JP2013030828A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】黒レベルを目標値に一致させるクランプ電圧を迅速に算出する。
【解決手段】ＡＤクランプ回路１０２は、所定のクランプ電圧が与えられた時に遮光画素から読み出された黒レベルのＡＤ変換値とクランプ電圧との関係を外挿することにより、遮光画素から読み出された黒レベルの目標値に対するクランプ電圧を算出する。ＡＤクランプ回路は、前記遮光画素から読み出された黒レベルのＡＤ変換値と前記クランプ電圧との関係を１次関数で与え、前記所定のクランプ電圧として２点以上のクランプ電圧を与える。基準電圧は、クランプ電圧発生期間とランプ波発生期間とに時分割で切り替えられる。ＡＤＣ回路は、前記ランプ波発生期間において、前記信号成分のレベルが前記ランプ波のレベルに一致するまでのクロックのカウント結果に基づいて、前記信号成分をＡＤ変換する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は固体撮像装置に関する。

固体撮像装置では、撮像時の黒レベル基準を設定するためにＯＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌａｃｋ）画素を設けたものがある。このＯＢ画素は高温または高感度などの使用条件によって暗電圧が変動し、ＯＢ画素から読み出された黒レベルがずれる。このような黒レベルのずれを補償するため、ＯＢ画素から読み出された黒レベルが目標値に収束するまで画素信号のＡＤ変換時のクランプ電圧をフィードバック制御することがあった。このようなフィードバック制御では、黒レベルが目標値に収束するまでの時間のばらつきが大きく、フレームレートで規定される時間内に黒レベルが目標値に収束しないこともあった。

特開２００５−３２３０４１号公報

本発明の一つの実施形態の目的は、黒レベルを目標値に一致させるクランプ電圧を迅速に算出することが可能な固体撮像装置を提供することである。

実施形態の固体撮像装置によれば、有効画素部と、遮光画素部と、カラムＡＤＣ回路と、ＡＤクランプ回路が設けられている。有効画素部は、有効画素が設けられている。遮光画素部は、遮光画素が設けられている。ＡＤＣ回路は、クランプ電圧が重畳された基準電圧との比較結果に基づいて、前記有効画素から読み出された信号成分をＡＤ変換する。ＡＤクランプ回路は、所定のクランプ電圧が与えられた時に前記遮光画素から読み出された黒レベルのＡＤ変換値と前記クランプ電圧との関係を外挿することにより、前記遮光画素から読み出された黒レベルの目標値に対するクランプ電圧を算出する。

図１は、一実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 図２は、図１のＣＭＯＳセンサの概略構成を示すブロック図である。 図３は、図１のＡＤクランプ回路の概略構成を示すブロック図である。 図４は、図１のカラムＡＤＣ回路による画素信号のＡＤ変換動作を示すタイミングチャートである。 図５は、図１の固体撮像装置のクランプ電圧の算出方法の一例を示す図である。

以下、実施形態に係る固体撮像装置について図面を参照しながら説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１は、一実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
図１において、この固体撮像装置には、画像信号Ｓ１を出力するＣＭＯＳセンサ１０１、ＡＤクランプ回路１０２、ＯＢクランプ回路１０３、ゲイン調整回路１０４、色分離回路１０５および自動レベル制御回路１０６が設けられている。なお、例えば、ＣＭＯＳセンサ１０１のフィルタ配列としてベイヤ配列を用いることができ、画像信号Ｓ１としてはＲＡＷ画像信号を挙げることができる。

ＣＭＯＳセンサ１０１には、撮像時の黒レベル基準を設定するためのＯＢ画素および光電変換に基づいて画像信号Ｓ１を出力する有効画素が設けられている。そして、ＣＭＯＳセンサ１０１は、クランプ電圧が重畳された基準電圧との比較結果に基づいて、有効画素から読み出された信号成分をＡＤ変換することができる。なお、基準電圧は、クランプ電圧発生期間とランプ波発生期間とに時分割で切り替えることができる。

ＡＤクランプ回路１０２は、ＣＭＯＳセンサ１０１のＯＢ画素から読み出された黒レベルが目標値に一致するように制御パラメータＰＣを設定することができる。なお、制御パラメータＰＣはＯＢ画素から読み出される黒レベルを調整することができる。ここで、ＡＤクランプ回路１０２は、所定のクランプ電圧が与えられた時にＯＢ画素から読み出された黒レベルのＡＤ変換値とクランプ電圧との関係を外挿することにより、ＯＢ画素から読み出された黒レベルの目標値に対するクランプ電圧を算出することができる。また、ＯＢ画素から読み出された黒レベルのＡＤ変換値とクランプ電圧との関係を１次関数で与えることができる。

ＯＢクランプ回路１０３は、ＣＭＯＳセンサ１０１のＯＢ画素から読み出された黒レベルに基づいて、有効画素から読み出された画像信号をクランプすることができる。

ゲイン調整回路１０４は、ＯＢクランプ回路１０３から出力された画像信号Ｓ３のホワイトバランスやゲインを調整することができる。なお、ホワイトバランスやゲインを調整するパラメータは、コマンド設定値またはデジタルゲインＧＤを用いることができる。

色分離回路１０５は、ゲイン調整回路１０４から出力された画像信号Ｓ４を色分離信号Ｓ５に変換することができる。なお、色分離信号Ｓ５としては、ＲＧＢ信号またはＹＵＶ信号を挙げることができる。この時、色分離回路１０５は、画像信号Ｓ４から輝度信号Ｓ６を抽出することができる。

自動レベル制御回路１０６は、画面の輝度調節を行うことができる。この時、自動レベル制御回路１０６は、輝度信号Ｓ６に基づいて画面の明るさを判断し、デジタルゲインＧＤおよびアナログゲインＧＡを調整することができる。

そして、ＣＭＯＳセンサ１０１において被写体からの入射光が光電変換される。そして、ＣＭＯＳセンサ１０１にて生成された画像信号Ｓ１がＯＢクランプ回路１０３に出力される。また、ＣＭＯＳセンサ１０１のＯＢ画素から読み出されたＯＢ信号Ｓ２がＡＤクランプ回路１０２に出力される。

そして、ＯＢクランプ回路１０３において、ＯＢ画素から読み出された黒レベルに基づいて画像信号Ｓ１がクランプされることで画像信号Ｓ３が生成され、ゲイン調整回路１０４に出力される。

そして、ゲイン調整回路１０４において、自動レベル制御回路１０６から出力されたデジタルゲインＧＤに基づいて画像信号Ｓ３のゲインが調整されることで画像信号Ｓ４が生成され、色分離回路１０５に出力される。

そして、色分離回路１０５において、画像信号Ｓ４が色分離信号Ｓ５に変換されるとともに、画像信号Ｓ４から輝度信号Ｓ６が抽出され自動レベル制御回路１０６に出力される。

そして、自動レベル制御回路１０６において、輝度信号Ｓ６に基づいてデジタルゲインＧＤおよびアナログゲインＧＡが調整され、デジタルゲインＧＤはゲイン調整回路１０４に出力されるとともに、アナログゲインＧＡはＡＤクランプ回路１０２に出力される。

そして、ＡＤクランプ回路１０２において、クランプ電圧発生期間では、所定のクランプ電圧が与えられるように制御パラメータＰＣが設定され、ＣＭＯＳセンサ１０１に出力される。そして、その時にＣＭＯＳセンサ１０１のＯＢ画素から読み出された黒レベルのＡＤ変換値がＯＢ信号Ｓ２としてＡＤクランプ回路１０２に出力される。そして、ＡＤクランプ回路１０２において、その時の黒レベルのＡＤ変換値とクランプ電圧との関係が外挿されることにより、ＯＢ画素から読み出された黒レベルの目標値に対するクランプ電圧が算出される。そして、黒レベルの目標値に対するクランプ電圧が与えられるように制御パラメータＰＣが設定され、ＣＭＯＳセンサ１０１に出力される。

また、ＡＤクランプ回路１０２において、ランプ波発生期間では、アナログゲインＧＡに応じてランプ波の傾きが制御されるように制御パラメータＰＣが設定され、ＣＭＯＳセンサ１０１に出力される。そして、ＣＭＯＳセンサ１０１において、有効画素から読み出された信号成分のレベルがランプ波のレベルに一致するまでのクロックのカウント結果に基づいて、信号成分がＡＤ変換される。

これにより、ＡＤクランプ回路１０２は、所定のクランプ電圧が与えられた時の黒レベルのＡＤ変換値を少なくとも２回だけ取得することにより、黒レベルの目標値に対するクランプ電圧を算出することができる。このため、ＯＢ画素から読み出された黒レベルが目標値に収束するまで画素信号のＡＤ変換時のクランプ電圧をフィードバック制御する必要がなくなり、黒レベルが目標値に収束するまでの時間のばらつきを低減することが可能となることから、フレームレートで規定される時間内に黒レベルを目標値に収束させることができる。

図２は、図１のＣＭＯＳセンサの概略構成を示すブロック図である。
図２において、ＣＭＯＳセンサ１０１には、画素がロウ方向およびカラム方向にマトリックス状に配置された画素アレイ部１が設けられている。ここで、画素アレイ部１には、画素がロウ方向およびカラム方向にマトリックス状に配置された有効画素部１ａが設けられ、有効画素部１ａの周囲には遮光画素部１ｂが設けられている。有効画素部１ａには有効画素が設けられ、遮光画素部１ｂには遮光画素（ＯＢ画素）が設けられている。

また、ＣＭＯＳセンサ１０１には、画素アレイ部１を垂直方向に走査する垂直シフトレジスタ２、基準電圧Ｖｒｅｆとの比較結果に基づいて、画素アレイ部１から読み出された信号成分をＣＤＳにてデジタル化するカラムＡＤＣ回路３、画素アレイ部１を水平方向に走査する水平シフトレジスタ４、制御パラメータＰＣに基づいて基準電圧Ｖｒｅｆを発生する基準電圧発生部５が設けられている。なお、制御パラメータＰＣは、基準電圧Ｖｒｅｆのクランプレベルや傾きを設定することができる。また、基準電圧Ｖｒｅｆはランプ波を用いることができる。また、基準電圧Ｖｒｅｆにはクランプ電圧を重畳させることができる。

そして、垂直シフトレジスタ２にて画素アレイ部１の画素が垂直方向に走査されることにより、画素アレイ部１の画素から信号が読み出され、カラムＡＤＣ回路３に送られる。そして、カラムＡＤＣ回路３において、画素アレイ部１から読み出された信号成分がＣＤＳにてデジタル化され、水平シフトレジスタ４にて水平方向に走査されることにより、画像信号Ｓ１が出力される。

ここで、カラムＡＤＣ回路３には、ランプ波発生期間にカウンタクロックＣＫが入力される。そして、有効画素部１ａから読み出された信号成分のレベルがランプ波のレベルに一致するまでのカウンタクロックＣＫのカウント結果に基づいて、信号成分がＡＤ変換される。

また、ＡＤクランプ回路１０２は、カラムＡＤＣ回路３によるＡＤ変換時に基準電圧ＶｒｅｆのクランプレベルにてＯＢ画素の暗電流が相殺されるように制御パラメータＰＣを設定することができる。

図３は、図１のＡＤクランプ回路の概略構成を示すブロック図である。
図３において、ＡＤクランプ回路１０２には、画素平均値算出部１１、遮光画素平均値保持レジスタ１２、１３、クランプ電圧制御値演算部１４、タイミング信号発生部１５およびＡ／Ｄ変換制御部１６が設けられている。

そして、タイミング信号発生部１５にてクランプ電圧発生期間に切り替えられると、Ａ／Ｄ変換制御部１６において、第１のクランプ電圧が与えられるように制御パラメータＰＣが設定され、ＣＭＯＳセンサ１０１に出力される。そして、ＣＭＯＳセンサ１０１において、第１のクランプ電圧が与えられた時に遮光画素部１ｂから読み出された黒レベルがＡＤ変換されることでＯＢ信号Ｓ２が生成され、画素平均値算出部１１に入力される。そして、画素平均値算出部１１において、その時のＯＢ信号Ｓ２が１水平ラインごとに平均化されることで、ＨＯＢ画素平均値Ｓ１１が算出され、遮光画素平均値保持レジスタ１２に保持される。

また、Ａ／Ｄ変換制御部１６において、第２のクランプ電圧が与えられるように制御パラメータＰＣが設定され、ＣＭＯＳセンサ１０１に出力される。そして、ＣＭＯＳセンサ１０１において、第２のクランプ電圧が与えられた時に遮光画素部１ｂから読み出された黒レベルがＡＤ変換されることでＯＢ信号Ｓ２が生成され、画素平均値算出部１１に入力される。そして、画素平均値算出部１１において、その時のＯＢ信号Ｓ２が１水平ラインごとに平均化されることで、ＨＯＢ画素平均値Ｓ１１が算出され、遮光画素平均値保持レジスタ１３に保持される。

そして、クランプ電圧制御値演算部１４において、第１のクランプ電圧が与えられた時のＨＯＢ画素平均値Ｓ１１と、第２のクランプ電圧が与えられた時のＨＯＢ画素平均値Ｓ１１とに基づいて、クランプ電圧とＨＯＢ画素平均値Ｓ１１との関係が補間されることにより、黒レベルの目標値Ｃｂに対するクランプ電圧制御値Ｓ１２が算出され、Ａ／Ｄ変換制御部１６に出力される。

そして、Ａ／Ｄ変換制御部１６において、クランプ電圧制御値Ｓ１２に基づいて、黒レベルの目標値Ｃｂに対するクランプ電圧が与えられるように制御パラメータＰＣが設定され、ＣＭＯＳセンサ１０１に出力される。

一方、タイミング信号発生部１５にてランプ波発生期間に切り替えられると、アナログゲインＧＡに応じてランプ波の傾きが制御されるように制御パラメータＰＣが設定され、ＣＭＯＳセンサ１０１に出力される。

図４は、図１のカラムＡＤＣ回路による画素信号のＡＤ変換動作を示すタイミングチャートである。
図４において、基準電圧Ｖｒｅｆは、クランプ電圧発生期間Ｔ１とランプ波発生期間Ｔ２とに時分割で切り替えられる。そして、クランプ電圧発生期間Ｔ１では、基準電圧Ｖｒｅｆはクランプ電圧Ｖｃに保たれる。ランプ波発生期間Ｔ２では、基準電圧Ｖｒｅｆとしてランプ波が与えられ、カウンタクロックＣＫが入力される。なお、この時のランプ波の傾きはｄＶ／ｄｔ＝ａで与えることができる。

そして、有効画素部１ａから読み出された画像信号Ｓ１の画素電圧がＶｏで与えられるものとすると、ＡＤ変換される信号成分ＶｐはＶｏ−Ｖｃで与えられる。そして、有効画素部１ａから読み出された画素電圧Ｖｏのレベルがランプ波のレベルに一致するまでカウンタクロックＣＫがカウントされ、その時のカウント値Ｃが信号成分Ｖｐ＝Ｖｏ−ＶｃのＡＤ変換値として出力される。なお、カウンタクロックＣＫの周期をＴとすると、その時のカウント値Ｃは（Ｖｏ−Ｖｃ）／（ａＴ）で与えることができる。

図５は、図１の固体撮像装置のクランプ電圧の算出方法の一例を示す図である。なお、この例では、クランプ電圧Ｖｃとして、０とＶ１の２点を与えた時のカウント値Ｃ０、Ｃ１を取得し、その時のクランプ電圧Ｖｃを補間することにより、黒レベルの目標値Ｃｂに対するクランプ電圧Ｖｂを算出する方法について示した。

具体的には、ランプ波電圧の単位時間当たりの電圧変化量をａとし、ＡＤ変換対象の画素電圧をＶｏとすると、ランプ波電圧が発生してからＡＤ変換対象の画素電圧Ｖｏに一致するまでの時間ｔは、ａｔ＝Ｖｏの関係から以下の（１）式で与えられる。
ｔ＝Ｖｏ／ａ ・・・（１）

時間ｔを計測するカウンタが周期Ｔで１カウントする場合、（１）式から、カウント値Ｃは以下の（２）式で与えられる。
Ｃ＝ｔ／Ｔ＝Ｖｏ／ａＴ ・・・（２）

ここで、ランプ波を発生させる前に予めクランプ電圧Ｖｃを加減算するものとする。この時、ＡＤ変換対象の信号電圧Ｖｐは、画素電圧Ｖｏからクランプ電圧Ｖｃを差し引いた電圧Ｖｏ−Ｖｃとなる。このため、この信号電圧ＶｐをＡ／Ｄ変換したカウント値Ｃは、以下の（３）式で与えられ、クランプ電圧Ｖｃの一次関数で表される。
Ｃ＝Ｖｏ／ａＴ＝（Ｖｏ−Ｖｃ）／ａＴ＝（−１／ａＴ）Ｖｃ＋（１／ａＴ）Ｖｏ
・・・（３）

ここで、画素電圧Ｖｏのうち入射光による信号電圧をＶｉ、画素暗電圧や回路のオフセット電圧分をＶｎとすると、画素電圧Ｖｏは以下の（４）式で与えられる。
Ｖｏ＝Ｖｉ＋Ｖｎ ・・・（４）

遮光画素では、Ｖｉ＝０なので、（４）式からＶｏ＝Ｖｎとなる。従って、（３）式からカウント値Ｃは、以下の（５）式で与えられる。
Ｃ＝（−１／ａＴ）Ｖｃ＋（１／ａＴ）Ｖｎ ・・・（５）

以下、（５）式中の変数について、以下のように置く。
α＝−１／ａＴ
β＝（１／ａＴ）Ｖｎ

ここで、クランプ電圧Ｖｃの値として、０とＶｃ１の２通りの値を与えるものとする。
Ｖｃ＝０の場合のカウント値Ｃ０は、（５）式から以下の（６）式で与えられる。
Ｃｏ＝β ・・・（６）
Ｖｃ＝Ｖ１の場合のカウント値Ｃ１は、（５）式からＣ１＝αＶ１＋βとなり、以下の（７）式で与えられる。
α＝（Ｃ１−Ｃｏ）／Ｖ１ ・・・（７）

ここで、遮光画素のＡ／Ｄ変換値を黒レベルの目標値Ｃｂにするためのクランプ電圧Ｖｂは、（５）式、（６）式および（７）式から、Ｃｂ＝（（Ｃ１−Ｃｏ）／Ｖｃ）Ｖｂ＋Ｃｏが成り立ち、以下の（８）式で与えられる。
Ｖｂ＝Ｖ１・（Ｃｂ−Ｃｏ）／（Ｃ１−Ｃｏ） ・・（８）

従って、（８）式に基づいて２通りのクランプ電圧によるＡ／Ｄ変換値の演算を行うことで、フィードバック系を用いることなく、所望の黒レベルデータ出力を与えるクランプ電圧を決定することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０１ ＣＭＯＳセンサ、１０２ ＡＤクランプ回路、１０３ ＯＢクランプ回路、１０４ ゲイン調整回路、１０５ 色分離回路、１０６ 自動レベル制御回路、１ 画素アレイ部、１ａ 有効画素部、１ｂ 遮光画素部、２ 垂直シフトレジスタ、３ カラムＡＤＣ回路、４ 水平シフトレジスタ、５ 基準電圧発生部、１１ 画素平均値算出部、１２、１３ 遮光画素平均値保持レジスタ、１４ クランプ電圧制御値演算部、１５ タイミング信号発生部、１６ Ａ／Ｄ変換制御部

Claims (5)

1. 有効画素が設けられた有効画素部と、
   遮光画素が設けられた遮光画素部と、
   クランプ電圧が重畳された基準電圧との比較結果に基づいて、前記有効画素から読み出された信号成分をＡＤ変換するＡＤＣ回路と、
   所定のクランプ電圧が与えられた時に前記遮光画素から読み出された黒レベルのＡＤ変換値と前記クランプ電圧との関係を外挿することにより、前記遮光画素から読み出された黒レベルの目標値に対するクランプ電圧を算出するＡＤクランプ回路とを備えることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記ＡＤクランプ回路は、前記遮光画素から読み出された黒レベルのＡＤ変換値と前記クランプ電圧との関係を１次関数で与えることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記ＡＤクランプ回路は、前記所定のクランプ電圧として２点以上のクランプ電圧を与えることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記基準電圧は、クランプ電圧発生期間とランプ波発生期間とに時分割で切り替えられることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記ＡＤＣ回路は、前記ランプ波発生期間において、前記信号成分のレベルが前記ランプ波のレベルに一致するまでのクロックのカウント結果に基づいて、前記信号成分をＡＤ変換することを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。

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