(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光に対して一定期間電荷の蓄積を行う受光部と、
前記受光部で電荷の蓄積を行う１フィールド期間内に複数回の電荷読み出しを行う読み出し制御部と、
前記読み出し制御部によって読み出した電荷に対応する信号と所定の基準値とを比較して出力する差動アンプとを備え、
前記１フィールド期間内に行う複数回の電荷読み出しを等分割にするか不均等にするかを選択できるようになっている
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記１フィールド期間内に行う複数回の電荷読み出しによる前記差動アンプの出力結果が前記所定の基準値を超えた場合、その後の当該１フィールド期間内の電荷読み出しによる前記差動アンプの出力結果を自動的に前記所定の基準値を超えたとして取り扱う
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記読み出し制御部は、前記１フィールド期間内に行う複数回の電荷読み出し間隔が不均等となる選択を行った場合、前記１フィールド期間内で間隔を徐々に変えた複数回の電荷読み出しを行う
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記差動アンプから、電荷量に応じた離散化データを出力する
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記差動アンプに入力される所定の基準値は、前記複数回の電荷読み出し毎に可変する
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項６】
入射光に対して一定期間電荷の蓄積を行う工程と、
前記電荷の蓄積を行う１フィールド期間内に複数回の電荷読み出しを行う工程と、
読み出した前記電荷に対応する信号と所定の基準値とを比較して出力する工程とを備え、
前記１フィールド期間内に行う複数回の電荷読み出しを等分割にするか不均等にするかを選択できるようになっている
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項７】
前記１フィールド期間内に行う複数回の電荷読み出しによる前記差動アンプの出力結果が前記所定の基準値を超えた場合、その後の当該１フィールド期間内の電荷読み出しによる前記差動アンプの出力結果を自動的に前記所定の基準値を超えたとして取り扱う
ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項８】
前記１フィールド期間内に行う複数回の電荷読み出し間隔が不均等隣る選択を行った場合、前記１フィールド期間内で間隔を徐々に変えた複数回の電荷読み出しを行う
ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項９】
前記電荷と所定の基準値とを比較して、前記電荷の電荷量に応じた離散化データを出力する
ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１０】
前記所定の基準値を、前記複数回の電荷読み出し毎に可変する
ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一定期間内に複数回の読み出しを行って、蓄積した電荷に対応する信号の離散化データを直接得る固体撮像装置およびその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像装置は、動画や静止画を対象としたカメラシステム、スキャナや複写機、画像認識装置等の画像入力システムなど、多くの分野で適用されている。また、近年では、デジタル技術の進歩によって、固体撮像装置においても出力信号として離散化データ（デジタルデータ）を求める要望が高くなってきている。
【０００３】
従来の固体撮像装置で出力信号をデジタル化するには、一定期間露光した後、その出力に比例した信号を固体撮像装置の出力部にてＡ／Ｄ変換する方式が用いられている。
【０００４】
例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）では、１フィールド期間蓄積した電荷を転送し、その後段の出力回路で蓄積電荷量に応じた電圧に変換した後、別途設けたＡ／Ｄ変換回路を介してアナログ出力をデジタル出力に変換している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような固体撮像装置およびその駆動方法には次のような問題がある。すなわち、アナログ出力からデジタル出力を得るためのＡ／Ｄ変換回路は規模が大きく、固体撮像装置の小型化には不向きである。また、Ａ／Ｄ変換回路で発生するノイズ分があり、固体撮像装置に組み込むには問題が生じる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明の固体撮像装置は、入射光に対して一定期間電荷の蓄積を行う受光部と、受光部で電荷の蓄積を行う１フィールド期間内に複数回の電荷読み出しを行う読み出し制御部と、読み出し制御部によって読み出した電荷に対応する信号と所定の基準値とを比較して出力する差動アンプとを備え、１フィールド期間内に行う複数回の電荷読み出しを等分割にするか不均等にするかを選択できるようになっているものである。
【０００７】
また、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、入射光に対して一定期間電荷の蓄積を行う工程と、電荷の蓄積を行う１フィールド期間内に複数回の電荷読み出しを行う工程と、読み出した電荷に対応する信号と所定の基準値とを比較して出力する工程とを備え、１フィールド期間内に行う複数回の電荷読み出しを等分割にするか不均等にするかを選択できるようになっている。
【０００８】
このような本発明では、一定期間電荷の蓄積を行っている間、複数回に分けてその電荷の読み出しを行っている。この読み出した各電荷に対応する信号と所定の基準値とを比較することで、電荷量が多いほど１フィールド期間内で複数回に分けて読み出すタイミングのうち早い段階で基準値を超え、反対に電荷量が少ないほど遅い段階で基準値を超えることになる。つまり、読み出しの各タイミングで０、１判定を行うことで、蓄積した電荷に対応する信号を直接離散化データに変換できるようになる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は、本実施形態の固体撮像装置を説明する基本回路図である。すなわち、この固体撮像装置は、主としてＭＯＳ型のセンサ１を備えたもので、センサ１で光電変換して得た電荷を一時蓄積するコンデンサ２と、その蓄積した電荷を読み出す制御を行う読み出しトランジスタ３と、読み出した電荷の電荷量に応じた信号と基準値とを比較する差動アンプ４と、コンデンサ２に蓄積した電荷を排出する制御を行うリセットトランジスタ５とを備えている。
【００１０】
センサ１は、入射光に対する光電変換を行い、変換された電荷はコンデンサ２に蓄積される。コンデンサ２には、一定期間センサ１が光電変換した入射光量に応じた電荷が蓄積される。
【００１１】
このコンデンサ２に蓄積された電荷は、読み出しトランジスタ３のゲートに読み出しパルスが印加されることで読み出され、信号電圧として差動アンプ４の一方の入力端へ送出される。また、差動アンプ４の他方の入力端には所定の基準値が入力されている。これにより、差動アンプ４は、読み出された電荷に対応する信号電圧と基準値とを比較して、０または１のデジタル信号を出力する。
【００１２】
一定期間の信号出力が終了した後、リセットトランジスタ５のゲートにリセットパルスが印加されると、コンデンサ２に蓄積された電荷は排出される。
【００１３】
本実施形態では、この読み出しトランジスタ３のゲートへ、１フィールド期間内に複数回の読み出しパルスが印加される点に特徴がある。図２は、読み出しパルスを説明する図で、（ａ）は従来の読み出しパルスのタイミング、（ｂ）は本実施形態の読み出しパルスのタイミングである。
【００１４】
従来の読み出しパルスは、１フィールド期間に１回の読み出しパルスが発生しているが、本実施形態では、１フィールド期間内に８回の読み出しパルスが発生している。
【００１５】
すなわち、この固体撮像装置では、１フィールド期間を８分割して読み出しパルスを発生し、読み出しトランジスタ３のゲートへ順次印加して１フィールド期間に蓄積する電荷を８ビットのデジタル信号として出力する。ここで、１フィールド期間内に発生する各読み出しパルス間を分割フィールドと言うものとする。
【００１６】
ＭＯＳ型のセンサ１の場合、光電変換して得た電荷がコンデンサ２に蓄積され、リセットするまで非破壊で何度でも読み出せるようになっている。つまり、各読み出しパルスによって読み出される電荷の電荷量は、１フィールドの始まりからその読み出しパルス発生までの間の各分割フィールドの合計分蓄積された電荷量となる。
【００１７】
したがって、例えば、１／８フィールドで発生する読み出しパルスによって１／８フィールド分蓄積した電荷に対応する信号が差動アンプ４へ入力され、２／８フィールドで発生する読み出しパルスによって２／８フィールド分蓄積した電荷に対応する信号が差動アンプ４へ入力され、以下同様に８／８フィールドで発生する読み出しパルスまで順に各々の分割フィールドの合計分蓄積した電荷に対応する信号が差動アンプ４へ入力される。
【００１８】
この差動アンプ４には、所定の基準値が入力されており、先に説明した各分割フィールドの合計分蓄積した電荷に対応する信号と比較される。そして、この基準値より電荷量に対応する信号の方が小さい場合には０を出力し、それ以外（基準値以上）の場合には１を出力する。
【００１９】
図３は、センサへ入力される信号レベルと出力信号との関係を説明する図である。ここでは６つのセンサ１ａ〜１ｆに各々の強さの光が入力し、その時の各分割フィールドでの出力（差動アンプからの出力）を示している。
【００２０】
例えば、センサ１ａからの出力の信号レベルが「５」であるとすると、１／８フィールド〜３／８フィールドまでは差動アンプから「０」が出力され、４／８フィールド以降は差動アンプから「１」が出力される。
【００２１】
また、センサ１ｂからの出力の信号レベルが「８」であるとすると、１／８フィールド〜８／８フィールドまでの全てで差動アンプから「１」が出力される。
【００２２】
また、センサ１ｃからの出力の信号レベルが「７」であるとすると、１／８フィールドだけ差動アンプから「０」が出力され、２／８フィールド以降は差動アンプから「１」が出力される。
【００２３】
また、センサ１ｄからの出力の信号レベルが「３」であるとすると、１／８フィールド〜５／８フィールドまでは差動アンプから「０」が出力され、６／８フィールド以降は差動アンプから「１」が出力される。
【００２４】
また、センサ１ｅからの出力の信号レベルが「１」であるとすると、１／８フィールド〜７／８フィールドまでは差動アンプから「０」が出力され、８／８フィールドだけ差動アンプから「１」が出力される。
【００２５】
また、センサ１ｆからの出力の信号レベルが「６」であるとすると、１／８フィールド〜２／８フィールドまでは差動アンプから「０」が出力され、３／８フィールド以降は差動アンプから「１」が出力される。
【００２６】
このように、本実施形態の固体撮像装置では、各信号レベルに応じて差動アンプからその信号レベルに応じたデジタル信号が出力され、複雑なＡ／Ｄ変換回路を設ける必要なくデジタル出力を得ることができる。
【００２７】
図４は、露光時間に対する入射光量と、各入射光量に対応する出力信号の変化を説明する図である。本実施形態の固体撮像装置を駆動する場合、読み出しトランジスタ３（図１参照）のゲートへ、１フィールド期間内に複数回の読み出しパルスを印加する。この際、１フィールド期間を８等分した読み出しパルスを発生させる。
【００２８】
この場合、図４に示す入射光量Ｌ１〜Ｌ８では、各々等分割された分割フィールドに応じた読み出しパルスによって等間隔で各ビットの出力信号が発生する。ここで、入射光量Ｌ１からＬ８まではリニアに増加しているが、出力信号の推移はＬｏｇ的に変化する。これにより、入射光量が少ない場合には高ダイナミックレンジを実現でき、入射光量が多い場合には出力信号の飽和を抑制できることになる。
【００２９】
また、図５は、不均等な分割フィールドの場合の各入射光量と出力信号との関係を説明する図である。ここでは、最初の分割フィールドより後の分割フィールドの期間をＬｏｇ的に増加させている。これにより、読み出しパルスの発生タイミングはＬｏｇ的になるものの、出力信号はリニアに変化するようになる。
【００３０】
つまり、一つの固体撮像装置であっても、読み出しトランジスタのゲートへ印加する読み出しパルスのタイミングを等分割にするか、Ｌｏｇ的にするかにより出力信号の変化をＬｏｇ的にするか、リニアにするかを選択できるようになる。
【００３１】
また、図６は、ＣＣＤから成る固体撮像装置の例を示す構成図である。ここでは、マトリクス状に配置された複数のセンサ１と、センサ１の図中縦列に対応して形成される垂直転送部１０と、垂直転送部１０の図中下端側に設けられた水平転送部２０と、水平転送部２０の後段に設けられる出力部３０と、出力部３０からの信号が一方側の入力、基準値が他方側の入力となる差動アンプ４とを備えている。
【００３２】
このようなＣＣＤから成る固体撮像装置では、所定期間でセンサ１によって光電変換して得た電荷を、所定のタイミングで発生する読み出しパルスによって垂直転送部１０へ送り、垂直転送パルスによって垂直方向へ順次転送する。また、垂直方向に転送した後は、水平転送部２０で水平方向に順次転送する。その後、出力部３０によって転送してきた各電荷を電荷量に応じた電圧に変換し、出力している。
【００３３】
また、差動アンプ４では、出力部３０から出力される電圧と、所定の基準値とを比較して、０または１のデジタル信号を出力する。
【００３４】
このようなＣＣＤから成る本実施形態の固体撮像装置でも、先と同様に、１フィールド期間内に複数回の読み出しパルスが印加される点に特徴がある。なお、ＣＣＤでは電荷の読み出しが破壊読み出しになることから、図５に示すようなＬｏｇ的な間隔で読み出しパルスを印加することで、各分割フィールドを徐々に広くして、各分割フィールドでの蓄積時間を徐々に長くしていく。
【００３５】
これにより、１フィールド期間内の分割フィールドで読み出しパルスを発生し、電荷の読み出しを行って電荷が排出されても、次の分割フィールドでは前の分割フィールドよりも長い期間電荷の蓄積を行っているため、各分割フィールドに対応した電荷量は徐々に増加していくことになる。
【００３６】
したがって、順次増加していく各分割フィールドに対応した電荷量の信号を差動アンプ４で基準値と比較することにより、破壊読み出しであっても入射光量に応じたデジタル出力を得ることができるようになる。
【００３７】
このようなＣＣＤから成る本実施形態の固体撮像装置では、１フィールド期間内で複数回の読み出しを行うことから、１回の読み出しで取り扱う電荷量を少なくすることができ、センサ１の大きさや垂直転送部１０および水平転送部２０の大きさを小さくできるようになる。さらに、垂直転送部１０および水平転送部２０の低電圧駆動化を図ることができる。
【００３８】
なお、ＣＣＤのような破壊読み出しとなる固体撮像装置でも、各分割フィールドで差動アンプ４に与える基準値を可変することにより、図４に示すような等分割の読み出しであっても入射光量に応じたデジタル出力を得ることができる。
【００３９】
つまり、図４に示す等分割の読み出しでは、各分割フィールドの期間が等しいことから、同じ光量ではどの分割フィールドでも蓄積される電荷量は等しい。一方、異なる光量ではどの分割フィールドでも蓄積される電荷量に一定の差がある。
【００４０】
そこで、１フィールド内の最初の読み出しパルスから最後の読み出しパルスにかけて、差動アンプ４に与える基準値を徐々に小さくしていく。これにより、各分割フィールドが等間隔であっても、入射光量に応じたデジタル出力を得ることができるようになる。
【００４１】
ここで、上記説明した本実施形態において、複数のセンサを備える場合、１フィールド期間内の１分割フィールドでは、各センサに対応したビット出力が順に得られる。このため、このビット出力をメモリに格納する場合、メモリの格納先アドレスを１フィールド内の分割フィールド数に相当するアドレス分だけシフトして格納していく。
【００４２】
例えば、１フィールドを８分割している場合、一の分割フィールドで得られた各センサの各ビット出力をメモリのアドレス（１，９，１７，…）の順、すなわち８アドレス間隔で格納する。そして、次の分割フィールドで得られた各センサの各ビット出力をメモリのアドレス（２，１０，１８，…）の順に格納する。このような格納を１フィールド期間内で順次行うと、同じセンサで得た１フィールド期間のビット出力が連続する８アドレスに格納されるようになる。
【００４３】
上記説明したＭＯＳ型の固体撮像装置では、ライン型、エリア型いずれでも適用でき、また上記ＣＣＤ型の固体撮像装置では、ライン型であっても適用可能である。
【００４４】
このような固体撮像装置は、動画や静止画を対象としたカメラシステム、スキャナや複写機等の画像入力システム、またパターンマッチング等を行う画像認識システムに適用できる。
【００４５】
ここで、本実施形態の固体撮像装置では、入力レベルが高いほど、早い段階で出力ビットに「１」が立つことになる。したがって、本実施形態の固体撮像装置を画像認識システムに適用すれば、入力レベルの高い部分を１フィールド期間の早い段階で検知することができ、高速なパターンマッチング処理を実現できるようになる。
【００４６】
また、本実施形態の固体撮像装置では、１フィールド内の分割フィールドに対応した出力ビットが「１」になれば、その後の出力ビットを自動的に「１」として取り扱うようにすれば、その後の処理を高速化できるようになる。
【００４７】
なお、本実施形態では、１フィールド期間を８分割して、１フィールド期間内に８回の読み出しパルスを発生する例を説明したが、本発明はこれに限定されず、適宜読み出しパルスの回数を設定すればよい。また、出力するデジタル信号の利用形態に応じて１フィールド期間内の読み出しパルス数を可変するようにしてもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば次のような効果がある。すなわち、受光部で光電変換して得た信号を複雑なＡ／Ｄ変換回路を用いることなく、簡単な構成から成る差動アンプでデジタル化することができ、固体撮像装置の小型化、高速化を図ることが可能となる。また、１回の読み出しで取り扱う電荷量が小さいため、画素や転送部の小型化を図ることができ、画素の高密度化や駆動部の低振幅化、低電圧化を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の固体撮像装置を説明する基本回路図である。
【図２】読み出しパルスを説明する図である。
【図３】センサへ入力される信号レベルと出力信号との関係を説明する図である。
【図４】露光時間に対する入射光量と、各入射光量に対応する出力信号の変化を説明する図である。
【図５】不均等な分割フィールドの場合の各入射光量と出力信号との関係を説明する図である。
【図６】ＣＣＤから成る固体撮像装置の例を示す構成図である。
【符号の説明】
１…センサ、２…コンデンサ、３…読み出しトランジスタ、４…差動アンプ、５…リセットトランジスタ、１０…垂直転送部、２０…水平転送部、３０…出力部
【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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