CN101110913A

CN101110913A - 固态摄像装置

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Publication number: CN101110913A
Application number: CNA2007101361079A
Authority: CN
Inventors: 中岛慎一
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2006-07-19
Filing date: 2007-07-17
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2027-07-17
Also published as: EP1881696A3; US7652708B2; JP2008028517A; US20080018760A1; EP1881696A2; CN101110913B; JP4873385B2

Abstract

本发明提供一种固态摄像装置。该固态摄像装置可以将在像素的存储单元中产生的暗电流和因其引起的短路噪声抑制到最小限度，并且提高画质。固态摄像装置由以下部分构成：将像素(7)排列成二维状的像素部，该像素具有光电转换单元(1)、存储单元(2)、传送单元(3)、复位单元(4)、排出单元(5)和读出单元(6)；对像素部的输出信号进行A/D转换的A/D转换器(32)；噪声抑制单元(33)，其具有存储来自A/D转换器的信号的帧存储器(34)、和将来自A/D转换器的信号与来自帧存储器的信号相加的加法器(35)；控制器(36)，在进行来自同一像素的信号读出时其进行控制，使得光电转换信号被传送给存储单元后的像素的第1信号电平被读出的定时、与将存储单元复位时的像素的第2信号电平被读出的定时相差1帧期间。

Description

固态摄像装置

技术领域

本发明涉及一种使用了可以抑制固定模式噪声并实现高画质的MOS型摄像元件的固态摄像装置。

背景技术

一般，在MOS型摄像元件中，会产生因像素的暗电流成分或构成像素的放大晶体管的偏差造成的固定模式噪声(FPN)。作为抑制该固定模式噪声的方法，以往提出各种方法，例如在CQ出版社发行的“CCD/CMOS图像传感器的基础和应用”(第193页～第194页)中公开了以下方法，如图16所示，利用A/D转换器102对来自被遮光的状态的CMOS图像传感器101的信号进行A/D转换，然后作为基准信号存储在帧缓冲器103中，之后利用减法器104从被曝光存储的由CMOS图像传感器输出的图像信号中，减去存储在帧缓冲器103中的基准信号，由此去除抑制固定模式噪声。

并且，作为MOS型摄像元件的读出方法，除普通的XY地址读出方法外，还公开的有使全部像素的曝光期间一致的全局快门(global shutter)方式的读出方法。

非专利文献1“CCD/CMOS图像传感器的基础和应用”CQ出版社发行、第193页～第194页

可是，在使用全局快门读出方式的MOS型摄像元件中，如果使用上述文献公开的帧缓冲器方式的FPN抑制方法，则由于帧缓冲器方式中的基准信号的单纯相减运算，在画质上产生问题，需要研究以像素结构为代表的读出驱动方法和存储器控制方法。

发明内容

本发明就是为了解决采用以往的全局快门读出方式的MOS型摄像元件的FPN抑制方式中的上述问题而提出的，其目的在于，提供一种可以高精度地高效地抑制FPN并得到高画质的固态摄像装置。

第一方面的发明提供一种固态摄像装置，该固态摄像装置具有：二维地排列有像素的像素部，该像素具有：光电转换单元、存储所述光电转换单元的光电转换信号的存储单元、向所述存储单元传送所述光电转换信号的传送单元、将所述存储单元复位的复位单元、排出存储在所述光电转换单元中的光电转换信号的排出单元、和读出所述存储单元的光电转换信号的读出单元；A/D转换器，其将从所述像素部输出的关于像素的信号转换为数字信号；噪声抑制单元，其具有：存储来自所述A/D转换器的信号的帧存储器，和将来自所述帧存储器的输出与来自所述A/D转换器的信号相加的加法器，该噪声抑制单元抑制来自所述A/D转换器的信号的噪声；以及控制器，在读出来自所述像素部的同一像素的信号时，该控制器进行控制，使得通过所述传送单元将所述光电转换信号传送给所述存储单元后的所述像素的第1信号电平被读出的定时、与通过所述复位单元将所述存储单元复位时的所述像素的第2信号电平被读出的定时相差1帧期间。

根据第一方面的发明的固态摄像装置，第二方面的发明的特征在于，所述控制器进行以下控制：针对全部像素，将存储在所述光电转换单元中的光电转换信号一并排出，然后停止排出动作而开始曝光期间的控制；按照每一行或每多行依次将所述存储单元复位，读出1帧份量的复位电平并输入到所述噪声抑制单元的控制；针对全部像素，在所述复位电平的读出结束后，将存储在所述光电转换单元中的光电转换信号一并传送给所述存储单元，并结束曝光的控制；和按照每一行或每多行依次从所述存储单元读出1帧份量的信号电平，并输入到所述噪声抑制单元的控制。

根据第二方面的发明的固态摄像装置，第三方面的发明的特征在于，所述控制器在曝光期间短于读出1帧份量的复位电平的期间的情况下，在复位电平的读出过程中使存储在所述光电转换单元中的光电转换信号的排出动作停止、开始曝光，在曝光期间长于读出1帧份量的复位电平的期间的情况下，在复位电平的读出之前使存储在所述光电转换单元中的光电转换信号的排出动作停止、开始曝光。

根据第二或第三方面的发明的固态摄像装置，第四方面的发明的特征在于，所述控制器使得在针对全部像素将存储在所述光电转换单元中的光电转换信号一并传送给所述存储单元的时间点的大致1帧期间之前的时间点开始所述1帧份量的复位电平的读出。

根据第一～第四方面的发明的任一项所述的固态摄像装置，第五方面的发明的特征在于，所述控制器可以进行第1读出模式和第2读出模式的切换，所述第1读出模式按照每一行或每多行依次将所述存储单元复位，读出1帧份量的刚复位后的复位电平，然后读出1帧份量的从按照每一行或每多行将所述存储单元复位后经过了1帧期间之后的复位电平，而所述第2读出模式按照每一行或每多行依次将所述存储单元复位，读出1帧份量的刚复位后的复位电平，然后针对全部像素将存储在所述光电转换单元中的光电转换信号一并传送给所述存储单元，按照每一行或每多行依次读出1帧份量的信号电平。

根据第五方面的发明的固态摄像装置，第六方面的发明的特征在于，所述控制器使得在进行了一次或多次的所述第1读出模式动作后，进行所述第2读出模式动作。

根据第五方面的发明的固态摄像装置，第七方面的发明的特征在于，所述控制器使得在进行了所述第2读出模式动作后，进行一次或多次的所述第1读出模式动作。

根据第五方面的发明的固态摄像装置，第八方面的发明的特征在于，所述控制器使得在进行了一次或多次的所述第1读出模式动作后，进行所述第2读出模式动作，再进行一次或多次的所述第1读出模式动作。

根据第六～第八方面的发明的任一项所述的固态摄像装置，第九方面的发明的特征在于，所述噪声抑制单元在数字域，从通过所述第1读出模式动作读出的经过1帧期间后的复位电平减去刚复位后的复位电平，来检测噪声信号，在数字域，从通过所述第2读出模式动作读出的信号电平减去刚复位后的复位电平，来检测光信号，在进行了通过所述第1读出模式动作得到的多次的噪声信号的平均化处理后，在数字域从通过所述第2读出模式动作得到的光信号中减去进行了所述平均化处理的噪声信号。

根据第六～第八方面的发明的任一项所述的固态摄像装置，第十方面的发明的特征在于，所述第2读出模式动作进行多次。

根据第五～第十方面的发明的任一项所述的固态摄像装置，第十一方面的发明的特征在于，在所述像素部和所述A/D转换器之间还具有模拟域的增益可变单元，对通过所述第1读出模式动作和所述第2读出模式动作读出的复位电平或信号电平，进行模拟域的增益处理。

根据第十一方面的发明所述的固态摄像装置，第十二方面的发明的特征在于，所述增益可变单元将针对通过所述第1读出模式动作读出的复位电平的增益设定成大于针对通过所述第2读出模式动作读出的复位电平及信号电平的增益。

根据第十一或第十二方面的发明所述的固态摄像装置，第十三方面的发明的特征在于，在所述增益可变单元将针对通过所述第1读出模式动作读出的复位电平的增益设定成与针对通过所述第2读出模式动作读出的复位电平及信号电平的增益不同时，所述噪声抑制单元在数字域中的光信号和噪声信号的相减运算处理之前校正增益差。

根据第五～第十三方面的发明的任一项所述的固态摄像装置，第十四方面的发明的特征在于，该固态摄像装置还具有两级式的快门释放单元，所述控制器在所述快门释放单元的第1级的快门释放动作时，进行一次或多次第1读出模式动作，在第2级的快门释放动作时停止排出动作并且进行一次或多次第2读出模式动作。

根据第七或第八方面的发明所述的固态摄像装置，第十五方面的发明的特征在于，该固态摄像装置还具有快门释放单元，当在进行了所述第2读出模式动作后，在进行一次或多次所述第1读出模式动作的过程中进行了快门释放动作时，所述控制器暂时中断所述第1读出模式动作，停止排出动作，并且进行一次或多次所述第2读出模式动作，再进行一次或多次所述第1读出模式动作。

根据第五～第十五方面的发明的任一项所述的固态摄像装置，第十六方面的发明的特征在于，所述噪声抑制单元在数字域，从通过所述第1读出模式动作读出的经过1帧期间后的复位电平减去刚复位后的复位电平，来检测噪声信号，将该噪声信号存储在帧存储器中，并且对之后获取的噪声信号和存储在所述帧存储器中的噪声信号分别进行加权，将其运算结果重新存储在帧存储器中，在检测到光信号时，在数字域，从该光信号减去存储在所述帧存储器中的信号。

根据第十六方面的发明所述的固态摄像装置，第十七方面的发明的特征在于，所述噪声抑制单元根据温度和经过时间而改变所述加权的权值。

根据第五～第十七方面的发明的任一项所述的固态摄像装置，第十八方面的发明的特征在于，所述控制器根据温度、连拍模式、画质模式、用户的任意设定，改变所述第1读出模式的动作次数。

根据本发明，可以使全部像素同时开始曝光和结束曝光，由此不会产生图像失真，可以在数字域去除像素部的复位噪声和固定模式噪声，进行控制使得在读出来自像素部的同一像素的信号时，通过传送单元将光电转换信号传送给存储单元后的像素的第1信号电平被读出的定时、与通过复位单元将存储单元复位时的像素的第2信号电平被读出的定时相差1帧期间，所以能够使从存储单元的复位动作到读出的时间为最短，可以将通过存储单元产生的暗电流及因其引起的短路噪声抑制到最小限度，可以提高画质。

附图说明

图1是表示本发明涉及的固态摄像装置的实施例1的结构的概要方框图。

图2是说明图1所示实施例1的动作的时序图。

图3是说明在图1所示实施例1中，曝光期间比1帧期间长时的动作的时序图。

图4是说明在图1所示实施例1中，复位电平的读出开始条件的时序图。

图5是表示实施例2涉及的固态摄像装置的噪声抑制单元的结构的概要方框图。

图6是说明图2所示实施例2的动作例的时序图。

图7是说明图2所示实施例2的其他动作例的时序图。

图8是说明图2所示实施例2的另一其他动作例的时序图。

图9是说明图2所示实施例2的又一其他动作例的时序图。

图10是说明图2所示实施例2的又一其他动作例的时序图。

图11是说明图2所示实施例2的又一其他动作例的时序图。

图12是表示实施例3涉及的固态摄像装置的结构的概要方框图。

图13是表示实施例4涉及的固态摄像装置的噪声抑制单元的结构的概要方框图。

图14是表示实施例5涉及的固态摄像装置的噪声抑制单元的结构的概要方框图。

图15是表示实施例6涉及的固态摄像装置的噪声抑制单元的结构的概要方框图。

图16是表示以往抑制MOS型摄像元件的固定模式噪声的方法的方框图。

标号说明

1光电转换单元；2存储单元；3传送单元；4复位单元；5排出单元；6读出单元；7单位像素；30垂直电路；31水平电路；33噪声抑制单元；34、48帧存储器；35、38、46加法器；36控制器；37平均化处理部；40增益可变单元；41、42、43、44、45、47乘法器。

具体实施方式

以下，说明用于实施本发明的优选方式。

[实施例]

(实施例1)

首先，说明本发明涉及的固态摄像装置的实施例1。图1是表示实施例1涉及的固态摄像装置的结构的概要方框图。在图1中，1表示光电二极管等光电转换单元，接受预定时间的光并储存光电荷来进行光电转换。2表示保存光电转换单元1的光电荷的存储单元，3表示传送光电转换单元1的光电荷的传送单元，4表示将存储单元2复位成电源电位的复位单元，5表示将光电转换单元1复位成电源电位的排出单元，6表示读出存储单元2的电荷的读出单元，7表示由上述各单元构成的单位像素，并被二维地排列了多个以构成像素部。另外，在图示例中仅示出2×2的4像素部分。

30表示垂直电路，分别按照像素部的每一行输出用于控制传送单元3、复位单元4、排出单元5和读出单元6的接通及断开的传送控制信号φTX1、复位控制信号φRES(n)、排出控制信号φTX2和读出控制信号φSEL(n)。另外，φRES(n)和φSEL(n)中的附带字母n表示行位置。

31表示水平电路，其选择要读出信号的像素列，输出该像素列的像素的信号。32表示对通过水平电路31从各个像素的读出单元6读出的信号进行A/D转换的A/D转换器，33表示噪声抑制单元，用于抑制从水平电路31输出的像素的信号的噪声，由存储通过A/D转换器32进行A/D转换后的信号的帧存储器34、和进行相减运算的加法器35构成。36表示控制器，其对垂直电路30、水平电路31、噪声抑制电路33及其他电路施加用于控制其动作的信号，该控制器36构成为进行与从外部施加的外部设定信号对应的控制。

下面，参照图2所示的时序图，说明图1所示实施例1涉及的固态摄像装置的动作。如图2所示，首先利用复位控制信号φRES(1)使第1行像素的复位单元4接通，从而将第1行的存储单元2复位成电源电位。然后，在使复位单元4断开后，利用读出控制信号φSEL(1)，使用读出单元6读出刚复位后的电位。所读出的1行份量的复位电平通过A/D转换器32进行A/D转换。A/D转换后的1行份量的复位电平存储在帧存储器34中。依次对所有行进行该动作，在将最后一行的复位信号存储在了帧存储器34中的时间点，动作结束。另外，在此把第6行表示为最后一行。

与该动作过程同时，将排出控制信号φTX2从H电平设为L电平，从而针对全部像素将排出单元5一并断开，由此开始全部像素的曝光。在得到了预定的曝光期间后，在针对全部像素一并传送的定时，针对全部像素利用传送控制信号φTX1使传送单元3同时接通，由此将存储在光电转换单元1中的光电荷一并传送给存储单元2。即，使曝光结束。在曝光结束后，接着基于读出控制信号φSEL(n)从第1行开始依次使用读出单元6读出信号电平。所读出的1行份量的信号电平通过A/D转换器32进行A/D转换。

然后，从先前存储的帧存储器34读出第1行的复位电平，利用加法器35从第1行的信号电平减去第1行的复位电平。按照时间序列针对全部像素进行该动作，并在从最后一行的信号电平减去了最后一行的复位电平的时间点结束该动作。根据这种实施例1的结构和动作，全部像素同时开始曝光和结束曝光，从而不会产生图像失真，可以在数字域中去除像素部的复位(KTC)噪声和固定模式噪声。另外，在图2的时序图所示的上述动作中，表示了按照每一行来进行存储单元的复位动作、来自存储单元的信号读出动作等，但也可以按照每多行来进行。

下面，使用图3的时序图，说明曝光期间比1帧期间长时的动作。在图2所示的时序图中，说明了与从第1行到最后一行的复位电平的读出过程同时，针对全部像素将排出单元5一并断开，由此开始全部像素的曝光的动作，但在图3所示的时序图中，首先在针对全部像素将排出单元5一并断开后，按照时间序列从第1行开始读出复位电平，这一点与图2的时序图所示的动作不同。关于其他动作，与图2的时序图所示的动作相同。

根据这种动作，除了进行图2的时序图所示的动作时的效果之外，还可以将曝光期间变长到帧率(frame rate)期间以上，尤其适合于长时间曝光等。

下面，使用图4的时序图说明复位电平的读出开始条件。在图4所示的时序图中，在针对全部像素的一并传送动作的大致1帧期间之前开始复位电平的读出。由此，除了进行图2和图3的时序图所示的动作时的效果之外，还可以使从存储单元2的复位动作到读出的时间为最短，可以将在该部分产生的暗电流及因其引起的短路噪声抑制到最小限度，提高画质。

(实施例2)

下面，说明本发明涉及的固态摄像装置的实施例2。图5是表示实施例2涉及的固态摄像装置的噪声抑制单元的结构的概要方框图。与实施例1涉及的噪声抑制单元的不同之处是，追加了对加法器35的输出进行获取图像的平均化处理的平均化处理部37、和从信号电平减去进行了平均化处理的图像的加法器38。另外，其他结构本身与实施例1相同。

下面，参照图6所示的时序图，说明在实施例2中进行的动作。首先说明图6中的第1读出模式动作。在该第1读出模式中，首先将第1行的像素的复位单元4接通，从而将第1行的存储单元2复位成电源电位。然后，在将复位单元4断开后，使用读出单元6读出刚复位后的电位。所读出的1行份量的复位电平通过A/D转换器32进行A/D转换。A/D转换后的1行份量的复位电平存储在帧存储器34中。依次对所有行进行该动作，在将最后一行的复位信号存储在了帧存储器34中的时间点，结束该动作。

然后，从第1行开始按顺序使用读出单元6读出自上述复位动作起经过了1帧期间后的复位电平。所读出的1行份量的自复位起经过了1帧期间后的复位电平，通过A/D转换器32进行A/D转换。

然后，从先前存储的帧存储器34读出第1行的刚复位后的复位电平，同时利用加法器35从第1行的经过1帧期间后的复位电平减去上述第1行的刚复位后的复位电平。按照时间序列针对全部像素进行该动作，并在从最后一行的经过1帧期间后的复位电平减去了最后一行的刚复位后的复位电平的时间点结束该动作，由此基于第1读出模式的读出动作结束。

下面，说明图6中的第2读出模式动作。在该第2读出模式中，首先将第1行的像素的复位单元4接通，从而将第1行的存储单元2复位成电源电位。然后，在将复位单元4断开后，使用读出单元6读出刚复位后的电位。所读出的1行份量的复位电平通过A/D转换器32进行A/D转换。A/D转换后的1行份量的复位电平存储在帧存储器34中。依次对所有行进行该动作，在将最后一行的复位信号存储在了帧存储器中的时间点，结束该动作。

然后，在得到了预定的曝光期间后，在针对全部像素一并传送的定时，针对全部像素使传送单元3同时接通，由此将存储在光电转换单元1中的光电荷一并传送给存储单元2。即，曝光期间结束。在曝光期间结束后，接着从第1行开始按顺序使用读出单元6读出信号电平。所读出的1行份量的信号电平通过A/D转换器32进行A/D转换。

然后，从先前存储的帧存储器34读出第1行的刚复位后的复位电平，同时利用加法器35从第1行的信号电平减去上述第1行的刚复位后的复位电平。按照时间序列针对全部像素进行该动作，并在从最后一行的信号电平减去了最后一行的刚复位后的复位电平的时间点结束该动作，由此第2读出模式的动作结束。

在图6所示的时序图中，表示了进行4次第1读出模式的动作、1次第2读出模式的动作的状态。通过第1次的第1读出模式动作，

·在通过图6(1)所示的处理(存储单元的依次复位和复位电平的读出)的图像中，包含像素部的复位(KTC)噪声和固定模式噪声。

·在通过(2)所示的处理(经过1帧期间后的复位电平的读出)的图像中，除了像素部的复位(KTC)噪声和固定模式噪声外，还包含在存储单元2中产生的暗电流成分及因其引起的短路噪声成分。

·在此，通过(1)和(2)所示的处理的像素部的复位(KTC)噪声和固定模式噪声具有相关性。

·通过(2)-(1)的相减运算处理，像素部的复位(KTC)噪声和固定模式噪声在数字域中被去除，可以获取残留有作为固定模式噪声成分的存储单元2的暗电流成分和作为随机噪声成分的起因于暗电流的短路噪声的噪声信号。

关于第2次到第3次的第1读出模式也进行相同的驱动，

·通过(4)-(3)、(6)-(5)、(8)-(7)的相减运算处理，同样像素部的复位(KTC)噪声和固定模式噪声在数字域中被去除，可以获取作为固定模式噪声成分的存储器部的暗电流成分和作为随机噪声成分的起因于暗电流的短路噪声。

然后，通过第2读出模式动作，

·在通过图6的(9)所示的处理(存储单元的依次复位和复位电平的读出)的图像中，包含像素部的复位(KTC)噪声和固定模式噪声。

·在通过(10)所示的处理(信号电平的依次读出)的图像中，除了像素部的复位(KTC)噪声和固定模式噪声外，还包含在存储单元2中产生的暗电流成分及因其引起的短路噪声成分、基于预定曝光期间的光信号。

·在此，通过(9)和(10)所示的处理的像素部的复位(KTC)噪声和固定模式噪声具有相关性。

·通过(10)-(9)的相减运算处理，像素部的复位(KTC)噪声和固定模式噪声在数字域中被去除，可以获取残留有作为固定模式噪声成分的存储器部的暗电流成分和作为随机噪声成分的起因于暗电流的短路噪声的光信号。

然后，在平均化处理部37中，

对通过(2)-(1)、(4)-(3)、(6)-(5)、(8)-(7)的各相减运算处理的4个噪声信号，进行相加平均等处理，由此得到抑制了噪声信号的随机噪声成分即起因于存储单元2的暗电流的短路噪声的平均化噪声信号。

然后，从通过(10)-(9)的相减运算处理得到的光信号中减去上述平均化的噪声信号，由此残留于光信号中的基于存储单元2的暗电流成分的固定模式噪声被去除，并且通过相减运算可以减小噪声信号的随机噪声成分的影响，所以能够获得高画质的图像。并且，实施例2中的图6所示的该动作例，在曝光时间较长的情况下非常有效，像素动作可以在曝光期间中高效地获取存储单元2的暗电流成分，能够大幅缩短把该固态摄像装置作为照相机时的总体摄影间隔，所以非常适合。并且，在上述图6的动作例中，示出了进行4次第1读出模式动作的情况，但是该第1读出模式动作的执行次数当然可以是任意次数。另外，优选构成为根据温度、连拍模式、画质模式、进而根据用户的任意设定而改变该第1读出模式动作的执行次数。

下面，使用图7所示的时序图，说明实施例2的另一动作例(驱动例)。与图6所示动作例的不同之处是，在图6所示的动作例中，示出了先进行多次第1读出模式的动作，然后进行1次第2读出模式的动作的示例，但在图7所示的动作例中，进行多次第1读出模式的动作，然后进行1次第2读出模式的动作，再次进行第1读出模式的动作。具体地讲，在曝光期间比图6所示的动作例短的情况下(短几帧的期间)，对于通过第1读出模式动作获得的噪声信号，在存储器等中仅存储在该曝光期间内能够获取的数量的噪声信号，在进行了1次第2读出模式的动作后，追加进行小于预定次数的不足部分的第1读出模式的动作。

由此，可以保持高画质，将快门释放延迟抑制在最小限度，并且可以进行驱动使得总体摄影间隔为最短。在该图7所示的动作示例中，需要临时存储通过中间进行的第2读出模式动作得到的光信号的帧存储器等，但由于不是本发明的主旨，所以省略其说明。

下面，使用图8所示的时序图，说明实施例2的另一其他动作示例。与图6所示动作示例的不同之处是，在图6所示的动作示例中，示出了先进行多次第1读出模式的动作，然后进行1次第2读出模式的动作的示例，但在图8所示的动作示例中，进行1次第2读出模式的动作，然后进行多次第1读出模式的动作。具体地讲，在曝光期间与图6所示的动作示例相比非常短的情况下，如果先进行第1读出模式的动作，将导致快门释放延迟变长，所以首先进行第2读出模式的动作，然后进行必要次数的第1读出模式的动作。

在该动作示例(驱动模式)的情况下，也与图7所示的动作示例相同，可以保持高画质，将快门释放延迟抑制在最小限度，使总体摄影间隔为最短，并且也能够应对快速快门。另外，在该动作示例的情况下，也同样需要临时存储在第2读出模式动作中得到的光信号的帧存储器等，但由于不是本发明的主旨，所以省略其说明。

下面，使用图9所示的时序图，说明实施例2的另一其他动作示例。与图6～图8所示动作示例的不同之处是，进行多次第2读出模式的动作。该动作示例的情况下，尤其在快速连拍模式时比较有效，可以缩短从第1次的第2读出模式动作到下一次的第2读出模式动作的时间，所以能够保持高画质，应对快速连拍。在此，第2读出模式动作的执行次数不限于两次，当然执行多少次都可以，第1读出模式的动作在其之前、其前后、其之后任意时间点进行都可以。

下面，使用图10所示的时序图，说明实施例2的又一其他动作示例。在普通的静态图像照相机中，大多具有两级快门释放机构。该情况下，一般采用如下方式：在快门按下一半时(第1级释放)进行AF等的处理，通过将快门全部按下(第2级释放)而转入正式摄影。在图10所示的时序图中，外部触发1相当于第1级释放，外部触发2相当于第2级释放。在此处所示动作示例的定时，接收外部触发1转入第1读出模式的动作，接收外部触发2转入第2读出模式的动作。

由此，在曝光期间短的情况下(快速快门)，也能够事前取得噪声信号，在快速快门时，也能够保持高画质，应对快速快门。另外，由于马上就转入后面的摄影动作，所以能够使摄影间隔为最短。在此，在图10所示的时序图中，示出了在第2读出模式动作之前进行第1读出模式动作的示例，但是当然也可以在第2读出模式动作之后进行不足部分的第1读出模式动作。

下面，使用图11所示的时序图，说明实施例2的又一其他动作示例。与其他时序图所示的动作示例的不同之处是如下情况下的动作：即在第2读出模式动作之后进行多次第1读出模式动作的过程中，从外部来了正式摄影的外部触发的情况下的动作。如果进行必要次数的第1读出模式动作，则有时将错过后面的摄影时机。在该图11所示的动作示例的定时，当检测到正式摄影的外部触发时，马上中止第1读出模式动作，在进行了第2读出模式动作后，再进行不足部分的第1读出模式动作。

由此，可以在任意定时按下快门，能够获得保持了高画质、不会错过摄影时机的优点。

(实施例3)

下面，说明本发明涉及的固态摄像装置的实施例3。图12是表示实施例3涉及的固态摄像装置的结构的概要方框图。与图1所示实施例1的不同之处是，在单位像素7的读出单元6和A/D转换器32之间追加了模拟域的增益可变单元40，在噪声抑制单元33中追加了乘法器41和乘法器42。关于模拟域的增益可变单元40的示例，可以列举列放大器，但不限于此。

在本实施例中，关于从单位像素7的读出单元6输出并输入到增益可变单元40的信号，有以下几种信号。

·第1读出模式动作中的刚复位后的复位电平 ……(11)

·第1读出模式动作中的从复位起经过1帧期间后的复位电平 ……(12)

·第2读出模式动作中的刚复位后的复位电平 ……(11)

·第2读出模式动作中的信号电平 ……(13)

在基于(11)的图像中包含像素部的复位(KTC)噪声和固定模式噪声。

在基于(12)的图像中，除了像素部的复位(KTC)噪声和固定模式噪声外，还包含在存储单元2中产生的暗电流成分和因其引起的短路噪声成分。

在基于(13)的图像中，除了像素部的复位(KTC)噪声和固定模式噪声外，还包含在存储单元2中产生的暗电流成分和因其引起的短路噪声成分、以及基于预定曝光期间的光信号。通过比较这些信号的振幅得知(11)＜(12)＜(13)。

一般，在利用约3V的电源电压构成装置的各个电路时，在各个电路中处理的信号振幅为约1V。(11)和(12)的复位电平由于振幅非常小，所以即使赋予大的增益，放大器的输出也不会饱和。如果利用列放大器等提高增益，则在此之后的放大器噪声和A/D转换器的量化噪声观察起来相对小，所以能够提高SNR。

在此，由于通过单位像素7的读出单元6读出的信号中载有偏压，所以有时在该状态下不能赋予大的增益。虽然一般也有利用基准电压等获取差分的方法，但由于和本发明的主旨不同，所以在此省略说明。在上述实施例3中，例如假设在第1读出模式动作中，在增益可变单元40中利用系数α将刚复位后的复位电平放大，并存储在帧存储器34中，并且在增益可变单元40中利用系数β将从复位起经过1帧期间后的复位电平放大。

由于在该状态下不能进行相减运算，所以把乘法器41的系数a和乘法器42的系数b设为a∶b＝β∶α，由此可以提高噪声信号的SNR。并且，假设在第2读出模式动作中，在增益可变单元40中利用系数γ将刚复位后的复位电平放大，并存储在帧存储器34中，并且在增益可变单元40中利用系数δ将信号电平放大。由于在该状态下不能进行相减运算，所以把乘法器41的系数a和乘法器42的系数b设为a∶b＝δ∶γ，由此可以提高光信号的SNR。在此，通过对信号振幅小的信号赋予大的增益，可以获得最大效果。

(实施例4)

下面说明实施例4。图13是表示实施例4涉及的固态摄像装置的噪声抑制单元的结构的概要方框图。与图12所示实施例3的噪声抑制单元的不同之处是，追加了对乘法器43、乘法器44、加法器35的输出进行获取图像的平均化处理的平均化处理部37、和从信号电平减去进行了平均化处理的图像的加法器38，其他结构与实施例3相同。如在图12所示实施例3中叙述的那样，在第1读出模式动作中，在增益可变单元40中利用系数α将刚复位后的复位电平放大，并存储在帧存储器34中，并且在增益可变单元40中利用系数β将从复位起经过1帧期间后的复位电平放大，把乘法器41的系数a和乘法器42的系数b设为a∶b＝β∶α，检测噪声信号，在第2读出模式动作中，在增益可变单元40中利用系数γ将刚复位后的复位电平放大，并存储在帧存储器34中，并且在增益可变单元40中利用系数δ将信号电平放大，把乘法器41的系数a和乘法器42的系数b设为a∶b＝δ∶γ，检测光信号。

此时，噪声信号表示如下。

(12)×β×α-(11)×α×β

并且，光信号表示如下。

(13)×δ×γ-(11)×γ×δ

然后，噪声信号通过平均化处理部37被抑制随机噪声成分，通过把乘法器43的系数c和乘法器44的系数d设为c∶d＝γ×δ∶α×β，可以将在此以后的放大器噪声和A/D转换器的量化噪声抑制在最小限度，可以实现更高的画质。

(实施例5)

下面说明实施例5。图14是表示实施例5涉及的固态摄像装置的噪声抑制单元的结构的概要方框图。与图5所示实施例2的噪声抑制单元的不同之处是，追加乘法器45、加法器46、乘法器47、帧存储器48来取代平均化处理部37，其他结构与实施例2或实施例3相同。在此，乘法器45、加法器46、乘法器47、帧存储器48是抑制噪声信号的随机噪声成分，并且检测在像素的存储单元2中产生的固定模式噪声的单元。在帧存储器48中存储用于抑制残留在光信号中的因存储单元2的暗电流成分引起的固定模式噪声的噪声信号。

下面，说明这样构成的噪声抑制单元33的动作。乘法器45是对在某个时刻得到的最新噪声成分进行加权的乘法器。其加权系数为e＝1/ε，增益可变单元40中的系数ε越大，加权的权值越小，越不易受到最新噪声成分的影响。与此对应，乘法器47的系数f为系数f＝(ε-1)/ε。在此，系数e、f被设定为使(e+f)始终为1。并且，加权系数构成为可以根据温度和经过时间而变化。例如，在读出接通电源时的最新噪声信号时，若ε＝1，则e＝1、f＝0，最新噪声信号被维持其状态而存储在帧存储器48中。

下面，叙述改变了加权系数e时的情况。若假设ε＝8，则e＝1/8、f＝7/8。向最新噪声信号乘以系数e，向从帧存储器48同时地读出的噪声信号乘以系数f。在加法器46中进行加法运算以使得e+f＝1。通过以上所述动作，不需要获取必要程度以上的噪声信号，可以降低噪声信号的随机噪声成分，始终能够在需要的时候读出噪声信号中包含的固定模式噪声成分。因此，通过最小限度的噪声信号的获取，可以始终跟随因温度变化等导致的像素的存储单元2的暗电流成分，始终能够读出随机噪声成分少的噪声信号。

由此，摄影间隔最短，连拍速度提高，对于前面叙述的高画质化处理也可以获得相同的效果。在此，利用数字电路构成的噪声抑制单元33的比特精度等与本发明的主旨不同，所以省略说明，但为了确保精度，在实际的电路结构中追加各种电路。

(实施例6)

下面说明实施例6。图15是表示实施例6涉及的固态摄像装置的噪声抑制单元的结构的概要方框图。本实施例6涉及的噪声抑制单元是将图13所示实施例4的噪声抑制单元和图14所示实施例5的噪声抑制单元组合得到的。根据这种结构，放大器噪声和A/D转换器的量化噪声观察起来相对小，所以能够提高SNR，通过最小限度的噪声信号的获取，可以始终跟随因温度变化等导致的存储器部的暗电流成分，始终能够读出随机噪声成分少的噪声信号，摄影间隔最短，连拍速度提高，也有助于实现低功耗化，对于前面叙述的高画质化处理也可以获得相同的效果。

另外，在上述各个实施例中，针对来自水平电路31的输出，利用A/D转换器32进行A/D转换，但在采取在水平电路31内对应于每列进行A/D转换的结构时，当然也能够获得相同的效果。

Claims

1.一种固态摄像装置，该固态摄像装置具有：

二维地排列有像素的像素部，其中所述像素具有：光电转换单元、存储所述光电转换单元的光电转换信号的存储单元、向所述存储单元传送所述光电转换信号的传送单元、将所述存储单元复位的复位单元、排出存储在所述光电转换单元中的光电转换信号的排出单元、和读出所述存储单元的光电转换信号的读出单元；

A/D转换器，其将从所述像素部输出的关于像素的信号转换为数字信号；

噪声抑制单元，其具有：存储来自所述A/D转换器的信号的帧存储器、和将来自所述帧存储器的输出与来自所述A/D转换器的信号相加的加法器，该噪声抑制单元抑制来自所述A/D转换器的信号的噪声；以及

控制器，在读出来自所述像素部的同一像素的信号时，该控制器进行控制，使得通过所述传送单元将所述光电转换信号传送给所述存储单元后的所述像素的第1信号电平被读出的定时、与通过所述复位单元将所述存储单元复位时的所述像素的第2信号电平被读出的定时相差1帧期间。

2.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其特征在于，所述控制器进行以下控制：

针对全部像素，将存储在所述光电转换单元中的光电转换信号一并排出，然后停止排出动作而开始曝光期间的控制；

按照每一行或每多行依次将所述存储单元复位，读出1帧份量的复位电平并输入到所述噪声抑制单元的控制；

在所述复位电平的读出结束后，针对全部像素将存储在所述光电转换单元中的光电转换信号一并传送给所述存储单元，并结束曝光的控制；和

按照每一行或每多行依次从所述存储单元读出1帧份量的信号电平，并输入到所述噪声抑制单元的控制。

3.根据权利要求2所述的固态摄像装置，其特征在于，所述控制器在曝光期间短于读出1帧份量的复位电平的期间的情况下，在复位电平的读出过程中使存储在所述光电转换单元中的光电转换信号的排出动作停止、开始曝光，在曝光期间长于读出1帧份量的复位电平的期间的情况下，在复位电平的读出之前使存储在所述光电转换单元中的光电转换信号的排出动作停止、开始曝光。

4.根据权利要求2所述的固态摄像装置，其特征在于，所述控制器使得在针对全部像素将存储在所述光电转换单元中的光电转换信号一并传送给所述存储单元的时间点的大致1帧期间之前的时间点开始所述1帧份量的复位电平的读出。

5.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其特征在于，所述控制器可以进行第1读出模式和第2读出模式的切换，所述第1读出模式按照每一行或每多行依次将所述存储单元复位，读出1帧份量的刚复位后的复位电平，然后读出1帧份量的从按照每一行或每多行将所述存储单元复位后经过了1帧期间之后的复位电平，而所述第2读出模式按照每一行或每多行依次将所述存储单元复位，读出1帧份量的刚复位后的复位电平，然后针对全部像素将存储在所述光电转换单元中的光电转换信号一并传送给所述存储单元，按照每一行或每多行依次读出1帧份量的信号电平。

6.根据权利要求5所述的固态摄像装置，其特征在于，所述控制器使得在进行了一次或多次的所述第1读出模式动作后，进行所述第2读出模式动作。

7.根据权利要求5所述的固态摄像装置，其特征在于，所述控制器使得在进行了所述第2读出模式动作后，进行一次或多次的所述第1读出模式动作。

8.根据权利要求5所述的固态摄像装置，其特征在于，所述控制器使得在进行了一次或多次的所述第1读出模式动作后，进行所述第2读出模式动作，再进行一次或多次的所述第1读出模式动作。

9.根据权利要求6所述的固态摄像装置，其特征在于，所述噪声抑制单元在数字域，从通过所述第1读出模式动作读出的经过1帧期间后的复位电平减去刚复位后的复位电平，来检测噪声信号，在数字域从通过所述第2读出模式动作读出的信号电平减去刚复位后的复位电平，来检测光信号，在进行了通过所述第1读出模式动作得到的多次的噪声信号的平均化处理后，在数字域从通过所述第2读出模式动作得到的光信号中减去进行了所述平均化处理的噪声信号。

10.根据权利要求6所述的固态摄像装置，其特征在于，所述第2读出模式动作进行多次。

11.根据权利要求5所述的固态摄像装置，其特征在于，在所述像素部和所述A/D转换器之间还具有模拟域的增益可变单元，对通过所述第1读出模式动作和所述第2读出模式动作读出的复位电平或信号电平进行模拟域的增益处理。

12.根据权利要求11所述的固态摄像装置，其特征在于，所述增益可变单元将针对通过所述第1读出模式动作读出的复位电平的增益设定成大于针对通过所述第2读出模式动作读出的复位电平及信号电平的增益。

13.根据权利要求11所述的固态摄像装置，其特征在于，在所述增益可变单元将针对通过所述第1读出模式动作读出的复位电平的增益设定成与针对通过所述第2读出模式动作读出的复位电平及信号电平的增益不同时，所述噪声抑制单元在数字域中的光信号和噪声信号的相减运算处理之前校正增益差。

14.根据权利要求5所述的固态摄像装置，其特征在于，该固态摄像装置还具有两级式的快门释放单元，所述控制器在所述快门释放单元的第1级的快门释放动作时，进行一次或多次第1读出模式动作，在第2级的快门释放动作时停止排出动作并且进行一次或多次第2读出模式动作。

15.根据权利要求7所述的固态摄像装置，其特征在于，该固态摄像装置还具有快门释放单元，当在进行了所述第2读出模式动作后，在进行一次或多次所述第1读出模式动作的过程中进行了快门释放动作时，所述控制器暂时中断所述第1读出模式动作，停止排出动作，并且进行一次或多次所述第2读出模式动作，再进行一次或多次所述第1读出模式动作。

16.根据权利要求5所述的固态摄像装置，其特征在于，所述噪声抑制单元在数字域从通过所述第1读出模式动作读出的经过1帧期间后的复位电平减去刚复位后的复位电平，来检测噪声信号，将该噪声信号存储在帧存储器中，并且对之后获取的噪声信号和存储在所述帧存储器中的噪声信号分别进行加权，将其运算结果重新存储在帧存储器中，在检测到光信号时，在数字域从该光信号减去存储在所述帧存储器中的信号。

17.根据权利要求16所述的固态摄像装置，其特征在于，所述噪声抑制单元根据温度和经过时间而改变所述加权的权值。

18.根据权利要求5所述的固态摄像装置，其特征在于，所述控制器根据温度、连拍模式、画质模式、用户的任意设定，改变所述第1读出模式的动作次数。