JP2010057019A - Imaging element, and imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
【課題】水平転送時の回路動作帯域を抑え、消費電力を抑制する撮像素子及び撮像装置を提供する。
【解決手段】カラムA/D回路150は、水平読み出しのために水平加算器153を有する。水平加算器153は、隣接する2列(垂直方向)のカラムA/D回路150の間に配設され、1ビット全加算器である加算器11と、キャリービットをクロック信号に応じて出力するフリップフロップ12と、タイミング制御部140からのMSB制御信号に応じてデータ記憶部152への接続を切り替えるセレクタ13とを有する。加算器11は、隣接する2列のカラムA/D回路150のデータ記憶部152のLSB側から1ビットずつデジタル画像信号を読み出して加算し、片方の列のMSB側のデータ記憶部152に記憶させる。
【選択図】図2An image pickup device and an image pickup apparatus that suppress a circuit operation band during horizontal transfer and reduce power consumption are provided.
A column A / D circuit 150 has a horizontal adder 153 for horizontal reading. The horizontal adder 153 is disposed between two adjacent columns (vertical direction) of column A / D circuits 150, and outputs an adder 11 that is a 1-bit full adder and a carry bit according to a clock signal. The flip-flop 12 and the selector 13 that switches the connection to the data storage unit 152 according to the MSB control signal from the timing control unit 140 are included. The adder 11 reads and adds the digital image signal bit by bit from the LSB side of the data storage unit 152 of the column A / D circuit 150 of two adjacent columns, and stores it in the data storage unit 152 on the MSB side of one column. Let
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、CMOSイメージセンサなど画素が出力するアナログ画像信号をデジタル化して出力する撮像素子及び撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging device and an imaging apparatus that digitize and output an analog image signal output from a pixel such as a CMOS image sensor.
従来、固体撮像素子であるCMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)センサでは、CDS(Correlated Double Sampling)回路を用いて画像信号の処理が行われる。 Conventionally, a CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) sensor, which is a solid-state imaging device, performs image signal processing using a CDS (Correlated Double Sampling) circuit.
例えば、特許文献1、2には、画素内のフォトダイオードからの受光信号を画素の列ごとに配置されたアナログCDS回路に通過させることにより、画像信号に含まれるノイズを除去した後、A/D(Analog/Digital)変換を行うCMOSセンサが開示されている。
For example, in
しかしながら、このようにCDS回路を使用した場合には、画素の列ごとのCDS回路のばらつきにより、筋状の固定的なパターンのノイズが発生するという問題があった。また、CDS処理後の信号値を保持するための容量素子が必要になるため、回路面積が増大するという問題、アナログ信号をシフトレジスタにより高速で水平走査(転送)させるために、スイッチングノイズなどの影響を受け易いという問題もあった。 However, when the CDS circuit is used in this way, there is a problem that noise in a streaky fixed pattern is generated due to variations in the CDS circuit for each column of pixels. In addition, since a capacitance element for holding the signal value after CDS processing is required, there is a problem that the circuit area increases, and in order to horizontally scan (transfer) an analog signal at high speed by a shift register, switching noise and the like There was also the problem of being easily affected.
そこで、例えば、特許文献3では、列並列A/D変換方式(以下、カラムA/D方式と称する)により、これらの問題を解決することが提案されている。
Therefore, for example,
カラムA/D方式では、画素の列(垂直方向、読み出し方向)ごとにA/D変換器が設置されており、選択列について各画素のアナログ画像信号が、各垂直信号線に一括して読み出されて、直接的にA/D変換が行われる。このため、上述したようなCDS回路を使用した場合に生じる問題が解決され、高精度のノイズ除去を実行することができる。
そして、A/D変換されたデジタル信号を列ごとのデータ記憶部で記憶し、水平信号線により行ごと(水平方向、転送方向)に読み出し、信号処理を行うことにより画像データを出力する。
In the column A / D method, an A / D converter is provided for each pixel column (vertical direction, readout direction), and the analog image signal of each pixel is read collectively to each vertical signal line for the selected column. The A / D conversion is performed directly. For this reason, the problem which arises when the above-mentioned CDS circuit is used is solved, and highly accurate noise removal can be executed.
Then, the A / D converted digital signal is stored in the data storage unit for each column, read out for each row (horizontal direction, transfer direction) through the horizontal signal line, and subjected to signal processing to output image data.
上述したカラムA/D方式のCMOSセンサでは、水平方向(転送方向)に読み出した後、信号処理として例えばデジタル加算を行う必要がある。
この場合、多ビットのデジタル加算器が必要となる。
水平転送専用の多ビット加算器ロジックを設けると、CMOSセンサの回路規模は増大し、チップコストが上昇する、という不利益がある。
また、水平加算の場合でも全ての列に対して水平転送を行う必要があるため、転送速度は向上せず、フレームレートをあげることはできない。さらに、水平転送後のアンプ(増幅器)を高帯域で稼動させる必要があるため、回路全体の消費電力が抑制されない、という不利益がある。
In the above-described column A / D type CMOS sensor, it is necessary to perform, for example, digital addition as signal processing after reading in the horizontal direction (transfer direction).
In this case, a multi-bit digital adder is required.
Providing a multi-bit adder logic dedicated to horizontal transfer has the disadvantage that the circuit scale of the CMOS sensor increases and the chip cost increases.
Even in the case of horizontal addition, since it is necessary to perform horizontal transfer for all columns, the transfer rate is not improved and the frame rate cannot be increased. Furthermore, since it is necessary to operate the amplifier (amplifier) after horizontal transfer in a high band, there is a disadvantage that the power consumption of the entire circuit is not suppressed.
本発明は、水平転送時の回路動作帯域を抑え、消費電力を抑制する撮像素子及び撮像装置を提供する。 The present invention provides an imaging device and an imaging apparatus that suppress a circuit operation band during horizontal transfer and suppress power consumption.
上述した目的を達成するために、第1の観点の撮像素子は、入射された光を光電変換し、生成された電荷をアナログ画像信号として出力する複数の画素が行列状に2次元配列された画素部と、前記複数の画素に対して列毎に配線され、1列の画素に共通に接続された読み出し信号線と、前記読み出し信号線に接続され、前記読み出し信号線を介して前記画素部から出力されたアナログ画像信号をA/D(アナログ/デジタル)変換して記憶するカラムA/D回路と、前記カラムA/D回路に記憶された前記信号を転送する転送信号線と、を有し、前記カラムA/D回路は、前記画素部から入力されたアナログ画像信号を、参照信号と比較することによりA/D変換する比較器と、前記比較器によりA/D変換されたデジタル画像信号を記憶する複数のデータ記憶部と、複数列の前記データ記憶部に記憶された前記デジタル画像信号を、転送方向に加算する加算器と、を有する。 In order to achieve the above-described object, the imaging device according to the first aspect includes a plurality of pixels that are two-dimensionally arranged in a matrix form that photoelectrically converts incident light and outputs generated charges as analog image signals. A pixel unit, a readout signal line wired for each of the plurality of pixels and connected in common to the pixels in one column, and the pixel unit connected to the readout signal line via the readout signal line A column A / D circuit for A / D (analog / digital) conversion and storing the analog image signal output from the signal, and a transfer signal line for transferring the signal stored in the column A / D circuit. The column A / D circuit includes a comparator that performs A / D conversion by comparing an analog image signal input from the pixel unit with a reference signal, and a digital image that is A / D converted by the comparator. Remember signal It has a plurality of data storage unit, the digital image signal stored in the data storage unit of the plurality of rows, an adder for adding the forward direction.
第1の観点の撮像素子によれば、カラムA/D方式の撮像素子において、複数列のカラムA/D回路に記憶されたデジタル画像信号の水平加算を行うことができる。 According to the image pickup device of the first aspect, in the column A / D type image pickup device, digital image signals stored in a plurality of columns of column A / D circuits can be horizontally added.
第2の観点の撮像装置によれば、複数の画素を有する撮像素子と、被写体からの光を前記撮像素子の前記画素上に結像させる光学系と、を有し、前記撮像素子は、入射された光を光電変換し、生成された電荷をアナログ画像信号として出力する複数の画素が行列状に2次元配列された画素部と、前記複数の画素に対して列毎に配線され、1列の画素に共通に接続された読み出し信号線と、前記読み出し信号線に接続され、前記読み出し信号線を介して前記画素部から出力されたアナログ画像信号をA/D(アナログ/デジタル)変換して記憶するカラムA/D回路と、前記カラムA/D回路に記憶された前記信号を読み出す転送信号線と、を有し、前記カラムA/D回路は、前記画素部から入力されたアナログ画像信号を、参照信号と比較することによりA/D変換する比較器と、前記比較器によりA/D変換されたデジタル画像信号を記憶する複数のデータ記憶部と、複数列の前記データ記憶部に記憶された前記デジタル画像信号を、転送方向に加算する加算器と、を有する。 According to the imaging device of the second aspect, the imaging device includes an imaging device having a plurality of pixels, and an optical system that forms an image of light from a subject on the pixels of the imaging device. A plurality of pixels in which the generated light is photoelectrically converted and the generated charges are output as analog image signals in a two-dimensional array, and the plurality of pixels are wired for each column. A readout signal line connected in common to the pixels and an analog image signal connected to the readout signal line and output from the pixel portion via the readout signal line are subjected to A / D (analog / digital) conversion. A column A / D circuit for storing, and a transfer signal line for reading out the signal stored in the column A / D circuit, and the column A / D circuit receives an analog image signal input from the pixel unit. Compare with the reference signal A comparator for A / D conversion, a plurality of data storage units for storing digital image signals A / D converted by the comparator, and the digital image signals stored in a plurality of columns of the data storage units. And an adder for adding in the transfer direction.
本発明によれば、水平転送時の回路動作帯域を抑え、消費電力を抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress a circuit operation band at the time of horizontal transfer and suppress power consumption.
以下、本発明の実施形態のCMOSイメージセンサ100について説明する。
図1は、本発明の実施形態に係るCMOSイメージセンサ100の構成例を示すブロック図である。
図1に示すCMOSイメージセンサ100は、列並列A/D変換器を搭載した(カラムA/D方式の)固体撮像素子である。
The
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a
A
図1に示すCMOSイメージセンサ100は、撮像部としての画素部110、垂直走査回路120、水平走査回路130、タイミング制御部140を有する。
さらに、CMOSイメージセンサ100は、カラムA/D回路150、参照信号生成回路(デジタル−アナログ変換装置)160、カウンタ170及び信号処理回路190を有する。
A
Further, the
画素部110は、フォトダイオードと画素内アンプとを含む画素が、例えば図1に示すようにマトリクス状(行列状)に配置されて構成される。
画素部110は、ラインシャッタを使用した光子蓄積・排出により、映像や画面イメージを画素毎に光電変換し、各画素が生成するアナログ出力信号(以下画像信号)VSLを順次出力する。
そして、画素部110が出力するアナログ画像信号を順次読み出すために、内部クロックを生成するタイミング制御部140、垂直走査回路120及び水平走査回路130が配置されている。
タイミング制御部140は、画素部110、垂直走査回路120、水平走査回路130、データ記憶部(カラムA/D変換回路)150、参照信号生成回路160、信号処理回路190の信号処理に必要なタイミング信号を生成する。
The
The
In order to sequentially read out analog image signals output from the
The
カラムA/D回路150は、画素部110からアナログ画像信号を読み出し、記憶する。
カラムA/D回路150は、画素列ごと(垂直信号線121ごと)に配設された複数のカラムA/D回路150−1〜k(kは画素列の数に応じた正の整数)を有する。
なお、垂直信号線121が本発明の読み出し信号線に対応している。
図1に示すように、カラムA/D回路150(各カラムA/D回路150−1〜150−n)は、列ごとに画素部110からのアナログ画像信号を読み出し、A/D(Analog/Digital)変換して記憶する。
カラムA/D回路150は、画素部110から読み出したアナログ画像信号を後述する参照信号生成回路160からのランプ信号を使用したAPGA対応積分型A/D(Analog-Digital)変換する機能を有する。カラムA/D回路150は、さらにデジタルCDS(Correlated Double Sampling:相関2重サンプリング)機能を有し、数ビットのデジタル信号を出力する。
The column A /
The column A /
Note that the vertical signal line 121 corresponds to the read signal line of the present invention.
As shown in FIG. 1, the column A / D circuit 150 (each column A / D circuit 150-1 to 150-n) reads an analog image signal from the
The column A /
参照信号生成回路160は、デジタル−アナログ変換器であり、タイミング制御部140のクロック信号や制御信号に応じて、A/D変換用の参照信号(ランプ信号)を生成し、カラムA/D回路150に出力する。
参照信号生成回路160における参照信号の生成方法の詳細については、本実施形態では説明を省略する。参照信号の生成方法としては、既存の技術を利用することができる。
The reference
The details of the reference signal generation method in the reference
水平走査回路130は、転送速度の確保のために数チャンネル同時並列で水平方向(転送方向、行方向)の読み出しを制御する。
タイミング制御部140においては、画素部110、垂直走査回路120、水平走査回路130、カラムA/D回路150、カウンタ170等の各ブロックでの信号処理に必要なタイミングを作成している。
カウンタ170は、カラムA/D回路150に記憶させるデジタル画像信号を生成するためのカウンタであり、タイミング制御部140生成するクロック信号をカウントする。
信号処理回路190では、水平信号線131より読み出されたデジタル画像信号に対して、パラレル−シリアル変換、圧縮、符号化、加算、平均、間欠動作などのデジタル信号処理を行い、2次元画像データを生成する。
水平信号線131が、本発明の転送信号線に対応している。
The
In the
The
The
The horizontal signal line 131 corresponds to the transfer signal line of the present invention.
以下、カラムA/D回路150の詳細について説明する。
図2に、本実施形態のCMOSイメージセンサ100におけるカラムA/D回路150の特定の列(例えば第n列と第n+1列)の構成の詳細とその周辺のブロックについて示した。
図2は、カラムA/D回路150の具体的な構成とその他の構成との関係を示した図である。
図2に示すように、カラムA/D回路150は、比較器(コンパレータ)151、データ記憶部152、水平加算器153を有する。
上述したように、カラムA/D回路150は、1〜kのk個のカラムA/D回路150−1〜kを有するが、それぞれが上述した各構成、比較器151、データ記憶部152、水平加算器153を有する。
Details of the column A /
FIG. 2 shows details of the configuration of specific columns (for example, the n-th column and the (n + 1) -th column) of the column A /
FIG. 2 is a diagram illustrating a relationship between a specific configuration of the column A /
As shown in FIG. 2, the column A /
As described above, the column A /
比較器151は、参照信号生成回路160により生成される参照信号の電圧と、画素部110の画素から垂直信号線121を経由して得られるアナログ画像信号の電位とを比較する。
比較器151における比較時間は、カウンタ170によりカウントされる。
比較器151の動作時には、カウンタ170が同時に動作しており、参照信号の電圧とカウンタ値が一対一の対応を取りながら変化することにより、垂直信号線121の電位をデジタル信号に変換する。すなわち、比較器151により、画素部110により出力されたアナログ画像信号がデジタル信号へと変換される。
The comparator 151 compares the voltage of the reference signal generated by the reference
The comparison time in the comparator 151 is counted by the
During the operation of the comparator 151, the
データ記憶部152は、比較器151によりA/D変換されたデジタル画像信号を記憶する。
データ記憶部152は、多ビットのデータ記憶回路であり、1ビットごとに記憶するデータ記憶部152−1〜mを有する(mはビット数に応じた正の整数)。
なお、本実施形態ではLSB(Least Significant Bit:最下位ビット)側のデータ記憶部を152−1、MSB(Most Significant Bit:最下位ビット)側のデータ記憶部を152−mとする。
The data storage unit 152 stores the digital image signal that has been A / D converted by the comparator 151.
The data storage unit 152 is a multi-bit data storage circuit, and includes data storage units 152-1 to 152-1 to m that store every bit (m is a positive integer corresponding to the number of bits).
In the present embodiment, the data storage unit on the LSB (Least Significant Bit) side is 152-1 and the data storage unit on the MSB (Most Significant Bit) side is 152-m.
水平加算器153は、タイミング制御部140から供給される制御信号及びクロック信号に応じて、隣接する2つのカラムA/D回路150のデータ記憶部152が記憶するデジタル画像信号をLSB側から読み出す。
以下では、例えば、n列とn+1列のカラムA/D回路150について考える。
なお、データ記憶部152は、タイミング制御部140から加算モード信号線141を介して供給されるモード制御信号に応じて、動作モードを変更可能に構成されている。動作モードは、例えばデジタル画像信号を記憶する通常モードと、水平加算器による水平加算時の加算モードとがある。
加算モードにおいては、データ記憶部152は、水平加算器153に対してLSB側のデータ(デジタル画像信号)を出力した後、MSB側からLSB側へ1ビットずつデータをシフトする。
The
In the following, for example, consider column A /
The data storage unit 152 is configured to be able to change the operation mode in accordance with a mode control signal supplied from the
In the addition mode, the data storage unit 152 outputs the data (digital image signal) on the LSB side to the
上述したような機構により、水平加算器153にはn列とn+1列のカラムA/D回路150のデータ記憶部152に記憶されているデジタル画像信号をLSB側から1ビットずつ読み出すことができる。
水平加算器153は、加算クロック信号線142を介してタイミング制御部140から供給されるクロック信号に応じて、上述したようにデータ記憶部152から読み出した水平方向のデジタル画像信号を、LSB側から順次加算する。
そして、水平加算器153は、加算した結果をn列のカラムA/D回路150のデータ記憶部152−1〜152−mに記憶させる。
With the mechanism as described above, the digital image signal stored in the data storage unit 152 of the column A /
The
Then, the
本実施形態のCMOSイメージセンサ100では、上述したような構成により、隣接する列のカラムA/D回路150において、データ記憶部152に記憶されたデジタル画像信号を水平加算器153により水平方向に加算することができる。
この後、水平走査回路130により各列のカラムA/D回路150のデータ記憶部152を水平に読み出し、信号処理回路190により信号処理を行って画像データを出力することができる。
In the
Thereafter, the data storage unit 152 of the column A /
水平加算器153による水平方向の加算時のタイムチャートを図3(a)に示す。
図3は、水平加算器153の動作時のタイムチャートを示した図である。
図3(a)に示すように、まずタイミング制御部140は加算モード信号線141を介して加算モード信号をハイレベルにする。
これに応じて、データ記憶部152が加算モードとなる。
次に、加算クロック信号線142を介してクロック信号が水平加算器153に供給されると、水平加算器153はクロック信号に応じてデータ記憶部の152のLSB側から読み出したデジタル画像信号を1クロックに1ビットずつ加算する。
したがって、クロック信号のパルス回数はm回である。
A time chart at the time of horizontal addition by the
FIG. 3 is a diagram showing a time chart when the
As shown in FIG. 3A, the
In response to this, the data storage unit 152 enters the addition mode.
Next, when a clock signal is supplied to the
Therefore, the number of pulses of the clock signal is m.
なお、カラムA/D回路150においては、水平加算器153を使用して、水平方向に加算した後、平均を取ることも可能である。
水平加算器153は、加算した結果をn列のカラムA/D回路150のMSB側のデータ記憶部152−mに記憶させるところまでは上述した説明と同様である。
次に、MSB制御信号線143を介してタイミング制御部140からMSB制御信号が供給され、さらに加算クロック信号線142を介して1クロック分だけクロック信号が入力される。そうすると、水平加算器153はキャリービット(繰り上がり)をn列のカラムA/D回路150のMSB側のデータ記憶部152−mに入力する。
これにより、加算平均値がn列のカラムA/D回路150のデータ記憶部152−1〜152−mに記憶される。
In the column A /
The
Next, an MSB control signal is supplied from the
As a result, the addition average value is stored in the data storage units 152-1 to 152-m of the column A /
水平加算器153による水平方向の加算平均算出時のタイムチャートを図3(b)に示す。
図3(b)に示すように、まずタイミング制御部140は加算モード信号線141を介して加算モード信号をハイレベルにする。
これに応じて、データ記憶部152が加算モードとなる。
次に、加算クロック信号線142を介してクロック信号が水平加算器153に供給されると、水平加算器153はクロック信号に応じてデータ記憶部の152のLSB側から読み出したデジタル画像信号を1クロックに1ビットずつ加算する。
タイミング制御部140は、mビット分のクロック信号(パルス回数m回)を供給したら、MSB制御信号線143を介してMSB制御信号を1パルスだけ供給するとともに、クロック信号を1クロック分供給する。
これにより、水平加算器153はキャリービットをn列のカラムA/D回路150のMSB側のデータ記憶部152−mに入力し、加算平均値が記憶される。
したがって、この場合のクロック信号のパルス回数はm+1回である。
FIG. 3B shows a time chart at the time of horizontal addition average calculation by the
As shown in FIG. 3B, the
In response to this, the data storage unit 152 enters the addition mode.
Next, when a clock signal is supplied to the
When the
As a result, the
Accordingly, the number of pulses of the clock signal in this case is m + 1.
次に、水平加算器153の構成の一例について説明する。
図4は、水平加算器153の構成の一例を示した図である。
図4に示すように、水平加算器153は加算器11、フリップフロップ12、セレクタ13を有する。
加算器11が本発明の加算回路に対応し、フリップフロップ12が本発明のフリップフロップ回路に対応している。
加算器11にはn列のカラムA/D回路150からの入力信号線14、n+1列のカラムA/D回路150からの入力信号線15が接続される。
フリップフロップ12には、タイミング制御部140からの加算クロック信号線142が接続される。
セレクタ13には、タイミング制御部140からのMSB制御信号線143が接続される。
Next, an example of the configuration of the
FIG. 4 is a diagram showing an example of the configuration of the
As shown in FIG. 4, the
The
The
The addition
An MSB
加算器11は、任意の桁数の2進数の加算を行う1ビット全加算器である。
加算器11の入力Aはn列のカラムA/D回路150からの入力信号線14からのデジタル画像信号である。
加算器11の入力Bはn+1列のカラムA/D回路150からの入力信号線15からのデジタル画像信号である。
キャリー入力Cinは、フリップフロップ12から出力される。
キャリー出力Coutは、フリップフロップ12に入力される。
The
An input A of the
The input B of the
Carry input Cin is output from flip-
Carry output Cout is input to flip-
フリップフロップ12には、加算器11からのキャリービットと、タイミング制御部140からのクロック信号が入力される。フリップフロップ12は、クロック信号に応じてキャリービットを保持あるいは出力する。
すなわち、フリップフロップ12は、クロック信号がローレベルからハイレベルに変化したときのみ入力されたキャリービットを出力値として出力する。それ以外の時間は、以前の出力を保持する。
The carry bit from the
That is, the flip-
セレクタ13には、タイミング制御部140からのMSB制御信号と、加算器11からの出力値(加算されたデジタル画像信号)と、フリップフロップ12からのキャリービット出力値が入力される。
セレクタ13は、タイミング制御部140からのMSB制御信号に応じて、n列のデータ記憶部へ入力する信号を切り替える。
すなわち、セレクタ13は、タイミング制御部140からのMSB制御信号がローレベルのときには加算器11からの出力値を、MSB制御信号がハイレベルとなったときにはフリップフロップ12からのキャリービット出力値をn列のデータ記憶部へ入力する。
セレクタ13は、例えばタイミング制御部140からのMSB制御信号に応じて動作するスイッチ部である。
The
The
That is, the
The
以下、水平加算器153による水平加算動作の詳細について説明する。
図5〜9は、水平加算器153による水平加算動作の詳細について説明するための図である。
図5〜9では、n列のカラムA/D回路150と、n+1列のカラムA/D回路150との水平加算動作について説明する。また、図5〜10では、説明の簡単のためにそれぞれのカラムA/D回路150が4個のデータ記憶部152−1〜152−4を有する場合について説明する。
Details of the horizontal addition operation by the
5 to 9 are diagrams for explaining the details of the horizontal addition operation by the
5 to 9, horizontal addition operations of the n column A /
図5〜9において、実線の矢印は加算前のデータの動きを示しており、破線の矢印は加算後のデータの動きを示している。
まず、図5に示すように、n列及びn+1列のカラムA/D回路150の各データ記憶部152−1から、水平加算器153の加算器11に対してデジタル画像信号の1ビット目が転送される(実線の矢印1)。図5においては、丸に囲まれていない数字が当該数字に対応するビット数目の加算前データを示している。
そして、データ記憶部152−2〜4から、1つ上位ビットのデータ記憶部に対して、それぞれ記憶しているデジタル画像信号をシフトする(実線の矢印2〜4)。
加算器11は、n列のデータ記憶部152−1から転送されたデジタル画像信号の1ビット目と、n+1列のデータ記憶部152−1から転送されたデジタル画像信号の1ビット目とを加算する。
そして、出力Yから出力し、n列のデータ記憶部152−4に転送し記憶させる。図5においては、丸に囲まれた数字が当該数字に対応するビット数目の加算後データを示している。
また、キャリービットをCoutから出力してフリップフロップ12に入力する。
なお、図5において、タイミング制御部140からMSB制御信号が入力されていないため、セレクタ13は加算器11の出力Yをn列のデータ記憶部152−4に接続している。
5 to 9, solid arrows indicate the movement of data before addition, and broken arrows indicate the movement of data after addition.
First, as shown in FIG. 5, the first bit of the digital image signal is transferred from each data storage unit 152-1 of the column A /
Then, the stored digital image signals are shifted from the data storage units 152-2 to 152-4 to the data storage unit of one upper bit (
The
And it outputs from the output Y, transfers to the data storage part 152-4 of n columns, and memorizes it. In FIG. 5, the numbers surrounded by circles indicate the added data of the bit number corresponding to the numbers.
The carry bit is output from Cout and input to the flip-
In FIG. 5, since the MSB control signal is not input from the
次に、図6に示すように、加算前の2ビット目のデジタル画像信号が加算器11に入力される。
加算器11はn列のデジタル画像信号とn+1列のデジタル画像信号の2ビット目を加算して出力Yから出力し、n列のデータ記憶部152−4に記憶させる。
各列のデータ記憶部152においては、それぞれ記憶しているデジタル画像信号の該当ビットを上位のデータ記憶部に転送する。
また、フリップフロップ12は、加算器11のCoutから入力されたキャリービットをクロック信号の入力に応じて出力し、加算器11のCinに入力する。加算器11は入力されたキャリービットを使用してn列のデジタル画像信号とn+1列のデジタル画像信号の2ビット目の加算を行う。
Next, as shown in FIG. 6, the digital image signal of the second bit before addition is input to the
The
The data storage unit 152 in each column transfers the corresponding bit of the stored digital image signal to the upper data storage unit.
The flip-
図7及び図8では、図6と同様に、3ビット目、4ビット目の加算動作を示している。
図9では、n列のカラムA/D回路150のLSB側のデータ記憶部152−1に、加算前のn列のデータ記憶部152−1のデジタル画像信号の1ビット目と、加算前のn+1列のデータ記憶部152−1の1ビット目とが加算されたデータが記憶される。
以下同様に、n列のデータ記憶部152−2には加算された2ビット目のデータが記憶される。n列のデータ記憶部152−3には加算された3ビット目のデータが記憶される。n列のMSB側のデータ記憶部152−4には加算された4ビット目のデータが記憶される。
そして、図9では、加算平均を取るために、セレクタ13にタイミング制御部140からMSB制御信号が入力され、セレクタ13はフリップフロップ12から出力されたキャリービットをn列のデータ記憶部152−4に接続する。
その後、各ビットのデータ記憶部152からデータが出力され、MSB側のデータ記憶部152−4にはキャリービットが記憶された後、キャリービットも出力されることにより、加算平均が出力される。
7 and 8 show the addition operation of the third bit and the fourth bit, as in FIG.
In FIG. 9, the data storage unit 152-1 on the LSB side of the column A /
Similarly, the n-th column data storage unit 152-2 stores the added second bit data. The n-th column data storage unit 152-3 stores the added third bit data. The added fourth bit data is stored in the data storage unit 152-4 on the MSB side of the n columns.
In FIG. 9, the MSB control signal is input from the
Thereafter, the data is output from the data storage unit 152 of each bit, and after the carry bit is stored in the data storage unit 152-4 on the MSB side, the carry bit is also output, thereby outputting the addition average.
なお、図5〜9に示すように、データ記憶部152−1〜152−4は、それぞれタイミング制御部140から供給されるクロック信号を基に動作する。例えばフリップフロップにより構成されたラッチ回路である。
As shown in FIGS. 5 to 9, the data storage units 152-1 to 152-4 operate based on the clock signals supplied from the
以上説明したように、本実施形態のCMOSイメージセンサ100によれば、画素部110が生成したアナログ画像信号をA/D変換して記憶し、読み出すカラムA/D回路150は、水平読み出しのために水平加算器153を有する。
水平加算器153は、隣接する2列(垂直方向、読み出し方向)のカラムA/D回路150の間に配設され、当該2列のデータ記憶部152に記憶されたデジタル画像信号を加算する。
水平加算器153は1ビット全加算器である加算器11と、キャリービットをクロック信号に応じて出力するフリップフロップ12と、タイミング制御部140からのMSB制御信号に応じてデータ記憶部152への接続を切り替えるセレクタ13とを有する。
そして、加算器11は、隣接する2列のカラムA/D回路150のデータ記憶部152のLSB側から1ビットずつデジタル画像信号を読み出して加算し、片方の列のMSB側のデータ記憶部152に記憶させる。データ記憶部152の各ビットは、水平加算器153により加算動作が行われるたびに記憶しているデジタル画像信号を1ビットずつ上位にシフトする。これらの加算動作は、タイミング制御部140から供給されるクロック信号に応じて行われる。
As described above, according to the
The
The
Then, the
したがって、カラムA/D方式のCMOSイメージセンサにおいて、水平加算時に専用の多ビット加算器が必要なく、1ビットの全加算器である加算器11とフリップフロップ12のみで水平加算器153を構成することが可能である。なお、セレクタ13は加算平均を取る際にのみ利用される構成要素であるため、ここでは必要構成要素としてカウントしない。
また、水平加算により水平読み出しの回数が減るため、フレームレートの上昇を見込むことができる。
また、水平加算により、全画素読み出し時と比較して水平読み出しの速度を抑えることができるので、水平走査回路130の動作帯域を抑えることができ、消費電力の低減が可能となる。
Therefore, in the column A / D type CMOS image sensor, a dedicated multi-bit adder is not required at the time of horizontal addition, and the
In addition, since the number of horizontal readings is reduced by horizontal addition, an increase in the frame rate can be expected.
Further, the horizontal addition can suppress the horizontal reading speed as compared with the case of reading all the pixels, so that the operating band of the
さらに、本実施形態のCMOSイメージセンサ100によれば、データ記憶部152のMSBまでの加算が終了した場合には、加算平均をとることが可能である。すなわち、タイミング制御部140からのMSB制御信号に応じてセレクタ13が切り替わり、キャリービットがMSB側のデータ記憶部152に記憶されることにより加算平均が可能である。
Furthermore, according to the
なお、本発明は、上述した実施形態にとどまらず、様々な態様に応用が可能である。
以下では、本発明に係る実施形態の変形例について説明する。
<変形例1>
CMOSイメージセンサ100の実施形態の変形例1について説明する。
変形例1では、上述した実施形態のようにカウンタ170によりカラムA/D回路150におけるA/D変換時の比較器151の比較時間をカウントする代わりに、各列のカラムA/D回路150にアップダウンカウンタを設置して比較時間をカウントする。
変形例1のCMOSイメージセンサ100におけるカラムA/D回路150付近の構成図を図10に示す。
図10に示すように、各列のカラムA/D回路150内にアップダウンカウンタ154が設置されている場合も、本発明は適用が可能である。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be applied to various aspects.
Below, the modification of embodiment which concerns on this invention is demonstrated.
<
In the first modification, instead of counting the comparison time of the comparator 151 at the time of A / D conversion in the column A /
FIG. 10 shows a configuration diagram in the vicinity of the column A /
As shown in FIG. 10, the present invention can also be applied when an up / down counter 154 is installed in the column A /
<変形例2>
CMOSイメージセンサ100の実施形態の変形例2について説明する。
変形例2におけるCMOSイメージセンサ100の構成については、上述した実施形態において図1及び図2に関連付けてした説明と同様であるため、説明を省略する。
上述した実施形態では、隣接した2列(n列とn+1列)の水平加算を行う場合について説明したが、本変形例2では、隣接した4列(例えばn列、n+1列、n+2列、n+3列)の水平加算を行う場合について説明する。
図11、12は、隣接した4列の水平加算について説明するための図である。
図11に示すように、n列のカラムA/D回路150のデータ記憶部152と、n+1列のカラムA/D回路のデータ記憶部152とが水平加算器153−1に接続される。同様に、n+2列のカラムA/D回路150のデータ記憶部152と、n+3列のカラムA/D回路のデータ記憶部152とが水平加算器153−2に接続される。
<
The configuration of the
In the embodiment described above, the case of performing horizontal addition of two adjacent columns (n column and n + 1 column) has been described, but in the second modification, four adjacent columns (for example, n column, n + 1 column, n + 2 column, n + 3) are described. A case of performing horizontal addition of (column) will be described.
11 and 12 are diagrams for explaining horizontal addition of four adjacent columns.
As shown in FIG. 11, the data storage unit 152 of the column A /
図11(a)〜(e)に示すように、n列のデータ記憶部152のデジタル画像信号とn+1列のデータ記憶部152のデジタル画像信号とがLSB側から水平加算器153−1により加算され、n列のデータ記憶部152のMSB側に記憶される。
同時に、n+2列のデータ記憶部152のデジタル画像信号とn+3列のデータ記憶部152のデジタル画像信号とがLSB側から水平加算器153−1により加算され、n+2列のデータ記憶部152のMSB側に記憶される。
As shown in FIGS. 11A to 11E, the digital image signal of the n column data storage unit 152 and the digital image signal of the n + 1 column data storage unit 152 are added by the horizontal adder 153-1 from the LSB side. And stored in the MSB side of the data storage unit 152 of n columns.
At the same time, the digital image signal of the n + 2 column data storage unit 152 and the digital image signal of the n + 3 column data storage unit 152 are added from the LSB side by the horizontal adder 153-1, and the MSB side of the n + 2 column data storage unit 152 is added. Is remembered.
MSB側のデータ記憶部152に記憶されるデジタル画像信号が加算された後、図12(a)に示すように、水平加算器152−1及び152−2に対するデータ記憶部152の接続が変更される。
すなわち、図12(a)に示すように、水平加算器153−1にn列とn+2列のデータ記憶部が接続されるように変更される。
そして、図12(a)〜(e)に示すように、水平加算器153−1によりn列とn+2列のデータ記憶部に記憶されるデジタル画像信号がLSB側から加算されてn列のデータ記憶部152のMSB側から順次記憶される。
これにより、隣接する4列のカラムA/D回路150のデータ記憶部152に記憶されるデジタル画像信号が加算され、1列のカラムA/D回路150のデータ記憶部152に記憶されることになる。
本変形例2を応用することにより、任意の2の倍数列のカラムA/D回路150のデータ記憶部152のデジタル画像信号を加算することも可能である。
After the digital image signals stored in the data storage unit 152 on the MSB side are added, the connection of the data storage unit 152 to the horizontal adders 152-1 and 152-2 is changed as shown in FIG. The
That is, as shown in FIG. 12A, the horizontal adder 153-1 is changed to connect the data storage units of n columns and n + 2 columns.
Then, as shown in FIGS. 12A to 12E, the digital image signals stored in the data storage units of the n columns and the n + 2 columns are added from the LSB side by the horizontal adder 153-1, and the n columns of data are added. The data are sequentially stored from the MSB side of the storage unit 152.
As a result, the digital image signals stored in the data storage unit 152 of the four columns of adjacent column A /
By applying the second modification, it is also possible to add digital image signals in the data storage unit 152 of the column A /
<変形例3>
CMOSイメージセンサ100の実施形態の変形例3について説明する。
変形例3におけるCMOSイメージセンサ100の構成については、上述した実施形態において図1及び図2に関連付けてした説明と同様であるため、説明を省略する。
本変形例3においては、画素部110がベイヤ配列のカラーフィルタを有する。
ベイヤ配列は、図13に示すように、光の三原色RGBのそれぞれを交互に配置した配列である。ベイヤ配列では、人間の目の視覚特性に合わせて、G(緑)がR(赤)及びB(青)の2倍配置されるようになっている。
<
A
The configuration of the
In the third modification, the
As shown in FIG. 13, the Bayer array is an array in which the three primary colors RGB of light are alternately arranged. In the Bayer array, G (green) is arranged twice as large as R (red) and B (blue) in accordance with the visual characteristics of the human eye.
本変形例3では、ベイヤ配列の画素部110から読み出した各色ごとのアナログ画像信号を、色ごとに異なる列のカラムA/D回路150のデータ記憶部152に記憶させる場合について説明する。
図14に、ベイヤ配列に対応した水平加算の動作の一例を示す。
図14は、ベイヤ配列に対応した水平加算の動作について説明するための図である。
図14(a)に示す例では、n列及びn+2列のカラムA/D回路150のデータ記憶部152には、R(赤)のデジタル画像信号が記憶されている。また、n+1列及びn+3列のカラムA/D回路150のデータ記憶部152には、B(青)のデジタル画像信号が記憶されている。
In the third modification, a case where the analog image signal for each color read from the
FIG. 14 shows an example of the horizontal addition operation corresponding to the Bayer array.
FIG. 14 is a diagram for explaining the horizontal addition operation corresponding to the Bayer array.
In the example shown in FIG. 14A, R (red) digital image signals are stored in the data storage unit 152 of the column A /
そして、図14(a)に示すように、n列及びn+2列のカラムA/D回路150のデータ記憶部152が水平加算器153−1に、n+1列及びn+3列のカラムA/D回路150のデータ記憶部152が水平加算器153−2に接続されている。
したがって、水平加算器153−1は、図14(a)〜(e)に示すように、n列のデータ記憶部152のデジタル画素信号(R)と、n+2列のデータ記憶部152のデジタル画素信号(R)とを、上述した実施形態と同様の手法で水平加算する。
同様に、水平加算器153−2は、図14(a)〜(e)に示すように、n+1列のデータ記憶部152のデジタル画素信号(B)と、n+3列のデータ記憶部152のデジタル画素信号(B)とを、上述した実施形態と同様の手法で水平加算する。
このような構成により、変形例3のCMOSイメージセンサ100では、ベイヤ配列に対応した色ごとのデジタル画像信号の水平加算を行うことができる。
Then, as shown in FIG. 14A, the data storage unit 152 of the column A /
Accordingly, as shown in FIGS. 14A to 14E, the horizontal adder 153-1 includes the digital pixel signal (R) of the n-column data storage unit 152 and the digital pixel of the n + 2 column data storage unit 152. The signal (R) is horizontally added by the same method as in the above-described embodiment.
Similarly, as shown in FIGS. 14A to 14E, the horizontal adder 153-2 performs digital pixel signal (B) of the data storage unit 152 in the (n + 1) th column and digital data in the data storage unit 152 in the (n + 3) th column. The pixel signal (B) is horizontally added by the same method as in the above-described embodiment.
With such a configuration, the
なお、上述した実施形態のCMOSイメージセンサ100は、固体撮像素子として例えばデジタルカメラ等の撮像装置に適用することが可能である。
以下、その適用例について説明する。
Note that the
Hereinafter, application examples thereof will be described.
図15は、撮像装置300の構成の一例を示すブロック図である。
図15に示すように、撮像装置300は、レンズを含む光学系71、撮像デバイス72、カメラ信号処理回路73およびシステムコントローラ74等によって構成されている。
光学系71は、本発明の光学系に対応している。
FIG. 15 is a block diagram illustrating an example of the configuration of the
As illustrated in FIG. 15, the
The
光学系71は、レンズなどにより被写体からの像光を撮像デバイス72の撮像面に結像する。撮像デバイス72は、光学系71によって撮像面に結像された像光を画素単位で電気信号に変換して得られる画像信号を出力する。この撮像デバイス72として、先述した実施形態に係る列並列A/D変換器搭載のCMOSイメージセンサ100が用いられる。
The
カメラ信号処理回路73は、撮像デバイス72から出力される画像信号に対して種々の信号処理を行う。システムコントローラ74は、撮像デバイス72やカメラ信号処理回路73に対する制御を行う。
特に、撮像デバイス72の列並列ADCは、画素全ての情報を読み出すプログレッシブ走査方式での通常フレームレートモードを有する。また、撮像デバイス72の列並列ADCは、通常フレームレートモード時に比べて、画素の露光時間を1/Nに設定してフレームレートをN倍に上げる高速フレームレートモードを有する。この場合、撮像デバイス72の列並列A/D変換器において、各動作モードに対応したA/D変換動作が可能であれば、外部からの指令に応じて動作モードの切り替え制御などを行う。
The camera
In particular, the column parallel ADC of the
本発明は上述した実施形態には限定されない。
すなわち、本発明の実施に際しては、本発明の技術的範囲またはその均等の範囲内において、上述した実施形態の構成要素に関し様々な変更並びに代替を行ってもよい。
The present invention is not limited to the embodiment described above.
That is, when implementing the present invention, various modifications and alternatives may be made to the components of the above-described embodiments within the technical scope of the present invention or an equivalent scope thereof.
100…イメージセンサ、110…画素部、120…垂直走査回路、121…垂直信号線、130…水平走査回路、131…水平信号線、140…タイミング制御部、141…加算モード信号線、142…加算クロック信号線、143…MSB制御信号線、150…カラムA/D回路、151…比較器、152…データ記憶部、153…水平加算器、154…アップダウンカウンタ、160…参照信号生成回路、170…カウンタ、190…信号処理回路、11…加算器、12…フリップフロップ、13…セレクタ、14…入力信号線、15…入力信号線、300…撮像装置、71…光学系、72…撮像デバイス、73…カメラ信号処理回路、74…システムコントローラ
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記複数の画素に対して列毎に配線され、1列の画素に共通に接続された読み出し信号線と、
前記読み出し信号線に接続され、前記読み出し信号線を介して前記画素部から出力されたアナログ画像信号をA/D(アナログ/デジタル)変換して記憶するカラムA/D回路と、
前記カラムA/D回路に記憶された前記信号を転送する転送信号線と、
を有し、
前記カラムA/D回路は、
前記画素部から入力されたアナログ画像信号を、参照信号と比較することによりA/D変換する比較器と、
前記比較器によりA/D変換されたデジタル画像信号を記憶する複数のデータ記憶部と、
複数列の前記データ記憶部に記憶された前記デジタル画像信号を、転送方向に加算する加算器と、
を有する撮像素子。 A pixel unit in which a plurality of pixels that photoelectrically convert incident light and output the generated charges as an analog image signal are two-dimensionally arranged in a matrix;
Read signal lines wired for each of the plurality of pixels and commonly connected to one column of pixels;
A column A / D circuit connected to the readout signal line, for A / D (analog / digital) conversion and storing the analog image signal output from the pixel unit via the readout signal line;
A transfer signal line for transferring the signal stored in the column A / D circuit;
Have
The column A / D circuit is
A comparator that performs A / D conversion by comparing an analog image signal input from the pixel unit with a reference signal;
A plurality of data storage units for storing digital image signals A / D converted by the comparator;
An adder for adding the digital image signals stored in the data storage units in a plurality of columns in a transfer direction;
An imaging device having
複数列の前記カラムA/D回路に配設され、当該複数列のカラムA/D回路の前記データ記憶部に記憶されたデジタル画像信号を転送方向に加算する
請求項1に記載の撮像素子。 The adder is
The imaging device according to claim 1, wherein the image sensor is arranged in a plurality of columns of A / D circuits and adds a digital image signal stored in the data storage unit of the plurality of columns of column A / D circuits in a transfer direction.
請求項2に記載の撮像素子。 The imaging device according to claim 2, wherein a plurality of the data storage units are provided for each column, and the digital image signal is stored bit by bit in each data storage unit.
前記加算器により最下位ビットが読み出されると、上位のビットから1つ下位のビットに記憶したデジタル画像信号をシフトし、
前記加算器は、
複数列の前記データ記憶部の最下位ビットを読み出して加算し、加算結果を前記複数列のうちのいずれかの列の前記データ記憶部の最上位ビットに記憶させる
請求項3に記載の撮像素子。 The data storage unit
When the least significant bit is read by the adder, the stored digital image signal is shifted from the upper bit to the one lower bit,
The adder is
The imaging device according to claim 3, wherein the least significant bit of the data storage unit of a plurality of columns is read and added, and the addition result is stored in the most significant bit of the data storage unit of any column of the plurality of columns. .
をさらに有し、
前記加算器の前記データ記憶部からのデータ読み出しと、前記データ記憶部における上位ビットから下位ビットへのシフトとが、前記タイミング制御部が供給する前記クロック信号に応じて行われる
請求項4に記載の撮像素子。 A timing control unit for supplying a clock signal;
The data read from the data storage unit of the adder and the shift from the upper bit to the lower bit in the data storage unit are performed according to the clock signal supplied by the timing control unit. Image sensor.
請求項5に記載の撮像素子。 The imaging device according to claim 5, wherein among the plurality of column A / D circuits, the column A / D circuit connected to the adder can be arbitrarily switched.
1ビット全加算器である加算回路と、
前記加算回路から入力されるキャリービットを保持し、前記タイミング制御部から供給される前記クロック信号の立ち上がりに合わせて当該キャリービットを前記加算回路に出力するフリップフロップ回路と、
を有する
請求項6に記載の撮像素子。 The adder is
An adder circuit which is a 1-bit full adder;
A flip-flop circuit that holds a carry bit input from the adder circuit and outputs the carry bit to the adder circuit in accordance with a rising edge of the clock signal supplied from the timing control unit;
The imaging device according to claim 6.
前記タイミング制御部から供給される制御信号に応じて、出力を前記加算回路の出力から前記フリップフロップ回路のキャリービット出力へと切り替えるセレクタ
をさらに有し、
前記タイミング制御部は、
前記複数列のカラムA/D回路のデータ記憶部において、最下位ビットから最上位ビットまでの転送方向加算が終了した時点で、前記セレクタに対して前記制御信号を供給するとともに、前記加算器及び前記フリップフロップ回路に対して1クロック分のクロック信号を供給し、
前記フリップフロップ回路は、
前記クロック信号に応じて、前記キャリービットを前記データ記憶部の最上位ビットに出力する
請求項7に記載の撮像素子。 The adder is
A selector that switches the output from the output of the adder circuit to the carry bit output of the flip-flop circuit according to a control signal supplied from the timing control unit;
The timing controller is
In the data storage unit of the column A / D circuit of the plurality of columns, when the transfer direction addition from the least significant bit to the most significant bit is completed, the control signal is supplied to the selector, and the adder and Supplying a clock signal for one clock to the flip-flop circuit;
The flip-flop circuit is
The imaging device according to claim 7, wherein the carry bit is output to the most significant bit of the data storage unit according to the clock signal.
被写体からの光を前記撮像素子の前記画素上に結像させる光学系と、
を有し、
前記撮像素子は、
入射された光を光電変換し、生成された電荷をアナログ画像信号として出力する複数の画素が行列状に2次元配列された画素部と、
前記複数の画素に対して列毎に配線され、1列の画素に共通に接続された読み出し信号線と、
前記読み出し信号線に接続され、前記読み出し信号線を介して前記画素部から出力されたアナログ画像信号をA/D(アナログ/デジタル)変換して記憶するカラムA/D回路と、
前記カラムA/D回路に記憶された前記信号を読み出す転送信号線と、
を有し、
前記カラムA/D回路は、
前記画素部から入力されたアナログ画像信号を、参照信号と比較することによりA/D変換する比較器と、
前記比較器によりA/D変換されたデジタル画像信号を記憶する複数のデータ記憶部と、
複数列の前記データ記憶部に記憶された前記デジタル画像信号を、転送方向に加算する加算器と、
を有する撮像装置。 An imaging device having a plurality of pixels;
An optical system that forms an image of light from a subject on the pixels of the imaging device;
Have
The image sensor is
A pixel unit in which a plurality of pixels that photoelectrically convert incident light and output the generated charges as an analog image signal are two-dimensionally arranged in a matrix;
Read signal lines wired for each of the plurality of pixels and commonly connected to one column of pixels;
A column A / D circuit connected to the readout signal line, for A / D (analog / digital) conversion and storing the analog image signal output from the pixel unit via the readout signal line;
A transfer signal line for reading the signal stored in the column A / D circuit;
Have
The column A / D circuit is
A comparator that performs A / D conversion by comparing an analog image signal input from the pixel unit with a reference signal;
A plurality of data storage units for storing digital image signals A / D converted by the comparator;
An adder for adding the digital image signals stored in the data storage units in a plurality of columns in a transfer direction;
An imaging apparatus having
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