JP2007142598A - 固体撮像素子のタイミングパルス生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像素子の駆動に用いられるタイミングパルスを生成するタイミングパルス生成装置の回路規模を縮小し、及び／又は固体撮像素子の高速動作化を可能にすることを課題とする。
【解決手段】垂直同期信号によって初期化され水平同期信号をカウントする第１のカウンタ（８）と、水平同期信号によって初期化されトリガパルスをカウントする第２のカウンタ（９）と、第１のカウンタのカウント値及び第２のカウンタのカウント値に応じてタイミングパルスを生成して固体撮像素子に出力するパルス生成手段（４）とを有する固体撮像素子のタイミングパルス生成装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子のタイミングパルス生成装置、生成方法、固体撮像装置及びカメラに関する。

固体撮像素子を用いた製品としては、ディジタルスチルカメラやディジタルビデオカメラなどが知られており、開発期間の短縮化、小型化、高速化、低価格化が進んでいる。当然固体撮像素子および固体撮像素子の駆動に必要なパルス生成装置にも同様の要求がある。

下記の特許文献１には、立ち上がりパルスをデコードする為のデコーダと、立下りパルスをデコードするためのデコーダとを備えたタイミングジェネレータ（パルス生成回路）が開示されている。これは、駆動パルスをマイクロコンピュータによりプログラマブルに設定できるようにするためである。

また、下記の特許文献２には、ＲＯＭにあらかじめ記録された１水平ブランキング期間内の１周期分のデータと繰り返し数とからなるパターンデータをレジスタに読みだし、水平同期信号に基づいてタイミングパルスを生成するパルス発生装置が開示されている。

特開平１０−２５７３９８号公報 特開２０００−２７８６１７号公報

固体撮像素子の駆動に用いられる駆動パルスは、その数が多く、かつその波形が複雑である。特に動画の撮影を行う場合などには、それらの波形全体の長さ、複雑さが増し、特許文献１の場合には、格納すべきデータ量が大きく、カウンタ部やメモリ部が大きくなり、パルス生成回路の規模が大きくなるという問題がある。また、特許文献２の場合には、波形が単純な繰り返しでなくなることがあり基本パターンを構成できない。さらに、ＲＯＭからレジスタへデータを読み出す為の通信時間が長くなり、水平走査期間が長くなるため、固体撮像素子の高速動作・高フレームレート化を妨げるという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、固体撮像素子の駆動に用いられるタイミングパルスを生成するタイミングパルス生成装置の回路規模を縮小し、及び／又は固体撮像素子の高速動作化を可能にすることが目的である。

本発明の固体撮像素子のタイミングパルス生成装置は、垂直同期信号によって初期化され水平同期信号をカウントする第１のカウンタと、水平同期信号によって初期化されトリガパルスをカウントする第２のカウンタと、前記第１のカウンタのカウント値及び前記第２のカウンタのカウント値に応じてタイミングパルスを生成して固体撮像素子に出力するパルス生成手段とを有することを特徴とする。
また、本発明の固体撮像素子のタイミングパルス生成方法は、垂直同期信号によって初期化され水平同期信号をカウントする第１のカウントステップと、水平同期信号によって初期化されトリガパルスをカウントする第２のカウントステップと、前記第１のカウンタのカウント値及び前記第２のカウンタのカウント値に応じてタイミングパルスを生成して固体撮像素子に出力するパルス生成ステップとを有することを特徴とする。

固体撮像素子の駆動に用いられるタイミングパルスを生成するタイミングパルス生成装置の回路規模を縮小することができる。また、固体撮像素子の高速動作化を可能にする。

次に、本発明の実施形態について添付図面を用いて詳説する。なお、本実施形態ではＣＭＯＳ型固体撮像素子の駆動を例としている。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による駆動タイミングパルス生成装置２を含む固体撮像装置の構成例を示す。固体撮像装置は、同期信号生成回路１０、駆動タイミングパルス生成装置２及び固体撮像素子１を有する。同期信号生成回路１０は、垂直同期信号ＶＤ、水平同期信号ＨＤ、トリガパルス、及び基本駆動パターン選択パルスを生成し、駆動タイミングパルス生成装置２に出力する。駆動タイミングパルス生成装置２は、駆動タイミングパルス生成回路３、Ｖカウンタ８、及びＨカウンタ９を有する。Ｖカウンタ８は、垂直同期信号ＶＤにより初期化され、水平同期信号ＨＤをカウントし、駆動パルス生成回路３に出力する。Ｈカウンタ９は、水平同期信号ＨＤにより初期化され、トリガパルスをカウントし、駆動パルス生成回路３に出力する。駆動パルス生成回路３は、基本駆動パターンセレクタ７、第１の基本駆動パターン生成回路４、第２の基本駆動パターン生成回路５、第３の基本駆動パターン生成回路６等を有する。基本駆動パターン生成回路４〜６等は、基本駆動パターンを生成し、基本駆動パターンセレクタ７に出力する。基本駆動パターンセレクタ７は、同期信号生成回路１０が生成する基本駆動パターン選択パルスに応じて、基本駆動パターン生成回路４〜６等が生成する基本駆動パターンのうちから１つを選択し、固体撮像素子１に出力する。固体撮像素子１は、その選択された基本駆動パターンに応じて駆動され、光電変換により画像データを生成する。

図２は、図１中における固体撮像素子１の３行×２列の画素セル分の構成例を示している。また図３は図２における第一垂直信号線Ｖ１〜Ｖ２以降の読み出し部の構成例を示している。図２、図３において、２０１は画素１画素分を、２０２は垂直走査回路ブロックを、２０３は水平走査回路ブロックを、２０４は差動増幅回路を、Ｎ０１は入力ＭＯＳトランジスタを、Ｎ１１〜Ｎ１２は負荷ＭＯＳトランジスタを示す。また、Ｃ０１〜Ｃ０２はクランプ容量を、Ｎ２１〜Ｎ２２はクランプスイッチを、Ｎ３１〜Ｎ３２は転送スイッチを、Ｎ４１１〜Ｎ４３２は信号平均化のための信号保持スイッチを示す。また、Ｃｓｈ１１〜Ｃｓｈ３２は信号保持容量を、Ｎ５１〜Ｎ５２は水平転送スイッチを、Ｎ００はリセットスイッチを示す。また画素部２０１はフォトダイオードＰＤ１１と、転送ＭＯＳトランジスタＴｘ１１と、リセットＭＯＳトランジスタＲｅｓ１１と、増幅ＭＯＳトランジスタＳＦ１１と、選択ＭＯＳトランジスタＳｅｌ１１とで構成される。

固体撮像素子の画素信号を１行ずつ読み出す方法は次のとおりである。フォトダイオードＰＤ１１〜ＰＤ１２からの光信号電荷の読み出しに先立って、水平同期信号ＨＤが入力されると同時に、基本駆動パターンを基本駆動パターン選択手段７により「通常読み出し行パターン」に設定する。通常読み出し行パターンは図５に示すように、固体撮像素子の各種駆動パルスの初期値と、トリガパルスの立ち上がり及び立ち下がりをカウントするＨカウンタ９のカウント値による変化が記憶されている一つの基本駆動パターン生成回路４〜６により実現される。図５をパルスとして書いたものが図４であり、以下図４に倣って詳細な動作を説明する。

リセットＭＯＳトランジスタＲｅｓ１１〜Ｒｅｓ１２のゲートＰｒｅｓ１をハイレベルにすることによって、増幅ＭＯＳトランジスタＳＦ１１〜ＳＦ１２のゲートがリセット電源電圧にリセットされる。次にリセットＭＯＳトランジスタＲｅｓ１１〜Ｒｅｓ１２のゲートＰｒｅｓ１をローレベルに復帰させ、クランプスイッチＮ２１〜Ｎ２２のゲートＰｃ０ｒをハイレベルにする。その後、選択ＭＯＳトランジスタＳｅｌ１１〜Ｓｅｌ１２のゲートＰｓｅｌ１をハイレベルにすることによって、ノイズ信号が第一垂直信号線Ｖ１〜Ｖ２に読み出され、クランプ容量Ｃ０１〜Ｃ０２にクランプされる。同時に転送スイッチＮ３１〜Ｎ３２のゲートＰｓｈおよび信号保持スイッチＮ４１１〜Ｎ４１２のゲートＰａｖｇ１をハイレベルにすることによって、信号保持容量Ｃｓｈ１１〜Ｃｓｈ１２がクランプ電圧にリセットされる。次に、クランプスイッチＮ２１〜Ｎ２２のゲートＰｃ０ｒをローレベルに復帰させ、転送ＭＯＳトランジスタＴｘ１１〜Ｔｘ１２のゲートＰｔｘ１をハイレベルとする。フォトダイオードＰＤ１１〜ＰＤ１２の光信号電荷が、増幅ＭＯＳトランジスタＳＦ１１〜ＳＦ１２のゲートに転送され、同時に光信号が第一垂直信号線Ｖ１〜Ｖ２に読み出される。次に、転送ＭＯＳトランジスタＴｘ１１〜Ｔｘ１２のゲートＰｔｘ１をローレベルに復帰させた後、転送スイッチＮ３１〜Ｎ３２のゲートＰｓｈおよび信号保持スイッチＮ４１１〜Ｎ４１２のゲートＰａｖｇ１をローレベルにする。これによって、リセット信号からの変化分（光信号）が信号保持容量Ｃｓｈ１１〜Ｃｓｈ１２に読み出される。ここまでの動作で、第１行目に接続された画素セルの光信号が、それぞれの行に接続された信号保持容量Ｃｓｈ１１〜Ｃｓｈ１２に保持される。また以下でこの状態を「信号保持状態」と呼ぶ。次に、リセットＭＯＳトランジスタＲｅｓ１１〜Ｒｅｓ１２のゲートＰｒｅｓ１及び転送ＭＯＳトランジスタＴｘ１１〜Ｔｘ１２のゲートＰｔｘ１を順にハイレベルとすると、フォトダイオードＰＤ１１〜ＰＤ１２の光信号電荷がリセットされる。この後、信号保持スイッチＮ４１１〜Ｎ４１２のゲートＰａｖｇ１を再びハイレベルとすることで第二垂直信号線Ｖ３〜Ｖ４に画素セルの光信号を読み出される。ここまでの動作が１水平ブランキング期間中に行われ、この１水平ブランキング期間中の各種駆動パルスの組み合わせが基本駆動パターンである。また基本駆動パターンを生成するパルス生成回路を基本駆動パターン生成回路とする。本実施形態では、この時の基本駆動パターンが「通常読み出し行パターン」である。

画素信号の読み出しとしては、この後、水平走査ブロック２０３から供給され信号線Ｈ１〜Ｈ２を伝送する信号によって、各列の水平転送スイッチＮ５１〜Ｎ５２のゲートが順次ハイレベルとなる。これにより、第二垂直信号線Ｖ３〜Ｖ４の信号を順次水平出力線に読み出し、差動増幅回路２０４を介して出力端子ＯＵＴに出力する。そして各列の信号読み出しの合間でリセットスイッチＮ００によって水平出力線をリセット電圧Ｖｒｅｓにリセットする。以上で第１行目に接続された画素セルの読み出しが完了する。以下同様に、垂直走査回路ブロック２０２からの信号によって第２行目以降に接続された画素セルの信号を、通常読み出し行パターンを用いて順次読み出し、全画素セルの読み出しが完了する。

以上のように、Ｖカウンタ８は、垂直同期信号ＶＤの立ち下がりでリセットされ、水平同期信号ＨＤの立ち下がりをカウントし、カウント値を出力する。Ｈカウンタ９は、水平同期信号ＨＤの立ち下がりでリセットされ、トリガパルスの立ち上がり及び立ち下がりをカウントし、カウント値を出力する。例えば、第１の基本駆動パターン生成回路４は、図５の各パルスの初期値及びレベル変化するＨカウンタ９のカウント値のテーブルを記憶する。第１の基本駆動パターン生成回路４は、Ｖカウンタ８のカウント値、Ｈカウンタ９のカウント値及び図５のテーブルを基に、図４の各パルスを生成する。例えば、パルスＰｒｅｓは、初期状態がハイレベルであり、Ｈカウンタ９のカウント値が１になるとローレベルに変化し、Ｈカウンタ９のカウント値が８になるとハイレベルに変化する。他のパルスＰｓｅｌ，Ｐｔｘ，Ｐｃ０ｒ，Ｐｓｈ，Ｐａｖｇ１，Ｐａｖｇ２，Ｐａｖｇ３も同様に初期状態とHカウンタ９のカウント値に応じた変化点が設定されている。また、第１の基本駆動パターン生成回路４は、Ｖカウンタ８のカウンタ値に対応する行のパルスを生成する。例えば、１行目であればパルスＰｓｅｌ１，Ｐｒｅｓ１，Ｐｔｘ１等を生成し、２行目であればパルスＰｓｅｌ２，Ｐｒｅｓ２，Ｐｔｘ２等を生成する。基本駆動パターンセレクタ７は、基本駆動パターン選択パルスに応じて、１水平走査期間単位で、「通常読み出し行パターン」である第１の基本駆動パターン生成回路４が生成した基本駆動パターンを選択して出力する。

本実施形態によれば、水平走査期間中に、駆動パルスを生成するために、レジスタによるデータの受け渡しに要する時間が必要ないため、水平走査期間を短縮することが可能である。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態を説明する。図２、図３の画素・読み出し回路構成例を用いて、２行分の画素信号を平均化して読み出しを行う場合の各種駆動パルスの遷移状態例を図６に示す。複数行の画素信号を平均化して読み出しを行う駆動方法は、読み出し画素の信号数は減少するが、高速に動作させたい場合や、動画撮影などに使用される。

構成については図１〜図３の第１の実施形態と同様であり、その詳細の説明を省略する。第２の実施形態の読み出し方法は次のとおりである。水平同期信号ＨＤの入力と同時に、基本駆動パターンを「平均化最初行パターン」に設定する。ここで、平均化最初行パターンを構成する各種駆動パルスの初期値と、Ｈカウンタ９のカウント値による変化は図７のとおりであり、図７をパルスとして書いたものが図６であり、以下図６に倣って詳細な動作を説明する。

ここで、１行目の画素セルの光信号を信号保持状態とするまでの動作は第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。１行目の画素セルの光信号を信号保持状態とした後、リセットＭＯＳトランジスタＲｅｓ１１〜Ｒｅｓ１２のゲートＰｒｅｓ１及び転送ＭＯＳトランジスタＴｘ１１〜Ｔｘ１２のゲートＰｔｘ１を順にハイレベルとする。すると、フォトダイオードＰＤ１１〜ＰＤ１２の光信号電荷がリセットされる。この後の動作が第１の実施形態と異なる。第１の実施形態では、一行ごとに信号保持スイッチＮ４１１〜Ｎ４１２をハイレベルとし第二垂直信号線Ｖ３〜Ｖ４へ信号を読み出した。本実施形態では信号保持スイッチＮ４１１〜Ｎ４１２のゲートＰａｖｇ１をローレベルとしたまま、水平同期信号ＨＤが入り、同時に基本駆動パターンを「２行平均化読み出し行パターン」とし、２行目のフォトダイオードの読み出しを行う。２行平均化読み出し行パターンでは、フォトダイオードＰＤ１１〜ＰＤ１２の光信号を信号保持容量Ｃｓｈ１１〜Ｃｓｈ１２に信号保持状態としたままにする。そして、２行目のフォトダイオードＰＤ２１〜ＰＤ２２の光信号を、信号保持容量Ｃｓｈ２１〜Ｃｓｈ２２に信号保持状態とし、その後、信号保持スイッチＮ４１１〜Ｎ４２２のゲートＰａｖｇ１、Ｐａｖｇ２を同時にハイレベルとする。これにより、１行目と２行目の画素セルより得られた光信号が、第二垂直信号線Ｖ３〜Ｖ４に、平均化された状態でそれぞれ読み出される。画素信号の読み出しは、第１の実施形態と同様、水平走査ブロック２０３から供給される信号により、第二垂直信号線Ｖ３〜Ｖ４の信号を順次水平出力線に読み出し、差動増幅回路２０４を介して出力端子ＯＵＴへと出力する。２行平均化読み出し行パターンを生成する基本駆動パターン生成回路に格納される各種パルスの状態を図６に示す。

本実施形態によれば、水平ブランキング期間中に、駆動パルスを生成するために必要なカウンタの値が、２行平均化動作を一つの動作とみてパルスを生成する場合（図６の灰色部および図９）に比べＨカウンタ９を小さくすることができる。その結果、回路規模の削減が可能である。また、第１の実施形態と同様、レジスタなどによるデータの受け渡しが必要ないため、水平走査期間を圧迫せずに駆動タイミングパルスを生成できる。

例えば、第２の基本駆動パターン生成回路５は、図７の「平均化最初行」の各パルスの初期値及びレベル変化するＨカウンタ９のカウント値のテーブルを記憶する。第２の基本駆動パターン生成回路５は、Ｖカウンタ８のカウント値、Ｈカウンタ９のカウント値及び図７のテーブルを基に、図６の「平均化最初行」の各パルスを生成する。例えば、パルスＰｓｅｌは、初期状態がローレベルであり、Ｈカウンタ９のカウント値が３になるとハイレベルに変化し、Ｈカウンタ９のカウント値が１１になるとローレベルに変化する。他のパルスＰｒｅｓ，Ｐｔｘ，Ｐｃ０ｒ，Ｐｓｈ，Ｐａｖｇ１，Ｐａｖｇ２，Ｐａｖｇ３も同様に初期状態とHカウンタ９のカウント値に応じた変化点が設定されている。また、第２の基本駆動パターン生成回路５は、Ｖカウンタ８のカウント値が偶数の時に、Ｖカウンタ８のカウンタ値に対応する行のパルスを生成する。例えば、１行目であればパルスＰｓｅｌ１，Ｐｒｅｓ１，Ｐｔｘ１等を生成する。固体撮像素子は、第１の行の画素信号を第一垂直信号線Ｖ１〜Ｖ２に読み出し、信号保持容量Ｃｓｈ１１〜Ｃｈ１２に保持する。基本駆動パターンセレクタ７は、基本駆動パターン選択パルスに応じて、１水平走査期間単位で、「平均化最初行パターン」である第２の基本駆動パターン生成回路５が生成した基本駆動パターンを選択して出力する。

次に、「２行平均化読み出し行パターン」について説明する。例えば、第３の基本駆動パターン生成回路６は、図８の「２行平均化読み出し行」の各パルスの初期値及びレベル変化するＨカウンタ９のカウント値のテーブルを記憶する。第３の基本駆動パターン生成回路６は、Ｖカウンタ８のカウント値、Ｈカウンタ９のカウント値及び図８のテーブルを基に、図６の「２行平均化読み出し行」の各パルスを生成する。また、第３の基本駆動パターン生成回路６は、Ｖカウンタ８のカウント値が奇数の時に、Ｖカウンタ８のカウンタ値に対応する行のパルスを生成する。固体撮像素子は、第２の行の画素信号を第一垂直信号線Ｖ１〜Ｖ２に読み出し、信号保持容量Ｃｓｈ２１〜Ｃｈ２２に保持し、上記の第１の行の画素信号と平均化（合成）する。基本駆動パターンセレクタ７は、基本駆動パターン選択パルスに応じて、１水平走査期間単位で、「２行平均化読み出し行パターン」である第３の基本駆動パターン生成回路６が生成した基本駆動パターンを選択して出力する。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態を説明する。図２、図３の画素・読み出し回路構成例を用いて、３行分の画素信号を平均化して読み出しを行う場合の各種駆動パルスの遷移状態例を図１０に示す。第２の実施形態よりもさらに高速に撮像を行いたい場合などに使用される。

構成については図１〜図３の第１及び第２の実施形態と同様であり、その詳細の説明を省略する。第３の実施形態の読み出し方法は次のとおりである。１行目の画素セルの信号を信号保持状態とする水平ブランキング期間の基本駆動パターンを「平均化最初行パターン」とする。２行目の画素セルの信号を信号保持状態とする水平ブランキング期間の基本駆動パターンを「３行平均化中間行パターン」とする。３行目の画素セルの信号を信号保持状態とし、３行分の画素セル信号の平均化を行う水平ブランキング期間の基本駆動パターンを「３行平均化読み出し行パターン」とする。第２の実施形態での２行平均化読み出し行パターンを指定した時と同様、１、２行目のフォトダイオードＰＤ１１〜ＰＤ２２の光信号を信号保持容量Ｃｓｈ１１〜Ｃｓｈ２２に保持したまま、水平同期信号ＨＤを入れる。そして、基本駆動パターンを３行平均化読み出し行パターンにし、フォトダイオードＰＤ３１〜ＰＤ３２の光信号を信号保持容量Ｃｓｈ３１〜Ｃｓｈ３２に信号保持状態とする。その後、信号保持スイッチＮ４１１〜Ｎ４３２のゲートＰａｖｇ１、Ｐａｖｇ２、Ｐａｖｇ３を同時にハイレベルとすることで、１行目〜３行目の画素セルより得られた光信号が、第二垂直信号線Ｖ３〜Ｖ４に、平均化された状態でそれぞれ読み出される。出力端子ＯＵＴへの読み出しは前記実施形態と同様であり、説明を省略する。３行平均化中間行および３行平均化読み出し行パターンを生成する基本駆動パターン生成回路に格納される各種パルスの状態をそれぞれ図１１、図１２に示す。

本実施形態によれば、水平走査期間中に、駆動パルスを生成するために必要なカウンタの値が、３行平均化の動作全体を一つの動作とみてパルスを生成する場合（図１０の灰色部および図１３）に比べ、大幅にＨカウンタ９を小さくすることができる。その結果、回路規模の削減が可能である。

例えば、第４の基本駆動パターン生成回路は、図７の「平均化最初行」の各パルスの初期値及びレベル変化するＨカウンタ９のカウント値のテーブルを記憶する。第４の基本駆動パターン生成回路は、Ｖカウンタ８のカウント値、Ｈカウンタ９のカウント値及び図７のテーブルを基に、図１０の「平均化最初行」の各パルスを生成する。また、第４の基本駆動パターン生成回路は、Ｖカウンタ８のカウント値が０，３，６等の時に、Ｖカウンタ８のカウンタ値に対応する行のパルスを生成する。固体撮像素子は、第１の行の画素信号を第一垂直信号線Ｖ１〜Ｖ２に読み出し、信号保持容量Ｃｓｈ１１〜Ｃｈ１２に保持する。基本駆動パターンセレクタ７は、基本駆動パターン選択パルスに応じて、１水平走査期間単位で、「平均化最初行パターン」である第４の基本駆動パターン生成回路が生成した基本駆動パターンを選択して出力する。

次に、「３行平均化中間行パターン」について説明する。例えば、第５の基本駆動パターン生成回路は、図１１の「３行平均化中間行」の各パルスの初期値及びレベル変化するＨカウンタ９のカウント値のテーブルを記憶する。第５の基本駆動パターン生成回路は、Ｖカウンタ８のカウント値、Ｈカウンタ９のカウント値及び図１１のテーブルを基に、図１０の「３行平均化中間行」の各パルスを生成する。また、第５の基本駆動パターン生成回路は、Ｖカウンタ８のカウント値が１，４，７等の時に、Ｖカウンタ８のカウンタ値に対応する行のパルスを生成する。固体撮像素子は、第２の行の画素信号を第一垂直信号線Ｖ１〜Ｖ２に読み出し、信号保持容量Ｃｓｈ２１〜Ｃｈ２２に保持する。基本駆動パターンセレクタ７は、基本駆動パターン選択パルスに応じて、１水平走査期間単位で、「３行平均化中間行パターン」である第５の基本駆動パターン生成回路が生成した基本駆動パターンを選択して出力する。

次に、「３行平均化読み出し行パターン」について説明する。例えば、第６の基本駆動パターン生成回路は、図１２の「３行平均化読み出し行」の各パルスの初期値及びレベル変化するＨカウンタ９のカウント値のテーブルを記憶する。第６の基本駆動パターン生成回路は、Ｖカウンタ８のカウント値、Ｈカウンタ９のカウント値及び図１２のテーブルを基に、図１０の「３行平均化読み出し行」の各パルスを生成する。また、第６の基本駆動パターン生成回路は、Ｖカウンタ８のカウント値が２，５，８等の時に、Ｖカウンタ８のカウンタ値に対応する行のパルスを生成する。固体撮像素子は、第３の行の画素信号を第一垂直信号線Ｖ１〜Ｖ２に読み出し、信号保持容量Ｃｓｈ３１〜Ｃｈ３２に保持し、上記の第１及び第２の行の画素信号と平均化（合成）する。基本駆動パターンセレクタ７は、基本駆動パターン選択パルスに応じて、１水平走査期間単位で、「３行平均化読み出し行パターン」である第６の基本駆動パターン生成回路が生成した基本駆動パターンを選択して出力する。

（第４の実施形態）
図１４に基づいて、第１〜第３の実施形態の固体撮像装置をスチルビデオカメラに適用した場合の一例について詳述する。図１４は、本発明の第４の実施形態によるスチルビデオカメラの構成例を示すブロック図である。固体撮像素子５４は図１の固体撮像素子１に対応し、タイミング発生部５８は図１の駆動タイミングパルス生成装置２及び同期信号生成回路１０に対応する。

図１４において、５１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、５２は被写体の光学像を固体撮像素子５４に結像させるレンズ、５３はレンズ５２を通った光量を可変するための絞りである。５４はレンズ５２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、５５は固体撮像素子５４より出力される撮像信号（画像信号）をアナログ信号処理する撮像信号処理回路である。５６は撮像信号処理回路５５より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、５７はＡ／Ｄ変換器５６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部である。５８は固体撮像素子５４、撮像信号処理回路５５、Ａ／Ｄ変換器５６、信号処理部５７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、５９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部である。６０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部、６１は記録媒体６２に記録又は読み出しを行うためのインタフェース部、６２は画像データの記録又は読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。６３は外部コンピュータ等と通信する為のインタフェース部である。

次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について説明する。バリア５１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換器５６などの撮像系回路の電源がオンされる。それから、露光量を制御する為に、全体制御・演算部５９は絞り５３を開放にし、固体撮像素子５４から出力された信号は撮像信号処理回路５５を介してＡ／Ｄ変換器５６で変換された後、信号処理部５７に入力される。そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部５９で行う。この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部５９は絞り５３を制御する。

次に、固体撮像素子５４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部５９で行う。その後、レンズ５２を駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズ５２を駆動し測距を行う。そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子５４から出力された画像信号は撮像信号処理回路５５を介してＡ／Ｄ変換器５６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部５７を通り全体制御・演算部５９によりメモリ部６０に書き込まれる。その後、メモリ部６０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部５９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部６１を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体６２に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部６３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。

（第５の実施形態）
図１５は、本発明の第５の実施形態によるビデオカメラの構成例を示すブロック図である。図１５に基づいて、第１〜第３の実施形態の固体撮像装置をビデオカメラに適用した場合の一実施例について詳述する。

２１は撮影レンズで焦点調節を行うためのフォーカスレンズ２１Ａ、ズーム動作を行うズームレンズ２１Ｂ、結像用のレンズ２１Ｃを備えている。２２は絞り及びメカシャッタ、２３は撮像面に結像された被写体像を光電変換して電気的な撮像信号に変換する固体撮像素子である。２４は固体撮像素子２３より出力された撮像信号をサンプルホールドし、さらに、レベルをアンプするサンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ回路）であり、映像信号を出力する。

２５はサンプルホールド回路２４から出力された映像信号にガンマ補正、色分離、ブランキング処理等の所定の処理を施すプロセス回路で、輝度信号Ｙ及びクロマ信号Ｃを出力する。プロセス回路２５から出力されたクロマ信号Ｃは、色信号補正回路４１で、ホワイトバランス及び色バランスの補正がなされ、色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙとして出力される。

また、プロセス回路２５から出力された輝度信号Ｙと、色信号補正回路４１から出力された色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙは、エンコーダ回路（ＥＮＣ回路）４４で変調され、標準テレビジョン信号として出力される。そして、図示しないビデオレコーダ、あるいはモニタ電子ビューファインダ（ＥＶＦ）等の電子ビューファインダへと供給される。

次いで、２６はアイリス制御回路である。アイリス制御回路２６は、サンプルホールド回路２４から供給される映像信号に基づいてアイリス駆動回路２７を制御し、映像信号のレベルが所定レベルの一定値となるように、絞り２２の開口量を制御すべくｉｇメータ２８を自動制御するものである。

３３及び３４は、サンプルホールド回路２４から出力された映像信号中より合焦検出を行うために必要な高周波成分を抽出する異なった帯域制限のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）である。第１のバンドパスフィルタ３３（ＢＰＦ１）、及び第２のバンドパスフィルタ３４（ＢＰＦ２）から出力された信号は、ゲート回路３５及びフォーカスゲート枠信号で各々でゲートされ、ピーク検出回路３６でピーク値が検出されてホールドされる。そして、論理制御回路３７に入力される。この信号を焦点電圧と呼び、この焦点電圧によってフォーカスを合わせている。

また、３８はフォーカスレンズ２１Ａの移動位置を検出するフォーカスエンコーダ、３９はズームレンズ２１Ｂの焦点距離を検出するズームエンコーダ、４０は絞り２２の開口量を検出するアイリスエンコーダである。これらのエンコーダの検出値は、システムコントロールを行う論理制御回路３７へと供給される。

論理制御回路３７は、設定された合焦検出領域内に相当する映像信号に基づいて、被写体に対する合焦検出を行い焦点調節を行う。即ち、各々のバンドパスフィルタ３３、３４より供給された高周波成分のピーク値情報を取り込む。そして、高周波成分のピーク値が最大となる位置へとフォーカスレンズ２１Ａを駆動すべくフォーカス駆動回路２９にフォーカスモータ３０の回転方向、回転速度、回転／停止等の制御信号を供給し、これを制御する。

ズーム駆動回路３１は、ズームが指示されると、ズームモータ３２を回転させる。ズームモータ３２が回転すると、ズームレンズ２１Ｂが移動し、ズームが行われる。

第１〜第３の実施形態では３行２列の画素セルをもつＣＭＯＳ型固体撮像装置の駆動を例として説明した。しかし、本実施形態におけるパルス生成装置は、多数行多数列の画素セルを持つ固体撮像装置、またＣＣＤ型など他の固体撮像装置の駆動にも適用することができる。

また、本実施形態のパルス生成装置は、書き換え可能なＲＡＭや外部アクセス手段などによる駆動タイミングパルス生成のための設定を排除するものではなく、必要に応じ合わせて用いることで、さらにパルス生成回路の回路規模を縮小化することも可能である。

また、いくつかの基本駆動パターンで共通の動作を行う駆動パルスの生成回路を、基本駆動パターン同士で共有化し、基本駆動パターン生成回路の回路規模を縮小することで、駆動パルス生成回路の回路規模をさらに縮小化することも可能である。

本実施形態の駆動タイミングパルス生成装置は、垂直同期信号と、水平同期信号と、立ち上がり立ち下がりのタイミングを自在に調整することができるトリガパルスを入力する。選択手段は、１つ以上の駆動タイミングパルスにより構成され、１水平ブランキング期間を単位とする基本駆動パターンの選択を行う。第１のカウンタは、前記垂直同期信号によって初期化され前記水平同期信号をカウントする。第２のカウンタは、前記水平同期信号によって初期化され前記トリガパルスをカウントする。遷移手段は、前記第１のカウンタ値及び前記第２のカウンタ値及び前記選択手段に従って前記基本駆動パターンを遷移させる。また基本駆動パターンは基本駆動パターン生成回路により生成され、基本駆動パターンを組み合わせて駆動パルスを生成する。このような駆動タイミングパルス生成装置によれば、１水平走査期間ごとの動作は、ＲＯＭからレジスタへデータを読み出す為の通信により決まるのではなく、別入力のパルスなどにより規定できるので通信時間が必要なく、１水平走査期間を短くできる。また、１水平ブランキング期間ごとのパルス生成回路を準備すればよいので、動画撮影時などのような、従来では複数の水平走査期間をまたぐパルス生成回路が必要であったものに比べ、カウンタ部やメモリ部の規模を圧縮できる。したがって、固体撮像素子の駆動に用いられる駆動パルスを生成するパルス生成回路の回路全体の規模を圧縮し、かつ固体撮像素子の高速動作化が可能となる。

以上、説明したように本実施形態の固体撮像素子の駆動パルス生成装置によれば、固体撮像素子の駆動パルスを生成する為の回路規模を大幅に圧縮することができ、かつ固体撮像素子の高機能化、高速動作化が可能である。

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、また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。

本発明の実施形態にかかるタイミングパルス生成装置を示すブロック図である。 図１中の固体撮像素子における画素部の構成例を示す図である。 図１中の固体撮像素子における読み出し回路部の構成例を示す図である。 「１行読み出し」動作時のタイミングチャートである。 基本駆動パターンの例である「通常読み出し行パターン」の生成回路に格納されるパターンデータを示す図である。 「２行平均化読み出し」動作時のタイミングチャートである。 基本駆動パターンの例である「平均化最初行パターン」の生成回路に格納されるパターンデータを示す図である。 基本駆動パターンの例である「２行平均化読み出し行パターン」の生成回路に格納されるパターンデータを示す図である。 本実施形態を用いずに「２行平均化読み出し」動作を行う場合の生成回路に格納されるパターンデータを示す図である。 「３行平均化読み出し」動作時のタイミングチャートである。 基本駆動パターンの例である「３行平均化中間行パターン」の生成回路に格納されるパターンデータを示す図である。 基本駆動パターンの例である「３行平均化読み出し行パターン」の生成回路に格納されるパターンデータを示す図である。 本実施形態を用いずに「３行平均化読み出し」動作を行う場合の生成回路に格納されるパターンデータを示す図である。 本発明の第４の実施形態のスチルビデオカメラの構成例を示すブロック図である。 本発明の第５の実施形態によるビデオカメラの構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 固体撮像素子
２ 駆動タイミングパルス生成装置
３ 駆動タイミングパルス生成回路
４、５、６ 基本駆動パターン生成回路
７ 基本駆動パターンセレクタ
８ Ｖカウンタ
９ Ｈカウンタ
１０ 同期信号生成回路
２０１ 単位画素セル
２０２ 垂直走査回路ブロック
２０３ 水平走査回路ブロック
２０４ 差動増幅回路
ＰＤ１１、ＰＤ１２、ＰＤ２１、ＰＤ２２、ＰＤ３１、ＰＤ３２ フォトダイオード
Ｔｘ１１、Ｔｘ１２、Ｔｘ２１、Ｔｘ２２、Ｔｘ３１、Ｔｘ３２ フォトダイオード信号転送スイッチ
Ｒｅｓ１１、Ｒｅｓ１２、Ｒｅｓ２１、Ｒｅｓ２２、Ｒｅｓ３１、Ｒｅｓ３２ フローティングディフュージョンリセットスイッチ
ＳＦ１１、ＳＦ１２、ＳＦ２１、ＳＦ２２、ＳＦ３１、ＳＦ３２ ソースフォロワ
Ｓｅｌ１１、Ｓｅｌ１２、Ｓｅｌ２１、Ｓｅｌ２２、Ｓｅｌ３１、Ｓｅｌ３２ 画素選択スイッチ
Ｎ００、Ｎ０１、Ｎ１１、Ｎ１２、Ｎ２１、Ｎ２２、Ｎ３１、Ｎ３２、Ｎ４１１、Ｎ４１２、Ｎ４２１、Ｎ４２２、Ｎ４３１、Ｎ４３２、Ｎ５１、Ｎ５２ ＭＯＳトランジスタ
Ｃ０１、Ｃ０２ クランプ容量
Ｃｓｈ１１、Ｃｓｈ１２、Ｃｓｈ２１、Ｃｓｈ２２、Ｃｓｈ３１、Ｃｓｈ３２ 信号保持容量

Claims (8)

1. 垂直同期信号によって初期化され水平同期信号をカウントする第１のカウンタと、
   水平同期信号によって初期化されトリガパルスをカウントする第２のカウンタと、
   前記第１のカウンタのカウント値及び前記第２のカウンタのカウント値に応じてタイミングパルスを生成して固体撮像素子に出力するパルス生成手段と
   を有することを特徴とする固体撮像素子のタイミングパルス生成装置。
2. 前記パルス生成手段を複数有し、
   さらに、１水平走査期間単位で前記複数のパルス生成手段が生成するタイミングパルスのうちの１つを選択して前記固体撮像素子に出力する選択手段を有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子のタイミングパルス生成装置。
3. 前記パルス生成手段は、タイミングパルスの初期レベル及びレベル変化する前記第２のカウンタのカウント値を記憶することを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像素子のタイミングパルス生成装置。
4. 前記複数のパルス生成手段は、第１及び第２のパルス生成手段を有し、
   前記第１のパルス生成手段は、前記固体撮像素子の第１の行の画素信号を信号線に読み出すためのタイミングパルスを生成し、
   前記第２のパルス生成手段は、前記固体撮像素子の第２の行の画素信号を信号線に読み出して前記第１の行の画素信号と合成するためのタイミングパルスを生成し、
   前記選択手段は、第１の水平走査期間では前記第１のパルス生成手段により生成されるタイミングパルスを選択して出力し、それに続く第２の水平走査期間では前記第２のパルス生成手段により生成されるタイミングパルスを選択して出力することを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子のタイミングパルス生成装置。
5. 前記複数のパルス生成手段は、第１〜第３のパルス生成手段を有し、
   前記第１のパルス生成手段は、前記固体撮像素子の第１の行の画素信号を信号線に読み出すためのタイミングパルスを生成し、
   前記第２のパルス生成手段は、前記固体撮像素子の第２の行の画素信号を信号線に読み出すためのタイミングパルスを生成し、
   前記第３のパルス生成手段は、前記固体撮像素子の第３の行の画素信号を信号線に読み出して前記第１及び第２の行の画素信号と合成するためのタイミングパルスを生成し、
   前記選択手段は、第１の水平走査期間では前記第１のパルス生成手段により生成されるタイミングパルスを選択して出力し、それに続く第２の水平走査期間では前記第２のパルス生成手段により生成されるタイミングパルスを選択して出力し、それに続く第３の水平走査期間では前記第３のパルス生成手段により生成されるタイミングパルスを選択して出力することを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子のタイミングパルス生成装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のタイミングパルス生成装置と、
   前記タイミングパルス生成装置により生成されるタイミングパルスを基に画像データを生成する固体撮像素子と
   を有することを特徴とする固体撮像装置。
7. 請求項６に記載の固体撮像装置と、
   光学像を前記固体撮像装置に結像させるためのレンズと、
   前記レンズを通る光量を可変するための絞りと
   を有することを特徴とするカメラ。
8. 垂直同期信号によって初期化され水平同期信号をカウントする第１のカウントステップと、
   水平同期信号によって初期化されトリガパルスをカウントする第２のカウントステップと、
   前記第１のカウンタのカウント値及び前記第２のカウンタのカウント値に応じてタイミングパルスを生成して固体撮像素子に出力するパルス生成ステップと
   を有することを特徴とする固体撮像素子のタイミングパルス生成方法。

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