構わない。
【0015】
又、請求項4に記載するように、前記固体撮像素子内に、前記画素から出力されるアナログ信号である映像信号を増幅するアンプを備え、当該アンプにおいて前記映像信号に与えるゲインを前記ゲイン制御部で調整するようにしても構わない。このとき、前記固体撮像素子から出力された映像信号をデジタル信号に変換するAD変換部と、AD変換部で変換されたデジタル信号となる映像信号を出力側のダイナミックレンジに応じた映像信号に変換するデジタルゲイン演算部と、を備えるようにしても構わない。又、前記固体撮像素子から出力された映像信号を増幅するアンプを備えるようにしても構わない。
【0016】
又、請求項5に記載するように、前記固体撮像素子から出力されるアナログ信号である映像信号をデジタル信号に変換するAD変換部と、前記AD変換部から出力されるデジタル信号となる映像信号を出力側のダイナミックレンジに応じた映像信号に変換するデジタルゲイン演算部と、を備え、当該デジタルゲイン演算部において前記映像信号に与えるゲインを前記ゲイン制御部で調整するようにしても構わない。このとき、前記固体撮像素子内に、前記画素から出力されるアナログ信号である映像信号を増幅するアンプを備えるようにしても構わない。又、前記固体撮像素子から出力された映像信号を増幅するアンプを備えるようにしても構わない。
【0017】
又、上述の各撮像装置において、前記画素が、前記感光素子からの電気信号が入力されるとともにサブスレッショルド領域で動作するトランジスタを備えることによって、前記画素から出力される映像信号が、前記感光素子への入射光量に対して自然対数的に変換されるものとしても構わない。又、前記固体撮像素子において、前記画素が複数設けられるものとしても構わない。
【0018】
又、前記画素から出力される映像信号が、前記感光素子への入射光量に対して自然対数的に変換されるとき、前記デジタルゲイン演算部において、入射光量の対数値に対して比例した映像信号の信号レベルを、入射光量に対して線形的に比例した信号レベルに変換する対数/線形変換動作が行われる。
【0019】
【発明の実施の形態】
<第1の実施形態>
まず、本発明の第1の実施形態について、図面を参照して説明する。図1は、本実施形態の撮像装置の内部構成を示すブロック図である。又、図2は、固体撮像素子の内部構成を示すブロック回路図である。又、図3は、図2の固体撮像素子に備えられる画素の構成を示す回路図である。又、図5は、図2の固体撮像素子に備えられる出力回路の構成を示す回路図である。
【0020】
1.撮像装置の構成
まず、本実施形態における撮像装置の構成について、図1を参照して説明する。図1に示す撮像装置は、固体撮像素子1と、固体撮像素子1からの映像信号を増幅するアンプ2と、アンプ2で増幅された映像信号をデジタル信号に変換するAD変換器3と、AD変換器3でデジタル信号に変換された映像信号を照度に対して線形的に変化する映像信号に変換するデジタルゲイン演算器4と、固体撮像素子1周辺の雰囲気温度(固体撮像素子1自体の温度も含む)を測定する温度検出器5と、温度検出器5で測定された雰囲気温度に基づく映像信号における変動値を記録したLUT(Look Up Table)6aを備えたゲイン制御部6と、を有する。
【0021】
2.固体撮像素子の構成
このような構成の撮像装置における固体撮像素子の内部構成について、図2を参照して説明する。図2の固体撮像装置は、画素G11〜Gmnと、画素G11〜Gmnの各列毎にその出力側に接続された信号線11−1〜11−mと、信号線11−1〜11−mのそれぞれに接続された定電流源12−1〜12−mと、信号線11−1〜11−mのそれぞれを介して与えられる画素G11〜Gmnからの映像信号とノイズ信号をサンプルホールドするとともにノイズ除去を行う出力回路13−1〜13−mと、出力回路13−1〜13−mから送出される映像信号を外部に出力する出力信号線14と、出力信号線14を介して送出されるノイズ除去された映像信号を増幅する内蔵アンプ15とを有する。尚、定電流源12−1〜12−mの一端に直流電圧VPSが印加される。
【0022】
このような固体撮像装置において、画素Gab(a:1≦a≦mの自然数、b:1≦b≦nの自然数)からの出力となる映像信号及びノイズ信号が、それぞれ、信号線11−aを介して出力されるとともに、この信号線11−aに接続された定電流源12−aによって増幅される。そして、画素Gabから出力された映像信号及びノイズ信号が順番に出力回路13−aに送出されるとともに、この出力回路13−aにおいて、送出された映像信号及びノイズ信号がサンプルホールドされる。その後、出力回路13−aにおいて、映像信号がノイズ信号に基づいて補正処理されて、出力信号線14を介して、ノイズ除去された映像信号が内蔵アンプ15に与えられ増幅された後、外部に出力される。
【0023】
3.画素の構成
このような構成の固体撮像素子1における各画素G11〜Gmnの内部構成について、図3を参照して説明する。図3の画素は、pnフォトダイオードPDが感光部(光電変換部)を形成している。そのフォトダイオードPDのカソードはMOSトランジスタT1のドレインに接続され、このMOSトランジスタT1のソースは、MOSトランジスタT2のドレインとゲート及びMOSトランジスタT3のゲートに接続されている。MOSトランジスタT3のソースは行選択用のMOSトランジスタT4のドレインに接続されている。MOSトランジスタT4のソースは信号線11(図2の信号線11−1〜11−mに相当する)へ接続されている。尚、MOSトランジスタT1〜T4は、それぞれ、PチャネルのMOSトランジスタである。
【0024】
又、フォトダイオードPDのアノード及びMOSトランジスタT3のドレインには直流電圧VPDが印加されるようになっている。一方、MOSトランジスタT2のソースには、信号φVPSが入力される。又、MOSトランジスタT1のゲートに信号φSが入力され、MOSトランジスタT4のゲートには信号φVが入力される。
【0025】
このような構成の画素に対して、各信号が図4に示すタイミングチャートに従って与えられる。即ち、信号φSをローレベルにしてMOSトランジスタT1をONとするとともに、MOSトランジスタT2をサブスレッショルド領域で動作させるように信号φVPSの電圧をVLとする。MOSトランジスタT2に与えるバイアス電圧をこのような状態に設定したとき、フォトダイオードPDに光が入射されると、光電流が発生し、MOSトランジスタのサブスレッショルド特性により、MOSトランジスタT2,T3のゲートに光電流を自然対数的に変換した値の電圧が発生する。その後、パルス信号φVを与えることにより、フォトダイオードPDへの入射光量に対して自然対数的に比例した信号レベルとなる映像信号が出力される。このとき、MOSトランジスタT4がソースフォロワ型のMOSトランジスタとして動作するため、信号線11には映像信号が電圧信号として現れる。
【0026】
そして、信号φSをハイレベルにしてMOSトランジスタT1をOFFとするとともに、信号φVPSの電圧をVLより高いVHにしてMOSトランジスタT2に与えるバイアス電圧を撮像時より高くすることにより、MOSトランジスタT1に蓄積された電荷を速やかに再結合してリセットする。その後、信号φVPSをVLにする。この状態でパルス信号φVを与えることにより、MOSトランジスタT2の閾値電圧を反映した信号が出力される。この信号は各画素間の感度バラツキを表しており、感度バラツキによるノイズ補償するためのノイズ信号として用いられる。その後、信号φSをローレベルにして撮像動作を行う。
【0027】
4.出力回路の構成
図2のような構成の固体撮像素子1における各出力回路13−1〜13−mの内部構成について、図5を参照して説明する。尚、図5において、出力回路13が図2における出力回路13−1〜13−mに相当する。図5に示す出力回路13は、信号線11から与えられる映像信号をサンプルホールドするキャパシタCsと、信号線11から与えられるノイズ信号をサンプルホールドするキャパシタCnと、信号線11とキャパシタCsの一端との間に接続されたスイッチSHSと、信号線11とキャパシタCnの一端との間に接続されたスイッチSHNと、キャパシタCsの他端とキャパシタCnの一端との間に接続されたスイッチMIXと、キャパシタCsの一端に一端が接続されたスイッチRSPと、キャパシタCsの他端に一端が接続されたスイッチRSM,Sxとから構成される。
【0028】
又、スイッチRSP,RSMの他端及びキャパシタCnの他端には、直流電圧Vrが印加されるとともに、スイッチSxの他端に最終的な出力信号線14が接続される。更に、スイッチSHS及びスイッチSHNは、信号線11を介して定電流源12(図2における定電流源12−1〜12−mに相当する)と接続される。
【0029】
このような構成の出力回路13の動作が図6のようになる。画素Gabに与えられる信号φSがローとされてMOSトランジスタT1がONとされた状態で撮像動作が行われているとき、まず、スイッチRSPがONの状態でスイッチRSMがONとなって、キャパシタCsがリセットされる。このとき、スイッチSHS,SHN,MIX,SxはOFFである。そして、スイッチRSPをOFFとした後、スイッチSHSをONとする。
【0030】
その後、信号φVがローとされて映像信号が信号線11に現れると、スイッチSHSがONであるため、キャパシタCsに映像信号の電圧信号がサンプルホールドされる。そして、スイッチSHSがOFFされるとともに信号φVがハイとされた後、スイッチRSMがOFFとされる。このスイッチRSMをOFFとすると、スイッチRSPをONとする。又、画素Gabでは、信号φSがハイとされてMOSトランジスタT1がOFFとされてリセット動作が行われる。そして、信号φVがローとされてノイズ信号が信号線11に現れると、スイッチSHNがONとされて、ノイズ信号がキャパシタCnにサンプルホールドされる。
【0031】
そして、スイッチSHNがOFFされるとともに信号φVがハイとされる。このとき、ノイズ信号がキャパシタCnによって、キャパシタCsに保持される映像信号とは逆極性の信号として保持される。その後、スイッチMIXがONとされることによって、ノイズ信号と映像信号との差分値となる電圧値がキャパシタCs,Cnの接続ノードに現れる。そして、スイッチSxをONとすることで、このキャパシタCs,Cnの接続ノードに現れる電圧信号を出力する。即ち、ノイズ除去された映像信号が出力信号線14に出力されることとなる。
【0032】
このようにして出力回路13が動作しているとき、画素Gabにおいては、ノイズ信号を出力した後、信号φSをローとしてMOSトランジスタT1をONとして、次回の撮像動作に備える。又、出力回路13は、ノイズ除去した映像信号を出力すると、スイッチSxをOFFとする。そして、1行分の画素から映像信号が出力信号線14に出力されると、スイッチMIXがOFFとされ、次の映像信号のサンプルホールド動作に備える。
【0033】
このような固体撮像素子1を備えた撮像装置において、上述のように動作する固体撮像素子1から、ノイズ成分が除去されたアナログ信号である映像信号が出力される。このとき、固体撮像素子1より出力される映像信号は、対数変換された映像信号であるため、照度の自然対数値に対して比例した信号レベルとなる。そして、内蔵アンプ15の増幅率がK1であるとき、この固体撮像素子1から出力された映像信号の信号レベルd1が、(1)式のように表される。尚、(1)式において、Lが照度を表し、又、a(T)が温度によって変化するオフセット値を、Bが定数を、c(T)が温度によって変化する定数値を表す。
d1=K1×(a(T)+c(T)×ln(B×L)) …(1)
【0034】
この映像信号は、増幅率K2のアンプ2で増幅された後、AD変換器3でデジタル信号に変換される。よって、AD変換器3から出力される映像信号の信号レベルD1が、(2)式のようになる。
D1=K1×K2×(a(T)+c(T)×ln(B×L)) …(2)
【0035】
又、固体撮像素子1周辺の雰囲気温度が温度検出器5によって検出されると、検出された雰囲気温度を示す温度信号がゲイン制御部6に与えられる。ゲイン制御部6では、温度検出器5から与えられた温度信号により検出された温度を確認し、LUT6aを参照して、検出された温度におけるオフセット値a(T)×K1×K2(=A(T))及び定数値c(T)それぞれの値を確認する。そして、確認したオフセット値A(T)及び定数値c(T)をデジタルゲイン演算器4に送出する。即ち、温度T1が検出されたとき、オフセット値及び定数値として、それぞれA(T1)及びc(T1)を確認して、デジタルゲイン演算器4に送出する。
【0036】
又、デジタルゲイン演算器4では、AD変換器3でデジタル信号に変換された映像信号を、照度の対数値に対して比例した信号レベルD1から、照度に比例した信号レベルD2となるように対数/線形変換を行う。この際、まず、ゲイン制御部6より与えられるオフセット値A(T)を映像信号の値D1から引いた後、同じくゲイン制御部6より与えられる定数値c(T)により除算する。よって、このとき得られた値が、温度に関わりなく照度の対数値に比例した値となる。そして、この定数値c(T)を除いた値により指数演算することで、(3)式で表される信号レベルD2となるデジタル信号に変換する。尚、(3)式において、K,Kxは、定数であり、定数K,Kxの関係が(4)式のようになる。
D2=K×exp((D1−A(T))/c(T))=Kx×L …(3)
K×exp(K1×K2)×B=Kx …(4)
【0037】
このようにして、信号レベルD2となるデジタル信号による映像信号が、照度Lに比例した信号としてデジタルゲイン演算部4より出力される。そして、この信号レベルD2には、信号レベルD1に含まれていた温度により変化するオフセット値及び定数値が含まれないため、デジタルゲイン演算部4から出力される映像信号を、固体撮像素子1周辺の雰囲気温度の影響のない信号として出力することができる。即ち、デジタルゲイン演算部4において、LUT6aで確認されたオフセット値A(T)により減算した後にLUT6aで確認された定数値c(T)により除算することによって、映像信号の照度の対数値に対する比例定数を固体撮像素子1周辺の雰囲気温度に関係なく一定のものとすることで、固体撮像素子1周辺の雰囲気温度の影響のない信号として出力することができる。
【0038】
<第2の実施形態>
又、本発明の第2の実施形態について、図面を参照して説明する。図7は、本実施形態の撮像装置の内部構成を示すブロック図である。尚、本実施形態において、固体撮像素子及び画素及び出力回路がそれぞれ、第1の実施形態と同様、図2及び図3及び図5のような構成となるものとする。
【0039】
本実施形態において、図7のように、アンプ2において、固体撮像素子1より出力される映像信号よりオフセット値を除去するとともに、アンプ2での増幅率がゲイン制御部6内のLUT6aで確認された値に基づいて変更される。又、ゲイン制御部6では、温度検出器5からの温度信号により示される温度に基づいて、LUT6aを参照することによって、固体撮像素子1より出力される映像信号に含まれる温度により変化するオフセット値及びゲインが確認される。そして、この確認したオフセット値及びゲインに応じて、ゲイン制御部6がアンプ2の増幅動作を制御する。
【0040】
このような撮像装置において、第1の実施形態で説明したように動作する固体撮像素子1から、ノイズ成分が除去されたアナログ信号である映像信号が出力される。この固体撮像素子1から出力された映像信号が、アンプ2で増幅された後、AD変換器3でデジタル信号に変換される。このとき、固体撮像素子1より出力される映像信号の信号レベルd1が、第1の実施形態と同様、(1)式のようになる。
【0041】
又、検出された固体撮像素子1周辺の雰囲気温度を示す温度信号が温度検出器5よりゲイン制御部6に与えられると、LUT6aを参照して、検出された温度におけるオフセット値a(T)×K1(=α(T))及びゲインK2/c(T)それぞれの値を確認する。そして、確認したオフセット値α(T)及びゲインK2/c(T)をアンプ2に送出する。即ち、温度T1が検出されたとき、オフセット値及びゲインとして、それぞれα(T1)及びK2/c(T1)を確認して、アンプ2に送出する。
【0042】
アンプ2では、LUT6aにより確認されるオフセット値α(T)及びゲインK2/c(T)がゲイン制御部6より与えられると、まず、ゲイン制御部6より与えられるオフセット値α(T)を映像信号の信号レベルd1から引いた後、ゲインK2/c(T)によって乗算する。このようにすることで、温度に関係なくK2だけ増幅された照度の対数値に対して比例した信号レベルD0となるアナログ信号である映像信号をAD変換器3に出力することができる。又、この信号レベルD0は、(5)式のように表される。
D0=(d1−α(T))×K2/c(T)=K1×K2×ln(B×L)…(5)
【0043】
又、デジタルゲイン演算器4では、AD変換器3でデジタル信号に変換された映像信号を、照度の対数値に対して比例した信号レベルD0から、照度に比例した信号レベルD2となるように対数/線形変換を行う。このとき、信号レベルD0を指数演算することで、(6)式で表される信号レベルD2となるデジタル信号に変換する。
D2=K×exp(D0)=Kx×L …(6)
【0044】
このようにして、信号レベルD2となるデジタル信号による映像信号が、照度Lに比例した信号としてデジタルゲイン演算部4より出力される。そして、この信号レベルD2には、信号レベルd1に含まれていた温度により変化するオフセット値及び定数値が含まれないため、デジタルゲイン演算部4から出力される映像信号を、固体撮像素子1周辺の雰囲気温度の影響のない信号として出力することができる。即ち、アンプ2において、LUT6aで確認されたオフセット値α(T)により減算した後にLUT6aで確認されたゲインK2/c(T)により乗算することによって、映像信号の照度の対数値に対する比例定数を固体撮像素子1周辺の雰囲気温度に関係なく一定のものとすることで、固体撮像素子1周辺の雰囲気温度の影響のない信号として出力することができる。
【0045】
<第3の実施形態>
又、本発明の第3の実施形態について、図面を参照して説明する。図8は、本実施形態の撮像装置の内部構成を示すブロック図である。尚、本実施形態において、固体撮像素子及び画素及び出力回路がそれぞれ、第1の実施形態と同様、図2及び図3及び図5のような構成となるものとする。
【0046】
本実施形態において、図8のように、固体撮像素子1内の内蔵アンプ15において、出力信号線14を介して出力されるノイズ補償された映像信号よりオフセット値を除去するとともに、内蔵アンプ15での増幅率がゲイン制御部6内のLUT6aで確認された値に基づいて変更される。又、ゲイン制御部6では、温度検出器5からの温度信号により示される温度に基づいて、LUT6aを参照することによって、固体撮像素子1より出力される映像信号に含まれる温度により変化するオフセット値及びゲインが確認される。そして、この確認したオフセット値及びゲインに応じて、ゲイン制御部6が内蔵アンプ15の増幅動作を制御する。
【0047】
このような撮像装置において、第1の実施形態で説明したように動作する固体撮像素子1において、ノイズ成分が除去された映像信号が、出力回路13−1〜13−mより順番に出力信号線14を介して内蔵アンプ15に送出される。この内蔵アンプ15に入力される映像信号d0は、(7)式のように表される。
d0=a(T)+c(T)×ln(B×L) …(7)
【0048】
又、第2の実施形態と同様、ゲイン制御部6では、LUT6aを参照して、温度検出器5で検出された温度におけるオフセット値a(T)及びゲインK1/c(T)それぞれの値を確認する。そして、確認したオフセット値a(T)及びゲインK1/c(T)を内蔵アンプ15に送出する。即ち、温度T1が検出されたとき、オフセット値及びゲインとして、それぞれa(T1)及びK1/c(T1)を確認して、内蔵アンプ15に送出する。
【0049】
よって、内蔵アンプ15では、LUT6aにより確認されるオフセット値a(T)及びゲインK1/c(T)がゲイン制御部6より与えられると、まず、ゲイン制御部6より与えられるオフセット値a(T)を映像信号の信号レベルd0から引いた後、ゲインK1/c(T)によって乗算する。このようにすることで、温度に関係なくK1だけ増幅された照度の対数値に対して比例した信号レベルd2となるアナログ信号である映像信号をアンプ2に出力することができる。又、この信号レベルd2は、(8)式のように表される。
d2=(d0−a(T))×K1/c(T)=K1×ln(B×L) …(8)
【0050】
このようにして信号レベルd2となる映像信号が、アンプ2に入力されると、ゲインK2によって増幅された後、AD変換器3でデジタル信号に変換される。。よって、AD変換器3より出力されるデジタル信号となる映像信号の信号レベルD0が、(9)式のようになり、第2の実施形態と同様の値となる。
D0=d2×K2=K1×K2×ln(B×L) …(9)
【0051】
又、デジタルゲイン演算器4では、AD変換器3でデジタル信号に変換された映像信号を、照度の対数値に対して比例した信号レベルD0から、照度に比例した信号レベルD2となるように対数/線形変換を行う。このとき、信号レベルD0を指数演算することで、第2の実施形態と同様、(6)式で表される信号レベルD2となるデジタル信号に変換する。
【0052】
このようにして、信号レベルD2となるデジタル信号による映像信号が、照度Lに比例した信号としてデジタルゲイン演算部4より出力される。そして、この信号レベルD2には、信号レベルd0に含まれていた温度により変化するオフセット値及び定数値が含まれないため、デジタルゲイン演算部4から出力される映像信号を、固体撮像素子1周辺の雰囲気温度の影響のない信号として出力することができる。即ち、内蔵アンプ15において、LUT6aで確認されたオフセット値a(T)により減算した後にLUT6aで確認されたゲインK1/c(T)により乗算することによって、映像信号の照度の対数値に対する比例定数を固体撮像素子1周辺の雰囲気温度に関係なく一定のものとすることで、固体撮像素子1周辺の雰囲気温度の影響のない信号として出力することができる。
【0053】
<第4の実施形態>
又、第4の実施形態について、以下に説明する。尚、本実施形態においては、撮像装置の構成を、第1の実施形態と同様、図1のような構成とする。又、本実施形態では、第1〜第3の実施形態と異なり、固体撮像素子1の構成を、図9のように、図2の構成に電圧発生回路20及びバイアス供給ライン19−1〜119−mが付加された構成とする。このとき、MOSトランジスタT2のソースには、図10のように、バイアス供給ライン19(このバイアス供給ライン19は図9のバイアス供給ライン19−1〜19−mに相当する)を通じて電圧発生回路20で発生した出力電圧が印加される。
【0054】
又、電圧発生回路20は、図11のように、フォトダイオードPdとMOSトランジスタT10と反転型バッファB1とで構成される遮光画素20aと、遮光画素20aで発生した電圧VHと電圧VHより低い電圧で画素G11〜Gmn内のMOSトランジスタT2をサブスレッショルド領域で動作させるための電圧VLとを入力される信号φVPSによって選択して出力するドライブ回路20bとを有する。
【0055】
そして、遮光画素20aにおいて、アノードに直流電圧VDAが印加されたフォトダイオードPdのカソードに、MOSトランジスタT10のドレインとゲート及び反転型バッファB1の入力側が接続され、MOSトランジスタT10のソースに直流電圧VSAが印加される。又、反転型バッファB1からの出力電圧VHがドライブ回路20bに与えられる。このような構成の遮光画素20aは、フォトダイオードPdの感光部に光が入射されないように、アルミニウム膜などで遮光される。
【0056】
図11のように電圧発生回路20が構成されるとき、遮光画素20a内のフォトダイオードPd及びMOSトランジスタT10が、固体撮像素子1周辺の雰囲気温度を検出する検温部として働く。即ち、温度が低くなると、MOSトランジスタT10のゲート電圧が高くなり、又、温度が高くなると、MOSトランジスタT10のゲート電圧が低くなる。よって、反転型バッファB1に入力されるMOSトランジスタT10のゲート電圧が、固体撮像素子1周辺の雰囲気温度に応じて変遷する。そして、反転型バッファB1では、温度が低く、MOSトランジスタT10のゲート電圧が高くなると、出力電圧VHが低くなり、又、温度が高く、MOSトランジスタT10のゲート電圧が低くなると、出力電圧VHが高くなる。
【0057】
このように、電圧発生回路20が設けられた固体撮像素子1内の各画素G11〜Gmnはそれぞれ、第1〜第3の実施形態と同様、図4に示すタイミングチャートに従って動作する。このとき、信号φVPSがVHとされるとき、MOSトランジスタT2のソースに与えられる電圧が固体撮像素子1周辺の雰囲気温度に応じて変遷するものとなる。よって、MOSトランジスタT2のポテンシャル状態を固体撮像素子1周辺の雰囲気温度に関わらず、ほぼ一定とすることができるので、素子温度によって変化する感光素子の暗電流やトランジスタの閾値電圧などによる影響を低減し、映像信号に現れるオフセット値を抑制することができる。
【0058】
このように、固体撮像素子1からオフセット値が除かれた映像信号が出力されるため、内蔵アンプ15及びアンプ2及びAD変換器3それぞれから出力される映像信号は、オフセット値が除かれた信号となる。よって、第1の実施形態と異なり、ゲイン制御部6では、LUT6aを参照して、温度検出器5で検出された温度におけるオフセット値A(T)を確認する必要がなく、定数値C(T)のみを確認して、デジタルゲイン演算器4の動作を制御することで、第1の実施形態と同様、信号レベルD2のデジタル信号となる映像信号が出力される。
【0059】
尚、本実施形態では、第1の実施形態における撮像装置に適用した実施形態としたが、第2及び第3の実施形態における撮像装置に対して適用可能である。即ち、第2の実施形態では、ゲイン制御部6では、LUT6aを参照して、温度検出器5で検出された温度におけるオフセット値α(T)を確認する必要がなく、又、第3の実施形態では、ゲイン制御部6では、LUT6aを参照して、温度検出器5で検出された温度におけるオフセット値a(T)を確認する必要がない。
【0060】
尚、上述の各実施形態における撮像装置において、図12〜図14のように、温度センサ5aを備えるとともに、この温度センサ5aで検出された温度を示す温度信号が、アンプ2で増幅された後にAD変換器3でデジタル信号に変換されて、ゲイン制御部6に送出されるようにしても構わない。このとき、温度センサ5aにおける温度検出動作は、数フレームに1回の割合で、固体撮像素子1が出力動作を行っていないときに行われる。
【0061】
又、上述の各実施形態における撮像装置において、固体撮像素子内に備えられる画素の構成を、図2のような構成をしたが、この図2による構成は、1つの構成例であり、このような構成に限定されるものではない。よって、画素内に積分回路や増幅回路を設けるようにしても構わないし、PチャネルのMOSトランジスタでなくNチャネルのMOSトランジスタで設けるようにしても構わない。
【0062】
又、第4の実施形態において使用される電圧発生回路についても、上記のものに限定されず、種々の構成のものを採用することができる。このとき、電圧発生回路が、MOSトランジスタT2のゲート電圧を固体撮像素子の雰囲気温度に応じて変更するものであっても構わない。
【0063】
【発明の効果】
本発明によると、ゲイン制御部で固体撮像素子の温度に基づいて映像信号に与えるゲインを調整することができるため、映像信号の温度補償を行うことができる。又、感光素子への入射光量に対する映像信号の信号レベルの変化の割合が一定となるように、ゲインを調整するため、温度補償された映像信号に映像において、固体撮像素子の温度によるコントラストの変化を抑制することができる。又、ゲイン調整用テーブルに基づいて温度補償を行うため、温度補償を正確且つ広い温度範囲に対して行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態の撮像装置の構成を示すブロック図。
【図2】固体撮像素子の構成を示すブロック回路図。
【図3】図2の固体撮像素子内の画素の構成を示す回路図。
【図4】図3の画素の動作を示すタイミングチャート。
【図5】図2の固体撮像素子内の出力回路の構成を示す回路図。
【図6】図5の出力回路の動作を示すタイミングチャート。
【図7】第2の実施形態の撮像装置の構成を示すブロック図。
【図8】第3の実施形態の撮像装置の構成を示すブロック図。
【図9】第4の実施形態の撮像装置における固体撮像素子の構成を示すブロック回路図。
【図10】図9の固体撮像素子内の画素の構成を示す回路図。
【図11】図9の固体撮像素子内の電圧発生回路の構成を示す回路図。
【図12】本発明の撮像装置の別の構成を示すブロック図。
【図13】本発明の撮像装置の別の構成を示すブロック図。
【図14】本発明の撮像装置の別の構成を示すブロック図。
【図15】被写体の照度と固体撮像素子の出力との関係を示すグラフ。。
【符号の説明】
1 固体撮像素子
2 アンプ
3 AD変換器
4 デジタルゲイン演算器
5 温度検出器
6 ゲイン制御部
6a LUT
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光量に応じた電気信号を出力する感光素子を有する固体撮像素子を備えた撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
撮像装置に内蔵される固体撮像素子は、小型、軽量で低消費電力であるのみならず、画像歪や焼き付きが無く、振動や磁界などの環境条件に強い。又、LSI(Large Scale Integrated circuit)と共通の工程又は類似の工程で製造できるので、信頼性が高く、量産にも適している。このため、ライン状に画素が配された固体撮像素子がファクシミリやフラットベッドスキャナに、マトリクス状に画素が配された固体撮像素子がビデオカメラやデジタルカメラなどに幅広く使用されている。ところで、このような固体撮像装置は光電変換素子で発生した光電荷を読み出す(取り出す)手段によってCCD型とMOS型に大きく分けられる。CCD型は光電荷をポテンシャルの井戸に蓄積しつつ、転送するようになっており、ダイナミックレンジが狭いという欠点がある。一方、MOS型はフォトダイオードのpn接合容量に蓄積した電荷をMOSトランジスタを通して読み出すようになっている。
【0003】
このようなMOS型固体撮像素子のダイナミックレンジを広くするために、本出願人は、入射した光量に応じた光電流を発生しうる感光手段と、光電流を入力するMOSトランジスタと、このMOSトランジスタをサブスレッショルド電流が流れうる状態にバイアスするバイアス手段とを備え、光電流を対数変換するようにした固体撮像素子を提案した(特許文献1参照)。しかしながら、このような光電流を対数変換する固体撮像素子より出力される電気信号は温度に影響される。
【0004】
よって、このような電気信号を増幅回路で増幅した出力信号をそのまま映像信号として出力したとき、固体撮像素子周囲の雰囲気温度に影響されてその映像信号のレベルが変化してしまうという問題があった。即ち、図15のように、常温時に比べて温度が高くなると、対数変換域の出力と照度と関係を示す傾きが増加し、又、常温時に比べて温度が低くなると、対数変換域の出力と照度と関係を示す傾きが減少する。
【0005】
そこで、本出願人は、このような固体撮像素子周囲の雰囲気温度の影響を低減させるために、各画素から出力される映像信号と各画素の感度バラツキを表すノイズ信号とが入力される出力回路に感温素子を設けた固体撮像素子を提案した(特許文献2参照)。この固体撮像素子は、出力回路内に、感温素子を有するとともに映像信号を増幅する反転増幅器と、感温素子を有するとともにノイズ信号を増幅する反転増幅器とを備え、それぞれの反転増幅器で増幅された映像信号及びノイズ信号を差動増幅回路に入力する。そして、感度バラツキによるノイズ成分と固体撮像素子周囲の雰囲気温度によるノイズ成分とが除去された映像信号が、この差動増幅回路から出力される。
【0006】
【特許文献1】
特開平11−313257号公報
【特許文献2】
特開2001−251556号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献2のように出力回路内に感光素子を設けた構成としたとき、正確に温度補償を行うためには、感温素子及び感温素子が接続されるオペアンプの調整を行う必要があるが、固体撮像素子内における信号レベルが小さいため、このような各素子の調整は困難である。又、このような構成の出力回路では、感温素子により検出される温度範囲が狭いため、広い温度範囲にあたって温度補償を行うことができない。
【0008】
このような問題を鑑みて、本発明は、固体撮像素子の温度によって出力に与えられる影響を十分に抑圧することができる撮像装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に記載の撮像装置は、入射光量に応じた電気信号を出力する感光素子を備えた画素を有する固体撮像素子を備える撮像装置において、前記固体撮像素子の温度を検出する温度検出器と、前記固体撮像素子の温度と前記映像信号に与えるゲインとの関係を記憶させたゲイン調整用テーブルを備え、当該ゲイン調整用テーブルを参照して、前記温度検出器で検出された前記固体撮像素子の温度に基づいて前記ゲインを設定するゲイン制御部と、を有することを特徴とする。
【0010】
このような撮像装置において、前記画素が、前記感光素子からの電気信号を対数変換する出力回路を備えるとき、前記固体撮像素子から出力される映像信号に含まれる前記固体撮像素子の温度に影響される成分を除去することができる。よって、前記映像信号を、前記固体撮像素子の温度に対する補償が施された信号とすることができる。尚、前記温度検出器によって検出される前記固体撮像素子の温度は、前記固体撮像素子自体の温度であってもよく、前記固体撮像素子周辺の雰囲気温度であってもよい。
【0011】
又、このような撮像装置において、請求項2に記載するように、前記ゲイン制御部が、前記感光素子への入射光量に対する前記映像信号の信号レベルの変化の割合が一定となるように、前記ゲインを調整する。このとき、前記ゲイン制御部が、前記映像信号の信号レベルの前記感光素子への入射光量の対数値に対する比例定数が一定となるように、前記ゲインを調整するものとしても構わない。
【0012】
又、請求項1又は請求項2に記載の撮像装置において、前記ゲイン制御部が、前記映像信号の信号レベルにおけるオフセット値が一定となるように、調整するものとしても構わない。このとき、当該オフセット値が、前記固体撮像素子の温度毎に、前記ゲイン調整用テーブルに格納されるものとしても構わない。
【0013】
又、請求項1又は請求項2に記載の撮像装置において、前記画素が、前記感光素子からの電気信号が入力されるとともにサブスレッショルド領域で動作するトランジスタを備えて、入射光量に対して自然対数的に変換した映像信号を出力するとともに、前記固体撮像素子が、前記固体撮像素子の温度に応じた電圧を出力する電圧発生回路を有し、該電圧発生回路から出力される電圧によって、前記トランジスタをバイアスすることによって、前記トランジスタのポテンシャル状態を設定するものとし、前記画素から出力される映像信号のオフセット値を一定とするようにしても構わない。
【0014】
又、請求項3に記載するように、前記固体撮像素子から出力されるアナログ信号である映像信号を増幅するアンプを備え、当該アンプにおいて前記映像信号に与えるゲインを前記ゲイン制御部で調整するようにしても構わない。このとき、当該アンプで増幅された映像信号をデジタル信号に変換するAD変換部と、AD変換部で変換されたデジタル信号となる映像信号を出力側のダイナミックレンジに応じた映像信号に変換するデジタルゲイン演算部と、を備えるようにしても構わない。又、前記固体撮像素子内に、前記画素から出力されるアナログ信号である映像信号を増幅するアンプを備えるようにしても構わない。
【0015】
又、請求項4に記載するように、前記固体撮像素子内に、前記画素から出力されるアナログ信号である映像信号を増幅するアンプを備え、当該アンプにおいて前記映像信号に与えるゲインを前記ゲイン制御部で調整するようにしても構わない。このとき、前記固体撮像素子から出力された映像信号をデジタル信号に変換するAD変換部と、AD変換部で変換されたデジタル信号となる映像信号を出力側のダイナミックレンジに応じた映像信号に変換するデジタルゲイン演算部と、を備えるようにしても構わない。又、前記固体撮像素子から出力された映像信号を増幅するアンプを備えるようにしても構わない。
【0016】
又、請求項5に記載するように、前記固体撮像素子から出力されるアナログ信号である映像信号をデジタル信号に変換するAD変換部と、前記AD変換部から出力されるデジタル信号となる映像信号を出力側のダイナミックレンジに応じた映像信号に変換するデジタルゲイン演算部と、を備え、当該デジタルゲイン演算部において前記映像信号に与えるゲインを前記ゲイン制御部で調整するようにしても構わない。このとき、前記固体撮像素子内に、前記画素から出力されるアナログ信号である映像信号を増幅するアンプを備えるようにしても構わない。又、前記固体撮像素子から出力された映像信号を増幅するアンプを備えるようにしても構わない。
【0017】
又、上述の各撮像装置において、前記画素が、前記感光素子からの電気信号が入力されるとともにサブスレッショルド領域で動作するトランジスタを備えることによって、前記画素から出力される映像信号が、前記感光素子への入射光量に対して自然対数的に変換されるものとしても構わない。又、前記固体撮像素子において、前記画素が複数設けられるものとしても構わない。
【0018】
又、前記画素から出力される映像信号が、前記感光素子への入射光量に対して自然対数的に変換されるとき、前記デジタルゲイン演算部において、入射光量の対数値に対して比例した映像信号の信号レベルを、入射光量に対して線形的に比例した信号レベルに変換する対数/線形変換動作が行われる。
【0019】
【発明の実施の形態】
<第1の実施形態>
まず、本発明の第1の実施形態について、図面を参照して説明する。図1は、本実施形態の撮像装置の内部構成を示すブロック図である。又、図2は、固体撮像素子の内部構成を示すブロック回路図である。又、図3は、図2の固体撮像素子に備えられる画素の構成を示す回路図である。又、図5は、図2の固体撮像素子に備えられる出力回路の構成を示す回路図である。
【0020】
1.撮像装置の構成
まず、本実施形態における撮像装置の構成について、図1を参照して説明する。図1に示す撮像装置は、固体撮像素子1と、固体撮像素子1からの映像信号を増幅するアンプ2と、アンプ2で増幅された映像信号をデジタル信号に変換するAD変換器3と、AD変換器3でデジタル信号に変換された映像信号を照度に対して線形的に変化する映像信号に変換するデジタルゲイン演算器4と、固体撮像素子1周辺の雰囲気温度(固体撮像素子1自体の温度も含む)を測定する温度検出器5と、温度検出器5で測定された雰囲気温度に基づく映像信号における変動値を記録したLUT(Look Up Table)6aを備えたゲイン制御部6と、を有する。
【0021】
2.固体撮像素子の構成
このような構成の撮像装置における固体撮像素子の内部構成について、図2を参照して説明する。図2の固体撮像装置は、画素G11〜Gmnと、画素G11〜Gmnの各列毎にその出力側に接続された信号線11−1〜11−mと、信号線11−1〜11−mのそれぞれに接続された定電流源12−1〜12−mと、信号線11−1〜11−mのそれぞれを介して与えられる画素G11〜Gmnからの映像信号とノイズ信号をサンプルホールドするとともにノイズ除去を行う出力回路13−1〜13−mと、出力回路13−1〜13−mから送出される映像信号を外部に出力する出力信号線14と、出力信号線14を介して送出されるノイズ除去された映像信号を増幅する内蔵アンプ15とを有する。尚、定電流源12−1〜12−mの一端に直流電圧VPSが印加される。
【0022】
このような固体撮像装置において、画素Gab(a:1≦a≦mの自然数、b:1≦b≦nの自然数)からの出力となる映像信号及びノイズ信号が、それぞれ、信号線11−aを介して出力されるとともに、この信号線11−aに接続された定電流源12−aによって増幅される。そして、画素Gabから出力された映像信号及びノイズ信号が順番に出力回路13−aに送出されるとともに、この出力回路13−aにおいて、送出された映像信号及びノイズ信号がサンプルホールドされる。その後、出力回路13−aにおいて、映像信号がノイズ信号に基づいて補正処理されて、出力信号線14を介して、ノイズ除去された映像信号が内蔵アンプ15に与えられ増幅された後、外部に出力される。
【0023】
3.画素の構成
このような構成の固体撮像素子1における各画素G11〜Gmnの内部構成について、図3を参照して説明する。図3の画素は、pnフォトダイオードPDが感光部(光電変換部)を形成している。そのフォトダイオードPDのカソードはMOSトランジスタT1のドレインに接続され、このMOSトランジスタT1のソースは、MOSトランジスタT2のドレインとゲート及びMOSトランジスタT3のゲートに接続されている。MOSトランジスタT3のソースは行選択用のMOSトランジスタT4のドレインに接続されている。MOSトランジスタT4のソースは信号線11(図2の信号線11−1〜11−mに相当する)へ接続されている。尚、MOSトランジスタT1〜T4は、それぞれ、PチャネルのMOSトランジスタである。
【0024】
又、フォトダイオードPDのアノード及びMOSトランジスタT3のドレインには直流電圧VPDが印加されるようになっている。一方、MOSトランジスタT2のソースには、信号φVPSが入力される。又、MOSトランジスタT1のゲートに信号φSが入力され、MOSトランジスタT4のゲートには信号φVが入力される。
【0025】
このような構成の画素に対して、各信号が図4に示すタイミングチャートに従って与えられる。即ち、信号φSをローレベルにしてMOSトランジスタT1をONとするとともに、MOSトランジスタT2をサブスレッショルド領域で動作させるように信号φVPSの電圧をVLとする。MOSトランジスタT2に与えるバイアス電圧をこのような状態に設定したとき、フォトダイオードPDに光が入射されると、光電流が発生し、MOSトランジスタのサブスレッショルド特性により、MOSトランジスタT2,T3のゲートに光電流を自然対数的に変換した値の電圧が発生する。その後、パルス信号φVを与えることにより、フォトダイオードPDへの入射光量に対して自然対数的に比例した信号レベルとなる映像信号が出力される。このとき、MOSトランジスタT4がソースフォロワ型のMOSトランジスタとして動作するため、信号線11には映像信号が電圧信号として現れる。
【0026】
そして、信号φSをハイレベルにしてMOSトランジスタT1をOFFとするとともに、信号φVPSの電圧をVLより高いVHにしてMOSトランジスタT2に与えるバイアス電圧を撮像時より高くすることにより、MOSトランジスタT1に蓄積された電荷を速やかに再結合してリセットする。その後、信号φVPSをVLにする。この状態でパルス信号φVを与えることにより、MOSトランジスタT2の閾値電圧を反映した信号が出力される。この信号は各画素間の感度バラツキを表しており、感度バラツキによるノイズ補償するためのノイズ信号として用いられる。その後、信号φSをローレベルにして撮像動作を行う。
【0027】
4.出力回路の構成
図2のような構成の固体撮像素子1における各出力回路13−1〜13−mの内部構成について、図5を参照して説明する。尚、図5において、出力回路13が図2における出力回路13−1〜13−mに相当する。図5に示す出力回路13は、信号線11から与えられる映像信号をサンプルホールドするキャパシタCsと、信号線11から与えられるノイズ信号をサンプルホールドするキャパシタCnと、信号線11とキャパシタCsの一端との間に接続されたスイッチSHSと、信号線11とキャパシタCnの一端との間に接続されたスイッチSHNと、キャパシタCsの他端とキャパシタCnの一端との間に接続されたスイッチMIXと、キャパシタCsの一端に一端が接続されたスイッチRSPと、キャパシタCsの他端に一端が接続されたスイッチRSM,Sxとから構成される。
【0028】
又、スイッチRSP,RSMの他端及びキャパシタCnの他端には、直流電圧Vrが印加されるとともに、スイッチSxの他端に最終的な出力信号線14が接続される。更に、スイッチSHS及びスイッチSHNは、信号線11を介して定電流源12(図2における定電流源12−1〜12−mに相当する)と接続される。
【0029】
このような構成の出力回路13の動作が図6のようになる。画素Gabに与えられる信号φSがローとされてMOSトランジスタT1がONとされた状態で撮像動作が行われているとき、まず、スイッチRSPがONの状態でスイッチRSMがONとなって、キャパシタCsがリセットされる。このとき、スイッチSHS,SHN,MIX,SxはOFFである。そして、スイッチRSPをOFFとした後、スイッチSHSをONとする。
【0030】
その後、信号φVがローとされて映像信号が信号線11に現れると、スイッチSHSがONであるため、キャパシタCsに映像信号の電圧信号がサンプルホールドされる。そして、スイッチSHSがOFFされるとともに信号φVがハイとされた後、スイッチRSMがOFFとされる。このスイッチRSMをOFFとすると、スイッチRSPをONとする。又、画素Gabでは、信号φSがハイとされてMOSトランジスタT1がOFFとされてリセット動作が行われる。そして、信号φVがローとされてノイズ信号が信号線11に現れると、スイッチSHNがONとされて、ノイズ信号がキャパシタCnにサンプルホールドされる。
【0031】
そして、スイッチSHNがOFFされるとともに信号φVがハイとされる。このとき、ノイズ信号がキャパシタCnによって、キャパシタCsに保持される映像信号とは逆極性の信号として保持される。その後、スイッチMIXがONとされることによって、ノイズ信号と映像信号との差分値となる電圧値がキャパシタCs,Cnの接続ノードに現れる。そして、スイッチSxをONとすることで、このキャパシタCs,Cnの接続ノードに現れる電圧信号を出力する。即ち、ノイズ除去された映像信号が出力信号線14に出力されることとなる。
【0032】
このようにして出力回路13が動作しているとき、画素Gabにおいては、ノイズ信号を出力した後、信号φSをローとしてMOSトランジスタT1をONとして、次回の撮像動作に備える。又、出力回路13は、ノイズ除去した映像信号を出力すると、スイッチSxをOFFとする。そして、1行分の画素から映像信号が出力信号線14に出力されると、スイッチMIXがOFFとされ、次の映像信号のサンプルホールド動作に備える。
【0033】
このような固体撮像素子1を備えた撮像装置において、上述のように動作する固体撮像素子1から、ノイズ成分が除去されたアナログ信号である映像信号が出力される。このとき、固体撮像素子1より出力される映像信号は、対数変換された映像信号であるため、照度の自然対数値に対して比例した信号レベルとなる。そして、内蔵アンプ15の増幅率がK1であるとき、この固体撮像素子1から出力された映像信号の信号レベルd1が、(1)式のように表される。尚、(1)式において、Lが照度を表し、又、a(T)が温度によって変化するオフセット値を、Bが定数を、c(T)が温度によって変化する定数値を表す。
d1=K1×(a(T)+c(T)×ln(B×L)) …(1)
【0034】
この映像信号は、増幅率K2のアンプ2で増幅された後、AD変換器3でデジタル信号に変換される。よって、AD変換器3から出力される映像信号の信号レベルD1が、(2)式のようになる。
D1=K1×K2×(a(T)+c(T)×ln(B×L)) …(2)
【0035】
又、固体撮像素子1周辺の雰囲気温度が温度検出器5によって検出されると、検出された雰囲気温度を示す温度信号がゲイン制御部6に与えられる。ゲイン制御部6では、温度検出器5から与えられた温度信号により検出された温度を確認し、LUT6aを参照して、検出された温度におけるオフセット値a(T)×K1×K2(=A(T))及び定数値c(T)それぞれの値を確認する。そして、確認したオフセット値A(T)及び定数値c(T)をデジタルゲイン演算器4に送出する。即ち、温度T1が検出されたとき、オフセット値及び定数値として、それぞれA(T1)及びc(T1)を確認して、デジタルゲイン演算器4に送出する。
【0036】
又、デジタルゲイン演算器4では、AD変換器3でデジタル信号に変換された映像信号を、照度の対数値に対して比例した信号レベルD1から、照度に比例した信号レベルD2となるように対数/線形変換を行う。この際、まず、ゲイン制御部6より与えられるオフセット値A(T)を映像信号の値D1から引いた後、同じくゲイン制御部6より与えられる定数値c(T)により除算する。よって、このとき得られた値が、温度に関わりなく照度の対数値に比例した値となる。そして、この定数値c(T)を除いた値により指数演算することで、(3)式で表される信号レベルD2となるデジタル信号に変換する。尚、(3)式において、K,Kxは、定数であり、定数K,Kxの関係が(4)式のようになる。
D2=K×exp((D1−A(T))/c(T))=Kx×L …(3)
K×exp(K1×K2)×B=Kx …(4)
【0037】
このようにして、信号レベルD2となるデジタル信号による映像信号が、照度Lに比例した信号としてデジタルゲイン演算部4より出力される。そして、この信号レベルD2には、信号レベルD1に含まれていた温度により変化するオフセット値及び定数値が含まれないため、デジタルゲイン演算部4から出力される映像信号を、固体撮像素子1周辺の雰囲気温度の影響のない信号として出力することができる。即ち、デジタルゲイン演算部4において、LUT6aで確認されたオフセット値A(T)により減算した後にLUT6aで確認された定数値c(T)により除算することによって、映像信号の照度の対数値に対する比例定数を固体撮像素子1周辺の雰囲気温度に関係なく一定のものとすることで、固体撮像素子1周辺の雰囲気温度の影響のない信号として出力することができる。
【0038】
<第2の実施形態>
又、本発明の第2の実施形態について、図面を参照して説明する。図7は、本実施形態の撮像装置の内部構成を示すブロック図である。尚、本実施形態において、固体撮像素子及び画素及び出力回路がそれぞれ、第1の実施形態と同様、図2及び図3及び図5のような構成となるものとする。
【0039】
本実施形態において、図7のように、アンプ2において、固体撮像素子1より出力される映像信号よりオフセット値を除去するとともに、アンプ2での増幅率がゲイン制御部6内のLUT6aで確認された値に基づいて変更される。又、ゲイン制御部6では、温度検出器5からの温度信号により示される温度に基づいて、LUT6aを参照することによって、固体撮像素子1より出力される映像信号に含まれる温度により変化するオフセット値及びゲインが確認される。そして、この確認したオフセット値及びゲインに応じて、ゲイン制御部6がアンプ2の増幅動作を制御する。
【0040】
このような撮像装置において、第1の実施形態で説明したように動作する固体撮像素子1から、ノイズ成分が除去されたアナログ信号である映像信号が出力される。この固体撮像素子1から出力された映像信号が、アンプ2で増幅された後、AD変換器3でデジタル信号に変換される。このとき、固体撮像素子1より出力される映像信号の信号レベルd1が、第1の実施形態と同様、(1)式のようになる。
【0041】
又、検出された固体撮像素子1周辺の雰囲気温度を示す温度信号が温度検出器5よりゲイン制御部6に与えられると、LUT6aを参照して、検出された温度におけるオフセット値a(T)×K1(=α(T))及びゲインK2/c(T)それぞれの値を確認する。そして、確認したオフセット値α(T)及びゲインK2/c(T)をアンプ2に送出する。即ち、温度T1が検出されたとき、オフセット値及びゲインとして、それぞれα(T1)及びK2/c(T1)を確認して、アンプ2に送出する。
【0042】
アンプ2では、LUT6aにより確認されるオフセット値α(T)及びゲインK2/c(T)がゲイン制御部6より与えられると、まず、ゲイン制御部6より与えられるオフセット値α(T)を映像信号の信号レベルd1から引いた後、ゲインK2/c(T)によって乗算する。このようにすることで、温度に関係なくK2だけ増幅された照度の対数値に対して比例した信号レベルD0となるアナログ信号である映像信号をAD変換器3に出力することができる。又、この信号レベルD0は、(5)式のように表される。
D0=(d1−α(T))×K2/c(T)=K1×K2×ln(B×L)…(5)
【0043】
又、デジタルゲイン演算器4では、AD変換器3でデジタル信号に変換された映像信号を、照度の対数値に対して比例した信号レベルD0から、照度に比例した信号レベルD2となるように対数/線形変換を行う。このとき、信号レベルD0を指数演算することで、(6)式で表される信号レベルD2となるデジタル信号に変換する。
D2=K×exp(D0)=Kx×L …(6)
【0044】
このようにして、信号レベルD2となるデジタル信号による映像信号が、照度Lに比例した信号としてデジタルゲイン演算部4より出力される。そして、この信号レベルD2には、信号レベルd1に含まれていた温度により変化するオフセット値及び定数値が含まれないため、デジタルゲイン演算部4から出力される映像信号を、固体撮像素子1周辺の雰囲気温度の影響のない信号として出力することができる。即ち、アンプ2において、LUT6aで確認されたオフセット値α(T)により減算した後にLUT6aで確認されたゲインK2/c(T)により乗算することによって、映像信号の照度の対数値に対する比例定数を固体撮像素子1周辺の雰囲気温度に関係なく一定のものとすることで、固体撮像素子1周辺の雰囲気温度の影響のない信号として出力することができる。
【0045】
<第3の実施形態>
又、本発明の第3の実施形態について、図面を参照して説明する。図8は、本実施形態の撮像装置の内部構成を示すブロック図である。尚、本実施形態において、固体撮像素子及び画素及び出力回路がそれぞれ、第1の実施形態と同様、図2及び図3及び図5のような構成となるものとする。
【0046】
本実施形態において、図8のように、固体撮像素子1内の内蔵アンプ15において、出力信号線14を介して出力されるノイズ補償された映像信号よりオフセット値を除去するとともに、内蔵アンプ15での増幅率がゲイン制御部6内のLUT6aで確認された値に基づいて変更される。又、ゲイン制御部6では、温度検出器5からの温度信号により示される温度に基づいて、LUT6aを参照することによって、固体撮像素子1より出力される映像信号に含まれる温度により変化するオフセット値及びゲインが確認される。そして、この確認したオフセット値及びゲインに応じて、ゲイン制御部6が内蔵アンプ15の増幅動作を制御する。
【0047】
このような撮像装置において、第1の実施形態で説明したように動作する固体撮像素子1において、ノイズ成分が除去された映像信号が、出力回路13−1〜13−mより順番に出力信号線14を介して内蔵アンプ15に送出される。この内蔵アンプ15に入力される映像信号d0は、(7)式のように表される。
d0=a(T)+c(T)×ln(B×L) …(7)
【0048】
又、第2の実施形態と同様、ゲイン制御部6では、LUT6aを参照して、温度検出器5で検出された温度におけるオフセット値a(T)及びゲインK1/c(T)それぞれの値を確認する。そして、確認したオフセット値a(T)及びゲインK1/c(T)を内蔵アンプ15に送出する。即ち、温度T1が検出されたとき、オフセット値及びゲインとして、それぞれa(T1)及びK1/c(T1)を確認して、内蔵アンプ15に送出する。
【0049】
よって、内蔵アンプ15では、LUT6aにより確認されるオフセット値a(T)及びゲインK1/c(T)がゲイン制御部6より与えられると、まず、ゲイン制御部6より与えられるオフセット値a(T)を映像信号の信号レベルd0から引いた後、ゲインK1/c(T)によって乗算する。このようにすることで、温度に関係なくK1だけ増幅された照度の対数値に対して比例した信号レベルd2となるアナログ信号である映像信号をアンプ2に出力することができる。又、この信号レベルd2は、(8)式のように表される。
d2=(d0−a(T))×K1/c(T)=K1×ln(B×L) …(8)
【0050】
このようにして信号レベルd2となる映像信号が、アンプ2に入力されると、ゲインK2によって増幅された後、AD変換器3でデジタル信号に変換される。。よって、AD変換器3より出力されるデジタル信号となる映像信号の信号レベルD0が、(9)式のようになり、第2の実施形態と同様の値となる。
D0=d2×K2=K1×K2×ln(B×L) …(9)
【0051】
又、デジタルゲイン演算器4では、AD変換器3でデジタル信号に変換された映像信号を、照度の対数値に対して比例した信号レベルD0から、照度に比例した信号レベルD2となるように対数/線形変換を行う。このとき、信号レベルD0を指数演算することで、第2の実施形態と同様、(6)式で表される信号レベルD2となるデジタル信号に変換する。
【0052】
このようにして、信号レベルD2となるデジタル信号による映像信号が、照度Lに比例した信号としてデジタルゲイン演算部4より出力される。そして、この信号レベルD2には、信号レベルd0に含まれていた温度により変化するオフセット値及び定数値が含まれないため、デジタルゲイン演算部4から出力される映像信号を、固体撮像素子1周辺の雰囲気温度の影響のない信号として出力することができる。即ち、内蔵アンプ15において、LUT6aで確認されたオフセット値a(T)により減算した後にLUT6aで確認されたゲインK1/c(T)により乗算することによって、映像信号の照度の対数値に対する比例定数を固体撮像素子1周辺の雰囲気温度に関係なく一定のものとすることで、固体撮像素子1周辺の雰囲気温度の影響のない信号として出力することができる。
【0053】
<第4の実施形態>
又、第4の実施形態について、以下に説明する。尚、本実施形態においては、撮像装置の構成を、第1の実施形態と同様、図1のような構成とする。又、本実施形態では、第1〜第3の実施形態と異なり、固体撮像素子1の構成を、図9のように、図2の構成に電圧発生回路20及びバイアス供給ライン19−1〜119−mが付加された構成とする。このとき、MOSトランジスタT2のソースには、図10のように、バイアス供給ライン19(このバイアス供給ライン19は図9のバイアス供給ライン19−1〜19−mに相当する)を通じて電圧発生回路20で発生した出力電圧が印加される。
【0054】
又、電圧発生回路20は、図11のように、フォトダイオードPdとMOSトランジスタT10と反転型バッファB1とで構成される遮光画素20aと、遮光画素20aで発生した電圧VHと電圧VHより低い電圧で画素G11〜Gmn内のMOSトランジスタT2をサブスレッショルド領域で動作させるための電圧VLとを入力される信号φVPSによって選択して出力するドライブ回路20bとを有する。
【0055】
そして、遮光画素20aにおいて、アノードに直流電圧VDAが印加されたフォトダイオードPdのカソードに、MOSトランジスタT10のドレインとゲート及び反転型バッファB1の入力側が接続され、MOSトランジスタT10のソースに直流電圧VSAが印加される。又、反転型バッファB1からの出力電圧VHがドライブ回路20bに与えられる。このような構成の遮光画素20aは、フォトダイオードPdの感光部に光が入射されないように、アルミニウム膜などで遮光される。
【0056】
図11のように電圧発生回路20が構成されるとき、遮光画素20a内のフォトダイオードPd及びMOSトランジスタT10が、固体撮像素子1周辺の雰囲気温度を検出する検温部として働く。即ち、温度が低くなると、MOSトランジスタT10のゲート電圧が高くなり、又、温度が高くなると、MOSトランジスタT10のゲート電圧が低くなる。よって、反転型バッファB1に入力されるMOSトランジスタT10のゲート電圧が、固体撮像素子1周辺の雰囲気温度に応じて変遷する。そして、反転型バッファB1では、温度が低く、MOSトランジスタT10のゲート電圧が高くなると、出力電圧VHが低くなり、又、温度が高く、MOSトランジスタT10のゲート電圧が低くなると、出力電圧VHが高くなる。
【0057】
このように、電圧発生回路20が設けられた固体撮像素子1内の各画素G11〜Gmnはそれぞれ、第1〜第3の実施形態と同様、図4に示すタイミングチャートに従って動作する。このとき、信号φVPSがVHとされるとき、MOSトランジスタT2のソースに与えられる電圧が固体撮像素子1周辺の雰囲気温度に応じて変遷するものとなる。よって、MOSトランジスタT2のポテンシャル状態を固体撮像素子1周辺の雰囲気温度に関わらず、ほぼ一定とすることができるので、素子温度によって変化する感光素子の暗電流やトランジスタの閾値電圧などによる影響を低減し、映像信号に現れるオフセット値を抑制することができる。
【0058】
このように、固体撮像素子1からオフセット値が除かれた映像信号が出力されるため、内蔵アンプ15及びアンプ2及びAD変換器3それぞれから出力される映像信号は、オフセット値が除かれた信号となる。よって、第1の実施形態と異なり、ゲイン制御部6では、LUT6aを参照して、温度検出器5で検出された温度におけるオフセット値A(T)を確認する必要がなく、定数値C(T)のみを確認して、デジタルゲイン演算器4の動作を制御することで、第1の実施形態と同様、信号レベルD2のデジタル信号となる映像信号が出力される。
【0059】
尚、本実施形態では、第1の実施形態における撮像装置に適用した実施形態としたが、第2及び第3の実施形態における撮像装置に対して適用可能である。即ち、第2の実施形態では、ゲイン制御部6では、LUT6aを参照して、温度検出器5で検出された温度におけるオフセット値α(T)を確認する必要がなく、又、第3の実施形態では、ゲイン制御部6では、LUT6aを参照して、温度検出器5で検出された温度におけるオフセット値a(T)を確認する必要がない。
【0060】
尚、上述の各実施形態における撮像装置において、図12〜図14のように、温度センサ5aを備えるとともに、この温度センサ5aで検出された温度を示す温度信号が、アンプ2で増幅された後にAD変換器3でデジタル信号に変換されて、ゲイン制御部6に送出されるようにしても構わない。このとき、温度センサ5aにおける温度検出動作は、数フレームに1回の割合で、固体撮像素子1が出力動作を行っていないときに行われる。
【0061】
又、上述の各実施形態における撮像装置において、固体撮像素子内に備えられる画素の構成を、図2のような構成をしたが、この図2による構成は、1つの構成例であり、このような構成に限定されるものではない。よって、画素内に積分回路や増幅回路を設けるようにしても構わないし、PチャネルのMOSトランジスタでなくNチャネルのMOSトランジスタで設けるようにしても構わない。
【0062】
又、第4の実施形態において使用される電圧発生回路についても、上記のものに限定されず、種々の構成のものを採用することができる。このとき、電圧発生回路が、MOSトランジスタT2のゲート電圧を固体撮像素子の雰囲気温度に応じて変更するものであっても構わない。
【0063】
【発明の効果】
本発明によると、ゲイン制御部で固体撮像素子の温度に基づいて映像信号に与えるゲインを調整することができるため、映像信号の温度補償を行うことができる。又、感光素子への入射光量に対する映像信号の信号レベルの変化の割合が一定となるように、ゲインを調整するため、温度補償された映像信号に映像において、固体撮像素子の温度によるコントラストの変化を抑制することができる。又、ゲイン調整用テーブルに基づいて温度補償を行うため、温度補償を正確且つ広い温度範囲に対して行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態の撮像装置の構成を示すブロック図。
【図2】固体撮像素子の構成を示すブロック回路図。
【図3】図2の固体撮像素子内の画素の構成を示す回路図。
【図4】図3の画素の動作を示すタイミングチャート。
【図5】図2の固体撮像素子内の出力回路の構成を示す回路図。
【図6】図5の出力回路の動作を示すタイミングチャート。
【図7】第2の実施形態の撮像装置の構成を示すブロック図。
【図8】第3の実施形態の撮像装置の構成を示すブロック図。
【図9】第4の実施形態の撮像装置における固体撮像素子の構成を示すブロック回路図。
【図10】図9の固体撮像素子内の画素の構成を示す回路図。
【図11】図9の固体撮像素子内の電圧発生回路の構成を示す回路図。
【図12】本発明の撮像装置の別の構成を示すブロック図。
【図13】本発明の撮像装置の別の構成を示すブロック図。
【図14】本発明の撮像装置の別の構成を示すブロック図。
【図15】被写体の照度と固体撮像素子の出力との関係を示すグラフ。。
【符号の説明】
1 固体撮像素子
2 アンプ
3 AD変換器
4 デジタルゲイン演算器
5 温度検出器
6 ゲイン制御部
6a LUT
Claims (5)
- 入射光量に応じた電気信号を出力する感光素子を備えた画素を有する固体撮像素子を備える撮像装置において、
前記固体撮像素子の温度を検出する温度検出器と、
前記固体撮像素子の温度と前記映像信号に与えるゲインとの関係を記憶させたゲイン調整用テーブルを備え、当該ゲイン調整用テーブルを参照して、前記温度検出器で検出された前記固体撮像素子の温度に基づいて前記ゲインを設定するゲイン制御部と、
を有することを特徴とする撮像装置。 - 前記ゲイン制御部が、前記感光素子への入射光量に対する前記映像信号の信号レベルの変化の割合が一定となるように、前記ゲインを調整することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記固体撮像素子から出力されるアナログ信号である映像信号を増幅するアンプを備え、当該アンプにおいて前記映像信号に与えるゲインを前記ゲイン制御部で調整することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の撮像装置。
- 前記固体撮像素子内に、前記画素から出力されるアナログ信号である映像信号を増幅するアンプを備え、当該アンプにおいて前記映像信号に与えるゲインを前記ゲイン制御部で調整することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の撮像装置。
- 前記固体撮像素子から出力されるアナログ信号である映像信号をデジタル信号に変換するAD変換部と、
前記AD変換部から出力されるデジタル信号となる映像信号を出力側のダイナミックレンジに応じた映像信号に変換するデジタルゲイン演算部と、
を備え、
当該デジタルゲイン演算部において前記映像信号に与えるゲインを前記ゲイン制御部で調整することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の撮像装置。
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