(57)【要約】【課題】迅速に暗電流の補正を行うことができるようにする。【解決手段】例えば、カラムAD方式のCMOSイメージセンサにおいて、画素の暗電流を補正するための処理が行われる。暗電流の量は、画素の蓄積時間に比例するため、蓄積時間に追従させて暗電流の補正量（クランプ量）も制御する必要がある。蓄積時間T11から蓄積時間T12への変更が、閾値TH以上の蓄積時間の減少であると判定された場合、CMOSイメージセンサは、現在のクランプ量D11から相対的にクランプ量Dfだけ上昇させたランプ信号を生成させる。オフセットDfだけ上昇させたランプ信号と画素信号とを比較して黒レベルオフセット差分C22＝B22-A11が算出される。そして、正の黒レベルオフセット差分C22をゼロとするクランプ量D22が算出され、暗電流が補正される。本発明は、例えば、固体撮像素子に適用できる。【選択図】図７
2010154396.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子を含む画素が行列状に複数配置される画素アレイ部と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷に応じた画素信号をA/D変換するA/D変換手段と、
前記光電変換素子における電荷の蓄積時間の変更を監視する監視手段と、
前記蓄積時間の変更が予め設定された閾値以上の蓄積時間の減少である場合に、前記画素の暗電流を補正するためのクランプ量を、現在のクランプ量から、所定の値以上、減算させるクランプ量制御手段と
を備える固体撮像素子。
【請求項２】
前記クランプ量制御手段は、前記蓄積時間の変更が予め設定された閾値以上の蓄積時間の減少である場合に、前記画素の暗電流を補正するためのクランプ量を、現在のクランプ量から、所定の値以上、減算させたランプ信号に基づいて前記A/D変換手段が出力する画素データに基づいて、次の前記クランプ量を算出する
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記所定の値は、前記現在のクランプ量に関わらず、クランプ量変更後の前記A/D変換手段の出力値が、前記A/D変換手段の取り得る負数の最小値以上となる値である
請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記クランプ量制御手段は、前記蓄積時間の変更が予め設定された閾値以上の蓄積時間の減少である場合に、前記クランプ量をゼロに設定する
請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記クランプ量制御手段は、さらに、前記蓄積時間の変更が予め設定された閾値以上の蓄積時間の増加である場合に、前記画素の暗電流を補正するためのクランプ量を、現在のクランプ量から、所定の値以上、加算させる
請求項４に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
光電変換素子を含む画素が行列状に複数配置される画素アレイ部と、前記光電変換素子に蓄積された電荷に応じた画素信号をA/D変換するA/D変換手段と、前記光電変換素子における電荷の蓄積時間の変更を監視する監視手段と、前記画素の暗電流を補正するためのクランプ量を制御するクランプ量制御手段とを備える固体撮像素子の
前記監視手段が、前記光電変換素子における電荷の蓄積時間の変更を監視し、
前記クランプ量制御手段が、前記蓄積時間の変更が予め設定された閾値以上の蓄積時間の減少である場合に、前記画素の暗電流を補正するためのクランプ量を、現在のクランプ量から、所定の値以上、減算させる
駆動制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子および駆動制御方法に関し、特に、迅速に暗電流の補正を行うことができるようにする固体撮像素子および駆動制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子としてのイメージセンサの種類には、CCD(Charge Coupled Device)、CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなどがある。また、CMOSイメージセンサには、CDS(Correlated Double Sampling；相関２重サンプリング)処理とAD変換を垂直列ごとに行うようにしたカラムAD方式と呼ばれるCMOSイメージセンサがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
イメージセンサの行列状に配置された各画素は、フォトダイオードなどの光電変換素子に蓄積された電荷に対応する画素信号を出力する。しかしながら、画素においては、受光とは無関係に暗電流が多少なりとも発生する。暗電流の発生により、黒レベルが増加し、画素信号に対応する画素データのダイナミックレンジが狭くなってしまうため、暗電流を補正する必要がある。
【０００４】
暗電流の量は、電荷の蓄積時間によって変化する。即ち、電荷の蓄積時間が小から大となった場合には、暗電流の量も小から大となり、電荷の蓄積時間が大から小となった場合には、暗電流の量も大から小となる。従って、蓄積時間の変動に追従させて、暗電流の補正量（以下、クランプ量という）を変動させる必要がある。
【０００５】
クランプ量は、遮光された画素の画素データを取得し、その取得された画素データに基づいて算出される。ここで、暗電流の量が大から小となった場合、取得される画素データは、負数となる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３２３３３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、カラムAD方式のCMOSイメージセンサでは、その制御方式の特質から、負数の画素データの取り得る範囲が狭く設定されている。そのため、暗電流の量が大から小となった場合、画素データの取り得る範囲の制限により、本来設定すべきクランプ量に対応する負数の画素データが得られず、結果として、暗電流の補正を複数回実行する必要がある場合があった。
【０００８】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、迅速に暗電流の補正を行うことができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面の固体撮像素子は、光電変換素子を含む画素が行列状に複数配置される画素アレイ部と、前記光電変換素子に蓄積された電荷に応じた画素信号をA/D変換するA/D変換手段と、前記光電変換素子における電荷の蓄積時間の変更を監視する監視手段と、前記蓄積時間の変更が予め設定された閾値以上の蓄積時間の減少である場合に、前記画素の暗電流を補正するためのクランプ量を、現在のクランプ量から、所定の値以上、減算させるクランプ量制御手段とを備える。
【００１０】
前記クランプ量制御手段は、前記蓄積時間の変更が予め設定された閾値以上の蓄積時間の減少である場合に、前記画素の暗電流を補正するためのクランプ量を、現在のクランプ量から、所定の値以上、減算させたランプ信号に基づいて前記A/D変換手段が出力する画素データに基づいて、次の前記クランプ量を算出することができる。
【００１１】
前記所定の値は、前記現在のクランプ量に関わらず、クランプ量変更後の前記A/D変換手段の出力値が、前記A/D変換手段の取り得る負数の最小値以上となる値とすることができる。
【００１２】
前記クランプ量制御手段は、前記蓄積時間の変更が予め設定された閾値以上の蓄積時間の減少である場合に、前記クランプ量をゼロに設定することができる。
【００１３】
前記クランプ量制御手段は、さらに、前記蓄積時間の変更が予め設定された閾値以上の蓄積時間の増加である場合に、前記画素の暗電流を補正するためのクランプ量を、現在のクランプ量から、所定の値以上、加算させることができる。
【００１４】
本発明の一側面の駆動制御方法は、光電変換素子を含む画素が行列状に複数配置される画素アレイ部と、前記光電変換素子に蓄積された電荷に応じた画素信号をA/D変換するA/D変換手段と、前記光電変換素子における電荷の蓄積時間の変更を監視する監視手段と、前記画素の暗電流を補正するためのクランプ量を制御するクランプ量制御手段とを備える固体撮像素子の前記監視手段が、前記光電変換素子における電荷の蓄積時間の変更を監視し、前記クランプ量制御手段が、前記蓄積時間の変更が予め設定された閾値以上の蓄積時間の減少である場合に、前記画素の暗電流を補正するためのクランプ量を、現在のクランプ量から、所定の値以上、減算させる。
【００１５】
本発明の一側面においては、光電変換素子における電荷の蓄積時間の変更が監視され、蓄積時間の変更が予め設定された閾値以上の蓄積時間の減少である場合に、画素の暗電流を補正するためのクランプ量が、現在のクランプ量から、所定の値以上、減算される。
【００１６】
固体撮像素子は、独立したデバイスであっても良いし、撮像装置を構成している内部デバイスであっても良い。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の一側面によれば、迅速に暗電流の補正を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
［本発明の実施の形態］
図１は、本発明を適用したCMOSイメージセンサ（固体撮像素子）の一実施の形態の構成例を示している。
【００１９】
図１のCMOSイメージセンサ１１は、タイミング制御部１２、行走査部１３、画素アレイ部１４、定電流源回路部１５、ランプ波生成部１６、カラムAD変換部１７、列走査部１８、水平出力線１９、および信号処理部２０から構成される。
【００２０】
タイミング制御部１２は、所定の周波数のマスタクロックに基づいて、所定の動作に必要なクロック信号やタイミング信号を行走査部１３および列走査部１８に供給する。例えば、タイミング制御部１２は、画素のシャッタ動作や読み出し動作のタイミング信号を行走査部１３および列走査部１８に供給する。また、図示は省略されているが、タイミング制御部１２は、所定の動作に必要なクロック信号やタイミング信号を、ランプ波生成部１６、カラムAD変換部１７、信号処理部２０などにも供給する。
【００２１】
行（垂直）走査部１３は、画素アレイ部１４の垂直方向に並ぶ画素に、順次、所定のタイミングで、画素信号の出力を制御する信号を供給する。
【００２２】
画素アレイ部１４は、画素２１がｎ行×ｍ列の行列状に配置されたものである画素２１1,1乃至２１m,n，ｎ本の水平信号線２２1乃至２２n、およびｍ本の垂直信号線２３1乃至２３mを有している。
【００２３】
画素２１は、光電変換素子（例えば、フォトダイオード）、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、および増幅トランジスタ（いずれも不図示）を有する。転送トランジスタは、光電変換素子で得られた電荷をFD(フローティングディフュージョン)部に転送する。リセットトランジスタは、FD部の電位をリセットする。増幅トランジスタは、FD部の電位に応じた画素信号を出力する。これらの各トランジスタの動作は、水平信号線２２1乃至２２nを介して行走査部１３から供給される信号により制御される。なお、画素２１は、上述の３トランジスタによる構成のほかに、画素選択を行うための選択トランジスタが設けられている４トランジスタによる構成などを採用することもできる。
【００２４】
画素２１1,1乃至２１m,nは、水平信号線２２1乃至２２nを介して、行走査部１３からそれぞれ供給される信号に従って、光電変換素子に蓄積された電荷に応じた画素信号を、垂直信号線２３1乃至２３mにそれぞれ出力する。
【００２５】
なお、画素アレイ部１４の画素２１1,1乃至２１m,nは、有効画素領域１４Aの画素２１と、オプティカルブラック(Optical Black)領域（以下、OPB領域という）１４Bの画素２１とに分かれている。図１では、図中右端の垂直列の画素２１m,1乃至２１m,nがOPB領域１４Bに属し、それ以外の画素２１1,1乃至２１m-1,nが有効画素領域１４Aに属している。なお、この例に限らず、OPB領域１４Bを図中左側、上側、下側のいずれか、または右側を含む４つのうちの複数に配置することもできる。
【００２６】
OPB領域１４Bの画素２１m,1乃至２１m,nは遮光されており、例えば、暗電流によりオフセットした黒レベルを算出するために設けられている。信号処理部２０は、OPB領域１４Bの画素２１m,1乃至２１m,nの画素データの平均値を計算することにより、暗電流によりオフセットした黒レベルを算出し、そのオフセットをキャンセルするための補正量（以下、クランプ量という）を算出する。
【００２７】
水平信号線２２1乃至２２nは、画素２１1,1乃至２１m,nの水平方向の画素２１と、行走査部１３とをそれぞれ接続する。即ち、水平信号線２２1には、画素２１1,1乃至２１m,1が接続され、水平信号線２２2には、画素２１1,2乃至２１m,2が接続され、以下同様に、水平信号線２２nには、画素２１1,n乃至２１m,nが接続されている。
【００２８】
垂直信号線２３1乃至２３mは、画素２１1,1乃至２１m,nの垂直方向の画素２１と、カラムAD変換部１７とをそれぞれ接続する。即ち、垂直信号線２３1には、画素２１1,1乃至２１1,nが接続され、垂直信号線２３2には、画素２１2,1乃至２１2,nが接続され、以下同様に、垂直信号線２３mには、画素２１m,1乃至２１m,nが接続されている。
【００２９】
従って、画素２１1,1乃至２１1,nは、光電変換素子に蓄積された電荷に応じた画素信号を、垂直信号線２３1に出力する。画素２１2,1乃至２１2,nは、光電変換素子に蓄積された電荷に応じた画素信号を、垂直信号線２３2に出力する。以下同様に、画素２１m,1乃至２１m,nは、光電変換素子に蓄積された電荷に応じた画素信号を、垂直信号線２３mに出力する。
【００３０】
定電流源回路部１５は、垂直信号線２３1乃至２３mとそれぞれ接続された負荷MOS２４1乃至２４mを有している。負荷MOS２４1乃至２４mは、ゲートにバイアス電圧が印加され、ソースが接地されており、画素２１1,1乃至２１m,nが有する増幅トランジスタとソースフォロワ回路を構成する。
【００３１】
ランプ波生成部１６は、タイミング制御部１２からのクロック信号に応じて、ランプ信号（図２）を生成し、カラムAD変換部１７に供給する。
【００３２】
カラムAD変換部１７には、ｍ個のADC(Analog-Digital Converter)２５1乃至２５mが並列に配置されている。ADC２５1乃至２５mには、垂直信号線２３1乃至２３mがそれぞれ接続されている。
【００３３】
ADC２５1乃至２５mは、画素２１1,1乃至２１m,nから垂直信号線２３1乃至２３mを介して供給される画素信号を、CDS(Correlated Double Sampling；相関２重サンプリング)処理およびA/D変換処理する。
【００３４】
即ち、ADC２５1には垂直信号線２３1が接続されており、ADC２５1は、画素２１1,1乃至２１1,nから垂直信号線２３1を介して供給される画素信号をCDS処理およびA/D変換処理する。ADC２５2には垂直信号線２３2が接続されており、ADC２５2は、画素２１2,1乃至２１2,nから垂直信号線２３2を介して供給される画素信号をCDS処理およびA/D変換処理する。以下同様に、ADC２５mは、画素２１m,1乃至２１m,nから垂直信号線２３mを介して供給される画素信号をCDS処理およびA/D変換処理する。
【００３５】
ADC２５1乃至２５mそれぞれは、A/D変換後の画素データを一時的に記憶し、列走査部１８の制御に従って、水平出力線１９に出力する。
【００３６】
列（水平）走査部１８は、ADC２５1乃至２５mに記憶されている画素データを、順次、所定のタイミングで水平出力線１９に出力させる。
【００３７】
水平出力線１９は、信号処理部２０に接続され、ADC２５1乃至２５mから出力される画素データを信号処理部２０に供給する。
【００３８】
信号処理部２０は、水平出力線１９を介してADC２５1乃至２５m-1から供給される有効画素領域１４Aの画素２１の画素データを外部（例えば、DSP(Digital Signal Processor)など）に出力する。また、信号処理部２０は、水平出力線１９を介してADC２５mから供給されるOPB領域１４Bの画素２１の画素データに基づいて、暗電流の補正量（クランプ量）を算出し、ランプ波生成部１６に供給する。
【００３９】
以上のように構成されるCMOSイメージセンサ１１は、CDS処理とA/D変換処理を行う回路（ADC２５1乃至２５m）が垂直列ごとに配置されたカラムAD方式と呼ばれるCMOSイメージセンサである。
【００４０】
［ADC２５1乃至２５mの動作説明］
次に、図２を参照して、ADC２５1乃至２５mの動作について説明する。なお、以下においてADC２５1乃至２５mそれぞれを特に区別する必要がない場合、単にADC２５という。
【００４１】
図２の上から１番目は、画素２１が出力する画素信号を示している。図２の上から２番目は、ランプ波生成部１６が出力するランプ信号を示している。図２の上から３番目は、ADC２５内部で生成される比較結果信号を示している。図２の上から４番目は、タイミング制御部１２から供給される、カウントアップとカウントダウンを切り替える切り替え信号を示している。図２の上から５番目は、タイミング制御部１２が出力するカウンタクロック信号を示している。
【００４２】
なお、図２において、縦軸は電圧（電位）を表し、横軸は時間を表している。後述する図３乃至図６に示される波形信号についても同様である。
【００４３】
画素２１は、図２の上から１番目に示されているように、リセット値計測期間の間、所定の基準電位に応じた画素信号（リセット成分）を出力する。また、画素２１は、データ値計測期間の間、光電変換素子の受光量に対応する電荷に応じた画素信号（データ成分）を出力する。なお、リセット値計測期間とデータ値計測期間とでは、データ値計測期間の方が長くなっている。
【００４４】
ランプ波生成部１６は、図２の上から２番目に示されているように、所定の初期電位から、一定の傾きで電位が降下するランプ信号を出力する。リセット値計測期間よりもデータ値計測期間の方が長いため、データ値計測期間におけるランプ信号の電圧降下期間は、リセット値計測期間におけるランプ信号の電圧降下期間よりも長くなっている。
【００４５】
ADC２５は、画素信号とランプ信号とを比較する。そして、ADC２５は、図２の上から３番目に示されているように、画素信号がランプ信号以上であるときには、ハイレベル（Hiレベル）の比較結果信号を生成し、画素信号がランプ信号未満であるときには、ロウレベル（Lowレベル）の比較結果信号を生成する。即ち、ADC２５は、ランプ信号の電圧が一定の傾きで降下する場合に、ランプ信号と画素信号とが一致したときに、ハイレベルからロウレベルに遷移する比較結果信号を出力する。
【００４６】
ADC２５には、図２の上から４番目に示されているように、カウントアップとカウントダウンを切り替える切り替え信号が、タイミング制御部１２から供給される。切り替え信号は、リセット値計測期間でランプ信号の電圧が一定の傾きで降下しているときにはロウレベルとなり、データ値計測期間でランプ信号の電圧が一定の傾きで降下しているときにはハイレベルとなる。
【００４７】
タイミング制御部１２は、図２の上から５番目に示されているような所定の周波数のカウンタクロック信号、例えば、５００MHzの高速なカウンタクロック信号をADC２５に供給する。
【００４８】
ADC２５では、切り替え信号がロウレベルである場合、ダウンカウントモードとなり、ダウンカウントが実行される。即ち、ADC２５は、リセット値計測期間におけるランプ信号の電圧の降下が開始した時刻でダウンカウントを開始し、比較結果信号がハイレベルからロウレベルに遷移した時刻でダウンカウントを終了する。リセット値計測期間においてカウントされたカウント値A（以下、リセット値Aという）は一時保持される。
【００４９】
その後、切り替え信号が、ハイレベルからロウレベルに遷移する。切り替え信号がハイレベルである場合、ADC２５はアップカウントモードとなり、アップカウントが実行される。即ち、ADC２５は、データ値計測期間におけるランプ信号の電圧の降下が開始した時刻でアップカウントを開始し、比較結果信号がハイレベルからロウレベルに遷移した時刻でアップカウントを終了する。
【００５０】
そして、データ値計測期間においてカウントされたカウント値B（以下、データ値Bという）から、リセット値Aを引いた差分の値が、画素２１の画素データとしてADC２５から出力される。
【００５１】
以上のように、ADC２５は、リセット値Aとデータ値Bの差分C（=B-A）を、デジタルの画素データ（A/D変換後データ）としてカウントし、出力することにより、CDS処理とA/D変換処理を行う。
【００５２】
ここで、ADC２５がOPB領域１４Bの画素２１について差分Cをカウントした場合、OPB領域１４Bの画素２１は遮光されているので、本来、リセット値Aとデータ値Bが等しく、差分Cがゼロとなるべきものである。
【００５３】
しかしながら、暗電流により差分Cはゼロとならず、このことが画素データのダイナミックレンジを狭くする原因となっていた。
【００５４】
そのため、その他のイメージセンサと同様、カラムAD方式のCMOSイメージセンサにおいても、暗電流を補正するための処理（以下、クランプ制御処理という）が行われていた。
【００５５】
［クランプ制御処理の概要］
そこで、図３および図４を参照して、カラムAD方式のCMOSイメージセンサで実行されるクランプ制御処理を説明する。
【００５６】
暗電流の補正がかかっていない初期状態では、図３に示されるように、ランプ信号のリセット値計測期間の初期電位とデータ値計測期間の初期電位が同レベルとなっている。
【００５７】
クランプ制御処理では、最初に、OPB領域１４Bの画素２１の画素信号が読み出され、ADC２５に供給される。
【００５８】
ADC２５は、図２を参照して説明したように、ランプ波生成部１６から供給されるランプ信号と、画素２１から供給される画素信号を比較し、差分CをA/D変換後の画素データとして信号処理部２０に供給する。
【００５９】
いま、ADC２５から信号処理部２０に供給された画素データ（差分C）は、遮光されているOPB領域１４Bの画素２１の値であるから、ゼロとなるべきはずのものである。即ち、この遮光されている画素２１で発生している差分Cが暗電流により発生したものであり、黒レベルがオフセットされた部分である。以下では、遮光されているOPB領域１４Bの画素２１で計算される、リセット値Aとデータ値Bの差分Cを、黒レベルオフセット差分Cという。
【００６０】
信号処理部２０は、黒レベルオフセット差分Cがゼロとなるようなクランプ量Dを算出する。算出されたクランプ量Dは、ランプ波生成部１６に供給される。
【００６１】
なお、OPB領域１４Bは、複数の画素２１を有しているので、信号処理部２０は、OPB領域１４Bに属する複数の画素２１の黒レベルオフセット差分Cの平均値を求め、その平均値から、クランプ量Dを算出することができる。また、黒レベルオフセット差分Cは、完全にゼロとなるようなものでなくてもよく、ゼロに所定の範囲内で近い値で、ゼロとみなせるようなものであればよい。
【００６２】
ランプ波生成部１６は、信号処理部２０から供給されたクランプ量Dに基づいて、ランプ信号を生成する。クランプ量Dが正の数である場合、ランプ波生成部１６は、図４に示されるように、データ値計測期間のランプ信号の電位がクランプ量Dだけ低下したランプ信号を生成して、ADC２５に出力する。一方、クランプ量Dが負の数である場合、ランプ波生成部１６は、データ値計測期間のランプ信号の電位がクランプ量Dだけ上昇したランプ信号を生成して、ADC２５に出力する。
【００６３】
図３の差分Cに対しては、正のクランプ量Dがランプ波生成部１６に供給され、ADC２５において算出されるデータ値B’は、図４に示されるように、クランプ量Dの低下に応じて減少するので、黒レベルオフセット差分C’はゼロ（ほぼゼロ）となる。
【００６４】
なお、データ値計測期間のランプ信号の電位ではなく、リセット値計測期間ランプ信号の電位を、クランプ量Dだけ低下または上昇させるランプ信号を生成してもよい。この場合も同様に暗電流を補正することができる。
【００６５】
［暗電流の量と蓄積時間との関係］
ところで、暗電流の量は、蓄積時間に比例する関係がある。
【００６６】
図５は、蓄積時間と暗電流の量との関係を示す図である。
【００６７】
図５では、上側に示される画素２１の蓄積時間T11を基準として、蓄積時間が短くなるように変化した場合の画素信号を左下に、蓄積時間が長くなるように変化した場合の画素信号を図５右下に示している。なお、基準となる図５上側の画素２１の蓄積時間T11においては、リセット値A11とデータ値B11がカウントされているものとする。
【００６８】
蓄積時間が蓄積時間T11から蓄積時間T12（T12＜T11）へと短くなると、データ値計測期間のデータ値B12はデータ値B11より小さくなる（B12＜B11）。従って、黒レベルオフセット差分Cが減少する。これに応じて、黒レベルオフセット差分Cをキャンセルさせるクランプ量Dも減少する。
【００６９】
一方、蓄積時間が蓄積時間T11から蓄積時間T13（T11＜T13）へと長くなると、データ値計測期間のデータ値B13はデータ値B11より大きくなる（B11＜B13）。従って、黒レベルオフセット差分Cが増加する。これに応じて、黒レベルオフセット差分Cをキャンセルするクランプ量Dも増加する。
【００７０】
以上のように、クランプ制御処理では、蓄積時間が変化した場合に、クランプ量Dを蓄積時間に追従させるように制御する必要がある。しかし、カラムAD方式のCMOSイメージセンサにおける従来のクランプ制御処理では、以下に示すような問題が発生する場合があった。
【００７１】
［従来のクランプ制御の問題］
図６を参照して、カラムAD方式のCMOSイメージセンサにおける従来の問題について説明する。
【００７２】
最初は、図６左側に示されるように、画素２１の蓄積時間T11において、リセット値A11とデータ値B11の黒レベルオフセット差分C11がゼロとなるクランプ量D11が設定され、安定している状態であるとする。
【００７３】
その状態から、画素２１の蓄積時間が、蓄積時間T11よりも短い蓄積時間T12に変更されたとする。この場合、上述したように、データ値計測期間のデータ値B12は小さくなる。そうすると、ADC２５から供給される黒レベルオフセット差分C12（=B12-A）は負の数となる。
【００７４】
この場合、図６右側に示すように、データ値計測期間のランプ信号の電位が現在のものより、負の黒レベルオフセット差分C12に対応するクランプ量D12だけ上昇したランプ信号が生成されればよいことになる。
【００７５】
しかしながら、カラムAD方式のCMOSイメージセンサでは、図２を参照して説明したように、リセット値計測期間とデータ値計測期間とでは、データ値計測期間の方が長いという特徴がある。これにより、データ値Bとリセット値Aとの差分Cは正の数となる場合がほとんどである。そのため、カラムAD方式のCMOSイメージセンサでは、差分Cが取り得る値の範囲として、正の数に広く、負の数に狭い範囲が設定されている。
【００７６】
従って、図６の例で計算されるべき負の黒レベルオフセット差分C12が、黒レベルオフセット差分Cの取り得る値の範囲を超える場合には、黒レベルオフセット差分Cの取り得る値の範囲の最小値に制限されてしまう。
【００７７】
例えば、本来の求めるべき負の黒レベルオフセット差分C12が“-100”であるとする。しかし、黒レベルオフセット差分Cの取り得る値の最小値が“-50”であれば、ADC２５からは“-100”ではなく、“-50”が黒レベルオフセット差分C12として供給される。その結果、従来のクランプ制御処理を行う信号処理部は、黒レベルオフセット差分C12としての“-50”に対応する暗電流補正を行う。しかし、本来の黒レベルオフセット差分C12は“-100”であるので、まだ“-50”だけ足りず、再度、“-50”に対応する暗電流補正を行う必要が生じていた。即ち、取り得る値の範囲を超える黒レベルオフセット差分Cが発生するような場合には、複数回にわけて、暗電流の補正をかける必要があった。
【００７８】
［CMOSイメージセンサ１１によるクランプ制御］
そこで、図１のCMOSイメージセンサ１１では、上述の問題を解決するため、図７に示すようなクランプ制御を行う。
【００７９】
図７は、CMOSイメージセンサ１１が行うクランプ制御を説明する図である。
【００８０】
図６と同様の例で説明する。
【００８１】
CMOSイメージセンサ１１の信号処理部２０は、蓄積時間の変更を監視する。そして、信号処理部２０は、蓄積時間の変更が発生した場合、その蓄積時間の変更が予め設定された閾値TH（＞０）以上の蓄積時間の減少であるかを判定する。換言すれば、信号処理部２０は、蓄積時間T11から蓄積時間T12への変更が、減少する方向の変更であって、かつ、蓄積時間の差分量の絶対値｜T12-T11｜が閾値TH（＞０）よりも大であるかを判定する。
【００８２】
図７の例では、蓄積時間T11から蓄積時間T12への変更は、減少する方向の変更である。また、差分量の絶対値｜T12-T11｜が閾値THよりも大であるとする。
【００８３】
蓄積時間T11から蓄積時間T12への変更が閾値TH以上の蓄積時間の減少であると判定された場合、信号処理部２０は、現在のクランプ量D11にオフセットクランプ量Dfを減算させたランプ信号をランプ波生成部１６に生成させる。即ち、信号処理部２０は、現在のランプ信号から相対的にクランプ量Dfだけ上昇させたランプ信号をランプ波生成部１６に生成させる。なお、初期状態から見た変更後の絶対クランプ量は（D11-Df）となる。
【００８４】
ここで、オフセットクランプ量Dfは、直前のクランプ量D11がいくつであるかに関わらず、変更後のランプ信号により計算される黒レベルオフセット差分Cが正の数となるように設定された値である。以下、オフセットクランプ量Dfを、単にオフセットDfという。
【００８５】
ADC２５は、図７中央に示されるように、オフセットDfだけ上昇したランプ信号と画素信号とを比較して得られるリセット値A11とデータ値B22とから、黒レベルオフセット差分C22＝B22-A11を算出し、信号処理部２０に供給する。オフセットDfは、直前のクランプ量D11がいくつであるかに関わらず、黒レベルオフセット差分Cが正の数となるように設定された値であるので、ここで得られる黒レベルオフセット差分C22は必ず正の数となる。従って、黒レベルオフセット差分Cの取り得る値の範囲を超えることはない。
【００８６】
信号処理部２０は、正の黒レベルオフセット差分C22に対応するクランプ量D22（＞０）を算出し、ランプ波生成部１６に供給する。ランプ波生成部１６は、図７右側に示されるように、変更前よりクランプ量D22だけ低下したランプ信号を生成して、ADC２５に出力する。これにより、リセット値A11とデータ値B13とから求められる黒レベルオフセット差分C23＝B13-A11はゼロとなる。
【００８７】
即ち、信号処理部２０は、オフセットDfをかけることにより、必ず、電位を下げる方向に、データ値計測期間のランプ信号を変更するようにして、暗電流を補正する。
【００８８】
なお、オフセットDfは、変更後に計算される黒レベルオフセット差分Cが、必ず正の数となるように設定された値でなくても、少なくとも、ADC２５において黒レベルオフセット差分Cの取り得る最小値以上となる値とすることができる。
【００８９】
次に、図８を参照して、図１のCMOSイメージセンサ１１による、上述したクランプ制御処理を含む画素データ読み出し処理について説明する。
【００９０】
図８は、画素２１の蓄積時間が１V時間、４V時間、１V時間と変更される例を示している。ここで、１V時間は、１垂直走査時間であって、画素アレイ部１４の全ての画素２１の画素信号を１回読み出すのにかかる時間に相当する。また、１V時間から４V時間および４V時間から１V時間への蓄積時間の変更は、閾値THより大きい変更であるとする。
【００９１】
画素２１は、時刻t11から時刻t12までの１V時間だけ電荷を蓄積し、蓄積された電荷に応じた画素信号を時刻t12以降に出力する。時刻t12において、蓄積時間が１V時間から４V時間に変更され、画素２１は、時刻t12から時刻t16までの４V時間だけ電荷を蓄積し、蓄積された電荷に応じた画素信号を時刻t16以降に出力する。さらに、時刻t16において、蓄積時間が４V時間から１V時間に変更され、画素２１は、時刻t16から時刻t17までの１V時間だけ電荷を蓄積し、蓄積された電荷に応じた画素信号を時刻t17以降に出力する。
【００９２】
画素２１から出力された画素信号に対しては、画素２１の出力開始から１V時間で、後段のランプ波生成部１６、カラムAD変換部１７、および信号処理部２０によって、画素データ読み出し処理が行われる。画素データ読み出し処理は、画素信号に対する、クランプ制御処理、CDS処理、A/D変換処理、およびセンサ出力処理の一連の処理であり、これらを行うランプ波生成部１６、カラムAD変換部１７、および信号処理部２０を、以下、読み出し処理群ともいう。
【００９３】
時刻t11から時刻t12の１V時間に蓄積された画素信号は、時刻t12から読み出し処理群によって読み出され、時刻t13までに、画素データとしてCMOSイメージセンサ１１から出力される。時刻t12から時刻t16の４V時間に蓄積された画素信号は、時刻t16から読み出し処理群によって読み出され、時刻t17までに、画素データとしてCMOSイメージセンサ１１から出力される。時刻t16から時刻t17の１V時間に蓄積された画素信号は、時刻t17から読み出し処理群によって読み出され、時刻t18までに、画素データとしてCMOSイメージセンサ１１から出力される。
【００９４】
なお、蓄積時間の変更は、CMOSイメージセンサ１１の図示せぬ信号制御部（Signal Control Unit）から、画素アレイ部１４を制御するタイミング制御部１２および信号処理部２０などに通知される。
【００９５】
具体的には、蓄積時間が１Vから４Vに変更されることは、時刻t12に、タイミング制御部１２と信号処理部２０に通知される。蓄積時間が４V時間から１V時間に変更されることは、時刻t16に、タイミング制御部１２と信号処理部２０に通知される。
【００９６】
以上のような前提において、蓄積時間が４V時間から１V時間へ減少する方向に変更したときの画素データ読み出し処理について説明する。
【００９７】
信号処理部２０は、蓄積時間変更後に最初に画素データの読み出しを開始しようとする時刻t17において、その蓄積時間の変更が予め設定された閾値TH以上の蓄積時間の減少であるかを判定する。換言すれば、信号処理部２０は、蓄積時間の変更が、減少する方向の変更であって、かつ、その差分量の絶対値が閾値THより大であるかを判定する。
【００９８】
いま、４V時間から１V時間への蓄積時間の変更は減少する方向の変更であって、差分量の絶対値３Vは閾値THより大きいので、信号処理部２０は、蓄積時間の変更が予め設定された閾値TH以上の蓄積時間の減少であると判定する。
【００９９】
そして、蓄積時間の変更が予め設定された閾値TH以上の蓄積時間の減少であると判定された場合、信号処理部２０は、現在のクランプ量DpからオフセットDfを減算させたランプ信号をランプ波生成部１６に生成させる。初期状態からみた変更後の絶対クランプ量は（Dp-Df）となる。ランプ波生成部１６は、データ値計測期間のランプ信号の電位がオフセットDfだけ変更前より上昇したランプ信号を生成して、ADC２５に出力する。信号処理部２０は、変更されたランプ信号が安定するまで待機し、ランプ信号は時刻t172には安定する。なお、時刻t172と、後述する時刻t173および時刻t174は、１垂直走査時間内の１水平走査時間の区切りとすることができる。
【０１００】
そして、時刻t172において、オフセットDfを減算させた状態の黒レベルオフセット差分CがADC２５から信号処理部２０に供給される。換言すれば、OPB領域１４Bの画素２１に対して、オフセットDfだけ上昇したランプ信号を用いてカウントされた黒レベルオフセット差分Cが、信号処理部２０に供給される。
【０１０１】
信号処理部２０は、時刻t172から時刻t173の時間で、供給された黒レベルオフセット差分Cをゼロにするためのクランプ量Dを算出する。ここで、算出されるクランプ量DはオフセットDfにより、必ず正の数となる。そして、時刻t173において、信号処理部２０は、算出されたクランプ量Dを加算させたランプ信号をランプ波生成部１６に生成させる。初期状態からみた変更後の絶対クランプ量は（Dp-Df+D）となる。ランプ波生成部１６は、変更前よりクランプ量Dだけ低下したランプ信号を生成して、ADC２５に出力する。信号処理部２０は、変更されたランプ信号が安定するまで待機し、ランプ信号は時刻t174には安定する。
【０１０２】
次の時刻t174から時刻t18の期間において、絶対クランプ量（Dp-Df+D）によって黒レベルオフセットキャンセルされた状態で、有効画素領域１４Aのすべての画素２１に蓄積された画素信号が読み出され、A/D変換されて、CMOSイメージセンサ１１外部へ出力される。
【０１０３】
以上のように、CMOSイメージセンサ１１では、蓄積時間の変更が予め設定された閾値TH以上の蓄積時間の減少である場合に、オフセットDfだけ上昇させたランプ信号に変更してから、黒レベルオフセット差分Cを求める。これにより、算出される黒レベルオフセット差分Cが必ず正の数となるので、取り得る負数の範囲を超えることはない。正の黒レベルオフセット差分Cに対しては、取り得る範囲が広いので、黒レベルオフセットをキャンセルするクランプ量を的確にランプ波生成部１６に供給することができる。従って、複数回にわけて、暗電流の補正をかける必要がなく、迅速に暗電流の補正を行うことができる。
【０１０４】
［信号処理部２０の詳細構成］
図９は、上述したクランプ制御処理についての信号処理部２０の詳細な構成例を示すブロック図である。
【０１０５】
信号処理部２０は、変更後蓄積時間記憶部５１、変更前蓄積時間記憶部５２、差分算出部５３、閾値記憶部５４、閾値比較部５５、クランプ量算出部５６、クランプ量出力部５７、およびクランプ量記憶部５８により構成されている。
【０１０６】
変更後蓄積時間記憶部５１には、画素２１の蓄積時間が変更された場合、信号制御部から変更後の蓄積時間が供給される。変更後蓄積時間記憶部５１は、新たな蓄積時間が供給されると、それを変更後の蓄積時間として記憶するとともに、それまで記憶していた蓄積時間を、変更前の蓄積時間として変更前蓄積時間記憶部５２に供給する。また、変更後蓄積時間記憶部５１は、記憶している変更後の蓄積時間を、必要に応じて差分算出部５３に供給する。
【０１０７】
変更前蓄積時間記憶部５２は、変更後蓄積時間記憶部５１から供給される変更前の蓄積時間を記憶し、必要に応じて差分算出部５３に供給する。
【０１０８】
差分算出部５３は、変更後蓄積時間記憶部５１に記憶されている変更後の蓄積時間から、変更前蓄積時間記憶部５２に記憶されている変更前の蓄積時間を引いた差分を算出し、その結果得られる蓄積時間の差分量DIFを閾値比較部５５に供給する。
【０１０９】
閾値記憶部５４は、オフセットDfと閾値THを記憶し、オフセットDfと閾値THを必要に応じて閾値比較部５５に供給する。
【０１１０】
閾値比較部５５は、蓄積時間の変更が予め設定された閾値TH以上の蓄積時間の減少であるかを判定する。換言すれば、閾値比較部５５は、蓄積時間の変更が減少する方向の変更であって、かつ、その差分量DIFの絶対値が閾値THより大であるかを判定する。
【０１１１】
蓄積時間の変更が予め設定された閾値TH以上の蓄積時間の減少であると判定された場合、閾値比較部５５は、オフセットDfを減算する旨の指示（オフセットDfの減算指示）をクランプ量出力部５７に供給する。例えば、閾値比較部５５は、オフセットDfを減算する旨の指示として、負のオフセットDf（-Df）そのものをクランプ量出力部５７に供給する。一方、蓄積時間の変更が予め設定された閾値TH以上の蓄積時間の減少ではないと判定された場合、即ち、蓄積時間の変更が減少する方向の変更であっても差分量DIFの絶対値が閾値TH以下である場合か、または、蓄積時間の変更が増加する方向の変更である場合、閾値比較部５５は、クランプ量出力部５７に対して何も供給しない。
【０１１２】
クランプ量算出部５６には、A/D変換後の画素データである、リセット値Aとデータ値Bの差分Cが、ADC２５から供給される。クランプ量算出部５６は、差分Cに基づいてクランプ量Dを算出し、クランプ量出力部５７に供給する。
【０１１３】
クランプ量出力部５７は、閾値比較部５５からオフセットDfを減算する旨の指示が供給された場合、クランプ量記憶部５８に記憶している現在のクランプ量DpからオフセットDfを減算した絶対クランプ量（Dp-Df）を、ランプ波生成部１６に供給する。また、クランプ量出力部５７は、クランプ量算出部５６からクランプ量Dが供給された場合、現在のクランプ量Dpからクランプ量Dを加算した絶対クランプ量（Dp＋D）をランプ波生成部１６に供給する。ランプ波生成部１６に出力したクランプ量は、現在のクランプ量Dｐとして、クランプ量記憶部５８に供給され、記憶される。
【０１１４】
［信号処理部２０のクランプ制御処理］
図１０は、信号処理部２０によるクランプ制御処理のフローチャートである。
【０１１５】
初めに、ステップＳ１において、変更後蓄積時間記憶部５１は、蓄積時間の変更があったか、即ち、変更後の蓄積時間として新たな蓄積時間が供給されたかを判定し、新たな蓄積時間が供給されたと判定されるまで、待機する。ステップＳ１で、新たな蓄積時間が供給されたと判定された場合、処理はステップＳ２に進む。
【０１１６】
ステップＳ２では、変更後蓄積時間記憶部５１と変更前蓄積時間記憶部５２が、変更前と変更後の蓄積時間を差分算出部５３に供給する。すなわち、変更後蓄積時間記憶部５１は、それまで記憶していた蓄積時間を変更前蓄積時間記憶部５２に供給するとともに、新たな蓄積時間を変更後の蓄積時間として差分算出部５３に供給する。また、ステップＳ２において、変更前蓄積時間記憶部５２は、変更後蓄積時間記憶部５１から供給された蓄積時間を記憶するとともに、変更前の蓄積時間として差分算出部５３に供給する。
【０１１７】
ステップＳ３において、差分算出部５３は、変更後の蓄積時間から、変更前の蓄積時間を引いた差分を算出し、その結果得られる蓄積時間の差分量DIFを閾値比較部５５に供給する。
【０１１８】
ステップＳ４において、閾値比較部５５は、蓄積時間の変更が予め設定された閾値TH以上の蓄積時間の減少であるか、即ち、蓄積時間の変更が減少する方向の変更であって、かつ、その差分量DIFの絶対値が閾値THより大であるかを判定する。
【０１１９】
ステップＳ４で、蓄積時間の変更が予め設定された閾値TH以上の蓄積時間の減少であると判定された場合、処理はステップＳ５に進み、閾値比較部５５は、オフセットDfの減算指示を、クランプ量出力部５７に供給する。
【０１２０】
そして、ステップＳ６において、クランプ量出力部５７は、閾値比較部５５からのオフセットDfの減算指示に基づいて、現在のクランプ量DpにオフセットDfを減算した絶対クランプ量（Dp−Df）をランプ波生成部１６に供給する。ランプ波生成部１６は、変更前より、データ値計測期間のランプ信号の電位がオフセットDfだけ上昇したランプ信号を生成して、ADC２５に出力する。変更されたランプ信号が安定した後、OPB領域１４Bの画素２１に対して、その変更されたランプ信号を用いて求められた差分Cがクランプ量算出部５６に供給される。
【０１２１】
一方、ステップＳ４で、蓄積時間の変更が予め設定された閾値TH以上の蓄積時間の減少ではないと判定された場合、処理はステップＳ５およびＳ６をスキップしてステップＳ７に進む。
【０１２２】
そして、ステップＳ７において、クランプ量算出部５６は、ADC２５から供給される、A/D変換後の画素データである差分Cに基づいてクランプ量Dを算出し、クランプ量出力部５７に供給する。
【０１２３】
ステップＳ８において、クランプ量出力部５７は、現在のクランプ量Dpからクランプ量Dを加算した絶対クランプ量（Dp＋D）を、ランプ波生成部１６に供給する。
【０１２４】
これにより、黒レベルオフセット差分Cがゼロとなる。即ち、暗電流による黒レベルのオフセットがキャンセルされる。従って、暗電流により画素データのダイナミックレンジが狭くなってしまうことを防止することができる。
【０１２５】
なお、上述した例では、現在のクランプ量Dpを記憶しておき、初期状態からの絶対クランプ量をランプ波生成部１６に供給するようにしたが、現在のクランプ量Dpからの変更量のみを相対値でランプ波生成部１６に供給することもできる。
【０１２６】
［CMOSイメージセンサ１１によるクランプ制御のその他の例］
上述した実施の形態では、黒レベルオフセット差分Cが負の大きな数となる可能性のある場合、即ち、蓄積時間の変更が閾値TH以上の蓄積時間の減少であると判定された場合のみ、オフセットDfを現在のクランプ量Dpから減算させるようにした。これは、上述したように、黒レベルオフセット差分Cの取り得る値の範囲として、負の数の範囲が狭いためである。一方、蓄積時間の変更が閾値TH以上の蓄積時間の減少ではないと判定される場合には、特別処理も行わなくても、黒レベルオフセット差分Cが正の数となるので、１度のクランプ制御により、黒レベルオフセットをキャンセルすることが可能である。しかしながら、蓄積時間の変更が閾値TH以上の蓄積時間の増加である場合にも、予めオフセットDfをかけてから、クランプ量を算出するようにさせることができる。この場合、上述したオフセットDfを減算させる場合と処理が統一されるので、クランプ制御のハードウエア構成を統一することができる。また、予めオフセットDfをかけることにより、黒レベルオフセット差分Cから算出されるクランプ量Dの値が小さくなり、微調整が可能となって、クランプ制御の精度を向上させることができる。
【０１２７】
図１１は、蓄積時間の変更が閾値TH以上の蓄積時間の増加である場合に、予めオフセットDfをかけてから、黒レベルオフセットをキャンセルするようにしたクランプ制御処理の例を示している。
【０１２８】
図１１は、図８に示した蓄積時間の変更の例のうち、蓄積時間が１V時間から４V時間に変更された場合の時刻t16から時刻t17の画素データ読み出し処理の詳細を示している。
【０１２９】
変更後の最初の画素データの読出しを開始する時刻t16において、信号処理部２０は、蓄積時間の変更が予め設定された閾値TH以上の蓄積時間の増加であるかを判定する。即ち、信号処理部２０は、蓄積時間の変更が増加する方向の変更であって、かつ、その差分量DIFの絶対値が閾値THよりも大であるかを判定する。図１１の例では、蓄積時間が１Vから４Vに変更され、差分量DIF（＝３V時間）は、閾値THよりも大きいので、蓄積時間の変更が閾値TH以上の蓄積時間の増加であると判定される。
【０１３０】
蓄積時間の変更が閾値TH以上の蓄積時間の増加であると判定された場合、信号処理部２０は、現在のクランプ量DpからオフセットDfを加算させたランプ信号をランプ波生成部１６に生成させる。初期状態からみた変更後の絶対クランプ量は（Dp+Df）となる。ランプ波生成部１６は、データ値計測期間のランプ信号の電位が変更前よりオフセットDfだけ低下したランプ信号を生成して、ADC２５に出力する。信号処理部２０は、変更されたランプ信号が安定するまで待機し、ランプ信号は時刻t162には安定する。
【０１３１】
そして、時刻t162において、オフセットDfを加算させた状態の黒レベルオフセット差分CがADC２５から信号処理部２０に供給される。換言すれば、OPB領域１４Bの画素２１に対して、オフセットDfだけ低下したランプ信号を用いてカウントされた黒レベルオフセット差分Cが、信号処理部２０に供給される。
【０１３２】
信号処理部２０は、時刻t162から時刻t163までの時間で、供給された黒レベルオフセット差分Cをゼロにするためのクランプ量Dを算出する。そして、時刻t163において、信号処理部２０は、算出されたクランプ量Dを加算させたランプ信号をランプ波生成部１６に生成させる。初期状態からみた変更後の絶対クランプ量は（Dp+Df+D）となる。ランプ波生成部１６は、変更前よりクランプ量Dだけ低下したランプ信号を生成して、ADC２５に出力する。信号処理部２０は、変更されたランプ信号が安定するまで待機し、ランプ信号は時刻t164には安定する。
【０１３３】
次の時刻t164から時刻t17の期間において、絶対クランプ量（Dp+Df+D）によって黒レベルオフセットキャンセルされた状態で、有効画素領域１４Aのすべての画素２１に蓄積された画素信号が読み出され、A/D変換されて、CMOSイメージセンサ１１外部へ出力される。
【０１３４】
以上のように、CMOSイメージセンサ１１では、蓄積時間の変更が閾値TH以上の蓄積時間の増加である場合にも、予めオフセットDfをかけてから、黒レベルオフセット差分Cを求める。この場合、最終的に黒レベルオフセットをキャンセルするときの相対クランプ量Dの値が小さくなり、微調整が可能となって、クランプ制御の精度を向上させることができる。
【０１３５】
以上説明した、蓄積時間が閾値TH以上増加または減少した場合に、現在のクランプ量Dpを基準にオフセットDfをかけてから、黒レベルオフセット差分Cを求めるようにした制御を、第１のクランプ制御という。
【０１３６】
［CMOSイメージセンサ１１による第２のクランプ制御の例］
次に、図１のCMOSイメージセンサ１１が行うことができる第２のクランプ制御について説明する。
【０１３７】
第２のクランプ制御では、CMOSイメージセンサ１１の信号処理部２０は、蓄積時間の差分量DIFの絶対値が所定の閾値THより大きい場合に、ランプ信号を初期状態にリセットする。初期状態とは、図３に示したように、補正がかかっていない状態、即ち、絶対クランプ量がゼロの状態である。この場合、リセット値計測期間のランプ信号の初期電位とデータ値計測期間のランプ信号の初期電位は同電位となり、新たに算出されるクランプ量Dは、必ず電位を低下させる方向の値となる。換言すれば、算出される黒レベルオフセット差分Cは必ず正の数となる。従って、算出される黒レベルオフセット差分Cが、取り得る負数の範囲を超えることはなく、１度の制御で、必要十分なクランプ量を設定することができる。即ち、迅速に暗電流の補正を行うことができる。
【０１３８】
図１２は、蓄積時間が４V時間から１V時間に変更したときの最初の画素データの読み出しについての第２のクランプ制御の例を示している。
【０１３９】
図１２において、蓄積時間の変更の条件は、上述した図８における場合と同様であるので、その説明は省略する。
【０１４０】
信号処理部２０は、時刻t17において、蓄積時間の変更が予め設定された閾値TH以上の蓄積時間の減少であるかを判定する。換言すれば、信号処理部２０は、蓄積時間の変更が、減少する方向の変更であって、かつ、その差分量の絶対値が閾値THより大であるかを判定する。
【０１４１】
いま、蓄積時間が４V時間から１V時間への変更であって、差分量の絶対値３Vが閾値THより大きいので、信号処理部２０では、蓄積時間の変更が予め設定された閾値TH以上の蓄積時間の減少であると判定される。そして、蓄積時間の変更が予め設定された閾値TH以上の蓄積時間の減少であると判定された場合、信号処理部２０は、現在のクランプ量Dpを初期値に設定する。即ち、信号処理部２０は、絶対クランプ量“０”をランプ波生成部１６に供給する。具体的には、信号処理部２０の閾値比較部５５がリセット指示をクランプ量出力部５７に供給し、クランプ量出力部５７が絶対クランプ量“０”をランプ波生成部１６に供給する。ランプ波生成部１６は、初期状態のランプ信号を生成して、ADC２５に出力する。信号処理部２０は、初期状態に変更されたランプ信号が安定するまで待機し、ランプ信号は時刻t172には安定する。
【０１４２】
そして、時刻t172において、初期状態のOPB領域１４Bの画素２１の黒レベルオフセット差分Cが、ADC２５から信号処理部２０に供給される。
【０１４３】
信号処理部２０は、時刻t172から時刻t173の時間で、供給された黒レベルオフセット差分Cをゼロにするためのクランプ量Dを算出する。そして、時刻t173において、信号処理部２０は、算出されたクランプ量Dを加算させたランプ信号をランプ波生成部１６に生成させる。初期状態からみた変更後の絶対クランプ量もDである。ランプ波生成部１６は、データ値計測期間のランプ信号の電位がクランプ量Dだけ低下したランプ信号を生成して、ADC２５に出力する。信号処理部２０は、変更されたランプ信号が安定するまで待機し、ランプ信号は時刻t174には安定する。
【０１４４】
次の時刻t174から時刻t18の期間において、絶対クランプ量Dによって黒レベルオフセットキャンセルされた状態で、有効画素領域１４Aのすべての画素２１に蓄積された画素信号が読み出され、A/D変換されて、CMOSイメージセンサ１１外部へ出力される。
【０１４５】
以上のように、CMOSイメージセンサ１１では、蓄積時間の変更が予め設定された閾値TH以上の蓄積時間の減少である場合に、ランプ信号を初期状態にリセットしてから、黒レベルオフセット差分Cを求める。これにより、算出される黒レベルオフセット差分Cが必ず正の数となるので、取り得る負数の範囲を超えることはなく、１度の制御で、必要十分なクランプ量を設定することができる。なお、ランプ信号を初期状態にリセットすることは、第１の制御におけるオフセットDfを、固定値ではなく、現在のクランプ量Dpに対して取り得る最大の値にしたものということができる。
【０１４６】
図１３は、蓄積時間が１V時間から４V時間に変更したときの最初の画素データの読み出しについての第２のクランプ制御の例を示している。
【０１４７】
即ち、図１３は、図１１における時刻t16から時刻t17の期間における第２のクランプ制御の例を示している。
【０１４８】
信号処理部２０は、時刻t16において、蓄積時間の変更が予め設定された閾値TH以上の蓄積時間の増加であるかを判定する。換言すれば、信号処理部２０は、蓄積時間の変更が、増加する方向の変更であって、かつ、その差分量の絶対値が閾値THより大であるかを判定する。
【０１４９】
いま、蓄積時間が１V時間から４V時間への変更であって、差分量の絶対値３Vが閾値THより大きいので、信号処理部２０では、蓄積時間の変更が予め設定された閾値TH以上の蓄積時間の増加であると判定される。そして、蓄積時間の変更が予め設定された閾値TH以上の蓄積時間の増加であると判定された場合、信号処理部２０は、現在のクランプ量Dpを初期値に設定する。即ち、信号処理部２０の閾値比較部５５がリセット指示をクランプ量出力部５７に供給し、クランプ量出力部５７が絶対クランプ量“０”をランプ波生成部１６に供給する。ランプ波生成部１６は、初期状態のランプ信号を生成して、ADC２５に出力する。信号処理部２０は、初期状態に変更されたランプ信号が安定するまで待機し、ランプ信号は時刻t162には安定する。
【０１５０】
時刻t162以降の処理は、上述した図１２の時刻t172以降の処理と同様であるので、その説明は省略する。
【０１５１】
以上のように、蓄積時間の変更が予め設定された閾値TH以上の蓄積時間の増加である場合においても、ランプ信号を初期状態にリセットしてから、黒レベルオフセット差分Cを求める。これにより、算出される黒レベルオフセット差分Cが必ず正の数となるので、取り得る負数の範囲を超えることはなく、１度の制御で、必要十分なクランプ量を設定することができる。
【０１５２】
図１のCMOSイメージセンサ１１は、上述した第１のクランプ制御または第２のクランプ制御を、例えば、信号制御部からの指示により切り替えて実行することができる。
【０１５３】
なお、第１のクランプ制御においては、例えば、オフセットDfを加算若しくは減算する場合に、加算若しくは減算するオフセットDfを、１つの値ではなく、蓄積時間の差分量DIFの大きさに応じて複数持たせるようにすることができる。
【０１５４】
また、第２のクランプ制御においては、設定する絶対クランプ量を、初期値（ゼロ）ではなく、初期値に近い所定のクランプ量（初期値から、黒レベルオフセット差分Cの取り得る範囲の最小値に対応するクランプ量までの範囲内の値）とすることもできる。
【０１５５】
本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１５６】
【図１】本発明を適用したCMOSイメージセンサの一実施の形態の構成例を示すブロック図である。
【図２】ADCの動作を説明する図である。
【図３】クランプ制御処理の概要を説明する図である。
【図４】クランプ制御処理の概要を説明する図である。
【図５】暗電流の量と蓄積時間との関係を説明する図である。
【図６】従来のクランプ制御の問題を説明する図である。
【図７】図１のCMOSイメージセンサによる第１のクランプ制御を説明する図である。
【図８】図１のCMOSイメージセンサによる第１のクランプ制御を説明する図である。
【図９】信号処理部２０の詳細な構成例を示すブロック図である。
【図１０】クランプ制御処理を説明するフローチャートである。
【図１１】図１のCMOSイメージセンサによる第１のクランプ制御を説明する図である。
【図１２】図１のCMOSイメージセンサによる第２のクランプ制御を説明する図である。
【図１３】図１のCMOSイメージセンサによる第２のクランプ制御を説明する図である。
【符号の説明】
【０１５７】
１１  CMOSイメージセンサ，  １４  画素アレイ部，  １６  ランプ波生成部，  １７  カラムAD変換部，  ２０  信号処理部，  ２５  ADC，  ５１  変更後蓄積時間記憶部，  ５２  変更前蓄積時間記憶部，  ５３  差分算出部，  ５４  閾値記憶部，  ５５  閾値比較部，  ５６  クランプ量算出部，  ５７  クランプ量出力部，  ５８  クランプ量記憶部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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