JP2006013606A - 固体撮像装置及びそれを用いた固体撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】 画像の黒沈み現象の発生を防止することを目的とする。
【解決手段】 被写体からの光信号を電気信号に変換する光電変換手段１０１及び光電変換手段１０１からの信号を読み出す読み出し手段１０２とを含む複数の画素１０６と、読み出し手段１０２から読み出された信号に含まれるノイズ成分に対して、クランプ回路を用いた差分処理を行うための差分手段１０８と、撮像条件を検出する検出手段１１０と、を備えており；ここで、検出手段１１０の出力に応じて、画素読み出し信号におけるクランプ回路の信号電位を変化させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像装置及び固体撮像システムに関し、特に、光電変換され出力された信号に含まれるノイズ成分を除去する手段を有する固体撮像装置及び固体撮像システムに関する。

上記の技術に関連する従来技術としては、特許文献１に開示される技術がある。

特許文献１には、画素部から読み出された信号に含まれるノイズ成分を差分演算するための差分手段と、画素内で生じるノイズの信号レベルを検出する検出手段とを有し、例えば、被写体中に高輝度物体があって、検出手段が飽和信号レベルを検知した場合、差分処理を行わない技術について開示されている。

上記の特許文献１における発明が解決しようとする課題の欄にも記載されているように、光電変換され出力された信号に含まれるノイズ成分を除去するためにノイズ成分を差分する差分手段を有する固体撮像装置において、飽和レベル以上の光量が照射されると、ノイズ成分であるノイズ信号には光リークノイズ信号が加わる。

したがって、差動アンプから出力される出力信号はノイズ成分差分処理による画素読み出し信号の低下を招き、画像の黒沈み現象が発生する。

また、フォトダイオードなどの光電変換手段で光電変換され出力された信号に含まれるノイズ成分を除去するためにノイズ成分を差分する撮像装置がある。

差分手段を持った固体撮像装置の一例として、図５に示すような固体撮像装置が存在する。

図５において、画素が水平方向及び垂直方向に複数配列して構成されており、一つの画素１０６は光電変換手段であるフォトダイオード１０１と、フォトダイオード１０１からの信号を増幅して出力する読み出し手段である増幅用ＭＯＳトランジスタ１０２と、フォトダイオード１０１の信号を増幅用ＭＯＳトランジスタ１０２に転送する転送手段である転送用ＭＯＳトランジスタ１０３と、増幅用ＭＯＳトランジスタの入力部にリセット電位を供給するためのリセット手段であるリセット用ＭＯＳトランジスタ１０４と、増幅用ＭＯＳトランジスタ１０２からの信号を選択的に出力されるための選択手段である選択用ＭＯＳトランジスタ１０５とから構成されている。

ＶＳＲは、水平方向の一行の画素からの信号を順次一行ごとに出力させる垂直シフトレジスタである。

各列１０８ごとに、クランプ容量ＣＯと帰還容量Ｃｆとを容量分割する容量分割ゲインアンプ１０７が構成される。

各列１０８では、クランプ方式により画素部のノイズ成分を除去する。ＣＴＳとＣＴＮの差分により各列のオフセット成分が除去された信号が、水平シフトレジスタ（ＨＳＲ）により１行ごとにメインアンプ１０９からセンサ信号として出力される。

また、図５の固体撮像装置の動作タイミングを示すためのタイミングを図６に示す。
（１）において、選択用ＭＯＳトランジスタ１０５によって、読み出し行を選択しＣＴ及びＣＨ容量をリセットする。
（２）において、リセット用ＭＯＳトランジスタ１０４をオフして、クランプ容量ＣＯにダーク信号ＶＮを読み込む。
（３）において、ＣＴＮに、ＰＣＯＲをオフした時の基準電位を書き込む。
（４）において、画素１０６に蓄積された電荷をクランプ容量ＣＯまで読み出し、画素１０６のノイズを除去する(ＶＳ−ＶＮ)。そして、ＣＯ／Ｃｆの容量分割比により増幅された信号電圧をＣＴＳに書き込む。
（５）において、ＣＴからＣＨに電位を転送後、メインアンプでＳ−Ｎを行い各列ごとのオフセットばらつきを除去し、センサ信号として出力する。
特開２００１−２４９４９号公報

しかしながら、非常に強い光による光リークにより、（２）のダーク読み出し信号ＶＮに光リーク信号Ｖｌｋが加わる。

したがって、（４）において画素部に蓄積された電荷をクランプした時（ＶＳ−ＶＮ−Ｖｌｋ）となり、そのクランプ電位は実際の光信号レベルよりも低下し、非常に明るい被写体であるにもかかわらず画像の黒沈み現象が発生する。

図７にこの現象の概念図を示す。横軸は光電変換手段への入射光量、縦軸は光電変換手段で生じた信号レベルを表す。

このように、被写体中に高輝度物体があるなどの撮像条件によって、その部分が黒い画像となり画質が悪くなる。（図７の点線部分）
そこで、本発明は、画像の黒沈み現象の発生を防止することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、被写体からの光信号を電気信号に変換する光電変換手段及び当該光電変換手段からの信号を読み出す読み出し手段とを含む複数の画素と、当該読み出し手段から読み出された信号に含まれるノイズ成分に対して、クランプ回路を用いた差分処理を行うための差分手段と、撮像条件を検出する検出手段と、を備えており；ここで、前記検出手段の出力に応じて、前記画素読み出し信号における前記クランプ回路の信号電位を変化させることを特徴とする。

また、本発明は、被写体からの光信号を電気信号に変換する光電変換手段及び当該光電変換手段からの信号を読み出す読み出し手段を含む複数の画素と、当該読み出し手段から読み出された信号を保持するクランプ容量及び前記信号に含まれるノイズ成分を含む基準レベルの信号値を保持する帰還容量の各々が保持する信号値を比較し差分することによって、前記ノイズ成分が除去された信号を出力する処理を行う差分手段と、前記読み出し手段から出力された信号値が飽和したこと又は所定レベル以上になったことを検知する検知手段と、前記クランプ容量の容量値を変化させるために、前記クランプ容量に付加される補正用の容量と、を備えており、ここで；前記補正用の容量は、前記検知手段の検知に応じて付加されることを特徴とする。

また、本発明は、被写体からの光信号を電気信号に変換する光電変換手段及び当該光電変換手段からの信号を読み出す読み出し手段とを含む複数の画素と、前記読み出し手段から読み出された信号に含まれるノイズ成分に対してクランプ回路を用いた差分処理を行うための差分手段と、撮像条件を検出する検出手段と、を備えており；ここで、前記検出手段の出力に応じて、前記差分手段から出力された信号の増幅率を可変して出力することを特徴とする。

また、本発明は、被写体からの光信号を電気信号に変換する光電変換手段及び当該光電変換手段からの信号を読み出す読み出し手段を含む複数の画素と、当該読み出し手段から読み出された信号を保持するクランプ容量及び前記信号に含まれるノイズ成分を含む基準レベルの信号値を保持する帰還容量の各々が保持する信号値を比較し差分することによって、前記ノイズ成分が除去された信号を出力する処理を行う差分手段と、前記読み出し手段から出力された信号値が飽和したこと又は所定レベル以上になったことを検知する検知手段と、前記帰還容量の容量値を変化させることで、前記差分手段が出力する信号値を調節する調節手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明は、前記帰還容量は複数設けられており、当該帰還容量の容量値は、当該各帰還容量に設けられたスイッチをＯＮし、又はＯＦＦすることで調節されることを特徴とする。

また、本発明は、前記スイッチは、ＧＡＩＮ端子１１２によって制御されることを特徴とする。

また、本発明は、請求項１から６のいずれか１項記載の固体撮像装置を備えることを特徴とする固体撮像システムを提供する。

本発明によれば、画像の黒沈み現象が発生することを防止することができる。また、ダイナミックレンジの低下を抑えることができる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の実施の形態を説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態としての固体撮像装置の構成を示す回路図である。図１において、図５と同一の部材には同一の符号が付してある。

図５と同様に、一つの画素１０６が水平方向及び垂直方向に複数配列して構成されている。

さらに、各列１０８ごとにクランプ容量ＣＯと帰還容量Ｃｆとの容量分割ゲインアンプ１０７が構成され、クランプ方式により画素部のノイズ成分を除去し、ＣＴＳとＣＴＮの差分により各列のオフセット成分が除去された信号が、メインアンプ１０９からセンサ信号として出力される。

クランプ方式とは、基準レベルとなる信号をいったん保持し、その基準に対して変化分だけを読み出す信号の読み出し方法であり、ノイズ成分が除去された信号成分だけが読み出されることになる。

１１０は画素部での飽和電荷を検出するための飽和レベル検出回路、１１１（Ｃｃｏｒ）は飽和レベル検出回路の出力に応じて、クランプ容量を可変してクランプ信号の電位を補正するための補正用の容量である。

図１に示すように、飽和レベル検出回路１１０には、スイッチングＴｒが接続されている。

飽和レベル検出回路１１０は、画素１０６から信号が出力され、その信号が飽和状態であることを示す信号であることを検出すると、そのスイッチングＴｒがＯＮ状態となり、容量Ｃｃｏｒがクランプ容量ＣＯに付加される。

図２は、フォトダイオードで発生した信号レベルを示すグラフである。

図２において、横軸がフォトダイオードへの入射光量、縦軸がフォトダイオードで発生した信号レベルを示す。

フォトダイオードで発生した信号ＶＳは光量Ｂで飽和し、光リークノイズＶｌｋは光量Ｃ付近で徐々に大きな信号レベルとなっており、光量Ｃ以上の場合に、クランプ容量ＣＯのままでクランプ差分処理を行った場合、黒沈み現象が起こる。

すなわち、光量Ａまでのクランプ電位は（ＶＳ−ＶＮ）＊ＣＯ＊Ｃｆとなるが、光量Ｃ以上では（ＶＳ−ＶＮ−Ｖｌｋ）＊ＣＯ／Ｃｆとなり、クランプ電位が低下し黒沈みする。

したがって、飽和レベル検出回路によって少なくともフォトダイオードで発生した信号ＶＳが飽和したこと又は光リークノイズ信号Ｖｌｋが所定レベル以上発生したことを検知し、それらが検知された場合には補正用の容量Ｃｃｏｒをクランプ容量ＣＯに付加することにより、クランプ信号の電位を補正し、黒沈み現象を抑える。

ここで、飽和信号として検出するのは、完全に飽和する信号レベルよりも若干小さいレベルであるレベルＶＡ以上の信号としている。

本実施の形態では、飽和レベル検出回路はダーク信号クランプ時の信号ＶＮが信号レベルＶＢ以上であるか否かを検出することにより、光リークノイズ信号Ｖｌｋが所定レベル以上発生したことを検出している。

飽和レベル検出回路は、撮像条件を検出できるものであればよく、また、画素内などであってもよい。

さらにまた、本実施の形態の固体撮像装置の画素は２次元状に配列されたエリアセンサであっても、１次元状に配列されたラインセンサであってもよい。

［第２の実施の形態］
図３は、本発明の第２の実施の形態としての固体撮像装置の構成を示す回路図である。

ここで、１０７は容量帰還形のゲインアンプであり、ＧＡＩＮ端子１１２への制御信号により各容量Ｃｆ１、Ｃｆ２及びＣｆ３が付加され、増幅率を可変することができる。

また、飽和レベル検出回路は第１の実施の形態と同じ方法で、撮像している被写体の被写体条件などを含む撮像条件の検出を行っている。

本実施の形態では、クランプ容量ＣＯは変えずにフォトダイオード信号をクランプすると、例えば光量Ａまでのクランプ電位は（ＶＳ−ＶＮ）＊ＣＯ／Ｃｆ’となる。

ここで、ＧＡＩＮ端子１１２はすべてＯＮ状態であり、Ｃｆ’はＣｆ１、Ｃｆ２、Ｃｆ３の合成容量である。

さらに、飽和レベル検出回路により光リークノイズ信号Ｖｌｋが所定レベル以上発生したことを検知する光量Ｃ以上では（ＶＳ−ＶＮ−Ｖｌｋ）＊ＣＯ／Ｃｆ’となり、このままではクランプ電位が低下し黒沈みする。

したがって、ＧＡＩＮ端子１１２を制御してＣｆ３を切り離し、Ｃｆ’＝Ｃｆ１＊Ｃｆ２／（Ｃｆ１＋Ｃｆ２）とし、（ＶＳ−ＶＮ−Ｖｌｋ）＊ＣＯ／Ｃｆ’としてゲインアップすることで黒沈みを補正する。

このゲインアップで足りなくなれば、さらにＣｆ２を切り離し、Ｃｆ’＝Ｃｆ１のみにすることでゲインアップを図る。

ゲインアップした信号はノイズ成分も大きくなるが、補正信号は飽和信号として取り扱う（また、Ｋｎｅｅ処理により圧縮する）ため問題ない。

本実施の形態では、飽和レベル検出回路１１０はダーク信号クランプ時の信号ＶＮが信号レベルＶＢ以上であるか否かを検出することにより光リークノイズ信号Ｖｌｋが所定レベル以上発生したことを検出している。

しかし、撮像条件を検出できるものであればよく、また、画素内などであってもよい。

さらにまた、本実施の形態の固体撮像装置の画素は２次元状に配列されたエリアセンサであっても、１次元状に配列されたラインセンサであってもよい。

［第３の実施の形態］
図４は、本発明の第３の実施の形態としてのスチルカメラの構成を示すブロック図である。

本実施の形態は、上記の実施の形態で説明した固体撮像装置をスチルカメラに適用した例である。以下の説明において、第１及び第２の実施の形態において説明した固体撮像装置は、固体撮像素子２０４とする。

図４において、２０１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、２０２は被写体の光学像を固体撮像素子２０４に結像させるレンズ、２０３はレンズ２０２を通った光量を可変するための絞り、２０４はレンズ２０２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、２０６は固体撮像素子２０４より出力される画像信号のアナログ−デジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、２０７はＡ／Ｄ変換器２０６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、２０８は固体撮像素子２０４、撮像信号処理回路２０５、Ａ／Ｄ変換器２０６、信号処理部２０７に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、２０９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、２１０は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部、２１１は記録媒体に記録又は読み出しを行うためのインターフェース部、２１２は画像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリなどの着脱可能な記録媒体、２１３は外部コンピュータなどと通信するためのインターフェース部である。

次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について説明する。

バリア２０１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、さらにＡ／Ｄ変換器２０６などの撮像系回路の電源がオンされる。

それから、露光量を制御するために、全体制御・演算部２０９は絞り２０３を開放にし、固体撮像素子２０４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器２０６で変換された後、信号処理部２０７に入力される。

そのデータをもとに露出の演算を全体制御・演算部２０９で行う。

この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部２０９は絞りを制御する。

次に、固体撮像素子２０４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部２０９で行う。

その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズを駆動し測距を行う。

そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。

露光が終了すると、固体撮像素子２０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器２０６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部２０７を通り全体制御・演算部２０９によりメモリ部に書き込まれる。

その後、メモリ部２１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部２０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部を通り半導体メモリなどの着脱可能な記録媒体２１２に記録される。

また、外部Ｉ／Ｆ部２１３を通り直接コンピュータなどに入力して画像の加工を行ってもよい。

本発明の第１の実施の形態としての固体撮像装置の構成を示す回路図である。 フォトダイオードで発生した信号レベルを示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態としての固体撮像装置の構成を示す回路図である。 本発明の第３の実施の形態としてのスチルカメラの構成を示すブロック図である。 従来技術の一例としての固体撮像装置の構成を回路図である。 図５に示す固体撮像装置の動作タイミングを示すタイミングチャートである。 従来の固体撮像装置で発生した信号レベルを示すグラフである。

符号の説明

１０１ フォトダイオード
１０２ 増幅用ＭＯＳトランジスタ
１０３ 転送用ＭＯＳトランジスタ
１０４ リセット用ＭＯＳトランジスタ
１０５ 選択用ＭＯＳトランジスタ
１０６ 画素
１０７ 容量分割ゲインアンプ
１０８ 各列
１０９ メインアンプ
１１０ 飽和レベル検出回路
１１１ 補正用の容量（Ｃｃｏｒ）
１１２ ＧＡＩＮ端子

Claims (7)

1. 被写体からの光信号を電気信号に変換する光電変換手段及び当該光電変換手段からの信号を読み出す読み出し手段とを含む複数の画素と、
   当該読み出し手段から読み出された信号に含まれるノイズ成分に対して、クランプ回路を用いた差分処理を行うための差分手段と、
   撮像条件を検出する検出手段と、を備えており；ここで、
   前記検出手段の出力に応じて、前記画素読み出し信号における前記クランプ回路の信号電位を変化させることを特徴とする固体撮像装置。
2. 被写体からの光信号を電気信号に変換する光電変換手段及び当該光電変換手段からの信号を読み出す読み出し手段を含む複数の画素と、
   当該読み出し手段から読み出された信号を保持するクランプ容量及び前記信号に含まれるノイズ成分を含む基準レベルの信号値を保持する帰還容量の各々が保持する信号値を比較し差分することによって、前記ノイズ成分が除去された信号を出力する処理を行う差分手段と、
   前記読み出し手段から出力された信号値が飽和したこと又は所定レベル以上になったことを検知する検知手段と、
   前記クランプ容量の容量値を変化させるために、前記クランプ容量に付加される補正用の容量と、を備えており、ここで；
   前記補正用の容量は、前記検知手段の検知に応じて付加されることを特徴とする固体撮像装置。
3. 被写体からの光信号を電気信号に変換する光電変換手段及び当該光電変換手段からの信号を読み出す読み出し手段とを含む複数の画素と、
   前記読み出し手段から読み出された信号に含まれるノイズ成分に対してクランプ回路を用いた差分処理を行うための差分手段と、
   撮像条件を検出する検出手段と、を備えており；ここで、
   前記検出手段の出力に応じて、前記差分手段から出力された信号の増幅率を可変して出力することを特徴とする固体撮像装置。
4. 被写体からの光信号を電気信号に変換する光電変換手段及び当該光電変換手段からの信号を読み出す読み出し手段を含む複数の画素と、
   当該読み出し手段から読み出された信号を保持するクランプ容量及び前記信号に含まれるノイズ成分を含む基準レベルの信号値を保持する帰還容量の各々が保持する信号値を比較し差分することによって、前記ノイズ成分が除去された信号を出力する処理を行う差分手段と、
   前記読み出し手段から出力された信号値が飽和したこと又は所定レベル以上になったことを検知する検知手段と、
   前記帰還容量の容量値を変化させることで、前記差分手段が出力する信号値を調節する調節手段と、を備えることを特徴とする固体撮像装置。
5. 前記帰還容量は複数設けられており、当該帰還容量の容量値は、当該各帰還容量に設けられたスイッチをＯＮし、又はＯＦＦすることで調節されることを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
6. 前記スイッチは、ＧＡＩＮ端子１１２によって制御されることを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項記載の固体撮像装置を備えることを特徴とする固体撮像システム。