JP2000078477A

JP2000078477A - 雑音低減方式

Info

Publication number: JP2000078477A
Application number: JP10242171A
Authority: JP
Inventors: Kenji Takahashi; 健二高橋
Original assignee: Hitachi Denshi KK
Current assignee: Hitachi Denshi KK
Priority date: 1998-08-27
Filing date: 1998-08-27
Publication date: 2000-03-14

Abstract

(57)【要約】【課題】リセット雑音と１／ｆ雑音が最も効率よく抑
圧でき、カメラの高感度化および高Ｓ／Ｎ化を達成する
ことを目的とする。【解決手段】電荷転送素子の出力信号を二分し、一方
を所定量遅延する遅延手段と、もう一方の遅延しない信
号と差分をとる差動手段、および該差動手段の出力信号
を所定周期でサンプリングするサンプリング手段を備え
た雑音低減回路において、前記遅延手段を通過した信号
と通過しない信号の間に周波数特性差を付ける手段を設
け、差分を取るべき双方の信号の周波数特性を変えるこ
とにより、本来のリセット雑音の抑圧が最大になる信号
比と、１／ｆ雑音の抑圧が最大になる信号比が一致する
ようになすもので、リセット雑音と１／ｆ雑音が最も効
率よく抑圧できるようになり、カメラの高感度化および
高Ｓ／Ｎ化が達成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像素子（Ｃ
ＣＤ）の雑音低減方式に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】各方面でＣＣＤを使用した各種のテレビ
カメラが利用されている。ＣＣＤは光が変換されて発
生した信号電荷を、固体素子の内部を転送しながら出力
部まで運び、電圧出力として取り出せるため、大変使い
よい撮像素子として多用されている。しかし、ＣＣＤに
は、固有の雑音発生源が存在し、カメラの性能、特に感
度や信号対雑音比を制限している。カメラに使用され
ている二次元センサの一般的な構成はよく知られている
ので、ここでは説明を省略する。ＣＣＤの雑音に主に関
係するのは、信号検出部であることが知られている。図
５にＣＣＤの雑音発生源の概要を示す。ＣＣＤの主な
る雑音源は二種あると考えられている。一つは図５の
５１に示すように信号電荷を検出する検出容量５２の両
端に発生する信号電圧を外部に取り出すためのソースホ
ロアアンプ５３の雑音である。この雑音は、さらに二つ
の成分から構成されている。一つは、初段増幅素子
(ＭＯＳＦＥＴ)のチャンネル抵抗から発生する熱雑音５
１−１であり、もう一つはその初段増幅素子のゲートか
ら発生する１／ｆ雑音５１−２である。１／ｆ雑音５
１−２はゲート面積が小さいほど発生量が増えると言わ
れている。しかし、ゲート面積が小さければ、検出容量
５２も小さくなって、検出される出力信号電圧が大きく
なる関係にある。

【０００３】二つ目の雑音は、検出容量５２を一画素毎
にリセットする動作に起因して発生する。まず、図６に
ＣＣＤの出力信号形態の概略図を示す。ここで、６１
は、水平ＣＣＤを駆動するクロック(図５中のクロック
１)であり、このクロックの立ち下がりのタイミングに
より、最終的に検出容量５２に信号電荷が転送される。
６２は、この電荷をリセットするリセットトランジスタ
のゲートに加えられるリセットパルスである。通常、
リセットパルスは信号転送が終了してから適当な時間経
過後に行われている。図６にあるようにＣＣＤの出力信
号６７は、三つの領域に分けられる。即ちリセット期
間６３と、リセットが終了してから信号が転送されるま
での期間６４(通常フィードスルー期間と呼んでいる)
と、信号電荷が転送されてからリセットされるまでの期
間６５である。

【０００４】次に、リセット動作によって発生するリセ
ット雑音について図５、図６を用いて述べる。リセッ
ト雑音とは、リセットトランジスタ５４で、検出容量５
２をリセットする際、図６のＶｒに示すように、毎回リ
セットされる電圧がリセットトランジスタの雑音によっ
てばらつく現象である。このばらついた電圧変化は次
のリセット動作が行われるまで一定値にホールドされる
ため、図６のように、この上に信号電荷６６(斜線の部
分)が重畳される形となる。即ち、フィードスルー期間
６４はリセット雑音のみが現れている期間となる。以上
説明してきた雑音のスペクトラムの概略を図７に示す。
ＣＣＤの出力端での雑音は低周波領域では１／ｆ雑音
７１が、高周波領域ではリセット雑音７２が支配的とな
っている。ソースホロワの熱雑音７３は、通常、リセ
ット雑音７２よりも少ないレベルにある。低域の１／
ｆ雑音７１は、テレビ画面上で横引きとなったり、粒の
大きな雑音として観測されるため、目立ちやすく、画質
を大変損なうものである。

【０００５】このようなＣＣＤの雑音を低減するための
いくつかの雑音低減回路が提案されている。その１つ
に、図８に示すような方式（特公平５−９９８７号「固
体撮像装置の信号読み出し装置」）が提案されている。
これは信号期間にはリセット雑音と信号が重畳している
のであるから、リセット雑音のみが現れていて相関性の
あるフィードスルー期間の変化を差し引けば、リセット
雑音を抑圧することができると言う原理に基づくもので
ある。即ち、図８において、ＣＣＤ出力信号８１はバ
ッファアンプ８２を通過した後、二経路に分岐し、一方
は差動回路８３の入力端子８４に加えられ、もう一方は
遅延線８５を通過した後、差動回路８３のもう一方の入
力端子８６に加えられている。即ち、図６の６７，６８
に示すように、遅延線８５を通った信号６８と、遅延し
ない信号６７のタイミングを、ちょうどフィードスルー
期間６５が遅延しない信号６７の信号期間６５となるよ
うに設定し、双方の信号を１：１のゲイン引算をし、そ
の差分を差動回路８３で得る。その作動出力である図６
の６９は、リセット雑音が抑圧された信号のみが得られ
る期間６９−１と、負極性の信号とリセット期間が差し
引かれた期間６９−２およびフィードスルー期間とリセ
ット期間が差し引かれた期間６９−３が、順次繰り返し
て得られる。この信号のうち、リセット雑音が抑圧さ
れた信号のみが得られる期間６９−１をサンプリング回
路８７で選び出せば、所望の目的は達せられる。

【０００６】また、この雑音低減回路には、１／ｆ雑音
の一部を低減する効果も併せ持つ。すなわち、リセット
雑音は一画素の期間でフィードスルー期間と信号期間の
雑音に相関があることで雑音抑圧が可能な訳であるが、
１／ｆ雑音など、特に低周波領域になればなるほど、一
画素の周期に対して遅延線８５の遅延量は無視されるこ
とになる。よって、リセット雑音のようにサンプリン
グされた形ではない、連続雑音である１／ｆ雑音などの
低周波領域の成分については、一画素の周期の範囲では
十分相関性があるため、差動回路８３でキャンセルする
事が出来、目に付きやすい横線状のランダム雑音を低減
できる副次的な作用がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、一般にカメラ
の解像度がますます高いものが要求されてくると、水平
ＣＣＤの読み出し周波数はそれに比例して高くなる。
特に、ＨＤＴＶカメラ等ではクロック周波数が７４．２
５ＭＨｚと非常に高い状況である。ＣＣＤの信号波形が
図６の６７様に理想的な形で得られるには、通常繰り返
し周波数、すなわちクロック周波数の約１０倍の信号帯
域が必要であるといわれており、ＨＤＴＶカメラでは、
７００ＭＨｚにもおよぶ信号帯域が、必要になってく
る。ＣＣＤ内部の信号電荷を検出し、低インピーダン
スで外部へ送り出すためのソースホロアアンプにとって
も、この帯域を確保するのは難しい問題となっている。
ＨＤＴＶカメラ用のＣＣＤ等では、図９の出力信号波形
９１に示すように信号帯域が十分に確保されない時に、
立ち上がりが鈍る現象(理想は点線の様な波形)が発生す
る。この鈍りがあると、遅延させた信号９２との差分
をとる時点で、遅延された信号９２のフィードスルー期
間、平均的な振幅が落ちる。即ち、リセット雑音も同様
に立ち上がりの部分は鈍り、図９の一点鎖線のように変
化し、信号期間９４では鈍りが影響せず、本来の雑音値
となる。このため１：１の比で引き算をしたのでは、
リセット雑音がキャンセルしなくなる。

【０００８】この現象は、文献（「２／３インチ２００
万画素ハイビジョンＣＣＤカメラ」テレビジョン学会技
術報告、Ｖｏｌ１９．Ｎｏ６５．１９９５年１１月２１
日）にも詳述されている。つまり、差動する際の双方の
ゲインを、リセット雑音をキャンセルするように比を変
えると、今度は低域の雑音、即ち、１／ｆ雑音がキャン
セルしなくなってしまう。これは、低域部分では信号
の鈍りの影響がないため、キャンセルするには１：１の
引き算が常に必要なためである。したがって、どちらか
に合わせると、１／ｆ雑音もしくはリセット雑音の一方
が残ってしまい、総合の改善率が低下するという結果に
なっていた。本発明は、これらの欠点を除去し、リセッ
ト雑音と１／ｆ雑音が最も効率よく抑圧でき、カメラの
高感度化および高Ｓ／Ｎ化を達成することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決する手段】本発明は上記の目的を達成する
ため、電荷転送素子の出力信号を二分し、一方を所定量
遅延する遅延手段と、もう一方の遅延しない信号と差分
をとる差動手段、及び該差動手段の出力信号を所定周期
でサンプリングするサンプリング手段を備えた雑音低減
回路において、前記遅延手段を通過した信号と通過しな
い信号の間に周波数特性差を付ける手段を設けることを
特徴とする雑音低減方式である。また、前記遅延手段を
通過した信号と通過しない信号の間の周波数特性差は、
前記遅延手段を通過した信号側が前記遅延手段を通過し
ない信号に対し、低周波領域が高周波領域に比べ上昇し
ている特性である。また、前記遅延手段を通過した信号
と通過しない信号の間の周波数特性差は、前記遅延手段
を通過しない信号側が前記遅延手段を通過した信号に対
し、低周波領域が高周波領域に比べ下降している特性で
ある。さらに、前記サンプリング手段の前段で全体の帯
域制限を行うことを特徴とする雑音低減方式である。す
なわち、差分を取るべき双方の信号の周波数特性を変え
ることにより、本来のリセット雑音の抑圧が最大になる
信号比と、１／ｆ雑音の抑圧が最大になる信号比が一致
するようになすものである。これによって、リセット雑
音と１／ｆ雑音が最も効率よく抑圧できるようになり、
カメラの高感度化および高Ｓ／Ｎ化が達成できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１に、本発明の一実施例のブロ
ック構成図を示す。ＣＣＤの出力信号を受けるバッファ
回路１の次に経路を二分するまでは、図８の従来例と同
様であるが、遅延線２の後に周波数補正回路３が設けら
れている。この周波数補正回路３の周波数特性の一例を
図２に示す。この周波数特性は低周波域ではゲインは
低く、途中から高周波域は高くなっている。この特性
を受動素子で構成するときは、当然低周波でのゲインは
１以下になる。つまり、低周波領域に発生する１／ｆ
雑音をキャンセルするには、もう一方の信号もそれに見
合った分、減衰器４で減衰させる必要がある。ここで、
図２中に示すＨＬのように、高域ゲインをどの程度上げ
たらよいかは、ＣＣＤ内での高域成分の低下量のみなら
ず、差分を取るまでの後段回路の双方の周波数特性差に
よる。

【００１１】同様の考えから、第二の実施例として、図
３に示すように、図１の遅延線２の後の周波数補正回路
３を除去し、遅延しない方の信号線側に周波数補正回路
３３を挿入しても良いことは容易に考えられる。な
お、３１はバッファ回路、３２は遅延回路、３４は差動
回路、３５はサンプリング回路である。この場合、周波
数補正回路３３の周波数特性は、図２とはちょうと逆の
関係になることは容易に想像出来よう。その一例を図
４に示す。即ち、低周波領域に対し、高周波領域が減
衰している形となる。どの程度高周波領域ＨＬを減衰
させるかは、前述したようにＣＣＤ内での高域成分の低
下量のみならず、差分を取るまでの後段回路の双方の周
波数特性差による。また、１／ｆ雑音、リセット雑音
とも差分を取るまでのゲインは正確に等しくないと十分
キャンセルせず、改善効果があがらないことになるの
で、原理的には良いが実用的にはそれぞれの低域、高域
のゲインを微調できる減衰器などが適宜必要になる場合
があることは十分考えられる。

【００１２】以上述べたようにこれらの二つの実施例に
よって、ほぼ所望の効果が得られる訳であるが、さらに
総合的に雑音低減効果を上げるには次の考慮が必要であ
る。これを、図１を用いて簡単に説明する。ＣＣＤの出
力は、遅延しない出力と遅延された出力の差を差動回路
５で差分を取った後、サンプリング回路６で必要個所の
みをサンプリングするが、この時、一般的にＣＣＤの出
力アンプの熱雑音のような時間的に連続のランダム雑音
は、非線形処理、即ちここではサンプリングの処理を施
すと、必要帯域以外の高周波の領域のランダム雑音が折
り返り、必要帯域内に加算されてしまうことが知られて
いる。これを概念的に表したものが図１０である。サ
ンブリング周波数ｆｃおよびその高調波(図１０中には
２ｆｃのみ記載)から、もともとの連続雑音１０１が、
サンプリング周波数ｆｃおよびその高調波を中心に上側
波帯、下側波帯となって折り返り、必要帯域内１０２に
落ち込んだ成分が雑音増加分となる。今回の場合もこ
の現象を考慮する必要がある。

【００１３】前記した文献（「２／３インチ２００万画
素ハイビジョンＣＣＤカメラ」テレビジョン学会技術報
告、Ｖｏｌ１９．Ｎｏ６５．１９９５年１１月２１日）
にもこの内容は述べられている。即ち、リセット雑音
を理想的にキャンセルするには、信号帯域は広ければ広
いほど良いが、総合的に考えると折り返し雑音成分が増
加し、十分な雑音低減効果が得られなくなると言うこと
が起きる。よって、最大の低減効果を得るためにはリ
セット雑音に対しても効果があり、折り返し雑音に対し
ても最小限となる帯域に制限することが必要である。即
ち、図２及び図４の周波数補正回路に、必要帯域外を速
やかに遮断する要素を付加する必要がある。その一例
を図２および図４中の点線で示す。ここで、この高域を
どの程度に帯域を制限するかは、個々の回路構成にもよ
るので設計の問題である。この帯域制限要素を挿入す
る場所であるが、図１の周波数補正回路３および図３の
周波数補正回路３３にこの帯域制限要素を付加すれば良
いわけであるが（この場合、残りの信号も同様に帯域制
限要素を付加する必要あり）、差動回路（図１では５、
図３では３４）の後に挿入しても良いことは説明の必要
がなかろう。

【００１４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、従
来問題となっていた１／ｆ雑音が最も良くキャンセルで
きる点とリセット雑音が最も良くキャンセルできる点が
異なり最良の雑音低減効果が得られないと言う欠点を克
服でき、かつ不要な折り返し雑音の増加を最小限に抑
え、総合的に最も良い雑音低減効果を得ることが出来
る。また、本発明は差動回路にオペレーショナルアンプ
などの差動増幅器を用いた場合、差動増幅器の特性およ
び周辺の設計定数によって、本発明と同様の効果を引き
出すことが出来ることは自明であり、説明の必要がなか
ろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す回路ブロック図。

【図２】本発明の周波数補正回路３の周波数特性の一
例。

【図３】本発明の他の実施例を示す回路ブロック図。

【図４】本発明の周波数補正回路３３の周波数特性の一
例。

【図５】ＣＣＤの雑音発生源の概要を説明する図。

【図６】ＣＣＤの信号出力形態の概略を説明する図。

【図７】ＣＣＤの各種雑音のスペクトラムを示す図。

【図８】従来の雑音低減回路のブロック図。

【図９】ＣＣＤからの出力信号が鈍った時の信号形態を
説明する模式図。

【図１０】サンプリングによる折り返し雑音を説明する
図。

【符号の説明】

１，３１：バッファ回路、２，３２：遅延回路、３，３
３：周波数補正回路、４：減衰器、５，３４：差動回
路、６，３５：サンプリング回路、５１：ＣＣＤのソー
スホロアの雑音源、５２：信号検出容量、５３：ソース
ホロアアンプ、５４：リセットトランジスタ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電荷転送素子の出力信号を二分し、一方
を所定量遅延する遅延手段と、もう一方の遅延しない信
号と差分をとる差動手段、および該差動手段の出力信号
を所定周期でサンプリングするサンプリング手段を備え
た雑音低減回路において、前記遅延手段を通過した信号
と通過しない信号の間に周波数特性差を付ける手段を設
けることを特徴とする雑音低減方式。
【請求項２】請求項１において、前記遅延手段を通過
した信号と通過しない信号の間の周波数特性差は、前記
遅延手段を通過した信号側が前記遅延手段を通過しない
信号に対し、低周波領域が高周波領域に比べ上昇してい
る特性であることを特徴とする雑音低減方式。
【請求項３】請求項１において、前記遅延手段を通過
した信号と通過しない信号の間の周波数特性差は、前記
遅延手段を通過しない信号側が前記遅延手段を通過した
信号に対し、低周波領域が高周波領域に比べ下降してい
る特性であることを特徴とする雑音低減方式。
【請求項４】請求項２または３において、前記サンプ
リング手段の前段で全体の帯域制限を行うことを特徴と
する雑音低減方式。