JP5376966B2 - 撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は撮像素子及びその制御方法、及び撮像装置に関し、更に詳しくは、画像信号を増幅して出力する撮像素子及びその制御方法、及び撮像装置に関する。

従来、ＣＣＤやＣＭＯＳＡＰＳ（ＣＭＯＳ Ａｃｔｉｖｅ Ｐｉｘｅｌ Ｓｅｎｓｏｒ）を撮像素子として使用し、撮影した画像を記録するデジタルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置が販売されている。これらの撮像装置における信号を増幅する方法として、主に撮像素子やアナログフロントエンド（ＡＦＥ）で行われるアナログ信号増幅と、撮像信号の処理回路で行われるデジタル信号増幅などがある。

ところで、撮像装置で得られる画像の画質についてノイズの点から考えると、画像に現れるノイズは撮像装置内のどの段階で増幅するかによってその量が異なる。一般的に、信号増幅は撮像装置内の前段で行う方が画像に現れるノイズが少ないが、その理由は、撮像装置内の後段でゲインをかけると、前段と後段との間で発生するノイズも増幅してしまうからである。このように、撮像装置内で信号増幅を行う際は、途中でノイズが混入することから、一般的には光電変換素子に近い側で信号増幅を行う方が画質のよい画像が得られる。光電変換素子に近い側で信号増幅を行う撮像素子として、例えば、特許文献１には列毎にアンプを有する形式の撮像素子が記載されている。

特開２００５‐２１７７７１号公報

ところで、近年のデジタルカメラなどでは、光電変換素子から得られる信号により多くのゲインをかけ、高感度を実現している。しかし、ゲインをかければかけるほど、従来には問題にならなかった特性が顕著になってしまう。例えば、暗時のシェーディングなどがアンプなどの回路の駆動能力不足によって顕著に発生する。これらの特性は、アンプなどの回路の駆動能力などを上げることによって改善する。回路の駆動能力を上げる方法として、回路に流す電流を増やすことが考えられるが、単に電流を増やすと、消費電力の増大につながってしまう。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、消費電力を最小限に抑えると共に、高感度時の撮影においても高画質な画像を得ることができるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の撮像素子は、入射光に応じた電荷を発生する光電変換手段と、前記電荷に応じた電圧信号を増幅する第１の増幅手段とを備えた画素が２次元に配置された画素配列と、前記第１の増幅手段により増幅された前記電圧信号を出力する出力線と、前記出力線に電流を供給する第１の電流源と、第２の電流源を備え、前記出力線に出力された前記電圧信号を増幅する第２の増幅手段と、前記第１の電流源による供給電流量を設定する第１の電流量設定手段と、前記第２の電流源による供給電流量を設定する第２の電流量設定手段と、を有し、前記第１の電流量設定手段は、前記第２の増幅手段のゲインに応じた電流量の電流を前記第１の電流源が前記出力線に供給するように供給電流量を設定する。

また、本発明の撮像装置は、上記撮像素子を搭載したことを特徴とする。

消費電力を最小限に抑えると共に、高感度時の撮影においても高画質な画像を得ることができる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。

図１は、本実施の形態における撮像素子１００の全体構成を概略的に示す図である。図１において、１０１は複数の画素から成る画素部、１０２は垂直選択回路、１０３は読み出し回路、１０４は水平選択回路である。画素部１０１を構成する画素の内、垂直選択回路１０２により選択された行の信号が読み出し回路１０３に転送され、水平選択回路１０４の駆動により、読み出し回路１０３から撮像素子１００の外部に出力される。

図２は、図１に示す画素部１０１内の１画素の構成、及び、読み出し回路１０３の内、その画素から信号を読み出すための構成を示す回路図である。

各画素２０１は、フォトダイオード（ＰＤ）２０２、転送スイッチ２０３、フローティングディフュージョン部（ＦＤ）２０４、リセットスイッチ２０７、増幅ＭＯＳアンプ２０５、及び、選択スイッチ２０６を含む。

ＰＤ２０２は、光学系を通して入射する光を光電変換する光電変換部として機能する。ＰＤ２０２のアノードは接地され、カソードは転送スイッチ２０３のソースに接続される。転送スイッチ２０３は、そのゲートに入力される転送パルスφＴＸによって駆動され、ＰＤ２０２で発生した電荷をＦＤ２０４に転送する。ＦＤ２０４は、電荷を一時的に蓄積するとともに蓄積した電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部として機能する。

増幅ＭＯＳアンプ２０５はソースフォロアとして機能し、そのゲートにはＦＤ２０４で電荷電圧変換された電気信号が入力される。また、増幅ＭＯＳアンプ２０５は、そのドレインが第１電位を提供する第１電源線ＶＤＤ１に接続され、そのソースが選択スイッチ２０６に接続されている。選択スイッチ２０６は、垂直選択回路１０２からそのゲートに入力される垂直選択パルスφＳＥＬによって駆動され、そのドレインが増幅ＭＯＳアンプ２０５に接続され、そのソースが垂直信号線２０８に接続されている。垂直選択パルスφＳＥＬがアクティブレベル（ハイレベル）になると、画素アレイの該当する行に属する画素の選択スイッチ２０６が導通状態になり、増幅ＭＯＳアンプ２０５のソースが垂直信号線２０８に接続される。

リセットスイッチ２０７は、そのドレインが第２電位（リセット電位）を提供する第２電源線ＶＤＤ２に接続され、そのソースがＦＤ２０４に接続されている。リセットスイッチ２０７のゲートに入力されるリセットパルスφＲＥＳによって駆動されて、ＦＤ２０４をリセット電位にリセットして蓄積されている電荷を除去する。

ＦＤ２０４及び増幅ＭＯＳアンプ２０５の他、垂直信号線２０８に定電流を供給する定電流源２０９（第１の電流源）によってフローティングディフュージョンアンプが構成される。選択スイッチ２０６で選択された行を構成する各画素において、ＦＤ２０４に転送された電荷がＦＤ２０４で電圧信号に変換されて、フローティングディフュージョンアンプを通じて読み出し回路１０３の内の対応する回路に出力される。

容量２１０はＦＤ２０４のリセット電位をリセットレベル信号としてクランプするためのクランプコンデンサであり、垂直信号線２０８に接続される。また、コンデンサ２１２、アンプ２１１と合わせて垂直信号線２０８から読み出した信号にゲインをかける。また、クランプスイッチ２１３とクランプパルスφＣとを合わせてクランプ動作が行われる。具体的にはクランプパルスφＣがオンのときにクランプ電位Ｖｒｅｆの電位に垂直信号線２０８の電位をクランプする。

スイッチ２１８は、アンプ２１１（増幅手段）のオフセットを読み出すためのスイッチであり、水平選択回路１０４から供給されるオフセット読み出しパルスφＴＮにより駆動される。オフセット蓄積容量２１９には、画素信号の読み出しの直前にアンプのオフセット信号が蓄積される。

スイッチ２２０は、ＰＤ２０２で発生した電荷信号からクランプ動作で低減したノイズ信号の差分に応じた電圧信号を読み出すためのスイッチであり、水平選択回路１０４から供給される信号読み出しパルスφＴＳにより駆動される。信号レベル蓄積容量２２１には、画素信号の読み出し時に、その画素信号からノイズを低減した信号が蓄積される。

差動アンプ２２３は、オフセット蓄積容量２１９に蓄積された信号のレベルと信号レベル蓄積容量２２１に蓄積された信号のレベルとの差分を出力線２２４に出力するアンプである。スイッチ２２５、２２６は、水平選択回路１０４から供給される水平信号選択パルスφＨｉ（ｉは、現在駆動中の列を表す）によって駆動されて、それぞれ容量２１９、２２１の電位を差動アンプ２２３に伝達する。

ここで、差動アンプ２２３の入力端子に接続された共通出力線２２７ａ、２２７ｂには、典型的には、水平信号選択パルスφＨ１〜φＨ（ｉ‐１）、φＨ（ｉ＋１）〜φＨｎで駆動される他の列のスイッチ２２５、２２６が接続される。つまり、垂直信号線２０８からスイッチ２２６までは、列毎に構成され、差動アンプ２２３は、撮像素子１００の読み出しチャンネル数だけ構成される。なお、ｎは、画素部１０１の列数である。

図３は、定電流源２０９の構成を示す回路図である。ＭＯＳトランジスタを飽和特性領域で使用することで定電流特性を得る。３０１はトランジスタであり、そのドレインが垂直信号線２０８に接続され、ソースがグランド電位に接続される。また、そのゲートには電圧Ｖｉが印加されており、電圧Ｖｉに応じたドレイン電流を定電流として使用している。

図４は、図２に示す各画素２０１の駆動パターンを示している。期間ｔ４０１においてリセットパルスφＲＥＳと転送パルスφＴＸが印加されてリセットスイッチ２０７と転送スイッチ２０３がオンし、ＰＤ２０２とＦＤ２０４の電位がリセット電位にリセットされる。そして、そのリセットの終了とともに新たな露光期間が開始される。

その後、垂直選択パルスφＳＥＬが印加されて選択スイッチ２０６をオンすることによって読み出し行が選択される。読み出し行が選択されると垂直信号線２０８がＦＤ２０４のリセット電位に応じた電位に充電される。

期間ｔ４０２においてクランプパルスφＣが印加されてクランプスイッチ２１３がオンすることによって、アンプ２１１の出力はＦＤ２０４のリセット電位に応じた値がクランプコンデンサ２１０を介してクランプ電位Ｖｆｅｆにクランプされる。さらに期間ｔ４０３において、オフセット読み出しパルスφＴＮが印加されてスイッチ２１８がオンすることによって、ＦＤ２０４のリセットレベルがアンプ２１１でゲイン倍されて容量２１９に書き込まれる。

期間ｔ４０４において転送パルスφＴＸが印加される。転送パルスφＴＸが印加されることによって転送スイッチ２０３がオンし、ＰＤ２０２に蓄積されていた電荷がＦＤ２０４に転送されるとともにＦＤ２０４の電位に応じた電位に垂直信号線２０８が充電される。ここでクランプコンデンサ２１０の出力側（垂直線と接続していない側）の電位はＶｆｅｆとＰＤ２０２の信号に応じた電位となる。すなわちクランプ回路によって、画素２０１毎の増幅ＭＯＳアンプ２０５が有する固定パターンノイズやリセットスイッチ２０７のリセットノイズが取り除かれている。

さらに期間ｔ４０５において、信号読み出しパルスφＴＳを印加してスイッチ２２０をオンすることによって、信号が容量２２１に書き込まれる。

期間ｔ４０６においてパルスφＨｉが印加されると、スイッチ２２５、スイッチ２２６がオンする。これにより、信号レベル蓄積容量２２１に格納された信号とオフセット蓄積容量２１９に格納された信号との差分が差動アンプ２２３によって増幅されて出力線２２４に出力される。このような構成をとることで、信号レベルとリセットレベルとの差分が増幅して出力されるので、撮像素子の固定パターンノイズを低減し、また画素のリセットスイッチのばらつきによるノイズを低減することができる。

アンプ２１１のゲインは容量２１０と容量２１２の比で決定される。図示しないが、容量２１２は複数の選択的に接続可能な容量で構成され、その容量値を切り替えることによって、アンプ２１１でかけるゲインを変更することができる。複数の容量が接続されて、容量２１２の容量値が大きいときは低ゲインとなり、逆に、接続された容量が少なく、容量値が小さいときは高ゲインとなる。

高ゲインがかかっている場合には、暗時の特性もゲイン倍されてしまうので、定電流源２０９の能力を増やすために、電圧Ｖｉを上げる。

電圧Ｖｉは外部で生成することも可能であるが、装置内部で電流バイアス回路を用いて生成しても構わない。ここで、電圧Ｖｉを電流バイアス回路を用いて生成する場合について図５を用いて説明する。

図５は抵抗を使用して定電流を垂直信号線２０８にコピーする回路の一例である。低ゲイン時にはスイッチ５０１がオフになるようにパルスΦＲ＋はネガティブレベル（ローレベル）になっており、定電流能力を決定する電圧Ｖｉは最終的に抵抗５０２によって制御された電流Ｉによって決まる。ここで、高ゲインで撮影するときはΦＲ＋をアクティブレベル（ハイレベル）にすることによって電流Ｉは抵抗５０２と５０３によって決定されるようになる。すなわち、抵抗を並列接続することによって抵抗値を減らすことで、電流Ｉを増大させる。電流Ｉが増大すると電圧Ｖｉは増加するので、定電流能力は増大することになる。

図６はアンプ２１１のゲインに応じて変更する定電流源２０９の電流量の一例を示すテーブルである。アンプ２１１のゲインが１倍から８倍までは定電流源２０９は２０μＡを流し、１６倍では３０μＡを流し、３２倍では４０μＡを流す。このように高ゲイン時だけ電流を増やすことで、暗時の特性を改善することができる。

ところで、暗時の特性はアンプ２１１の能力によっても変動する。図７は基本的な差動増幅器を示す回路図である。このような回路によってアンプ２１１を構成することが可能である。７０１で示すように、アンプ２１１も定電流源（第２の電流源）を有する。定電流源７０１の電流を高ゲイン時だけ上げることによって、アンプ２１１の能力を改善することが可能である。

図８はアンプ２１１のゲインに応じて変更する定電流源２０９の電流量と、アンプ２１１の定電流源７０１の電流量との関係の一例を示すテーブルである。アンプ２１１のゲインが１倍から８倍までは定電流源２０９は２０μＡを流し、１６倍では３０μＡを流し、３２倍では４０μＡを流す。同時にアンプ２１１のゲインが１倍から４倍までは定電流源７０１は３０μＡを流し、８倍から３２倍は４０μＡを流す。

このようにアンプ２１１の定電流源７０１の電流量と、定電流源２０９の電流量とを別々に切り替える。このように制御することによって、定電流源２０９の能力不足による暗時特性とアンプ２１１の電流源７０１の能力不足による暗時特性をそれぞれ必要に応じて改善することが可能となる。

なお、図６及び図８に示すゲインと電流量との関係は一例であり、アンプ２１１及び定電流源２０９及び定電流源７０１の能力に応じて、適宜変更することができる。

次に、図５を参照して、上述した駆動方法により駆動される撮像素子を、撮像装置であるデジタルカメラに搭載した場合の一例について説明する。

図９において、９０１は被写体の光学像を撮像素子１００に結像させるレンズ部で、レンズ駆動回路９０２によってズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などが行われる。９０３はメカニカルシャッタでシャッタ制御回路９０４によって制御される。レンズ部９０１で結像された被写体を画像信号として取り込むための撮像素子１００は、上述した構成を有する。９０６は撮像素子１００より出力される画像信号に各種の補正を行ったり、データを圧縮したりする撮像信号処理回路である。９０７は撮像素子１００、撮像信号処理回路９０６に、各種タイミング信号を出力する駆動手段であるタイミング発生部、９０９は各種演算と撮像装置全体を制御する全体制御・演算部である。９０８は画像データを一時的に記憶する為のメモリ、９１０は記録媒体に記録または読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース（Ｉ／Ｆ）、９１１は画像データの記録また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。９１２は各種情報や撮影画像を表示する表示部、９１３は測光部（測光手段）、９１４は焦点検出部である。

次に、上記構成を有するデジタルカメラにおける撮影時の動作について説明する。

メイン電源がオンされると、制御系の電源がオンし、更に撮像信号処理回路９０６などの撮像系回路の電源がオンされる。

その後、不図示のレリーズボタンが押されると、焦点検出部９１４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し、被写体の焦点状態の検出を全体制御・演算部９０９で行う。その後、レンズ駆動回路９０２によりレンズ部９０１を駆動して、焦点検出部９１４から出力された信号をもとに合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズ部９０１を駆動し、合焦状態を判断する。

合焦が確認された後に撮影動作が開始する。撮影動作を開始するにあたり、カメラで設定されている感度設定に応じて、撮像素子１００のゲイン設定を行う。感度設定は、測光部９１３の測光結果により得られる測光値から求めてもよいし、不図示の感度設定ボタンなどによって設定してもよい（感度設定手段）。

撮影動作が終了すると、撮像素子１００から出力された画像信号は撮像信号処理回路９０６で画像処理され、全体制御・演算部９０９によりメモリに書き込まれる。メモリ９０８に蓄積されたデータは、全体制御・演算部９０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９１０を通り記録媒体９１１に記録される。

また、不図示の外部Ｉ／Ｆ部を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行うようにしてもよい。

上記の通り本実施の形態によれば、アンプ２１１に設定されるゲインに応じてアンプ２１１に供給する電流量を変えるため、消費電力を最小限に抑えると共に、高感度時の撮影においても高画質な画像を得ることができる。

本発明の実施の形態における撮像素子の全体構成を概略的に示す図である。 本発明の実施の形態における撮像素子における１画素の構成及びその画素から信号を読み出すための構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態における定電流源を示す回路図である。 本発明の実施の形態における撮像素子の駆動方法を示すタイミング図である。 本発明の実施の形態における定電流源に供給する電圧を生成する構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態におけるアンプ２１１のゲイン設定と電流量との関係を表す図である。 本発明の実施の形態におけるアンプ２１１の構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態におけるアンプ２１１のゲイン設定と電流量との関係を表す図である。 本発明の実施の形態における撮像装置の構成を示すブロック図である。

２０１ 画素
２０２ フォトダイオード（ＰＤ）
２０３ 転送スイッチ
２０４ フローティングディフュージョン部（ＦＤ）
２０５ 増幅ＭＯＳアンプ
２０６ 選択スイッチ
２０７ リセットスイッチ
２０８ 垂直信号線
２１０ 容量
２１１ アンプ
２１２ コンデンサ
２１３ クランプスイッチ

Claims (8)

1. 入射光に応じた電荷を発生する光電変換手段と、前記電荷に応じた電圧信号を増幅する第１の増幅手段とを備えた画素が２次元に配置された画素配列と、
   前記第１の増幅手段により増幅された前記電圧信号を出力する出力線と、
   前記出力線に電流を供給する第１の電流源と、
   第２の電流源を備え、前記出力線に出力された前記電圧信号を増幅する第２の増幅手段と、
   前記第１の電流源による供給電流量を設定する第１の電流量設定手段と、
   前記第２の電流源による供給電流量を設定する第２の電流量設定手段と、
   を有し、前記第１の電流量設定手段は、前記第２の増幅手段のゲインに応じた電流量の電流を前記第１の電流源が前記出力線に供給するように供給電流量を設定することを特徴とする撮像素子。
2. 前記第２の電流量設定手段は、前記第２の増幅手段のゲインに応じた電流量の電流を前記第２の電流源が供給するように供給電流量を設定することを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記第１の電流量設定手段および前記第２の電流量設定手段は、前記第２の増幅手段のゲインが大きくなるにつれて、前記第１の電流源および前記第２の電流源による供給電流量がそれぞれ増加するように、供給電流量を設定することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像素子。
4. 前記第１の電流量設定手段および前記第２の電流量設定手段は、前記第２の増幅手段のゲインに対する前記第１の電流源による供給電流量と、前記第２の電流源による供給電流量を別々に切り替えることを特徴とする請求項３に記載の撮像素子。
5. 前記第２の増幅手段は、前記出力線毎に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像素子。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像素子を搭載したことを特徴とする撮像装置。
7. 測光手段と、
   前記測光手段の測光結果に基づいて、前記第２の増幅手段のゲインを変更するように制御する制御手段とを有することを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
8. 外部から感度の設定を受け付ける感度設定手段と、
   前記感度設定手段により設定された感度に基づいて、前記第２の増幅手段のゲインを変更するように制御する制御手段とを有することを特徴とする請求項６または７に記載の撮像装置。

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