KR20140094416A

KR20140094416A - 고체 촬상 장치

Info

Publication number: KR20140094416A
Application number: KR1020130087828A
Authority: KR
Inventors: 다카히코 미하라; 유키야스 다츠자와; 다츠지 아시타니; 유미 야츠나미
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2033-07-25
Also published as: CN103945135A; US20140204253A1; KR101497821B1; JP2014143498A

Abstract

본 발명에 의하면, 고체 촬상 장치의 저조도 시의 감도를 유지하면서 다이내믹 레인지를 확장함과 함께, 블루밍을 억제한다.
판독 타이밍 제어부(7E)는, 화소 PC에 축적된 전하의 판독 타이밍을 제어하고, 제1 노광용 리셋 타이밍 제어부(7C)는, 화소 어레이부(1)의 제1 라인 상의 화소 PC에 축적된 전하의 리셋 타이밍을 제어하며, 제2 노광용 리셋 타이밍 제어부(7D)는, 화소 어레이부(1)의 제1 라인 상의 화소 PC보다 노광 기간이 짧아지도록 제2 라인 상의 화소 PC에 축적된 전하의 리셋 타이밍을 제어하고, 보조 리셋 타이밍 제어부(7F)는, 화소 어레이부(1)의 제2 라인 상의 화소 PC의 비노광 기간에 제2 라인 상의 화소 PC에 축적된 전하의 리셋 타이밍을 제어한다.

Description

고체 촬상 장치{SOLID-STATE IMAGING DEVICE}

본 발명의 실시 형태는, 고체 촬상 장치에 관한 것이다.

고체 촬상 장치에서는, 저조도 시의 감도를 유지하면서 다이내믹 레인지를 확장하기 위하여, 단시간 노광되는 라인과 장시간 노광되는 라인을 교대로 설정하여, 단시간 노광되는 라인의 화소로부터 얻어진 화상 신호와 장시간 노광되는 라인의 화소로부터 얻어진 화상 신호를 합성한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 저조도 시의 감도를 유지하면서 다이내믹 레인지를 확장함과 함께, 블루밍(blooming)을 억제하는 것이 가능한 고체 촬상 장치를 제공하는 것이다.

실시 형태의 고체 촬상 장치는, 광전 변환된 전하를 축적하는 화소가 매트릭스 형상으로 배치된 화소 어레이부와, 상기 화소를 수직 방향으로 주사하는 수직 주사 회로와, 상기 화소를 수평 방향으로 주사하는 수평 주사 회로와, 상기 화소로부터 판독된 화소 신호를 수직 방향으로 전송하는 수직 신호선과, 상기 화소 사이에서 소스 폴로워(source follower) 동작을 행함으로써, 상기 화소로부터 상기 수직 신호선으로 컬럼마다 신호를 판독하는 부하 회로와, 상기 화소의 노광 기간을 라인마다 제어하는 노광 기간 제어부와,

상기 화소의 비노광 기간에 상기 화소에 축적된 전하의 배출 제어를 라인마다 행하는 전하 배출 제어부와, 상기 화소로부터 판독된 상기 노광 기간의 상이한 신호를 합성하는 화상 처리 장치를 구비하고,

상기 노광 기간 제어부는, 상기 화소에 축적된 전하의 판독 타이밍을 제어하는 판독 타이밍 제어부와, 제1 라인 상의 상기 화소에 축적된 전하의 리셋 타이밍을 제어하는 제1 노광용 리셋 타이밍 제어부와, 상기 제1 라인 상의 상기 화소보다 상기 노광 기간이 짧아지도록 제2 라인 상의 상기 화소에 축적된 전하의 리셋 타이밍을 제어하는 제2 노광용 리셋 타이밍 제어부를 구비하며,

상기 전하 배출 제어부는, 상기 제2 라인 상의 상기 화소의 비노광 기간에 상기 제2 라인 상의 상기 화소에 축적된 전하의 리셋 타이밍을 제어하는 보조 리셋 타이밍 제어부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

다른 실시 형태의 고체 촬상 장치는, 광전 변환된 전하를 축적하는 화소가 매트릭스 형상으로 배치된 화소 어레이부와, 상기 화소의 노광 기간을 라인마다 제어하는 노광 기간 제어부와, 상기 화소의 비노광 기간에 상기 화소에 축적된 전하의 배출 제어를 라인마다 행하는 전하 배출 제어부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 구성의 고체 촬상 장치에 의하면, 저조도 시의 감도를 유지하면서 다이내믹 레인지를 확장함과 함께, 블루밍을 억제하는 것이 가능하다.

도 1은, 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치의 개략 구성을 도시하는 블록도이다.
도 2는, 도 1의 고체 촬상 장치의 화소의 구성예를 도시하는 회로도이다.
도 3의 (a)는, 제1 노광 기간에서의 도 2의 화소의 각 부의 전압 파형을 도시하는 타이밍 차트, 도 3의 (b)는, 제2 노광 기간에서의 도 2의 화소의 각 부의 전압 파형을 도시하는 타이밍 차트이다.
도 4의 (a)는, 제1 노광 기간에서의 PD 전하량을 도시하는 타이밍 차트, 도 4의 (b)는, 제2 노광 기간에서의 PD 전하량을 도시하는 타이밍 차트, 도 4의 (c)는, 화소의 리셋 타이밍과 판독 타이밍을 라인마다 도시하는 타이밍 차트이다.
도 5는, 제1 노광 기간 및 제2 노광 기간에 판독된 신호를 합성하는 화상 처리 장치의 개략 구성을 도시하는 블록도이다.
도 6의 (a)는, 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치의 제1 노광 기간에서의 PD 전하량을 도시하는 타이밍 차트, 도 6의 (b)는, 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치의 제2 노광 기간에서의 PD 전하량을 도시하는 타이밍 차트, 도 6의 (c)는, 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 리셋 타이밍과 판독 타이밍을 라인마다 도시하는 타이밍 차트이다.

이하에 첨부 도면을 참조하여, 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치를 상세하게 설명한다. 또한, 이들 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

(제1 실시 형태)

도 1은 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치의 개략 구성을 도시하는 블록도이다.

도 1에 있어서, 고체 촬상 장치에는, 화소 어레이부(1)가 설치되어 있다. 화소 어레이부(1)에는, 광전 변환된 전하를 축적하는 화소 PC가 로우 방향 RD 및 컬럼 방향 CD로 매트릭스 형상으로 배치되어 있다. 또한, 이 화소 어레이부(1)에 있어서, 로우 방향 RD으로 화소 PC의 판독 제어를 행하는 수평 제어선 Hlin이 설치되고, 컬럼 방향 CD로는 화소 PC로부터 판독된 신호를 전송하는 수직 신호선 Vlin이 설치되어 있다.

또한, 고체 촬상 장치에는, 판독 대상이 되는 화소 PC를 수직 방향으로 주사하는 수직 주사 회로(2), 화소 PC 사이에서 소스 폴로워 동작을 행함으로써, 화소 PC로부터 수직 신호선 Vlin으로 컬럼마다 신호를 판독하는 부하 회로(3), 각 화소 PC의 신호 성분을 CDS에서 컬럼마다 검출하는 컬럼 ADC 회로(4), 판독 대상이 되는 화소 PC를 수평 방향으로 주사하는 수평 주사 회로(5), 컬럼 ADC 회로(4)에 기준 전압 VREF를 출력하는 기준 전압 발생 회로(6) 및 각 화소 PC의 판독이나 축적의 타이밍을 제어하는 타이밍 제어 회로(7)가 설치되어 있다. 또한, 기준 전압 VREF는 램프파를 사용할 수 있다.

또한, 화소 어레이부(1)에서는, 촬상 화상을 컬러화하기 위하여, 4개의 화소 PC를 1조로 한 베이어 배열(Bayer array) HP를 이룰 수 있다. 이 베이어 배열 HP에서는, 한쪽의 대각 방향에 2개의 녹색용 화소 g가 배치되고, 다른 쪽의 대각 방향에 1개의 적색용 화소 r과 1개의 청색용 화소 b가 배치된다.

타이밍 제어 회로(7)에는, 노광 기간 제어부(7A) 및 전하 배출 제어부(7B)가 설치되어 있다. 노광 기간 제어부(7A)에는, 제1 노광용 리셋 타이밍 제어부(7C), 제2 노광용 리셋 타이밍 제어부(7D) 및 판독 타이밍 제어부(7E)가 설치되어 있다. 전하 배출 제어부(7B)에는, 보조 리셋 타이밍 제어부(7F)가 설치되어 있다. 노광 기간 제어부(7A)는, 화소 PC의 노광 기간을 라인마다 제어한다. 전하 배출 제어부(7B)는, 화소 PC의 비노광 기간에 화소 PC에 축적된 전하의 배출 제어를 라인마다 행한다. 판독 타이밍 제어부(7E)는, 화소 PC에 축적된 전하의 판독 타이밍을 제어한다. 제1 노광용 리셋 타이밍 제어부(7C)는, 화소 어레이부(1)의 제1 라인 상의 화소 PC에 축적된 전하의 리셋 타이밍을 제어한다. 제2 노광용 리셋 타이밍 제어부(7D)는, 화소 어레이부(1)의 제1 라인 상의 화소 PC보다 노광 기간이 짧아지도록 제2 라인 상의 화소 PC에 축적된 전하의 리셋 타이밍을 제어한다. 보조 리셋 타이밍 제어부(7F)는, 화소 어레이부(1)의 제2 라인 상의 화소 PC의 비노광 기간에 제2 라인 상의 화소 PC에 축적된 전하의 리셋 타이밍을 제어한다. 또한, 제1 라인과 제2 라인은, 화소 어레이부(1) 상에서 교대로 설정할 수 있다. 예를 들어, 베이어 배열 HP에서는, 제1 라인은, 화소 어레이부(1)의 4n+1(n은 0 이상의 정수)행째와 4n+2행째, 제2 라인은, 화소 어레이부(1)의 4n+3행째와 4n+4행째에 설정할 수 있다.

그리고, 수직 주사 회로(2)에서 화소 PC가 수직 방향으로 주사됨으로써, 로우 방향 RD로 화소 PC가 선택된다. 그리고, 부하 회로(3)에 있어서, 그 화소 PC 사이에서 소스 폴로워 동작이 행해짐으로써, 화소 PC로부터 판독된 신호가 수직 신호선 Vlin을 통하여 전송되어, 컬럼 ADC 회로(4)로 보내어진다. 또한, 기준 전압 발생 회로(6)에 있어서, 기준 전압 VREF로서 램프파가 설정되어, 컬럼 ADC 회로(4)로 보내어진다. 그리고, 컬럼 ADC 회로(4)에 있어서, 화소 PC로부터 판독된 신호 레벨과 리셋 레벨이 램프파의 레벨에 일치할 때까지 클록의 카운트 동작이 행해지고, 그때의 신호 레벨과 리셋 레벨의 차분이 산출됨으로써 각 화소 PC의 신호 성분이 CDS에서 검출되며, 출력 신호 S1로서 출력된다.

여기서, 화소 어레이부(1)의 제1 라인 상의 화소 PC보다 노광 기간이 짧아지도록 제2 라인 상의 화소 PC에 축적된 전하의 리셋 타이밍을 제어함으로써, 제1 라인 상의 화소 PC에서는 제2 라인 상의 화소 PC에 비하여 감도를 높게 할 수 있다. 이로 인해, 제1 라인 상의 화소 PC로부터 생성된 출력 신호 S1과 제2 라인 상의 화소 PC로부터 생성된 출력 신호 S1을 합성함으로써, 다이내믹 레인지를 향상시킬 수 있다.

또한, 화소 어레이부(1)의 제2 라인 상의 화소 PC의 비노광 기간에 제2 라인 상의 화소 PC에 축적된 전하의 리셋 타이밍을 제어함으로써, 비노광 기간에 제2 라인 상의 화소 PC에 축적되는 전하를 감소시킬 수 있다. 이로 인해, 비노광 기간에 제2 라인 상의 화소 PC에 축적되는 전하가 제1 라인 상의 화소 PC에 넘치는 것(overflow)을 억제할 수 있어, 블루밍을 저감시킬 수 있다.

도 2는 도 1의 고체 촬상 장치의 화소의 구성예를 도시하는 회로도이다.

도 2에 있어서, 화소 PC에는, 포토 다이오드 PD, 행 선택 트랜지스터 Ta, 증폭 트랜지스터 Tb, 리셋 트랜지스터 Tc 및 판독 트랜지스터 Td가 각각 설치되어 있다. 또한, 증폭 트랜지스터 Tb와 리셋 트랜지스터 Tc와 판독 트랜지스터 Td의 접속점에는 검출 노드로서 플로팅 디퓨전(floating diffusion) FD가 형성되어 있다.

그리고, 판독 트랜지스터 Td의 소스는, 포토 다이오드 PD에 접속되고, 판독 트랜지스터 Td의 게이트에는, 판독 신호 READ가 입력된다. 또한, 리셋 트랜지스터 Tc의 소스는, 판독 트랜지스터 Td의 드레인에 접속되고, 리셋 트랜지스터 Tc의 게이트에는, 리셋 신호 RESET가 입력되며, 리셋 트랜지스터 Tc의 드레인은, 전원 전위 VDD에 접속되어 있다. 또한, 행 선택 트랜지스터 Ta의 게이트에는, 행 선택 신호 ADRES가 입력되고, 행 선택 트랜지스터 Ta의 드레인은, 전원 전위 VDD에 접속되어 있다. 또한, 증폭 트랜지스터 Tb의 소스는, 수직 신호선 Vlin에 접속되고, 증폭 트랜지스터 Tb의 게이트는, 판독 트랜지스터 Td의 드레인에 접속되며, 증폭 트랜지스터 Tb의 드레인은, 행 선택 트랜지스터 Ta의 소스에 접속되어 있다.

또한, 도 1의 수평 제어선 Hlin은, 판독 신호 READ, 리셋 신호 RESET 및 행 선택 신호 ADRES를 로우마다 화소 PC에 전송할 수 있다.

도 3의 (a)는 제1 노광 기간에서의 도 2의 화소의 각 부의 전압 파형을 도시하는 타이밍 차트, 도 3의 (b)는 제2 노광 기간에서의 도 2의 화소의 각 부의 전압 파형을 도시하는 타이밍 차트이다.

도 3의 (a)에 있어서, 도 1의 화소 어레이부(1)의 제1 라인 상의 화소 PC에는 제1 노광 기간 EX1이 설정되고, 도 3의 (b)에 있어서, 도 1의 화소 어레이부(1)의 제2 라인 상의 화소 PC에는 제2 노광 기간 EX2가 설정된다. 제1 노광 기간 EX1은 제2 노광 기간 EX2보다 길다.

그리고, 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이, 제1 라인 상의 화소 PC에서는, 행 선택 신호 ADRES가 로우 레벨인 경우, 행 선택 트랜지스터 Ta가 오프 상태로 되어, 수직 신호선 Vlin에 화소 신호 VSIG는 출력되지 않는다. 이때, 판독 신호 READ와 리셋 신호 RESET가 하이 레벨이 되면(ta1), 판독 트랜지스터 Td가 온되어, 제1 비노광 기간 NX1에 포토 다이오드 PD에 축적되어 있던 전하가 플로팅 디퓨전 FD에 배출된다. 그리고, 리셋 트랜지스터 Tc를 통하여 전원 VDD에 배출된다.

제1 비노광 기간 NX1에 포토 다이오드 PD에 축적되어 있던 전하가 전원 VDD에 배출된 후, 판독 신호 READ가 로우 레벨이 되면, 포토 다이오드 PD에서는, 유효한 신호 전하의 축적이 개시되고, 제1 비노광 기간 NX1로부터 제1 노광 기간 EX1로 이행한다.

이어서, 행 선택 신호 ADRES가 하이 레벨이 되면(ta2), 화소 PC의 행 선택 트랜지스터 Ta가 온되어, 증폭 트랜지스터 Tb의 드레인에 전원 전위 VDD가 인가된다.

그리고, 행 선택 트랜지스터 Ta가 온인 상태에서 리셋 신호 RESET가 하이 레벨이 되면(ta3), 리셋 트랜지스터 Tc가 온되어, 플로팅 디퓨전 FD에 누설 전류 등에서 발생한 여분의 전하가 리셋된다. 그리고, 플로팅 디퓨전 FD의 리셋 레벨에 따른 전압이 증폭 트랜지스터 Tb의 게이트에 인가되고, 수직 신호선 Vlin의 전압이 증폭 트랜지스터 Tb의 게이트에 인가된 전압을 추종함으로써(follow), 리셋 레벨의 화소 신호 VSIG가 수직 신호선 Vlin에 출력된다.

그리고, 리셋 레벨의 화소 신호 VSIG는 컬럼 ADC 회로(4)에 입력되어, 기준 전압 VREF와 비교된다. 그리고, 그 비교 결과에 기초하여 리셋 레벨의 화소 신호 VSIG가 디지털값으로 변환되어 유지된다.

이어서, 화소 PC의 행 선택 트랜지스터 Ta가 온인 상태에서 판독 신호 READ가 하이 레벨이 되면(ta4), 판독 트랜지스터 Td가 온되어, 제1 노광 기간 EX1에 포토 다이오드 PD에 축적되어 있던 전하가 플로팅 디퓨전 FD에 전송된다. 그리고, 플로팅 디퓨전 FD의 신호 판독 레벨에 따른 전압이 증폭 트랜지스터 Tb의 게이트에 인가되고, 수직 신호선 Vlin의 전압이 증폭 트랜지스터 Tb의 게이트에 인가된 전압을 추종함으로써, 신호 판독 레벨의 화소 신호 VSIG가 수직 신호선 Vlin에 출력된다.

그리고, 신호 판독 레벨의 화소 신호 VSIG는 컬럼 ADC 회로(4)에 입력되어, 기준 전압 VREF와 비교된다. 그리고, 그 비교 결과에 기초하여 리셋 레벨의 화소 신호 VSIG와 신호 판독 레벨의 화소 신호 VSIG의 차분이 디지털값으로 변환되어, 제1 노광 기간 EX1에 따른 출력 신호 S1로서 출력된다.

한편, 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 제2 라인 상의 화소 PC에서는, 행 선택 신호 ADRES가 로우 레벨인 경우, 행 선택 트랜지스터 Ta가 오프 상태로 되어, 수직 신호선 Vlin에 화소 신호 VSIG는 출력되지 않는다. 이때, 판독 신호 READ와 리셋 신호 RESET가 하이 레벨이 되면(tb1), 판독 트랜지스터 Td가 온되어, 제2 비노광 기간 NX2에 포토 다이오드 PD에 축적되어 있던 전하가 플로팅 디퓨전 FD에 배출된다. 그리고, 리셋 트랜지스터 Tc를 통하여 전원 VDD에 배출된다.

제2 비노광 기간 NX2에 포토 다이오드 PD에 축적되어 있던 전하가 전원 VDD에 배출된 후, 판독 신호 READ가 로우 레벨이 되면, 포토 다이오드 PD에서는, 제2 비노광 기간 NX2에 있어서의 유효한 신호 전하의 축적이 개시된다.

그 후, 판독 신호 READ와 리셋 신호 RESET가 다시 하이 레벨이 되면(tb2), 판독 트랜지스터 Td가 온되어, 제2 비노광 기간 NX2에 포토 다이오드 PD에 축적되어 있던 전하가 플로팅 디퓨전 FD에 다시 배출된다. 그리고, 리셋 트랜지스터 Tc를 통하여 전원 VDD에 배출된다.

제2 비노광 기간 NX2에 포토 다이오드 PD에 축적되어 있던 전하가 전원 VDD에 다시 배출된 후, 판독 신호 READ가 로우 레벨이 되면, 포토 다이오드 PD에서는, 유효한 신호 전하의 축적이 개시되고, 제2 비노광 기간 NX2로부터 제2 노광 기간 EX2로 이행한다.

이어서, 행 선택 신호 ADRES가 하이 레벨이 되면(tb3), 화소 PC의 행 선택 트랜지스터 Ta가 온되어, 증폭 트랜지스터 Tb의 드레인에 전원 전위 VDD가 인가된다.

그리고, 행 선택 트랜지스터 Ta가 온인 상태에서 리셋 신호 RESET가 하이 레벨이 되면(tb4), 리셋 트랜지스터 Tc가 온되어, 플로팅 디퓨전 FD에 누설 전류 등에서 발생한 여분의 전하가 리셋된다. 그리고, 플로팅 디퓨전 FD의 리셋 레벨에 따른 전압이 증폭 트랜지스터 Tb의 게이트에 인가되고, 수직 신호선 Vlin의 전압이 증폭 트랜지스터 Tb의 게이트에 인가된 전압을 추종함으로써, 리셋 레벨의 화소 신호 VSIG가 수직 신호선 Vlin에 출력된다.

이어서, 화소 PC의 행 선택 트랜지스터 Ta가 온인 상태에서 판독 신호 READ가 하이 레벨이 되면(tb5), 판독 트랜지스터 Td가 온되어, 제2 노광 기간 EX2에 포토 다이오드 PD에 축적되어 있던 전하가 플로팅 디퓨전 FD에 전송된다. 그리고, 플로팅 디퓨전 FD의 신호 판독 레벨에 따른 전압이 증폭 트랜지스터 Tb의 게이트에 인가되고, 수직 신호선 Vlin의 전압이 증폭 트랜지스터 Tb의 게이트에 인가된 전압을 추종함으로써, 신호 판독 레벨의 화소 신호 VSIG가 수직 신호선 Vlin에 출력된다.

그리고, 신호 판독 레벨의 화소 신호 VSIG는 컬럼 ADC 회로(4)에 입력되어, 기준 전압 VREF와 비교된다. 그리고, 그 비교 결과에 기초하여 리셋 레벨의 화소 신호 VSIG와 신호 판독 레벨의 화소 신호 VSIG와의 차분이 디지털값으로 변환되어, 제2 노광 기간 EX2에 따른 출력 신호 S1로서 출력된다.

도 4의 (a)는 제1 노광 기간에서의 PD 전하량을 도시하는 타이밍 차트, 도 4의 (b)는 제2 노광 기간에서의 PD 전하량을 도시하는 타이밍 차트, 도 4의 (c)는 화소의 리셋 타이밍과 판독 타이밍을 라인마다 도시하는 타이밍 차트이다. 또한, 도 4의 (a) 내지 도 4의 (c)의 예에서는, 화소 PC가 베이어 배열 HP를 이루고, 제1 라인(라인 L1, L2, L5, L6)과 제2 라인(라인 L3, L4, L7, L8)이 2라인씩 교대로 설정되는 경우를 도시한다.

도 4의 (a) 내지 도 4의 (c)에 있어서, 라인 L1, L2, L5, L6에서는, 제1 노광 기간 EX1 및 제1 비노광 기간 NX1이 설정되고, 라인 L3, L4, L7, L8에서는, 제2 노광 기간 EX2 및 제2 비노광 기간 NX2가 설정된다.

그리고, 예를 들어 라인 L2의 화소 PC에서는, 제1 비노광 기간 NX1에 포토 다이오드 PD에 축적된 전하가 배출됨으로써(t1), 제1 비노광 기간 NX1로부터 제1 노광 기간 EX1로 이행한다. 한편, 예를 들어 라인 L3의 화소 PC에서는, 제2 비노광 기간 NX2에 포토 다이오드 PD에 축적된 전하가 배출되어(t2), 제2 비노광 기간 NX2가 유지된다. 그 후, 라인 L3의 화소 PC에서는, 제2 비노광 기간 NX2에 포토 다이오드 PD에 축적된 전하가 다시 배출되어(t3), 제2 비노광 기간 NX2로부터 제2 노광 기간 EX2로 이행한다.

이어서, 라인 L2의 화소 PC에서는, 제1 노광 기간 EX1에 포토 다이오드 PD에 축적된 전하가 판독됨으로써(t4), 제1 노광 기간 EX1로부터 제1 비노광 기간 NX1로 이행한다. 한편, 라인 L3의 화소 PC에서는, 제2 노광 기간 EX2에 포토 다이오드 PD에 축적된 전하가 판독됨으로써(t5), 제2 노광 기간 EX2로부터 제2 비노광 기간 NX2로 이행한다.

마찬가지로, 라인 L2의 화소 PC에서는, 제1 비노광 기간 NX1에 포토 다이오드 PD에 축적된 전하가 배출됨으로써(t6), 제1 비노광 기간 NX1로부터 제1 노광 기간 EX1로 이행한다. 한편, 라인 L3의 화소 PC에서는, 제2 비노광 기간 NX2에 포토 다이오드 PD에 축적된 전하가 배출되어(t7), 제2 비노광 기간 NX2가 유지된다. 그 후, 라인 L3의 화소 PC에서는, 제2 비노광 기간 NX2에 포토 다이오드 PD에 축적된 전하가 다시 배출되어(t8), 제2 비노광 기간 NX2로부터 제2 노광 기간 EX2로 이행한다.

이어서, 라인 L2의 화소 PC에서는, 제1 노광 기간 EX1에 포토 다이오드 PD에 축적된 전하가 판독됨으로써(t9), 제1 노광 기간 EX1로부터 제1 비노광 기간 NX1로 이행한다. 한편, 라인 L3의 화소 PC에서는, 제2 노광 기간 EX2에 포토 다이오드 PD에 축적된 전하가 판독됨으로써(t10), 제2 노광 기간 EX2로부터 제2 비노광 기간 NX2로 이행한다.

여기서, 제1 노광 기간 EX1이 제2 노광 기간 EX2보다 길면, 제2 비노광 기간 NX2는 제1 비노광 기간 NX1보다 길어진다. 그리고, 제2 비노광 기간 NX2가 길어지면, 제2 비노광 기간 NX2에 포토 다이오드 PD에 축적되는 전하량이 증가한다. 이 결과, 포토 다이오드 PD의 입사광량이 크면, 제2 비노광 기간 NX2에 포토 다이오드 PD에 축적된 전하가 넘쳐, 라인 L3 상의 화소 PC로부터 라인 L2 상의 화소 PC에 유입된다. 라인 L3 상의 화소 PC로부터 라인 L2 상의 화소 PC에 전하가 유입되면, 라인 L2 상의 화소 PC의 전하량은 점선으로 나타내는 바와 같이 증대되어, 블루밍이 발생한다. 이로 인해, 제2 비노광 기간 NX2에 포토 다이오드 PD에 축적된 전하를 제2 비노광 기간 NX2에 복수 회 반복하여 포토 다이오드 PD로부터 배출시킴으로써, 제2 비노광 기간 NX2에 포토 다이오드 PD에 축적되는 전하량을 감소시킬 수 있어, 제2 비노광 기간 NX2에 포토 다이오드 PD에 축적된 전하가 넘치는 것을 억제할 수 있다.

또한, 제2 노광 기간 EX2의 제2 라인 상의 화소 PC의 판독 타이밍(라인 L3에서는 시각 t7)과 제2 비노광 기간 NX2의 제2 라인 상의 화소 PC의 리셋 타이밍(라인 L3에서는 시각 t5)의 시간 간격은, 제1 노광 기간 EX1의 제1 라인 상의 화소 PC의 판독 타이밍(라인 L2에서는 시각 t6)과 제1 노광 기간 EX1의 제1 라인 상의 화소 PC의 리셋 타이밍(라인 L2에서는 시각 t4)의 시간 간격과 동등하게 할 수 있다. 이것에 의해, 제2 라인 상의 화소 PC의 포토 다이오드 PD로부터 보조적으로 전하를 배출시키는 타이밍을, 제1 라인 상의 화소 PC의 포토 다이오드 PD로부터 전하를 배출시키는 타이밍과 정합시킬 수 있으며, 이들 타이밍 제어를 용이하게 하는 것이 가능해지므로, 회로 구성의 번잡화를 방지할 수 있다.

도 5는 제1 노광 기간 및 제2 노광 기간에 판독된 신호를 합성하는 화상 처리 장치의 개략 구성을 도시하는 블록도이다.

도 5에 있어서, 화상 처리 장치(12)에는, 센서 제어부(13), 라인 메모리(14), 합성 처리부(15) 및 센서 신호 처리부(16)가 설치되어 있다. 그리고, 화상 처리 장치(12)는 이미지 센서(11)에 접속되어 있다. 또한, 이미지 센서(11)는 도 1의 구성을 사용할 수 있다.

여기서, 센서 제어부(13)는 유저 조작 등에 따라 제어 신호를 생성하고, 이미지 센서(11)의 각 부에 제어 신호를 공급함으로써, 이미지 센서(11)가 유저 조작에 따른 동작이 되도록 제어한다. 또한, 센서 제어부(13)는 이미지 센서(11)를 제어하여, 예를 들어 제1 라인 상의 장시간 노광 및 제2 라인 상의 단시간 노광의 출력 신호 S1을 생성시킬 수 있다.

라인 메모리(14)는 이미지 센서(11)로부터 출력된 출력 신호 S1을 노광 기간마다 분리하고, 노광 기간마다의 출력 신호 S1의 타이밍을 일치시켜 출력할 수 있다. 합성 처리부(15)는 장시간 노광 및 단시간 노광의 출력 신호 S1을 합성함으로써, 다이내믹 레인지가 확장된 화상 신호를 생성할 수 있다. 센서 신호 처리부(16)는 화이트 밸런스 조정이나 디모자이크 처리, 화질 조정 등의 신호 처리를 행할 수 있다.

그리고, 라인 메모리(14)에는, 제1 라인 상의 장시간 노광 및 제2 라인 상의 단시간 노광의 출력 신호 S1 중, 예를 들어 제1 라인 상의 장시간 노광의 출력 신호 S2가 보존된다. 그리고, 다음 라인 판독의 타이밍에 있어서, 이미지 센서(11)로부터 제2 라인 상의 단시간 노광의 출력 신호 S3이 출력되면, 그와 동시에 라인 메모리(14)로부터 제1 라인 상의 장시간 노광의 출력 신호 S2가 판독되어, 합성 처리부(15)로 보내어진다. 그리고, 합성 처리부(15)에 있어서 출력 신호 S2, S3이 합성된 후, 센서 신호 처리부(16)에서 신호 처리가 행해짐으로써, 다이내믹 레인지가 확장된 화상 신호 S4가 출력된다.

또한, 상술한 실시 형태에 있어서, 제1 라인 상의 화소 PC에서는 포토 다이오드 PD에 축적된 전하의 배출을 제1 비노광 기간 NX1에 1회만 행하고, 제2 라인 상의 화소 PC에서는 포토 다이오드 PD에 축적된 전하의 배출을 제2 비노광 기간 NX2에 2회만 행하는 방법에 대하여 설명했지만, 제2 라인 상의 화소 PC에 있어서 포토 다이오드 PD에 축적된 전하의 배출을 제2 비노광 기간 NX2에 3회 이상 행해도 되고, 제1 라인 상의 화소 PC에 있어서 포토 다이오드 PD에 축적된 전하의 배출을 제1 비노광 기간 NX1에 복수 회 행해도 된다.

또한, 상술한 실시 형태에서는, 다이내믹 레인지를 확장하기 위하여, 장시간 노광과 단시간 노광의 2가지의 다른 노광 시간을 라인마다 설정하는 방법에 대하여 설명했지만, 장시간 노광과 중시간 노광과 단시간 노광의 3가지의 다른 노광 시간을 라인마다 설정하도록 해도 되고, 4가지 이상의 다른 노광 시간을 라인마다 설정하도록 해도 된다.

(제2 실시 형태)

도 6의 (a)는 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치의 제1 노광 기간에서의 PD 전하량을 도시하는 타이밍 차트, 도 6의 (b)는 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치의 제2 노광 기간에서의 PD 전하량을 도시하는 타이밍 차트, 도 6의 (c)는 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치의 화소의 리셋 타이밍과 판독 타이밍을 라인마다 도시하는 타이밍 차트이다.

도 6의 (a) 내지 도 6의 (c)에 있어서, 이 제2 실시 형태에서는, 제2 비노광 기간 NX2의 제2 라인 상의 화소 PC의 리셋 타이밍(라인 L3에서는 시각 t2´, t7´)은 제2 비노광 기간 NX2의 중앙에 설정된다. 즉, 예를 들어 라인 L3에 있어서, 판독 타이밍 t5와 1회째의 PD 리셋 타이밍 t7´의 간격은, 1회째의 PD 리셋 타이밍 t7´과 2회째의 PD 리셋 타이밍 t8의 간격과 동등하다. 이것에 의해, 제2 비노광 기간 NX2에 있어서, 각 PD 리셋까지 포토 다이오드 PD에 축적되는 전하량을 균일화할 수 있어, 포토 다이오드 PD에 축적되는 전하량의 최대값을 저하시키는 것이 가능해지므로, 포토 다이오드 PD에 축적된 전하를 넘치기 어렵게 할 수 있다.

본 발명의 몇 가지의 실시 형태를 설명했지만, 이들 실시 형태는, 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 신규의 실시 형태는, 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하며, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시 형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 특허 청구 범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함된다.

Claims

고체 촬상 장치로서,
광전 변환된 전하를 축적하는 화소가 매트릭스 형상으로 배치된 화소 어레이부와,
상기 화소를 수직 방향으로 주사하는 수직 주사 회로와,
상기 화소를 수평 방향으로 주사하는 수평 주사 회로와,
상기 화소로부터 판독된 화소 신호를 수직 방향으로 전송하는 수직 신호선과,
상기 화소 사이에서 소스 폴로워(source follower) 동작을 행함으로써, 상기 화소로부터 상기 수직 신호선으로 컬럼마다 신호를 판독하는 부하 회로와,
상기 화소의 노광 기간을 라인마다 제어하는 노광 기간 제어부와,
상기 화소의 비노광 기간에 상기 화소에 축적된 전하의 배출 제어를 라인마다 행하는 전하 배출 제어부와,
상기 화소로부터 판독된 상기 노광 기간의 상이한 신호를 합성하는 화상 처리 장치를 구비하고,
상기 노광 기간 제어부는,
상기 화소에 축적된 전하의 판독 타이밍을 제어하는 판독 타이밍 제어부와,
제1 라인 상의 상기 화소에 축적된 전하의 리셋 타이밍을 제어하는 제1 노광용 리셋 타이밍 제어부와,
상기 제1 라인 상의 상기 화소보다 상기 노광 기간이 짧아지도록 제2 라인 상의 상기 화소에 축적된 전하의 리셋 타이밍을 제어하는 제2 노광용 리셋 타이밍 제어부를 구비하며,
상기 전하 배출 제어부는,
상기 제2 라인 상의 상기 화소의 비노광 기간에 상기 제2 라인 상의 상기 화소에 축적된 전하의 리셋 타이밍을 제어하는 보조 리셋 타이밍 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
제1항에 있어서,
상기 노광 기간에 있어서, 상기 제1 라인 상의 상기 화소의 상기 판독 타이밍과 상기 리셋 타이밍의 시간 간격은, 상기 제2 라인 상의 상기 화소의 상기 판독 타이밍과 상기 리셋 타이밍의 시간 간격보다 긴 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
제2항에 있어서,
상기 노광 기간의 상기 제2 라인 상의 상기 화소의 상기 판독 타이밍과 상기 비노광 기간의 상기 제2 라인 상의 상기 화소의 상기 리셋 타이밍의 시간 간격은, 상기 노광 기간의 상기 제1 라인 상의 화소의 상기 판독 타이밍과 상기 노광 기간의 상기 제1 라인 상의 상기 화소의 상기 리셋 타이밍의 시간 간격과 동등한 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
제2항에 있어서,
상기 비노광 기간의 상기 제2 라인 상의 화소의 리셋 타이밍은 상기 비노광 기간의 중앙에 설정되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
제1항에 있어서,
상기 화소는,
광전 변환을 행하는 포토 다이오드와,
판독 신호에 기초하여 상기 포토 다이오드로부터 플로팅 디퓨전(floating diffusion)에 신호를 전송하는 판독 트랜지스터와,
리셋 신호에 기초하여 상기 플로팅 디퓨전에 축적되어 있는 신호를 리셋하는 리셋 트랜지스터와,
상기 플로팅 디퓨전의 전위를 검출하는 증폭 트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
제1항에 있어서,
상기 화소는 베이어 배열(Bayer array)을 형성하고,
상기 제1 라인 및 상기 제2 라인은 2라인씩 교대로 설정되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
제1항에 있어서,
상기 화상 처리 장치는, 상기 제1 라인 상의 화소로부터 얻어진 장시간 노광의 출력 신호와 상기 제2 라인 상의 화소로부터 얻어진 단시간 노광의 출력 신호를 합성하는 합성 처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
제7항에 있어서,
상기 화상 처리 장치는, 상기 화소 어레이부로부터 출력된 출력 신호를 노광 기간마다 분리하고, 상기 노광 기간마다의 출력 신호의 타이밍을 일치시켜 출력하는 라인 메모리를 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
제1항에 있어서,
상기 전하 배출 제어부는, 상기 화소의 비노광 기간에 상기 화소에 축적된 전하의 배출 제어를 라인마다 복수 회 행하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 라인 상의 화소에서는, 상기 비노광 기간에 상기 화소에 축적된 전하가 배출됨으로써, 상기 비노광 기간으로부터 상기 노광 기간으로 이행하고,
상기 제2 라인 상의 화소에서는, 상기 비노광 기간에 상기 화소에 축적된 전하가 배출되어, 상기 비노광 기간이 유지된 후, 상기 비노광 기간에 상기 화소에 축적된 전하가 다시 배출되어, 상기 비노광 기간으로부터 상기 노광 기간으로 이행하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
고체 촬상 장치로서,
광전 변환된 전하를 축적하는 화소가 매트릭스 형상으로 배치된 화소 어레이부와,
상기 화소의 노광 기간을 라인마다 제어하는 노광 기간 제어부와,
상기 화소의 비노광 기간에 상기 화소에 축적된 전하의 배출 제어를 라인마다 행하는 전하 배출 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
제11항에 있어서,
상기 노광 기간 제어부는,
상기 화소에 축적된 전하의 판독 타이밍을 제어하는 판독 타이밍 제어부와,
제1 라인 상의 상기 화소에 축적된 전하의 리셋 타이밍을 제어하는 제1 노광용 리셋 타이밍 제어부와,
상기 제1 라인 상의 상기 화소보다 상기 노광 기간이 짧아지도록 제2 라인 상의 상기 화소에 축적된 전하의 리셋 타이밍을 제어하는 제2 노광용 리셋 타이밍 제어부를 구비하고,
상기 전하 배출 제어부는,
상기 제2 라인 상의 상기 화소의 비노광 기간에 상기 제2 라인 상의 상기 화소에 축적된 전하의 리셋 타이밍을 제어하는 보조 리셋 타이밍 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
제12항에 있어서,
상기 노광 기간에 있어서, 상기 제1 라인 상의 상기 화소의 상기 판독 타이밍과 상기 리셋 타이밍의 시간 간격은, 상기 제2 라인 상의 상기 화소의 상기 판독 타이밍과 상기 리셋 타이밍의 시간 간격보다 긴 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
제13항에 있어서,
상기 노광 기간의 상기 제2 라인 상의 상기 화소의 상기 판독 타이밍과 상기 비노광 기간의 상기 제2 라인 상의 상기 화소의 상기 리셋 타이밍의 시간 간격은, 상기 노광 기간의 상기 제1 라인 상의 화소의 상기 판독 타이밍과 상기 노광 기간의 상기 제1 라인 상의 상기 화소의 상기 리셋 타이밍의 시간 간격과 동등한 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
제13항에 있어서,
상기 비노광 기간의 상기 제2 라인 상의 화소의 리셋 타이밍은 상기 비노광 기간의 중앙에 설정되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
제11항에 있어서,
상기 화소는,
광전 변환을 행하는 포토 다이오드와,
판독 신호에 기초하여 상기 포토 다이오드로부터 플로팅 디퓨전에 신호를 전송하는 판독 트랜지스터와,
리셋 신호에 기초하여 상기 플로팅 디퓨전에 축적되어 있는 신호를 리셋하는 리셋 트랜지스터와,
상기 플로팅 디퓨전의 전위를 검출하는 증폭 트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
제16항에 있어서,
상기 화소는 베이어 배열을 형성하고,
상기 제1 라인 및 상기 제2 라인은 2라인씩 교대로 설정되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
제11항에 있어서,
상기 제1 라인 상의 화소로부터 얻어진 장시간 노광의 출력 신호와 상기 제2 라인 상의 화소로부터 얻어진 단시간 노광의 출력 신호를 합성하는 합성 처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
제18항에 있어서,
상기 화소 어레이부로부터 출력된 출력 신호를 노광 기간마다 분리하고, 상기 노광 기간마다의 출력 신호의 타이밍을 일치시켜 출력하는 라인 메모리를 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
제11항에 있어서,
상기 전하 배출 제어부는, 상기 화소의 비노광 기간에 상기 화소에 축적된 전하의 배출 제어를 라인마다 복수 회 행하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.