JP2005176061A - Solid-state image pickup device, image input device and noise elimination method for solid-state image pickup device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、入力光を画素内のダイオードで光電変換して画素電荷を生成し、当該画素電荷を画素内のトランジスタにより増幅して読み出す固体撮像装置と、そのノイズ除去方法、ならびに、当該固体撮像装置を含む画像入力装置に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device that photoelectrically converts input light by a diode in a pixel to generate pixel charge, and amplifies and reads the pixel charge by a transistor in the pixel, a noise removal method thereof, and the solid-state imaging The present invention relates to an image input device including the device.
画素電荷を画素内で増幅して読み出すアクティブ型の画素構造を有する固体撮像装置として、代表的なものではCMOSイメージセンサが知られている。CMOSイメージセンサは、一般的に、CCDイメージセンサに比べ感度が低くノイズに弱いとされていた。ところが、近年のCMOS集積回路におけるMOSトランジスタや配線の微細化技術の著しい進歩とともに画素の小型化および高感度化が進み、また増幅機能を有するためノイズに対して強い信号出力(画素信号)が得られるようになった。また、画素信号のばらつきを低減する技術として、信号処理回路のうちとくにCDS(相関2重サンプリング)回路が進歩したことも、CMOSイメージセンサが、CCDイメージセンサを置き換え可能なデバイスとして注目されてきた要因である。 A CMOS image sensor is known as a typical solid-state imaging device having an active pixel structure that amplifies and reads out pixel charges in the pixel. A CMOS image sensor is generally considered to be less sensitive and less susceptible to noise than a CCD image sensor. However, along with recent remarkable progress in miniaturization technology of MOS transistors and wiring in CMOS integrated circuits, pixel miniaturization and high sensitivity have progressed, and because of the amplification function, a signal output (pixel signal) that is strong against noise can be obtained. It came to be able to. Further, as a technique for reducing variations in pixel signals, the progress of a CDS (correlated double sampling) circuit, among other signal processing circuits, has attracted attention as a device that can replace a CCD image sensor. It is a factor.
CMOSイメージセンサの画素信号に重畳されるノイズは、時間的および空間的に(すなわち二次元の出力画面内で)ランダムに発生するランダムノイズと、出力画面の同じところに縦縞、横縞または画面ムラなどの固定パターンとして発生する固定パターンノイズとに大別できる。ランダムノイズは、画面全体にスリガラスを通したときのようなムラ状のノイズとして現れ、主に、光ショットノイズや熱雑音など、画素のダイオード内や増幅箇所、その他の増幅箇所などで生じ、環境温度などで容易に変化する。一方、固定パターンノイズは、画素のMOSトランジスタのしきい値電圧の違い、その他の回路(たとえば、垂直信号線ごとに設けたCDS回路のキャパシタ)あるいは配線などで、電気特性上のアンバランスに起因して生じるものが多い。 Noise superimposed on the pixel signal of a CMOS image sensor is random noise that occurs randomly in time and space (that is, in a two-dimensional output screen), and vertical stripes, horizontal stripes, or screen unevenness in the same place on the output screen. It can be roughly classified into fixed pattern noise generated as a fixed pattern. Random noise appears as uneven noise when passing through ground glass across the entire screen, and mainly occurs in pixel diodes, amplification points, other amplification points, such as light shot noise and thermal noise, and the environment. It changes easily with temperature. On the other hand, fixed pattern noise is caused by an imbalance in electrical characteristics due to a difference in threshold voltage of the MOS transistor of the pixel, other circuits (for example, a capacitor of a CDS circuit provided for each vertical signal line) or wiring. Many things are produced.
画素部全域に一定の強さの光を入力した場合、本来なら、画素列ごとに設けられ画素信号を画素部の外部に出力する垂直信号線から得られる信号も一定レベルを有するはずである。ところが、この信号には上述した固定パターンノイズ成分が重畳されているために、画素列ごと、すなわち垂直信号線ごとに信号レベルがばらつく現象が生じる。 When light of a certain intensity is input to the entire pixel portion, a signal obtained from a vertical signal line that is provided for each pixel column and outputs a pixel signal to the outside of the pixel portion should have a certain level. However, since the fixed pattern noise component described above is superimposed on this signal, a phenomenon occurs in which the signal level varies for each pixel column, that is, for each vertical signal line.
このような画素列ごとに異なる固定パターンノイズ成分を除去するために、光を遮蔽あるいは光電変換そのものができないようにした状態で画素信号(以下、測定信号という)を出力させ、その測定信号から固定パターンノイズ成分を検出して保持させておき、撮像時の画素信号(以下、有効画素信号)が出力されたときに、この有効画素信号から、検出した固定パターンノイズ成分を減算してノイズ成分をキャンセルする技術が知られている(たとえば、特許文献1参照)。 In order to remove fixed pattern noise components that differ for each pixel column, a pixel signal (hereinafter referred to as a measurement signal) is output in a state where light is blocked or photoelectric conversion itself cannot be performed, and is fixed from the measurement signal. The pattern noise component is detected and held, and when the pixel signal at the time of imaging (hereinafter, effective pixel signal) is output, the detected fixed pattern noise component is subtracted from the effective pixel signal to obtain the noise component. A technique for canceling is known (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1に記載された技術では、光電変換が可能な感光画素が接続されていないダミーラインを画素部内に設け、このダミーラインから出力された信号をノイズ成分データとして用い、固定パターンノイズ成分の検出を行っている。この技術が解決しようとしている課題は、通常と同じ構成の画素を遮光したオプティカルブラック部からの信号をノイズ成分データとした場合、光の洩れこみがあり、また完全に遮光されていても暗電流が信号に重畳され、このような信号から精度よく固定パターンノイズ成分を検出することが困難なことである。特許文献1に記載の技術では、ダミーラインを設けて、そこから信号を読み出すことによって暗電流成分の影響を受けないようにしている。
In the technique described in
ところが、ダミーラインから信号を出力するとしているが、その構成が明らかでないためどのような信号が出力されるかが不明である。
また、画素には読み出し用のトランジスタが存在するが、そのしきい値は製造プロセスの条件やトランジスタの位置によってばらつく。したがって、近いトランジスタではしきい値差は小さいが水平方向(行方向)に離れた位置では、そのしきい値差も大きくなる。そのため、水平方向のしきい値差が固定パターンノイズを決める要素の一つとなる。しかし、特許文献1のようにダミーラインを設け、そこから信号を読み出すだけでは、画素の読み出しトランジスタのしきい値差を、固定パターンノイズの測定信号に反映させることができない。
In addition, although a reading transistor exists in a pixel, the threshold value varies depending on the conditions of the manufacturing process and the position of the transistor. Therefore, the threshold difference is small in the near transistor, but the threshold difference is large in the position separated in the horizontal direction (row direction). Therefore, the threshold difference in the horizontal direction is one of the factors that determine fixed pattern noise. However, if a dummy line is provided as in
解決しようとする課題は、暗電流の影響を受けることなく、かつ画素の読み出し用のトランジスタの行方向のばらつきを反映した固定パターンノイズの測定信号を出力できないことから、固定パターンノイズ成分の検出精度が低いことである。 The problem to be solved is that it is not affected by dark current, and because it cannot output a fixed pattern noise measurement signal that reflects variations in the row direction of the pixel readout transistors, the detection accuracy of fixed pattern noise components Is low.
本発明に係る固体撮像装置は、画素部内の画素列ごとに垂直信号線が接続されている固体撮像装置であって、画素部に行単位で有効画素と非有効画素が配置され、有効画素と非有効画素のそれぞれに、ゲート電位に応じた信号を対応した垂直信号線に供給するための第1のトランジスタと、有効画素において第1のトランジスタのゲート電位をリセットするための第2のトランジスタとを有し、入力光に応じた画素電荷を生成し第1のトランジスタのゲートに供給するダイオードが有効画素ごとに設けられ、非有効画素ではダイオードが省略され、非有効画素で第2のトランジスタを制御して第1のトランジスタのゲートをバイアスし、このときの各垂直信号線の信号を、当該信号の経路の電気的特性のばらつきに起因した固定パターンノイズ成分の測定信号として画素部から出力する。 A solid-state imaging device according to the present invention is a solid-state imaging device in which a vertical signal line is connected to each pixel column in a pixel unit, and effective pixels and ineffective pixels are arranged in a row unit in the pixel unit. A first transistor for supplying a signal corresponding to the gate potential to a corresponding vertical signal line for each of the non-valid pixels; a second transistor for resetting the gate potential of the first transistor in the valid pixels; Each of the effective pixels is provided with a diode that generates a pixel charge corresponding to input light and supplies it to the gate of the first transistor, the diode is omitted in the ineffective pixel, and the second transistor in the ineffective pixel is provided. The gate of the first transistor is controlled to bias the signal of each vertical signal line at this time to a fixed pattern noise caused by variations in the electrical characteristics of the signal path. Outputted from the pixel section as a measurement signal components.
本発明に係る画像入力装置は、画素部内の画素列ごとに垂直信号線が接続されている固体撮像装置を含む画像入力装置であって、固体撮像装置の画素部に行単位で有効画素と非有効画素が配置され、有効画素と非有効画素のそれぞれに、ゲート電位に応じた信号を対応した垂直信号線に供給するための第1のトランジスタと、有効画素において第1のトランジスタのゲート電位をリセットするための第2のトランジスタとを有し、入力光に応じた画素電荷を生成し第1のトランジスタのゲートに供給するダイオードが有効画素ごとに設けられ、非有効画素ではダイオードが省略され、非有効画素で第2のトランジスタを制御して第1のトランジスタのゲートをバイアスし、このときの各垂直信号線の信号を、当該信号の経路の電気的特性のばらつきに起因した固定パターンノイズ成分の測定信号として画素部から出力する。 An image input device according to the present invention is an image input device including a solid-state imaging device in which a vertical signal line is connected to each pixel column in the pixel unit, and the pixel unit of the solid-state imaging device includes an effective pixel and a non-effective pixel in a row unit. An effective pixel is arranged, and each of the effective pixel and the non-effective pixel has a first transistor for supplying a signal corresponding to the gate potential to the corresponding vertical signal line, and a gate potential of the first transistor in the effective pixel. A diode for generating a pixel charge corresponding to input light and supplying the pixel charge to the gate of the first transistor is provided for each effective pixel. The gate of the first transistor is biased by controlling the second transistor in the ineffective pixel, and the signal of each vertical signal line at this time is changed according to the electric characteristic of the path of the signal. Outputted from the pixel section as a measurement signal having a fixed pattern noise component caused by the month.
本発明に係る固体撮像装置のノイズ除去方法は、画素部内の画素列ごとに垂直信号線が接続され、画素部に行単位で有効画素と非有効画素が配置され、有効画素と非有効画素のそれぞれに、ゲート電位に応じた信号を対応した垂直信号線に供給するための第1のトランジスタと、有効画素において第1のトランジスタのゲート電位をリセットするための第2のトランジスタとを有し、入力光に応じた画素電荷を生成し第1のトランジスタのゲートに供給するダイオードが有効画素ごとに設けられ、非有効画素ではダイオードが省略されている固体撮像装置における、画素列ごとの信号経路の電気的特性のばらつきに起因した固定パターンノイズ成分を、有効画素信号から除去するノイズ除去方法であって、非有効画素で第2のトランジスタを制御して第1のトランジスタのゲートをバイアスし、このときの各垂直信号線の信号を、固定パターンノイズ成分の測定信号として出力させる信号出力ステップと、複数の画素列の測定信号から、固定パターンノイズ成分のレベルを垂直信号線ごとに検出するレベル検出ステップと、固定パターンノイズ成分のレベルを、撮像時に入力光に応じて画素部より出力される有効画素信号から差し引いて当該固定パターンノイズを除去するノイズ除去ステップとを含む。 In the noise removal method for a solid-state imaging device according to the present invention, a vertical signal line is connected to each pixel column in the pixel unit, and effective pixels and ineffective pixels are arranged in units of rows in the pixel unit. Each includes a first transistor for supplying a signal corresponding to the gate potential to the corresponding vertical signal line, and a second transistor for resetting the gate potential of the first transistor in the effective pixel, A diode for generating a pixel charge corresponding to input light and supplying the pixel charge to the gate of the first transistor is provided for each effective pixel, and in the solid-state imaging device in which the diode is omitted for the non-effective pixel, the signal path for each pixel column A noise removal method for removing a fixed pattern noise component caused by variation in electrical characteristics from an effective pixel signal, wherein a second transistor is connected to an ineffective pixel. From the signal output step of biasing the gate of the first transistor and outputting the signal of each vertical signal line at this time as a measurement signal of the fixed pattern noise component, and the measurement signal of the plurality of pixel columns, the fixed pattern A level detection step that detects the level of the noise component for each vertical signal line, and the fixed pattern noise component level is subtracted from the effective pixel signal output from the pixel unit according to the input light during imaging to remove the fixed pattern noise. And a noise removing step.
本発明によれば、固定パターンノイズの測定信号を出力させるときは、非有効画素の第2のトランジスタをオンさせ、第2のトランジスタを通して第1のトランジスタのゲートをバイアスする。このときのバイアスは、たとえば様々な明るさの画像を入力させたときに、有効画素で生成される画素電荷量の平均値に応じて設定される。このゲートバイアスに応じた導通状態で非有効画素の第1のトランジスタがオンし、対応する垂直信号線の電位が変化する。この電位変化は、固定パターンノイズの測定信号として垂直信号線を通り、また当該垂直信号線に設けられている回路などを経由して画素部外に出力される。この測定信号の出力は、画素列ごとに接続されている全ての垂直信号線から一斉に出力される。
その後、複数の画素列から出力された測定信号から、固定パターンノイズ成分のレベルが垂直信号線ごとに検出され、この固定パターンノイズ成分のレベルを、撮像時に入力光に応じて画素部より出力される有効画素信号から差し引く。その結果、有効画素信号から固定パターンノイズが除去される。
According to the present invention, when outputting the measurement signal of the fixed pattern noise, the second transistor of the ineffective pixel is turned on, and the gate of the first transistor is biased through the second transistor. The bias at this time is set according to the average value of the pixel charge amount generated by the effective pixel when, for example, images of various brightness are input. In a conductive state corresponding to the gate bias, the first transistor of the ineffective pixel is turned on, and the potential of the corresponding vertical signal line changes. This potential change passes through the vertical signal line as a fixed pattern noise measurement signal and is output to the outside of the pixel portion via a circuit or the like provided in the vertical signal line. The measurement signal is output simultaneously from all the vertical signal lines connected to each pixel column.
Thereafter, the level of the fixed pattern noise component is detected for each vertical signal line from the measurement signals output from the plurality of pixel columns, and the level of the fixed pattern noise component is output from the pixel unit according to the input light during imaging. Is subtracted from the effective pixel signal. As a result, fixed pattern noise is removed from the effective pixel signal.
本発明では、好適に、各垂直信号線から順次出力される測定信号を垂直信号線ごとに平均化される。このとき測定信号で全ノイズ成分に対しランダムノイズ成分をどの程度以内としたいかに応じて、垂直信号線ごとに平均化しようとする非有効画素データ量(すなわち、非有効画素の行数)が決められている。つまり、測定信号に一様に重畳したランダムノイズ成分を全ノイズ成分の1/M倍以下に抑圧したい場合、画素部内における非有効画素の行数がMの2乗以上に設定されている。 In the present invention, preferably, measurement signals sequentially output from the vertical signal lines are averaged for each vertical signal line. At this time, the amount of ineffective pixel data to be averaged for each vertical signal line (that is, the number of rows of ineffective pixels) is determined depending on how much random noise component is to be within the total noise component in the measurement signal. It has been. That is, when it is desired to suppress the random noise component uniformly superimposed on the measurement signal to 1 / M times or less of the total noise component, the number of rows of ineffective pixels in the pixel unit is set to M square or more.
本発明によれば、測定信号を出力する非有効画素では、通常の有効画素で第1のトランジスタのゲートに対して接続されているダイオードが省略されていることから、ダイオードで生成される暗電流の影響が測定信号から排除される。また、第1のトランジスタのゲートバイアス状態が当該第1のトランジスタを介して垂直信号線の電位に変換され、これが測定信号となる。このため画素列ごとに接続された全ての垂直信号線から出力される測定信号が、第1のトランジスタのしきい値の画素行内でのばらつきが反映されて変化することから、その分だけ、測定信号を用いた固定パターンノイズ成分の検出精度を向上させることができる。
また、測定信号の全ノイズ成分に対するランダムノイズを有効に低減でき、その分、固定パターンノイズ成分レベルの検出精度を向上させることができる。
According to the present invention, in the non-effective pixel that outputs the measurement signal, the diode that is connected to the gate of the first transistor in the normal effective pixel is omitted. Are excluded from the measurement signal. Further, the gate bias state of the first transistor is converted into the potential of the vertical signal line through the first transistor, and this becomes a measurement signal. Therefore, the measurement signals output from all the vertical signal lines connected to each pixel column change reflecting the variation in the pixel row of the threshold value of the first transistor. The detection accuracy of the fixed pattern noise component using the signal can be improved.
Further, it is possible to effectively reduce random noise with respect to all noise components of the measurement signal, and accordingly, it is possible to improve the detection accuracy of the fixed pattern noise component level.
以下、本発明の実施の形態を、固体撮像装置の一種であるCMOSイメージセンサを例として説明する。
実施の形態にかかるCMOSイメージセンサに関し、図1に全体の構成図を示し、図2に画素部の回路図を示す。
図1に示すCMOSイメージセンサ1は、画素がマトリクス状に配置された画素部2、カラム処理回路3、垂直駆動回路4、水平駆動回路5、タイミング制御回路6および信号処理回路7を有している。
図示を省略しているが、カラム処理回路3内にCDS(Correlated Double Sampling)回路、電流源となるトランジスタ、水平駆動回路5により点順次で駆動されるサンプリング回路などを備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described using a CMOS image sensor which is a kind of solid-state imaging device as an example.
As for the CMOS image sensor according to the embodiment, FIG. 1 shows an overall configuration diagram, and FIG. 2 shows a circuit diagram of a pixel portion.
A
Although not shown, the column processing circuit 3 includes a CDS (Correlated Double Sampling) circuit, a current source transistor, a sampling circuit driven in a dot sequential manner by the
画素部2は、有効画素部21と非有効画素部22を有している。有効画素部21は入力光を光電変換し電荷を発生させるダイオードを有する有効画素の配置領域であり、非有効画素部22は当該ダイオードが有しない非有効画素の配置領域である。
The pixel unit 2 includes an
有効画素部21内に、当該CMOSイメージセンサの撮像解像度に応じた数の有効画素210が行方向(水平方向)と列方向(垂直方向)に多数配置されている。図2では簡略化のため同一行に属する3つの有効画素210のみ示し、また最初の行と最後の行のみ示している。有効画素部21を構成する各有効画素210は、図2の例では3トランジスタ型であり、入力した光を光電変換するフォトダイオードPDと3つのトランジスタ211〜213とを有する。3つのトランジスタは、ノードNDに転送された蓄積電荷に応じた画素信号を増幅して垂直信号線23に出力する読み出しトランジスタ(第1のトランジスタ)211と、ノードNDをフローティング状態からリセット電圧供給線26への接続状態に切り替え、ノードNDにリセット電圧を充電して、その電荷量をリセットするリセットトランジスタ(第2のトランジスタ)212と、リセット後に再びフローティング状態となったノードNDにフォトダイオードPDの蓄積電荷(通常、電子)を転送する転送トランジスタ213とからなる。
A number of
読み出しトランジスタ211のドレインに電源電圧供給線24が接続されている。
リセットトランジスタ212のゲートに、同一行内の画素に共通なリセット制御線25が接続され、そのドレインにリセット電圧供給線26が接続されている。また、転送トランジスタ213のゲートに、同一行内の画素に共通な転送制御線27が接続されている。
これらの電源電圧供給線24およびリセット電圧供給船26、ならびに、リセット制御線25および転送制御線27のそれぞれに各種信号または電圧を供給する垂直駆動回路4が接続されている。
A power supply
A
A vertical drive circuit 4 that supplies various signals or voltages to the power supply
垂直信号線23に一斉に読み出された画素信号を並列処理してノイズを除去し、時系列の信号に変換するカラム処理回路3および水平駆動回路5が設けられている。垂直駆動回路4、カラム処理回路3および水平駆動回路5は、図1に示すタイミング制御回路6により制御されて動作する。
A column processing circuit 3 and a
カラム処理回路3は、とくに図示しないが、垂直信号線23ごとに設けられた電流源、CDS回路およびサンプリングスイッチを有している。電流源は、読み出しトランジスタ211に一定電流を供給するために設けられている。また、CDS回路は、有効画素部21の画素信号に対し、その黒レベルでサンプル・ホールドした電圧と、蓄積電荷に応じた画素信号レベルでサンプル・ホールドした電圧との差分をとって、両電圧に重畳したノイズ成分をキャンセルする回路である。このノイズ除去後の画素信号レベルはCDS回路の出力で保持された後、さらに、水平駆動回路5から供給されるパルスによって順次オンされるサンプリングスイッチにより、点順次でサンプリングされて内部バスに排出される。内部バスに排出された点順次の画素信号は信号処理回路7で所定の処理が実行される。
The column processing circuit 3 includes a current source, a CDS circuit, and a sampling switch provided for each
図2に示すように、非有効画素部22内に非有効画素220が水平方向と垂直方向に多数配置されている。同一行内の画素数は有効画素部21と非有効画素部22で同一である。また、非有効画素部22の画素行数(ライン数)は、後述するように全ノイズ成分に対するランダムノイズ成分の割合を一定以下にするのに必要なライン数となっている。図2では簡略化のため同一行に属する3つの非有効画素220のみ示し、また最初の行と最後の行のみ示している。
As shown in FIG. 2, a large number of
非有効画素220は、有効画素210からフォトダイオードPDと転送トランジスタ213を省略した構成を有している。非有効画素220は、有効画素210の読み出しトランジスタ211と同じ大きさとパターンを有し同一の条件で一括して形成される第1のトランジスタ221と、有効画素210のリセットトランジスタ212と同じ大きさとパターンを有し同一の条件で一括して形成される第2のトランジスタ222とを有している。非有効画素220では、第1および第2のトランジスタ221と222の接続中点に転送トランジスタやフォトダイオードが接続されていない。なお、転送トランジスタやフォトダイオードは形成されていてもよいが、その場合でも、これらの素子が第1および第2のトランジスタ221と222の接続中点に電気的に接続されないことによって画素の読み出し動作に何ら寄与できないようにされている。
The
第1のトランジスタ221のドレインが電源電圧供給線24に接続され、そのソースが対応する垂直信号線23に接続されている。第2のトランジスタ222のソースが第1のトランジスタ221のゲートに接続され、そのドレインが電圧供給線28に接続され、そのゲートが制御線29に接続されている。
なお、電圧供給線28は有効画素部21のリセット電圧供給線26と同じパターンを有し同一の条件で一括して形成される配線層であるが、その供給電圧はリセット電圧と同じであってもよいし、任意に変更した電圧であってもよい。また、制御線29は有効画素部21のリセット制御線25と同じパターンを有し同一の条件で一括して形成される配線層であるが、その供給電圧はリセット制御電圧と同じであってもよいし、任意に変更した電圧であってもよい。
また、図2では非有効画素部22が有効画素部21の垂直方向の一方のみに配置されているが、非有効画素部22を有効画素部21の垂直方向の両側に配置することもできる。
非有効画素部22は、固定パターンノイズのレベルを測定する際に用いる。その測定方法は後述する。
The drain of the
The
In FIG. 2, the
The
図3に、信号処理回路7内に設けられた回路の一部を示す。信号処理回路7は、2つのアンプ71および72と、ADコンバータ73と、ノイズ成分抽出部74と、ノイズ成分抽出部74が検出した固定パターンノイズのレベルを入力した画素信号から差し引く減算部75とを有する。ノイズ成分抽出部74は、垂直信号線ごとに非有効画素220から読み出した信号(測定信号)を記憶するメモリ741と、測定信号を垂直信号線ごとに平均化してランダムノイズ成分を抑圧するランダムノイズ抑圧部743と、ランダムノイズが抑圧された測定信号から垂直信号線ごとに所定数のフレームを単位として固定パターンノイズ成分のレベルを検出するレベル検出部742とを有する。
FIG. 3 shows a part of the circuit provided in the signal processing circuit 7. The signal processing circuit 7 includes two
信号処理回路7内に、不図示のアナログ信号処理回路が設けられている。アナログ信号処理回路は、反転増幅、クランプレベル制御および高周波成分を除去するフィルタリングの機能を有し、図3に示す初段のアンプ71はアナログ信号処理回路内のアンプを示している。
An analog signal processing circuit (not shown) is provided in the signal processing circuit 7. The analog signal processing circuit has functions of inversion amplification, clamp level control, and filtering to remove high frequency components, and the first-
つぎに、以上のように構成されたCMOSイメージセンサの動作を説明する。
このCMOSイメージセンサは、非有効画素部22のみアクセスすることによって、所定数のフレーム分の測定信号を出力させるノイズ測定信号の読み出しモードを備える。このノイズ測定信号の読み出しモードは、通常の画素信号の出力モードに先立って実行される。その測定信号の読み出しは1フレームで行ってもよいが、より測定精度を上げるには数フレームで行うことが望ましい。
Next, the operation of the CMOS image sensor configured as described above will be described.
This CMOS image sensor has a noise measurement signal readout mode in which only a
ノイズ測定信号の読み出しモードでは、垂直駆動回路4が非有効画素部22のみ動作させる。つまり、非有効画素部22の電源電圧供給線24に電源電圧を印加した状態で、電圧供給線28に所定の電圧を供給し、その後、制御線29に所定の電圧を供給する。
In the noise measurement signal readout mode, the vertical drive circuit 4 operates only the
この電圧供給線28および制御線29に供給される各電圧は、第2のトランジスタ222がオンし、このとき第1のトランジスタ221のゲートに供給される電荷量が、有効画素部21で生成される信号電荷の平均電荷量に対応できる値に制御することが望ましい。第1のトランジスタ221のゲートバイアスを有効画素信号の電荷と無関係に設定すると、固定パターンノイズを決める全ての要素(列ごとの回路素子の電気的特性など)が信号レベルに対しリニアな特性を有している場合は問題ないが、現実にはそうでない。本実施の形態では、測定信号レベルを実際の有効画像信号の平均レベル付近に設定することが可能であり、この場合、より精度よい測定信号が非有効画素部22から出力される。
この測定信号の読み出し動作を非有効画素部22の画素行(ライン)ごとに順次行う。
With respect to each voltage supplied to the
This measurement signal readout operation is sequentially performed for each pixel row (line) of the
各垂直信号線23を送られてくる測定信号は、カラム処理部3で垂直信号線ごとの処理が実行され、水平駆動回路5の制御により内部バスにシリアルの測定信号として排出され、信号処理回路7に送られる。このときカラム処理部3を含む垂直信号線経路の電気的特性の相違によって測定信号にカラムごとに変化する固定パターンノイズが重畳される。また、ランダムノイズも測定信号に重畳される。
The measurement signal sent through each
信号処理部7では、所定のアナログ信号処理後にADコンバータ73によりディジタルの測定信号に変換される。また、必要に応じてアンプ72により増幅された後、ノイズ成分抽出部74に入力される。ノイズ成分抽出部74では、まず、ランダムノイズ成分の抑圧処理が実行される。この処理では、所定数のフレーム分の測定信号がメモリ741に蓄積された時点で、メモリ741から測定信号を読み出して垂直信号線ごとに平均化することによりランダムノイズ成分を抑圧する。
In the signal processing unit 7, it is converted into a digital measurement signal by the
ここで、ランダムノイズ成分の抑圧処理に用いられる非有効画素部22の行数(ライン数)について説明する。
上述したランダムノイズ抑圧部743で、測定信号に一様に重畳したランダムノイズ成分を全ノイズ成分の1/M倍以下に抑圧するとしたときに、当該非有効画素部22のライン数がMの2乗以上に設定されている。経験則によれば、ランダムノイズ成分が全ノイズ成分の1/4以下になればランダムノイズは表示画面上で認識できないレベルに抑圧できる。以下、1/4以下にランダムノイズ成分を抑圧する場合について説明する。
Here, the number of rows (number of lines) of the
When the random
確率統計で知られているように、ある母集団の分布(平均値:μ、分散:σ2)からサンプルを任意に取り出す場合を考える。その幾つかサンプルの平均値μ(x)の分布の分散σx 2は、サンプル数nに対して以下の式から求めることができる。 As is known from probability statistics, let us consider a case where a sample is arbitrarily extracted from a distribution of a certain population (mean value: μ, variance: σ 2 ). The variance σ x 2 of the distribution of the average value μ (x) of some samples can be obtained from the following equation with respect to the number of samples n.
σx 2[μ(xi)]=σx 2[(1/n)[x1+x2+…+xn]]
=(1/n2){σx 2(x1)+σx 2(x2)+…+σx 2(xn)}
=(1/n2){σ1 2+σ2 2+…+σn 2}
=(1/n2)・nσ2
=σ2/n
σ x 2 [μ (x i )] = σ x 2 [(1 / n) [x 1 + x 2 +... + x n ]]
= (1 / n 2 ) {σ x 2 (x 1 ) + σ x 2 (x 2 ) +... + Σ x 2 (x n )}
= (1 / n 2 ) {σ 1 2 + σ 2 2 +... + Σ n 2 }
= (1 / n 2 ) · nσ 2
= Σ 2 / n
したがって、標準偏差σxはσ/(n)1/2となる。このサンプル数nは非有効画素部22のライン数であることから、ランダムノイズ成分を1/4以下にするためには、そのライン数nを16以上にする必要がある。
このライン数nは、固定パターンノイズ成分の検出を複数のフレームで行う場合、16未満でもランダムノイズを1/4以下にすることは可能である。つまり、たとえば4フレームで行う場合は1フレームあたり4ライン以上であれば、全体で16ライン分の測定信号が得られ、その結果、ランダムノイズを1/4以下にすることができる。ただし、このCMOSイメージセンサを用いたカメラのゲインが調整されたとき、たとえばフラッシュをたいたときなどに、複数フレームを取り込んでいる時間がないことから1フレーム分で固定パターンノイズを抽出する必要がある。そのような場合にも有効にランダムノイズを抑圧したデータから固定パターンノイズ成分の検出を行うためには、1フレームごとに16ライン以上の非有効画素220を備えていることが望ましい。
Therefore, the standard deviation σ x is σ / (n) 1/2 . Since the number of samples n is the number of lines of the
When the number of lines n is less than 16 when the fixed pattern noise component is detected in a plurality of frames, the random noise can be reduced to ¼ or less. In other words, for example, when the measurement is performed in 4 frames, if there are 4 lines or more per frame, a total of 16 lines of measurement signals can be obtained. As a result, random noise can be reduced to 1/4 or less. However, when the gain of the camera using the CMOS image sensor is adjusted, for example, when a flash is applied, there is no time to capture a plurality of frames, so it is necessary to extract fixed pattern noise for one frame. is there. Even in such a case, in order to detect a fixed pattern noise component from data in which random noise is effectively suppressed, it is desirable to provide 16 lines or more of
このようにしてランダムノイズが抑圧された測定信号は、再度メモリ741に格納される。
つぎに、固定パターンノイズが抑圧された測定信号から固定パターンノイズ成分のレベルが検出される。この検出は、レベル検出部742がメモリから測定信号を読み出して実行する。レベル検出の仕方は任意であるが、最も簡単な方法では、測定信号を垂直信号線ごとに平均化することにより実行できる。なお、平均化の場合は、ランダムノイズと処理の内容が同じであり、レベル検出部742とランダムノイズ抑圧部743は共通化され、垂直信号線ごとに16以上の非有効画素に対応した測定信号で非有効画素データが平均化を1度だけ行い、その平均された非有効画素データがランダムのノイズが抑圧された固定パターンノイズ成分のレベルとなる。
検出された固定パターンノイズ成分のレベルは、メモリに格納されて保持される。
The measurement signal in which the random noise is suppressed in this way is stored in the
Next, the level of the fixed pattern noise component is detected from the measurement signal in which the fixed pattern noise is suppressed. This detection is performed by the
The level of the detected fixed pattern noise component is stored and held in the memory.
なお、レベル検出部742が行うレベル検出の仕方は、上記のように平均化に限定されず、たとえばメディアン値を固定パターンノイズ成分のレベルとして検出することもできる。抽出データ分布に何らかの偏りがあることが想定される場合、平均値よりメディアン値を用いた方が真の値を検出できることがあるからである。なお、レベル検出部742は、平均値を検出するかメディアン値を検出するかを外部からの制御により切り替え可能に構成してもよい。
Note that the level detection method performed by the
ノイズ測定信号の読み出しモードの処理が終了すると、その後に読み出された有効画素信号に対しノイズ除去処理が実行可能な状態となる。
垂直駆動回路4が有効画素部21をアクセスし、有効画素ラインごとに全ての垂直信号線に画素信号が読み出され、カラム処理後に信号処理回路7でアナログ信号処理、AD変換がされた有効画素信号が、減算部75の「+」入力端子に順次供給される。このとき、この画素信号の供給に同期して、対応した垂直信号線の固定パターンノイズ成分のレベル信号がメモリ741から読み出されて減算部75の「−」入力端子に順次供給される。そのため、減算部75から出力される有効画素信号において垂直信号線ごとの固定パターンノイズが除去または抑圧される。この減算処理後の有効画素信号は図示を省略したディジタル信号処理に送られ、所定のディジタル信号処理が施された後、ディスプレイにおける画像表示に供せられる。
When the process of the noise measurement signal readout mode is completed, the noise removal process can be performed on the effective pixel signal read out thereafter.
The vertical drive circuit 4 accesses the
本発明によれば、固定パターンノイズ成分のレベルを測定するための非有効画素220はフォトダイオードが省略された画素であることから、その欠陥の影響を受けない。
また、非有効画素220は、有効画素211の読み出しトランジスタと同じサイズとパターンを有し、同一の条件で一括して形成された第1のトランジスタ221を有し、その第1のトランジスタ221を介して測定信号を垂直信号線23に読み出すことから、読み出しトランジスタのライン内のばらつきが測定信号に反映され、その分、固定パターンノイズの検出精度が高い。
また、電圧供給線28および制御線29を垂直駆動回路4が制御することにより、非有効画素220から出力される測定信号のレベルを任意に調整でき、高精度な、あるいは、実際の有効画素部からの画素信号に適合した固定パターンノイズ成分のレベル検出が可能である。
さらに、非有効画素部22のライン数が、ランダムノイズを有効に抑圧できる数に設定されていることから固定パターンノイズ成分の検出レベルからランダムノイズの影響を排除して高精度な固定パターンノイズの除去が可能である。
以上に加えて、固定パターンノイズ成分を複数フレームから検出することもでき、その場合に、より高精度な固定パターンノイズの除去が可能である。
According to the present invention, the
In addition, the
In addition, the vertical drive circuit 4 controls the
Furthermore, since the number of lines of the
In addition to the above, it is also possible to detect fixed pattern noise components from a plurality of frames, and in that case, it is possible to remove fixed pattern noise with higher accuracy.
なお、図3に示す信号処理部7を、CMOSイメージセンサの外部に設けた信号処理ICとして実現することも可能である。また、ノイズ成分抽出部74および減算部75を、マイクロコンピュータのプログラム上で実現する構成も採用できる。
Note that the signal processing unit 7 shown in FIG. 3 can be realized as a signal processing IC provided outside the CMOS image sensor. Further, a configuration in which the noise
1…CMOSイメージセンサ、2…画素部、21…有効画素部、210…有効画素、211…第1のトランジスタ、212…第2のトランジスタ、213…転送トランジスタ、22…非有効画素部、220…非有効画素、221…第1のトランジスタ、222…第2のトランジスタ、23…垂直信号線、24…電源電圧供給線、25…リセット制御線、26…リセット電圧供給線、27…転送制御線、28…電圧供給線、29…制御線、3…カラム処理回路、4…垂直駆動回路、5…水平駆動回路、6…タイミング制御回路、7…信号処理回路、71,72…アンプ、73…ADコンバータ、74…ノイズ成分抽出部、741…メモリ、742…レベル検出部、743…ランダムノイズ抑圧部、75…減算部、PD…フォトダイオード、ND…ノード
DESCRIPTION OF
Claims (10)
画素部に行単位で有効画素と非有効画素が配置され、
有効画素と非有効画素のそれぞれに、ゲート電位に応じた信号を対応した垂直信号線に供給するための第1のトランジスタと、有効画素において第1のトランジスタのゲート電位をリセットするための第2のトランジスタとを有し、
入力光に応じた画素電荷を生成し第1のトランジスタのゲートに供給するダイオードが有効画素ごとに設けられ、
非有効画素ではダイオードが省略され、
非有効画素で第2のトランジスタを制御して第1のトランジスタのゲートをバイアスし、このときの各垂直信号線の信号を、当該信号の経路の電気的特性のばらつきに起因した固定パターンノイズ成分の測定信号として画素部から出力する
固体撮像装置。 A solid-state imaging device in which a vertical signal line is connected to each pixel column in the pixel unit,
Effective pixels and ineffective pixels are arranged in units of rows in the pixel portion,
A first transistor for supplying a signal corresponding to the gate potential to the corresponding vertical signal line for each of the effective pixel and the non-effective pixel, and a second transistor for resetting the gate potential of the first transistor in the effective pixel And having a transistor
A diode that generates pixel charge according to input light and supplies it to the gate of the first transistor is provided for each effective pixel,
For non-effective pixels, the diode is omitted,
The gate of the first transistor is biased by controlling the second transistor in the non-effective pixel, and the signal of each vertical signal line at this time is fixed pattern noise component caused by variation in the electrical characteristics of the signal path A solid-state imaging device that outputs from the pixel unit as a measurement signal.
請求項1に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a bias supplied to the gate of the first transistor when the measurement signal is output is set corresponding to an average charge amount of signal charges generated in the effective image. .
固定パターンノイズ成分のレベルを記憶する記憶部と、
撮像時に入力光に応じて画素部から有効画素信号が出力されたときに、当該有効画素信号から記憶部に記憶された固定パターンノイズ成分のレベルを差し引く減算部と
をさらに有する請求項1に記載の固体撮像装置。 A level detection unit that detects the level of the fixed pattern noise component for each vertical signal line from measurement signals of ineffective pixels in a plurality of rows;
A storage unit for storing the level of the fixed pattern noise component;
The subtractor for subtracting the level of the fixed pattern noise component stored in the storage unit from the effective pixel signal when an effective pixel signal is output from the pixel unit according to the input light during imaging. Solid-state imaging device.
請求項3に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 3, wherein the level detection unit detects the level of the pattern noise component for each vertical signal line from measurement signals of ineffective pixels for a plurality of frames.
請求項1に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising a noise measurement signal reading mode in which a measurement signal for a predetermined number of frames is output by accessing only the row of the invalid pixels.
前記画素部内における非有効画素の行数がMの2乗以上に設定されている
請求項1に記載の固体撮像装置。 Random noise suppression that suppresses the random noise component uniformly superimposed on the measurement signal to 1 / M times or less of the total noise component by averaging the measurement signals sequentially output from each vertical signal line for each vertical signal line Further comprising
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the number of rows of ineffective pixels in the pixel unit is set to a square of M or more.
固体撮像装置の画素部に行単位で有効画素と非有効画素が配置され、
有効画素と非有効画素のそれぞれに、ゲート電位に応じた信号を対応した垂直信号線に供給するための第1のトランジスタと、有効画素において第1のトランジスタのゲート電位をリセットするための第2のトランジスタとを有し、
入力光に応じた画素電荷を生成し第1のトランジスタのゲートに供給するダイオードが有効画素ごとに設けられ、
非有効画素ではダイオードが省略され、
非有効画素で第2のトランジスタを制御して第1のトランジスタのゲートをバイアスし、このときの各垂直信号線の信号を、当該信号の経路の電気的特性のばらつきに起因した固定パターンノイズ成分の測定信号として画素部から出力する
画像入力装置。 An image input device including a solid-state imaging device to which a vertical signal line is connected for each pixel column in a pixel unit,
Effective pixels and ineffective pixels are arranged in units of rows in the pixel portion of the solid-state imaging device,
A first transistor for supplying a signal corresponding to the gate potential to the corresponding vertical signal line for each of the effective pixel and the non-effective pixel, and a second transistor for resetting the gate potential of the first transistor in the effective pixel And having a transistor
A diode that generates pixel charge according to input light and supplies it to the gate of the first transistor is provided for each effective pixel,
For non-effective pixels, the diode is omitted,
The gate of the first transistor is biased by controlling the second transistor in the non-effective pixel, and the signal of each vertical signal line at this time is fixed pattern noise component caused by variation in the electrical characteristics of the signal path An image input device that outputs from the pixel unit as a measurement signal.
前記画素部内における非有効画素の行数がMの2乗以上に設定されている
請求項7に記載の画像入力装置。 Random noise suppression that suppresses the random noise component uniformly superimposed on the measurement signal to 1 / M times or less of the total noise component by averaging the measurement signals sequentially output from each vertical signal line for each vertical signal line Further comprising
The image input device according to claim 7, wherein the number of rows of ineffective pixels in the pixel unit is set to a square of M or more.
非有効画素で第2のトランジスタを制御して第1のトランジスタのゲートをバイアスし、このときの各垂直信号線の信号を、固定パターンノイズ成分の測定信号として出力させる信号出力ステップと、
複数の画素列の測定信号から、固定パターンノイズ成分のレベルを垂直信号線ごとに検出するレベル検出ステップと、
固定パターンノイズ成分のレベルを、撮像時に入力光に応じて画素部より出力される有効画素信号から差し引いて当該固定パターンノイズを除去するノイズ除去ステップと
を含む固体撮像装置のノイズ除去方法。 A vertical signal line is connected to each pixel column in the pixel unit, and effective pixels and ineffective pixels are arranged in units of rows in the pixel unit. A vertical signal corresponding to a gate potential is applied to each of the effective pixel and the ineffective pixel. A first transistor for supplying to the signal line; and a second transistor for resetting the gate potential of the first transistor in the effective pixel. In a solid-state imaging device in which a diode to be supplied to the gate of the transistor is provided for each effective pixel and the diode is omitted for the non-effective pixel, a fixed pattern noise component caused by variations in the electrical characteristics of the signal path for each pixel column A noise removal method for removing from an effective pixel signal,
A signal output step of biasing the gate of the first transistor by controlling the second transistor in the ineffective pixel, and outputting a signal of each vertical signal line at this time as a measurement signal of a fixed pattern noise component;
A level detection step for detecting a level of a fixed pattern noise component for each vertical signal line from measurement signals of a plurality of pixel columns;
A noise removing method for a solid-state imaging device, comprising: a noise removing step of subtracting a level of a fixed pattern noise component from an effective pixel signal output from a pixel unit according to input light during imaging to remove the fixed pattern noise.
当該ランダムノイズ除去時に、前記信号出力ステップで各垂直信号線に順次、前記測定信号を出力する非有効画素の行数がMの2乗以上に設定されている
請求項9に記載の固体撮像装置のノイズ除去方法。
Random noise removal that suppresses the random noise component uniformly superimposed on the measurement signal to 1 / M times or less of the total noise component by averaging the measurement signal output sequentially from each vertical signal line for each vertical signal line And further comprising steps
10. The solid-state imaging device according to claim 9, wherein the number of rows of ineffective pixels that sequentially output the measurement signal to each vertical signal line in the signal output step is set to a square of M or more when removing the random noise. Noise removal method.
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