JP2012080195A - 固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】行列状に配列され、光電変換により信号を生成する複数の画素と、複数の画素の各列に設けられ、複数の画素の信号を第1のゲインで増幅した第1の信号及び第1のゲインより大きい第2のゲインで増幅した第2の信号を出力する列増幅部と、第1の信号及び第2の信号をアナログからデジタルに変換するアナログデジタル変換部(21)と、アナログデジタル変換部のデジタル信号を入力し、アナログデジタル変換部で変換された第1及び第2の信号を同じゲインレベルにレベルシフトした後の第1及び第2の信号の間のゲイン誤差を検出する比較部(224)と、ゲイン誤差を基に第1又は第2の信号を補正する補正部(226)とを有することを特徴とする固体撮像装置が提供される。
【選択図】図3
Description
本発明の第1の実施形態の特徴をより明確にするために、特許文献1や2に記載の方法で懸念される問題をより詳細に説明する。異なる2つのゲイン設計をした時の(例えばゲイン1倍の設計をG1、ゲイン8倍の設計をG8とする)信号レベルの誤差とアナログデジタル(AD)変換誤差を考えてみる。
DA(G1)=(1+a)(1+α)≒ 1+a+α (1)
DA(G8)=(8+b)(1+α)≒ 8(1+α)+b (2)
DA(G8/8)=DA(G8)×1/8=1+α+b/8 (3)
ΔV=DA(G8/8)−DA(G1)=b/8−a (4)
K=VL(b) / VH(b)# (5)
また、信号レベル差はVH(b)#−VL(b)なので、オフセット電圧の補正値Voffsetは以下の式で表される。
Voffset=−(VH(b)#−VL(b)) (6)
次に、本発明の第2の実施形態について述べる。第1の実施形態では補正信号形成用の被写体を撮像して、ゲイン誤差を検出した。また、列増幅部102又はメモリ部103は半導体プロセスのバラツキで固定パターンとなるオフセットノイズやゲイン誤差が有って、画像性能を劣化させていた。本発明の第2実施形態は、垂直信号線VLに基準信号を入力し、上記ノイズや、補正信号形成用の被写体撮影を無くすことが目的である。以下、本実施形態が第1の実施形態と異なる点を説明する。
次に、本発明の第3の実施形態を説明する。図12は、本発明の第3の実施形態の基準信号入力回路を有する画素101の概略構成を示す図である。第2の実施形態(図11)では基準信号入力回路107からの基準信号を用いて列増幅部102などのゲイン誤差などを検出した。本実施形態では、画素101が基準信号を出力する基準信号入力回路を有する。以下、本実施形態が第2の実施形態と異なる点を説明する。信号φS1に応じて、スイッチは、リセットスイッチRESを、電源電位VDD又は基準電位Vs2のノードに接続する。リセット時には、リセットスイッチRESを電源電位VDDのノードに接続し、画素出力部SFのゲート端子を電源電位VDDでリセットする。これに対し、基準信号読み出し時には、フォトダイオードPDの露光による電荷ではなく、リセットスイッチRESを基準電位Vs2のノードに接続し、画素出力部SFのゲート端子に基準電位Vs2を供給し、垂直信号線VLに基準電位を出力する。基準電位Vs2の電源はDA変換部でも良い。このように画素部10から基準信号を入力させることで、列増幅部102やAD変換部21などの誤差を検出し、この誤差を補正することで良質な画像を得ることが可能となる。
図13は、本発明の第4の実施形態に係る固体撮像素子1の概略構成を示す図である。本実施形態は、図5の第1の実施形態に対して、列増幅部102の後段にAD変換部108と、図11の実施形態の基準信号入力回路107を設けたものである。以下、本実施形態が第2の実施形態と異なる点を説明する。AD変換部108は、列増幅部102の各増幅部が出力信号をアナログからデジタルに変換する。AD変換部108は、異なるAD変換部により第1の信号G1及び第2の信号G8をアナログからデジタルに変換する。固体撮像素子1内の列増幅部102からの2つのゲイン信号に対し、それぞれAD変換部108を設けたので、さらに、高速処理が可能となる。第4の実施形態におけるビット処理部22(図2)は図3の実施形態のビット処理部22を利用する。ゲイン誤差検出時、列増幅部102のゲインは撮影時の感度設定で設定されており、そのゲインに応じて基準信号レベルを設定し入力しているので、比較レベル判断部222(図3)は不要となる。その時は、タイミング生成部(TG)24が比較部224を制御する。実際の撮像時は、タイミング生成部24が信号DATA2(G8)に対して比較レベル判断部222として動作する。多少ゲイン誤差が大きいAD変換部108が固体撮像素子1内に構成されても、基準信号入力により列増幅部102とAD変換部108の信号誤差を精度良く検出し、補正することができる。
図15は、本発明の第5の実施形態に係る固体撮像素子1の概略構成を示す図である。本実施形態は、第4の実施形態(図13)に対して、画素列毎に1個のAD変換部108を設けた点に特徴がある。以下、本実施形態が第4の実施形態と異なる点を説明する。列増幅部102は、低ゲインの第1の信号G1を出力する列増幅部102−1及び高ゲインの第2の信号G8を出力する列増幅部102−2を有し、異なる列増幅部102−1及び102−2により第1の信号G1及び第2の信号G8を増幅して出力する。信号選択部109は、スイッチ制御により、低ゲインの第1の信号G1又は高ゲインの第2の信号G8のいずれか一方を選択する。AD変換部108は、信号選択部109により選択された第1の信号G1又は第2の信号G8のいずれか一方をアナログからデジタルに変換する。信号選択部109は、第2の信号G8が第1の信号レベルVH(b)以下であるときには第2の信号G8を選択し、第2の信号G8が第1の信号レベルVH(b)より大きいときには第1の信号G1を選択する。AD変換部108は、同一のAD変換部により第1の信号G1又は第2の信号G8を順次アナログからデジタルに変換する。そして、信号選択部109は、AD変換部108を介して、図3と同じ選択信号φbを、先のデジタル信号とパラレルに水平信号線HLBに転送する。選択信号φbは、第1の信号G1又は第2の信号G8のいずれを選択したかを示す信号であり、第1の実施形態と同様に、第1の信号G1が選択されたときにはローレベルであり、第2の信号G8が選択されたときにはハイレベルである。ビット切り替え部227は、水平信号線HLB上に設けられる。AD変換部108及び信号選択部109からは、列毎の画素信号レベルに応じて、第1の信号G1又は第2の信号G8のどちらかが選択信号φbと共に水平信号線HLBに転送され、ビット切り替え部227へ出力される。ビット切り替え部227は、図4と同じ構成であり、同じ動作を行う。すなわち、ビット切り替え部227は、選択信号φbがハイレベルであるときには第2の信号G8を選択して高ゲイン信号を出力し、選択信号φbがローレベルであるときには第1の信号G1を低ゲイン信号として出力する。固体撮像素子1は、低ゲイン信号又は高ゲイン信号と共に選択信号φbを出力する。選択信号φbは、第1の信号G1又は第2の信号とパラレルに転送されてもよいし、シリアルに転送されてもよい。ビット切り替え部227の出力データは、後述のビット処理部22−1(図16)でゲイン誤差ΔVが検出され、補正される。
図17は、本発明の第6の実施形態に係る固体撮像素子1の概略構成を示す図である。本実施形態は、図13の第4の実施形態に対して、図3のビット処理部22を固体撮像素子1内に設けた実施形態である。ビット処理部22は、水平信号線HLB上に設けられる。ビット処理部22を固体撮像素子1内に設けることにより、固体撮像素子1はAD変換された15ビットの広ダイナミックレンジの信号のみを出力するので、外部処理回路部はDSP23(図2)のみとなり、固体撮像装置の小型化及び低コスト化を達成できる。本実施形態に係る固体撮像装置の撮像タイミングは、図14の第4の実施形態とほぼ同じであるので説明は省略する。
Claims (9)
- 行列状に配列され、光電変換により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、前記複数の画素の信号を第1のゲインで増幅した第1の信号及び前記第1のゲインより大きい第2のゲインで増幅した第2の信号を出力する列増幅部と、
前記第1の信号及び前記第2の信号をアナログからデジタルに変換するアナログデジタル変換部と、
前記アナログデジタル変換部のデジタル信号を入力し、前記アナログデジタル変換部で変換された前記第1及び第2の信号を同じゲインレベルにレベルシフトした後の前記第1及び第2の信号の間のゲイン誤差を検出する比較部と、
前記ゲイン誤差を基に前記第1又は第2の信号を補正する補正部と
を有することを特徴とする固体撮像装置。 - 前記比較部は、前記第2の信号が飽和開始信号レベル未満の信号レベルであるときの前記ゲイン誤差を検出することを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
- 前記列増幅部は、同一の列増幅部により前記第1の信号及び前記第2の信号を順次増幅して出力することを特徴とする請求項1又は2記載の固体撮像装置。
- 前記アナログデジタル変換部は、同一のアナログデジタル変換部により前記第1の信号及び前記第2の信号を順次アナログからデジタルに変換することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
- 前記列増幅部は、異なる列増幅部により前記第1の信号及び前記第2の信号を増幅して出力することを特徴とする請求項1又は2記載の固体撮像装置。
- 前記アナログデジタル変換部は、異なるアナログデジタル変換部により前記第1の信号及び前記第2の信号をアナログからデジタルに変換することを特徴とする請求項1又は2記載の固体撮像装置。
- さらに、前記比較部により検出された前記ゲイン誤差に基づく補正係数あるいはオフセット電圧補正値を記憶する補正データメモリ部を有し、
前記補正部は、前記補正係数あるいは前記オフセット電圧補正値を基に補正することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 - さらに、前記補正部により補正された信号、又は前記補正部により補正されていない前記第1の信号あるいは前記第2の信号を選択するビット切り替え部を有することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
- 前記ビット切り替え部は、前記第2の信号が飽和開始信号レベル以下の信号レベルであるときには前記補正部により補正された信号を選択し、前記第2の信号が飽和開始信号レベルより大きいときには前記第1の信号を選択することを特徴とする請求項8記載の固体撮像装置。
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