JP6998995B2 - 固体撮像装置、その制御方法、撮像システム及びカメラ - Google Patents
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Description
図1の回路ブロック図を参照して、第1実施形態に係る固体撮像装置IM1の構成について説明する。固体撮像装置IM1は図1に示す各構成要素を有する。行列状に配置された複数の画素100によって画素アレイ101が構成される。図1では一例として画素アレイ101が4行3列の画素100を有する場合を説明する。しかし、画素アレイ101の配置はこれに限られない。各画素100は、画素100への入射光に応じた画素信号を生成する。同じ行を構成する複数の画素100は、1つの駆動線に共通に接続される。駆動線を通じて垂直走査回路103から画素100に、画素100の動作を制御するための制御信号が供給される。また、同じ列を構成する複数の画素100は、1つの垂直線102に共通に接続される。垂直線102を通じて増幅回路104に供給される電圧信号を垂直線信号Vvlと呼ぶ。画素100から垂直線102に画素信号が読み出された場合に、垂直線信号Vvlは画素信号に応じた値となる。
D1=S-N …式(1)
デジタル値Sとデジタル値Nとはともに、増幅回路104のゲインが1倍に設定された状態で生成された値であるので、デジタルCDS処理を行うことによって入射光量を適切に表すデジタル信号D1が求まる。例えば、変化量ΔVvl(入射光量)がゼロの場合に、デジタル信号D1もゼロとなる。信号処理回路111は、増幅回路104のゲインが1倍に設定されている場合(すなわち、メモリ109DにLレベルが保持されている場合)に、デジタル信号D1を上述のデジタル信号Dとして出力する。
D2=4(S-N) …式(2)
デジタルCDS処理によって得られたS-Nにゲインの逆数(4)を掛けているので、直線402の傾きは直線401の傾きと一致する。しかし、容量CFB2を接続することにより発生するスイッチS2のフィードスルー等により、1倍のゲインで増幅された画素リセット信号と、1/4倍のゲインで増幅された画素リセット信号とは互いに異なるオフセットを有する。そのため、図4に示すように、ゲイン設定か切り替わるΔVvlの値において、デジタル信号D2とデジタル信号D1との間にαのずれが生じる。
D3=4(S-N)-α …式(3)
直線403は、増幅回路104のゲインが1/4倍に設定される範囲に含まれる変化量ΔVvlと、上記の式(3)に従って算出されるデジタル信号D3との関係を示す。図4に示すように、直線403は、直線401に対して良好な直線性を有する。信号処理回路111は、増幅回路104のゲインが1/4倍に設定されている場合(すなわち、メモリ109DにHレベルが保持されている場合)に、デジタル信号D3を上述のデジタル信号Dとして出力する。
D=βG×(S-N)-αG …式(4)
αGは、増幅回路104のオフセットに対応するオフセット補正値であり、βGは、増幅回路104のゲインに対応するゲイン補正値である。αG及びβGはそれぞれ、ゲインごとに設定され、メモリ112に保持されている。上述の例では、α1=0、α1/4=α、β1=1、β1/4=4となる。本実施形態では、1倍のゲインで増幅された画素リセット信号を表すデジタル値Nを用いてデジタルCDS処理を行うので、α1=0となる。αは、後述する補正値算出動作によって算出される。βGは、ゲインの逆数である。βGは、増幅器AMPに接続される容量値に基づいて理論的に算出され、固体撮像装置IM1の製造時にメモリ112に格納される。信号処理回路111は、上述のようにして算出された画素値を表すデジタル信号Dを生成し、このデジタル信号Dを固体撮像装置IM1の外部へ出力する。上述のように、信号処理回路111は、画素信号を表すデジタル値Sを補正しているので、補正回路と称されてもよい。
α1/4=(S2-N2)-(S1-N1) …式(5)
ここで、デジタル値N1、N2の何れも、画素リセット信号を1倍のゲインで増幅することによって得られる増幅信号Vampの値を表す。デジタル値S1は、ΔVvl=0である場合の画素信号を1倍のゲインで増幅することによって得られる増幅信号Vampの値を表す。デジタル値S2は、ΔVvl=0である場合の画素信号を1/4倍のゲインで増幅することによって得られる増幅信号Vampの値を表す。よって、この式(5)に従って得られるα1/4は図4に示したαに一致する。
図6及び図7を参照して、固体撮像装置IM1の第1変形例について説明する。第1変形では、設定回路105の構成が異なる。第1変形例の設定回路105は、増幅信号Vampを閾値電圧Vsh以下にクリップする機能を有する。図6は、第1変形例における設定回路105の回路構成例を説明する。
図8~図10を参照して、固体撮像装置IM1の第2変形例である固体撮像装置IM2について説明する。図8に示すように、第2変形例の固体撮像装置IM2は、設定回路105及び比較回路107にかえて設定回路805を有する点で固体撮像装置IM1と異なり、他の点は同様であってもよい。図9を参照して、設定回路805の回路構成例について説明する。図9に示すように、設定回路805は、図1に示した設定回路105と比較回路107とを共通化した構成を有する。
図11を参照して、固体撮像装置IM1の第3変形例である固体撮像装置IM3について説明する。図11に示すように、第3変形例の固体撮像装置IM3は、カウンタ108及びメモリ部109にかえてカウンタ1108及びメモリ部1109を有する点で固体撮像装置IM1と異なり、他の点は同様であってもよい。
図12~図15を参照して、第2実施形態に係る固体撮像装置IM4について説明する。固体撮像装置IM4は、テスト信号生成回路1201を更に備える点で固体撮像装置IM1と異なる。テスト信号生成回路1201は、複数の垂直線102のそれぞれに、テスト信号を供給する。第1実施形態では、ゲイン補正値β1/4として、フィードバック容量の容量値に基づいて理論的に算出した値(4)を用いる。しかし、ゲインを精確に制御することは困難であるので、増幅回路104のゲインが1/4倍に設定されたとしても、実際の増幅信号Vampは異なる値のゲインで増幅されることがある。
D4=4b(S-N) …式(6)
補正係数bの算出方法については後述する。
D5=4b(S-N)-α …式(7)
直線1404は、増幅回路104のゲインが1/4倍に設定される範囲に含まれる変化量ΔVvlと、上記の式(7)に従って算出されるデジタル信号D5との関係を示す。図14に示すように、直線1404は、直線1401に対して良好な直線性を有する。信号処理回路111は、増幅回路104のゲインが1/4倍に設定されている場合(すなわち、メモリ109DにHレベルが保持されている場合)に、デジタル信号D5を上述のデジタル信号Dとして出力する。
b={(S3-N3)-(S1-N1)}/{(S4-N4)/G-(S2-N2)/G} …式(8)
βG=b/G …式(9)
αG=b(S2-N2)/G-(S1-N1) …式(10)
信号処理回路111は、このようにして算出したゲイン補正値βG及びオフセット補正値αGをメモリ112に格納する。信号処理回路111は、式(10)に代えて、以下の式(11)に従ってオフセット補正値αGを算出してもよい。
αG=b(S4-N4)/G-(S3-N3) …式(11)
図16を参照して、第3実施形態に係る撮像システムについて説明する。図16において、撮像システムは、レンズの保護のためのバリア151、被写体の光学像を撮像装置154に結像させるレンズ152、レンズ152を通った光量を可変にするための絞り153を有する。さらに撮像システムは、撮像装置154から出力される信号の処理を行う信号処理部155を有する。撮像装置154から出力される信号は、被写体を撮影した画像を生成するための撮像信号である。信号処理部155は撮像装置154から出力される撮像信号を必要に応じて各種の補正、圧縮を行って画像を生成する。レンズ152及び絞り153は撮像装置154に光を集光する光学系を構成する。
Claims (28)
- 入力されるアナログ信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路によって増幅された前記アナログ信号を、前記増幅回路に設定されたゲインに対応する第1補正値と、当該ゲインにおける前記増幅回路のオフセットに対応する第2補正値とを用いて補正する補正回路と、を備え、
前記増幅回路は、
アナログ信号を異なる複数のゲインのそれぞれで増幅し、
前記アナログ信号を増幅中にゲインを変更することを特徴とする固体撮像装置。 - 入力されるアナログ信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路によって増幅された前記アナログ信号を、前記増幅回路に設定されたゲインに対応する第1補正値と、当該ゲインにおける前記増幅回路のオフセットに対応する第2補正値とを用いて補正する補正回路と、を備え、
前記増幅回路は、
アナログ信号を、第1ゲインと、前記第1ゲインとは異なる第2ゲインとを含む異なる複数のゲインのそれぞれで増幅し、
リセット状態の画素から供給される画素リセット信号を前記第1ゲインで増幅し、
前記補正回路は、
前記第1ゲインで増幅された前記アナログ信号を、前記第1ゲインで増幅された画素リセット信号を用いて補正し、
前記第2ゲインで増幅された前記アナログ信号を、前記第1補正値と、前記第2補正値と、前記第1ゲインで増幅された画素リセット信号とを用いて補正することを特徴とする固体撮像装置。 - 前記第2ゲインで増幅された前記アナログ信号の値をS、前記第1ゲインで増幅された前記画素リセット信号の値をN、前記第1補正値をβ、前記第2補正値をαとして、前記補正回路は、
β×(S-N)-α
に従って前記アナログ信号を補正することを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記アナログ信号は、第1アナログ信号であり、
前記増幅回路は更に、第2アナログ信号を異なる複数のゲインのそれぞれで増幅することを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の固体撮像装置。 - 前記増幅回路は、前記第1アナログ信号を異なる複数のゲインのそれぞれで増幅した後、前記第2アナログ信号を異なる複数のゲインのそれぞれで増幅することを特徴とする請求項4に記載の固体撮像装置。
- 前記アナログ信号を異なる複数のゲインで増幅して得られた複数の信号のそれぞれをデジタル信号に変換するAD変換回路を更に備えることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の固体撮像装置。
- 前記アナログ信号は、第1アナログ信号であり、
前記増幅回路は更に、第2アナログ信号を異なる複数のゲインのそれぞれで増幅し、
前記AD変換回路は更に、前記第2アナログ信号を異なる複数のゲインで増幅して得られた複数の信号のそれぞれをデジタル信号に変換することを特徴とする請求項6に記載の固体撮像装置。 - 前記アナログ信号を生成する画素を更に備えることを特徴とする請求項1乃至7の何れか1項に記載の固体撮像装置。
- 前記第1補正値及び前記第2補正値のそれぞれは、前記アナログ信号を異なる複数のゲインで増幅して得られた複数の信号に基づいて決定されることを特徴とする請求項1乃至8の何れか1項に記載の固体撮像装置。
- 前記アナログ信号は、第1アナログ信号であり、
前記第1補正値及び前記第2補正値のそれぞれは、第2アナログ信号を異なる複数のゲインで増幅して得られた複数の信号に更に基づいて決定されることを特徴とする請求項9に記載の固体撮像装置。 - 前記固体撮像装置は、
前記入力されるアナログ信号として入射光に応じた画素信号を生成する複数の画素と、
画素ごとに前記増幅回路のゲインを設定する設定回路と、を更に備えることを特徴とする請求項1乃至10の何れか1項に記載の固体撮像装置。 - 前記複数の画素が複数の列に渡って配され、
前記複数の列のそれぞれに対応して、複数の前記増幅回路のそれぞれが配され、
前記複数の増幅回路によって増幅された複数の前記画素信号に対して、前記補正回路は、共通の前記第1補正値と、共通の前記第2補正値とを用いて補正することを特徴とする請求項11に記載の固体撮像装置。 - 前記固体撮像装置は、増幅された前記アナログ信号をデジタル値に変換するAD変換回路を更に備え、
前記補正回路は、デジタル値に変換された前記アナログ信号を補正することを特徴とする請求項1乃至12の何れか1項に記載の固体撮像装置。 - 前記増幅回路は、複数のゲインのそれぞれを用いてテスト信号を増幅することによって複数の増幅されたテスト信号を生成し、
前記補正回路は、前記複数の増幅されたテスト信号に基づいて前記第2補正値を決定することを特徴とする請求項1乃至13の何れか1項に記載の固体撮像装置。 - 前記テスト信号は、リセット状態の画素から前記増幅回路に供給される信号であることを特徴とする請求項14に記載の固体撮像装置。
- 前記増幅回路は、複数のゲインのそれぞれを用いて、第1テスト信号と、前記第1テスト信号とは異なる値の第2テスト信号とを増幅することによって複数の増幅されたテスト信号を生成し、
前記補正回路は、前記複数の増幅されたテスト信号に基づいて前記第1補正値を決定することを特徴とする請求項1乃至15の何れか1項に記載の固体撮像装置。 - 前記第1補正値及び前記第2補正値を保持するメモリを更に備え、
前記補正回路は、前記メモリから読み出した前記第1補正値及び前記第2補正値を用いて、増幅された前記アナログ信号を補正することを特徴とする請求項1乃至16の何れか1項に記載の固体撮像装置。 - 増幅された前記アナログ信号と閾値との比較結果に基づいて前記増幅回路がゲインを変更すべきかを判定する設定回路を更に備えることを特徴とする請求項1乃至17の何れか1項に記載の固体撮像装置。
- 前記増幅回路は、前記増幅回路がゲインを変更すべきと前記設定回路が判定した場合に、ゲインを小さくすることを特徴とする請求項18に記載の固体撮像装置。
- 増幅された前記アナログ信号をクリップする回路を更に備えることを特徴とする請求項1乃至19の何れか1項に記載の固体撮像装置。
- 請求項1乃至20の何れか1項に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置によって得られた画素値を処理する信号処理部と、
を備えることを特徴とするカメラ。 - 入力されるアナログ信号を増幅する増幅回路を有する固体撮像装置と、
前記増幅回路によって増幅された前記アナログ信号を補正するための第1補正値と第2補正値とを得る補正回路とを備える撮像システムであって、
前記第1補正値は、前記増幅回路に設定されたゲインに対応する補正値であり、
前記第2補正値は、当該ゲインにおける前記増幅回路のオフセットに対応する補正値であり、
前記増幅回路は、
アナログ信号を異なる複数のゲインのそれぞれで増幅し、
前記アナログ信号を増幅中にゲインを変更することを特徴とする撮像システム。 - 入力されるアナログ信号を増幅する増幅回路を有する固体撮像装置と、
前記増幅回路によって増幅された前記アナログ信号を補正するための第1補正値と第2補正値とを得る補正回路とを備える撮像システムであって、
前記第1補正値は、前記増幅回路に設定されたゲインに対応する補正値であり、
前記第2補正値は、当該ゲインにおける前記増幅回路のオフセットに対応する補正値であり、
前記増幅回路は、
アナログ信号を、第1ゲインと、前記第1ゲインとは異なる第2ゲインとを含む複数のゲインのそれぞれで増幅し、
リセット状態の画素から供給される画素リセット信号を前記第1ゲインで増幅し、
前記補正回路は、
前記第1ゲインで増幅された前記アナログ信号を、前記第1ゲインで増幅された画素リセット信号を用いて補正し、
前記第2ゲインで増幅された前記アナログ信号を、前記第1補正値と、前記第2補正値と、前記第1ゲインで増幅された画素リセット信号とを用いて補正することを特徴とする撮像システム。 - 前記固体撮像装置は、前記補正回路から前記第1補正値と前記第2補正値とが入力される信号処理回路を備え、
前記信号処理回路は、前記第1補正値と前記第2補正値とを用いて、前記増幅回路に設定されたゲインで増幅された前記アナログ信号を補正することを特徴とする請求項22又は23に記載の撮像システム。 - 前記固体撮像装置は第1半導体基板に設けられ、
前記補正回路は、前記第1半導体基板とは別の第2半導体基板に設けられていることを特徴とする請求項22乃至24の何れか1項に記載の撮像システム。 - 前記第1半導体基板と前記第2半導体基板とが積層されていることを特徴とする請求項25に記載の撮像システム。
- 固体撮像装置の制御方法であって、
前記固体撮像装置は、入力されるアナログ信号を増幅する増幅回路を備え、
前記制御方法は、
前記増幅回路によって増幅された前記アナログ信号を、前記増幅回路に設定されたゲインに対応する第1補正値と、当該ゲインにおける前記増幅回路のオフセットに対応する第2補正値とを用いて補正する工程と、
前記増幅回路によってアナログ信号を異なる複数のゲインのそれぞれで増幅し、前記アナログ信号を増幅中にゲインを変更する工程と、を有することを特徴とする制御方法。 - 固体撮像装置の制御方法であって、
前記固体撮像装置は、入力されるアナログ信号を増幅する増幅回路を備え、
前記制御方法は、
前記増幅回路によって増幅された前記アナログ信号を、前記増幅回路に設定されたゲインに対応する第1補正値と、当該ゲインにおける前記増幅回路のオフセットに対応する第2補正値とを用いて補正する工程と、
前記増幅回路によってアナログ信号を、第1ゲインと、前記第1ゲインとは異なる第2ゲインとを含む複数のゲインのそれぞれで増幅する工程と、
前記増幅回路によって、リセット状態の画素から供給される画素リセット信号を前記第1ゲインで増幅する工程と、を有し、
前記増幅回路によって増幅された前記アナログ信号を補正する工程は、
前記第1ゲインで増幅された前記アナログ信号を、前記第1ゲインで増幅された画素リセット信号を用いて補正することと、
前記第2ゲインで増幅された前記アナログ信号を、前記第1補正値と、前記第2補正値と、前記第1ゲインで増幅された画素リセット信号とを用いて補正することと、を含む
ことを特徴とする制御方法。
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