JP2006121358A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、一様光の照射を行うことなく、且つ、撮像時の条件に応じた補正データの取得を行うことで撮像時の条件に応じた補正処理を行うことができる撮像装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 補正データの更新が必要あるか否かを判断し、更新が必要であることが確認されたとき、信号制御部６によって固体撮像装置１がリセットモードで動作する。このリセットモードで動作したときに出力されるノイズ信号がフレームメモリ３に補正データとして格納される。又、更新が不要である場合、信号制御部６によって固体撮像装置１が通常モードで動作して、映像信号を出力する。そして、補正部４において、フレームメモリ３に格納した補正データに基づいて映像信号のノイズ除去を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、各画素の感度のバラツキ補正を行う撮像装置に関する。

近年、フォトダイオードなどの光電変換素子を有した固体撮像装置において、そのダイナミックレンジを大きくするために、入射光量に対して自然対数的に変換された電気信号を出力する固体撮像装置が提案されている。本出願人も、このような対数変換動作を行う固体撮像装置を提案している（特許文献１参照）。しかしながら、このような固体撮像装置において、光電変換動作を行うＭＯＳトランジスタの閾値電圧の違いより、各画素間で感度のバラツキが生じるため、画素間の固定パターンノイズ（ＦＰＮ）成分が生じてしまう。

そこで、固体撮像装置に一様光を照射したときに画素より出力される画像信号を、画素間の感度のバラツキによるＦＰＮ成分として検出し、撮像時の画像信号を補正するための補正データとしてフレームメモリに保持するものが提供されている。しかしながら、一様光の照射がユーザにとって繁雑な作業であったり、又、一様光を照射するための機構を構成することにて撮像装置の構成が複雑になってしまう。それに対して、本出願人は、一様光の照射を行うことなく、各画素の感度バラツキによるＦＰＮ成分を補正データとして出力することができる固体撮像装置を提案した（特許文献２参照）。

特開平１１−３１３２５７号公報 特開２００１−３６８２２号公報

しかしながら、固体撮像装置における環境温度の変化や、固体撮像装置の駆動条件などを変更したとき、各画素の感度バラツキも変化するため、補正データを出力したときと撮像時とで各画素の感度バラツキが異なる場合がある。そのため、固体撮像装置の駆動条件や環境温度の変化に応じた補正データを予め取得する必要がある。又、このように取得された補正データは、撮像時に得られた画像信号からＦＰＮ成分などのノイズ成分を除去するために使用されるように、フレームメモリ内に格納される。よって、複数の条件に応じて取得された補正データを格納するために、フレームメモリのメモリ容量を大きくする必要がある。

このような問題を鑑みて、本発明は、一様光の照射を行うことなく、且つ、撮像時の条件に応じた補正データの取得を行うことで撮像時の条件に応じた補正処理を行うことができる撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の撮像装置は、入射光量に応じた電気信号を出力する光電変換部を有する複数の画素によって構成される固体撮像装置を備えるとともに、前記各画素それぞれの前記光電変換部における感度バラツキに基づくノイズ信号を出力するリセットモードと前記各画素それぞれが撮像動作を行うことで映像信号を出力する通常モードとで前記固体撮像装置が動作する撮像装置において、記固体撮像装置が前記リセットモードで動作するタイミングであるか否かを判断した後、前記リセットモードで動作するタイミングであるときは、前記固体撮像装置をリセットモードで動作することで得られた前記ノイズ信号を前記各画素の補正データとして更新し、前記リセットモードで動作するタイミングでないときは、前記固体撮像装置を通常モードで動作することで得られた前記映像信号を、前記リセットモードで動作させたときに更新された前記補正データによって補正処理することを特徴とする。

このような撮像装置において、前記固体撮像装置が、前記固体撮像装置内でノイズ信号によるノイズキャンセル機能を果たす構成でない場合、前記タイミングになったことを確認したときに、前記固体撮像装置を前記リセットモードで動作させて前記ノイズ信号を出力するとともに、前記補正データとして保管する。このとき、前記補正データを格納するフレームメモリを備えるものとし、前記リセットモードで動作するたびに、該フレームメモリ内の前記補正データが更新されるものとしても構わない。

又、前記リセットモードで動作する前記タイミングが、一定時間経過したか否かで、又は、前記固体撮像装置の環境温度が一定の値以上変化したか否かで、又は、記固体撮像装置の駆動条件を切り換えたか否かで判断されるものとしても構わない。又、前記リセットモードで動作する前記タイミングが、電源投入時であっても構わない。更に、前記撮像装置が移動体に設置されるとき、前記リセットモードで動作する前記タイミングが、前記移動体の移動速度が０となったタイミングであるものとしても構わない。

このように動作する撮像装置において、前記リセットモードで前記固体撮像装置が動作するとき、前記固体撮像装置が複数フレーム分の動作を繰り返すとともに、当該複数フレーム分の動作を行うことで得られた複数のリセット信号を前記各画素毎に平均化して前記補正データを生成するものとしても構わない。

又、上述の撮像装置において、前記画素が、入射光量に応じた電気信号を出力する光電変換部と、該光電変換部からの該電気信号をサンプルホールドするとともにサンプルホールドした該電気信号を出力するサンプルホールド部とを備える。更に、このような撮像装置において、前記画素が、前記光電変換部と前記サンプルホールド部とを電気的に接離するスイッチを備えるものとし、前記スイッチをＯＮとしたとき、前記サンプルホールド部に前記光電変換部からの前記電気信号をサンプルホールドする。

又、前記光電変換部が、入射光量に応じた量の電荷を発生する光電変換回路と、前記光電変換回路からの電荷を蓄積して得られた電圧値を前記電気信号として出力する積分回路と、を備えるものとする。このとき、前記光電変換部において、入射光量に対して線形的に変化する前記電気信号を出力するものとしても構わないし、入射光量に対して自然対数的に変化する前記電気信号を出力するものとしても構わない。

このとき、前記光電変換回路が、一端に第１電圧が印加される感光素子と、当該感光素子の他端に第１電極及び制御電極が接続される第１トランジスタと、を備えるとともに、前記積分回路が、該第１トランジスタの制御電極に制御電極が接続されるとともに第１電極に前記第１電圧が印加された第２トランジスタと、該第２トランジスタの第２電極に一端が接続されるとともに他端に第２電圧が印加されたキャパシタと、を備えるものとしても構わない。

前記光電変換部が、一端に第１電圧が印加された感光素子と、前記感光素子の他端に一端が接続されるとともに他端に第２電圧が印加されたリセット用スイッチとを備えるものとしても構わない。

前記サンプルホールド部が、前記光電変換部からの電気信号による電圧値が一端に与えられるとともに他端に前記参照電圧が与えられるキャパシタを備え、当該キャパシタに前記光電変換部からの電気信号による電圧値がサンプルホールドされるものとしても構わない。又、前記サンプルホールド部が、第１電極に直流電圧が印加されるとともに前記キャパシタの一端に制御電極が接続された増幅用トランジスタを備えるとともに、該増幅用トランジスタの第２電極より前記キャパシタでサンプルホールドされた前記電気信号に応じた電気信号を出力するものとしても構わない。

本発明によると、所定のタイミングで固体撮像装置をリセットモードで動作させることができるので、所定のタイミング時における条件に応じた補正データを取得することができる。よって、各条件に応じた複数種類の補正データを予め取得して、この複数種類の補正データを格納する必要がなくなる。そのため、この複数種類の補正データを格納するための大容量のメモリを備える必要がなくなり、装置の小型化を図ることができる。

本発明の実施形態について、以下に、図面を参照して説明する。

（撮像装置の構成）
本実施形態の撮像装置は、図１に示すように、被写体を撮像することで入射光量に応じた映像信号を出力する固体撮像装置１と、固体撮像装置１から出力される映像信号及びノイズ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部２と、Ａ／Ｄ変換部２でデジタル信号に変換されたノイズ信号を補正データとして格納するフレームメモリ３と、Ａ／Ｄ変換部２でデジタル信号に変換された映像信号をフレームメモリ３に格納した補正データで補正する補正部４と、補正部４で補正処理された映像信号に対して各種画像処理を施す画像処理部５と、固体撮像装置１における各信号の電圧値の制御を行う信号制御部６と、を備える。

（固体撮像装置の構成）
このように構成される撮像装置において、固体撮像装置１は、図２に示すように、行列配置（マトリクス配置）されるとともに図１のような回路構成となる画素Ｇ11〜Ｇmnと、行（ライン）１４−１、１４−２、・・・、１４−ｎを順次走査する垂直走査回路１２と、出力信号線１６−１、１６−２、・・・、１６−ｍに導出された光電変換信号を画素毎に水平方向に順次読み出す水平走査回路１３と、画素Ｇ11〜Ｇmnに垂直走査回路１２からの信号を送出するライン１４−１〜１４−ｎと、画素Ｇ11〜Ｇmnに電源供給を行う電源ライン１５と、画素Ｇ11〜Ｇmnからの信号が与えられる出力信号線１６−１〜１６−ｍと、を備える。各画素に対し、上記ライン１４−１〜１４−ｎや出力信号線１６−１〜１６−ｍ、電源ライン１５だけでなく、他のライン（例えば、クロックラインやバイアス供給ライン等）も接続されるが、図２ではこれらについて省略する。

出力信号線１６−１、１６−２、・・・、１６−ｍごとにＰチャネルのＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２が図示の如く１組ずつ設けられている。出力信号線１６−１を例にとって説明すると、ＭＯＳトランジスタＱ１のゲートは直流電圧線１７に接続され、ドレインは出力信号線１６−１に接続され、ソースは直流電圧ＶPS’のライン１８に接続されている。一方、ＭＯＳトランジスタＱ２のドレインは出力信号線１６−１に接続され、ソースは最終的な信号線１９に接続され、ゲートは水平走査回路１３に接続されている。

画素Ｇ11〜Ｇｍｎには、後述するように、それらの画素で発生した光電荷に基づく信号を出力するＭＯＳトランジスタＴ３が設けられている。ＭＯＳトランジスタＴ３と上記ＭＯＳトランジスタＱ１との接続関係は図３（ａ）のようになる。ここで、ＭＯＳトランジスタＱ１のソースに接続される直流電圧ＶPS’と、ＭＯＳトランジスタＴ３のドレインに接続される直流電圧ＶPD’との関係はＶPD’＜ＶPS’であり、直流電圧ＶPD’は例えばグランド電圧（接地）である。この回路構成は上段のＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに信号が入力され、下段のＭＯＳトランジスタＱ１のゲートには直流電圧ＤＣが常時印加される。このため下段のＭＯＳトランジスタＱ１は抵抗又は定電流源と等価であり、図３（ａ）の回路はソースフォロワ型の増幅回路となっている。この場合、ＭＯＳトランジスタＴ３から増幅出力されるのは電流であると考えてよい。

ＭＯＳトランジスタＱ２は水平走査回路１３によって制御され、スイッチ素子として動作する。尚、後述するように各実施形態の固体撮像装置における画素内にはスイッチ用のＭＯＳトランジスタＴ４も設けられている。このＭＯＳトランジスタＴ４も含めて表わすと、図３（ａ）の回路は正確には図３（ｂ）のようになる。即ち、ＭＯＳトランジスタＴ４がＭＯＳトランジスタＱ１とＭＯＳトランジスタＴ３との間に挿入されている。ここで、ＭＯＳトランジスタＴ４は行の選択を行うものであり、ＭＯＳトランジスタＱ２は列の選択を行うものである。

図３のように構成することにより信号を増幅して出力することができる。従って、画素がダイナミックレンジ拡大のために感光素子から発生する光電流を自然対数的に変換しているような場合は、そのままでは出力信号が小さいが、本増幅回路により充分大きな信号に増幅されるため、後続の信号処理回路（図示せず）での処理が容易になる。また、増幅回路の負荷抵抗部分を構成するＭＯＳトランジスタＱ１を画素内に設けずに、列方向に配置された複数の画素が接続される出力信号線１６−１、１６−２、・・・、１６−ｍ毎に設けることにより、負荷抵抗又は定電流源の数を低減でき、半導体チップ上で増幅回路が占める面積を少なくできる。

又、図２において不図示であるが、特許文献３と同様、垂直走査回路１２及び水平走査回路１３はそれぞれ、タイミングジェネレータ及び電圧レギュレータと接続されており、垂直及び水平走査が実現される。又、後述する各実施形態の固体撮像装置は、電子シャッタ機能を備えているため、垂直ブランク期間中に全画素を同時に制御することができる。この同時制御を行うために、特許文献３と同様、垂直走査回路１２及び水平走査回路１３とは別にドライバが設けられるものとしても構わない。

（画素の構成）
このように構成される固体撮像装置１における画素Ｇ11〜Ｇmnそれぞれの回路構成について、図４を参照して以下に説明する。図４において、ｐｎフォトダイオードＰＤが感光素子として働く。このフォトダイオードＰＤのアノードが、ＭＯＳトランジスタＴ７のドレインと接続され、ＭＯＳトランジスタＴ７のソースが、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート及びドレイン、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに、一端に直流電圧ＶPSが印加されたキャパシタＣ１の他端が接続される。キャパシタＣ１とＭＯＳトランジスタＴ２のソースとの接続ノードに、ＭＯＳトランジスタＴ５のドレイン及びＭＯＳトランジスタＴ８のドレインが接続される。

又、ＭＯＳトランジスタＴ５のソースは、一端に直流電圧ＶPSが印加されたキャパシタＣ２の他端と、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲート及びＭＯＳトランジスタＴ６のドレインとが接続される。このＭＯＳトランジスタＴ４のソースにＭＯＳトランジスタＴ３のドレインが接続され、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースは出力信号線１６（この出力信号線１６は図１の１６−１，１６−２，・・・，１６−ｍに対応する）へ接続されている。尚、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ８は、それぞれ、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタである。

又、フォトダイオードＰＤのカソード及びＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ４のドレインには直流電圧ＶPDが印加され、ＭＯＳトランジスタＴ６，Ｔ８のソースには直流電圧ＶPSに近い値となる直流電圧ＶRSが印加される。一方、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースには信号φＶPSが入力される。又、ＭＯＳトランジスタＴ３，Ｔ５，Ｔ７，Ｔ８，Ｔ６のゲートに、信号φＶ，φＳＷ，φＳ，φＲＳａ，φＲＳｂがそれぞれ入力される。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ７，Ｔ８、キャパシタＣ１、及びフォトダイオードＰＤによって光電変換回路１００が構成される。又、ＭＯＳトランジスタＴ３，Ｔ４，Ｔ６及びキャパシタＣ２によってサンプルホールド回路１０１が構成される。

このように構成された画素において、ＭＯＳトランジスタＴ３及び出力信号線１６を介して、一端に直流電圧ＶPSが印加された定電流源となるＭＯＳトランジスタＱ１が、ＭＯＳトランジスタＴ４のソースに接続される。よって、ＭＯＳトランジスタＴ３がＯＮのとき、ＭＯＳトランジスタＴ４はソースフォロワのＭＯＳトランジスタとして動作し、増幅された電圧信号を出力信号線１６に出力する。

尚、信号φＶPSは２値の電圧信号で、入射光量が所定値を超えたときにＭＯＳトランジスタＴ１をサブスレッショルド領域で動作させるための電圧をローとし、この電圧よりも高くＭＯＳトランジスタＴ１にローの信号φＶPSを与えた時よりも大きい電流が流れうるようにする電圧をハイとする。このとき、この信号φＶPSをローとするときの電圧値を変更することによって、画素Ｇ11〜Ｇmnが対数変換動作を行うときと線形変換動作を行うときの切換点を変更することができる。

（撮像装置の動作）
図４のような構成の画素を備えた図１の構成の撮像装置の動作について、図面を参照して説明する。図５は、図１の撮像装置の動作を示すフローチャートである。又、以下において、「リセットモード」とは、各画素の感度バラツキに基づく信号であるノイズ信号を出力する際の固体撮像装置１の動作状態を示すものであり、又、「通常モード」とは、各画素が撮像動作を行うことで得られた映像信号を出力する際の固体撮像装置１の動作状態を示すものである。

まず、フレームメモリ３内にノイズ信号による補正データが格納されているか否かが確認されると（ＳＴＥＰ１）、フレームメモリ３に補正データが格納されている場合（Ｙｅｓ）、次に、フレームメモリ２内の補正データを変更する必要があるか否かが確認される（ＳＴＥＰ２）。そして、ＳＴＥＰ１においてフレームメモリ３に補正データが格納されていない場合（Ｎｏ）、又は、ＳＴＥＰ２においてフレームメモリ２内の補正データを変更する必要であることを確認したとき（Ｙｅｓ）、信号制御部６によって固体撮像装置１がリセットモードで動作するように指示される（ＳＴＥＰ３）。

このように動作するとき、ＳＴＥＰ２において、フレームメモリ２内における補正データの変更の要否は、固体撮像装置１の駆動条件（信号φＶPSの電圧値、露光量、露光時間などによる条件）や、固体撮像装置１の環境温度や、所定期間などに基づいて、決定されるものとしても構わない。即ち、撮像装置が電源ＯＮとされたとき、又は、固体撮像装置１の駆動条件が信号制御部６によって切り換えられたとき、又は、固体撮像装置１近傍に設けられた温度センサによって固体撮像装置１の環境温度が変化したことが確認されたとき、又は、前回に補正データを変更してから所定時間が経過したことがタイマなどで確認されたとき、フレームメモリ２内における補正データが必要であると判断するものとする。更に、図１の撮像装置が車載用センサとして使用される場合には、自動車のエンジンを始動したときや、信号などで自動車が停止してその車速が０となったときなどに、補正データが必要であると判断するものとしても構わない。

又、ＳＴＥＰ３においてリセットモードで固体撮像装置１が動作するとき、固体撮像装置１における画素Ｇ11〜Ｇmnはそれぞれ、図６のタイミングチャートに従って動作する。尚、図６は、垂直ブランク期間における動作を示すタイミングチャートである。このリセットモードが指示されると、まず、垂直ブランク期間において、全画素同時に図６のタイミングチャートに応じた動作を行う。即ち、信号φＳを常にハイとしてＭＯＳトランジスタＴ７をＯＦＦとし、フォトダイオードＰＤとＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２との間を電気的に切断した状態とする。

そして、信号φＶPSをハイにし、ＭＯＳトランジスタＴ１のソース電圧を高くすることで、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート及びドレインとＭＯＳトランジスタＴ２のゲートとのポテンシャル状態を初期化する。このとき、信号φＲＳａをローとして、ＭＯＳトランジスタＴ８をＯＮにして、キャパシタＣ１とＭＯＳトランジスタＴ２のゲートとの接続ノードの電圧を初期化する。その後、信号φＶPSをローとして、ＭＯＳトランジスタＴ７のソース電圧を元の状態に戻した後、しばらくして、信号φＲＳａをハイとしてＭＯＳトランジスタＴ８をＯＦＦとする。

よって、キャパシタＣ１とＭＯＳトランジスタＴ２との接続ノードに現れる電圧が、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のリセット後の電圧に応じた値、即ち、各画素の感度バラツキを表す値となる。そして、ローレベルのパルス信号φＲＳｂを与えて、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートとキャパシタＣ２との接続ノードの電圧をリセットした後、ローのパルス信号φＳＷを与えて、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースとキャパシタＣ１との接続ノードに現れる電圧をキャパシタＣ２にサンプルホールドする。

このようにして、キャパシタＣ２に、各画素の感度バラツキを表す電圧値をサンプルホールドすると、信号φＳＷをハイとしてＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦとする。その後、再び、信号φＶPSをハイとするとともにφＲＳａをローとして、ＭＯＳトランジスタＴ１のポテンシャル状態とキャパシタＣ１の電圧値とを初期化する。その後、信号φＶPSをローとした後に、信号φＲＳａをハイとする。

このように垂直ブランク期間において、全画素同時に各信号が動作することで、キャパシタＣ２に各画素の感度バラツキを表す電圧値がサンプルホールドされたとき、水平ブランク期間において、各行毎にローのパルス信号φＶを与えることで、ＭＯＳトランジスタＴ３をＯＮとする。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ４において、キャパシタＣ２でサンプルホールドされた各画素の感度バラツキに応じた電圧に対する電流が流れて、信号線１６に、各画素の感度バラツキに応じた電圧値となるノイズ信号が現れる。よって、各行毎に、各画素の感度バラツキを表すノイズ信号が出力信号線１６に電圧信号として現れ、各列のＭＯＳトランジスタＱ２を順番にＯＮとすることで、各画素のノイズ信号が固体撮像装置１より順番に出力される。

尚、単一フレームで動作する場合に、垂直ブランク期間及び水平ブランク期間それぞれにおいて上述の動作を行うものとする。しかしながら、単一フレームによってノイズ信号を出力した場合、各画素の感度バラツキ以外のノイズ（ランダムノイズ）の影響を受ける可能性があるため、複数フレームのノイズ信号を平均化して使用する方がよい場合がある。このように、複数フレームのノイズ信号を連続して出力する場合は、垂直ブランク期間において、図６のタイミングチャートと同様、まず、信号φＶPSをハイとするとともにφＲＳａをローとしてから信号φＲＳａをハイとする期間Ｔ１の動作を行う。その後、各フレーム毎に、信号φＲＳｂをローとしてから信号φＲＳａをハイとする期間Ｔ２の動作を繰り返す。又、各フレームにおける水平ブランク期間において、各行毎にローのパルス信号φＶを与えるとともに各列のＭＯＳトランジスタＱ２を順にＯＮとする。

このようにしてＳＴＥＰ３でリセットモードで動作が指示されて、固体撮像装置１がリセットモードで動作し、各画素のノイズ信号が出力されると、Ａ／Ｄ変換部２でデジタル信号に変換された後、フレームメモリ３に格納され、フレームメモリ３内の補正データが更新される（ＳＴＥＰ４）。このとき、複数フレームのノイズ信号が出力されたときは、各画素のノイズ信号が平均化され、この平均化されたノイズ信号が補正データとしてフレームメモリ３に格納される。

又、ＳＴＥＰ２において、フレームメモリ２内の補正データの変更が不要であることを確認すると（Ｎｏ）、信号制御部６によって固体撮像装置１が通常モードで動作するように指示される（ＳＴＥＰ５）。このとき、固体撮像装置１における画素Ｇ11〜Ｇmnはそれぞれ、図７のタイミングチャートに従って動作する。尚、図７は、垂直ブランク期間における動作を示すタイミングチャートである。

通常モードで撮像動作が行われるとき、まず、垂直ブランク期間において、全画素同時に、図７のタイミングチャートに従った動作を行う。即ち、信号φＳをローとしてＭＯＳトランジスタＴ７をＯＮとするとともに信号φＶPSをローとすることによって、フォトダイオードＰＤより入射光量に応じた光電荷がＭＯＳトランジスタＴ１に流れ込む。よって、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のゲートに入射光量に応じた電圧が現れ、ＭＯＳトランジスタＴ２を入射光量に応じた電流が流れる。このとき、信号φＲＳａ，φＳＷそれぞれをハイとして、ＭＯＳトランジスタＴ５，Ｔ８がＯＦＦされるため、キャパシタＣ１にＭＯＳトランジスタＴ２を通じて負の電荷が流れ込み、積分動作が行われる。

このとき、被写体の輝度が低いと、ＭＯＳトランジスタＴ１がカットオフ状態であるために、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲートに光電荷が蓄積され、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のゲートに入射光量に対して線形的に比例した電圧が現れる。そして、キャパシタＣ１とＭＯＳトランジスタＴ２との接続ノードに現れる電圧が、入射光量の積分値に線形的に比例した値となる。又、被写体の輝度が高く、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲートに蓄積された光電荷量に応じた電圧が低くなると、ＭＯＳトランジスタＴ１がサブスレッショルド領域で動作を行うため、入射光量に対して自然対数的に比例した電圧がＭＯＳトランジスタＴ１のゲートに現れる。そして、キャパシタＣ１とＭＯＳトランジスタＴ２との接続ノードに現れる電圧が、入射光量の積分値に自然対数的に比例した値となる。

そして、信号φＲＳｂをローとしてＭＯＳトランジスタＴ６をＯＮとすることで、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートとキャパシタＣ２との接続ノードの電圧をリセットした後、ローのパルス信号φＳＷを与えて、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮとする。このＭＯＳトランジスタＴ５がＯＮとなることで、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースとキャパシタＣ１との接続ノードに現れる電圧がキャパシタＣ２にサンプルホールドされる。このようにして、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースとキャパシタＣ１との接続ノードに現れる電圧をキャパシタＣ２にサンプルホールドすると、信号φＳＷをハイとする。

その後、信号φＳをハイとしてＭＯＳトランジスタＴ７をＯＦＦとし、フォトダイオードＰＤとＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２との間を電気的に切断した状態とする。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ１のソース側より正の電荷が流れ込み、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート及びドレイン、そしてＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに蓄積された負の電荷が再結合され、ある程度まで、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート及びドレインのポテンシャルが上がる。

そして、次に、信号φＶPSをハイにし、ＭＯＳトランジスタＴ１のソース電圧を高くすることで、ＭＯＳトランジスタＴ１のソース側から流入する正の電荷の量が増加し、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート及びドレイン、そしてＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに蓄積された負の電荷が速やかに再結合される。このとき、信号φＲＳａをローとして、ＭＯＳトランジスタＴ８をＯＮにして、キャパシタＣ１とＭＯＳトランジスタＴ２のゲートとの接続ノードの電圧を初期化する。

その後、信号φＶPSをローとして、ＭＯＳトランジスタＴ１のソース電圧を元の状態とした後、信号φＳをローとして、フォトダイオードＰＤとＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２との間を電気的に接続する。このようにして撮像可能な状態にした後、しばらくして、信号φＲＳａをハイとしてＭＯＳトランジスタＴ８をＯＦＦとすることで、次フレームの撮像を行う。

このように垂直ブランク期間において、全画素同時に各信号が動作することで、キャパシタＣ２に入射光量の積分値に対して線形的に又は自然対数的に比例した電圧値がサンプルホールドされたとき、水平ブランク期間において、各行毎にローのパルス信号φＶを与えることで、ＭＯＳトランジスタＴ３をＯＮとする。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ４において、キャパシタＣ２でサンプルホールドされた入射光量の積分値に応じた電圧に対する電流が流れて、信号線１６に、入射光量の積分値に線形的に又は自然対数的に比例した電圧値となる映像信号が現れる。よって、各行毎に、各画素で撮像された入射光量に応じた映像信号が出力信号線１６に電圧信号として現れ、各列のＭＯＳトランジスタＱ２を順番にＯＮとすることで、各画素の映像信号が固体撮像装置１より順番に出力される。

このようにしてＳＴＥＰ５で通常モードで動作が指示されて、固体撮像装置１が通常モードで動作し、各画素の映像信号が出力されると、Ａ／Ｄ変換部２でデジタル信号に変換された後、補正部４に与えられて補正処理が成される（ＳＴＥＰ６）。この補正部４における補正処理は、フレームメモリ３に格納された各画素の補正データを読み出すとともに、各画素毎に、映像信号から補正データを減算することで、映像信号に重畳しているＦＰＮ成分を除去する。このように補正部４で補正されたノイズ成分が除去された映像信号が、画像処理部５に与えられると、エッジ強調処理やホワイトバランス処理などの画像処理が施される。

そして、ＳＴＥＰ４においてフレームメモリ３内の補正データが更新されたとき、又は、ＳＴＥＰ６において補正部４で補正処理された映像信号が出力されたとき、撮像動作を終了するように指示されたか否かが確認される（ＳＴＥＰ７）。このとき、不図示の入力部などによって動作停止や電源ＯＦＦが指示されたり、又は、外部からの電源供給が停止されると（Ｙｅｓ）、一連の動作を終了する。又、電源供給が維持されるとともに動作停止が指示され無かったときは（Ｎｏ）、ＳＴＥＰ１に移行して、再び、通常モード又はリセットモードによる動作を行う。

（画素の別の構成例）
本実施形態において、画素Ｇ11〜Ｇmnそれぞれの回路構成を図４のような構成とすることで、線形変換動作と対数変換動作とが切換可能な画素としたが、図８に示すような回路構成として、線形変換動作のみを行うものとしても構わない。図８の画素において、図４の画素と同一の目的で使用する素子については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

この図８の画素は、ＭＯＳトランジスタＴ１０とフォトダイオードＰＤとで構成される光電変換回路１００ａと、キャパシタＣ２とＭＯＳトランジスタＴ３，Ｔ４とで構成されるサンプルホールド回路１０１ａと、光電変換回路１００ａとサンプルホールド回路１０１ａとの電気的な接離を行うスイッチとして働くＭＯＳトランジスタＴ５とを備える。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ１０は、そのドレインにフォトダイオードＰＤのアノードが接続され、そのソースに直流電圧ＶPSが印加され、そのゲートに信号φＲＳが入力される。その他の素子の接続関係については、図４の画素と同様になる。

又、図４及び図８の画素構成において、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタで構成されるようにしたが、図９及び図１０のようなＮチャネルのＭＯＳトランジスタで構成されるようにしても構わない。更に、画素の構成について、固体撮像装置１内に補正処理を行うための回路を備えていないものであれば、これらと異なる画素の構成としても構わない。即ち、図４の画素構成において、光電変換回路１００よりＭＯＳトランジスタＴ８を省いた構成としても構わないし、サンプルホールド回路１０１よりＭＯＳトランジスタＴ６を省いた構成としても構わない。又、図８の画素構成において、サンプルホールド回路１０１ａにＭＯＳトランジスタＴ６を追加した構成としても構わない。

は、本発明の実施形態における撮像装置の構成を示すブロック図である。 は、図１の撮像装置内の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。 は、図２の固体撮像装置の一部の構成を示す回路図である。 は、図２の固体撮像装置内の画素の構成を示す回路図である。 は、図１の撮像装置の動作を示すフローチャートである。 は、図４の画素のリセットモードの動作を示すタイミングチャートである。 は、図４の画素の通常モードの動作を示すタイミングチャートである。 は、図２の固体撮像装置内の画素の別の構成を示す回路図である。 は、図２の固体撮像装置内の画素の別の構成を示す回路図である。 は、図２の固体撮像装置内の画素の別の構成を示す回路図である。

符号の説明

１ 固体撮像装置
２ Ａ／Ｄ変換部
３ フレームメモリ
４ 補正部
５ 画像処理部
６ 信号制御部
１２ 垂直走査回路
１３ 水平走査回路
１４−１〜１４−ｎ，１８ ライン
１５ 電源ライン
１６−１〜１６−ｍ 出力信号線
１７ 直流電圧線
１９ 信号線
Ｇ11〜Ｇmn 画素
ＰＤ フォトダイオード
Ｔ１〜Ｔ８，Ｔ１０，Ｑ１，Ｑ２ ＭＯＳトランジスタ
Ｃ１，Ｃ２ キャパシタ

Claims (7)

1. 入射光量に応じた電気信号を出力する光電変換部を有する複数の画素によって構成される固体撮像装置を備えるとともに、前記各画素それぞれの前記光電変換部における感度バラツキに基づくノイズ信号を出力するリセットモードと前記各画素それぞれが撮像動作を行うことで映像信号を出力する通常モードとで前記固体撮像装置が動作する撮像装置において、
   前記固体撮像装置が前記リセットモードで動作するタイミングであるか否かを判断した後、
   前記リセットモードで動作するタイミングであるときは、前記固体撮像装置をリセットモードで動作することで得られた前記ノイズ信号を前記各画素の補正データとして更新し、
   前記リセットモードで動作するタイミングでないときは、前記固体撮像装置を通常モードで動作することで得られた前記映像信号を、前記リセットモードで動作させたときに更新された前記補正データによって補正処理することを特徴とする撮像装置。
2. 前記リセットモードで動作する前記タイミングが、一定時間経過したか否かで判断されることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記リセットモードで動作する前記タイミングが、前記固体撮像装置の環境温度が一定の値以上変化したか否かで判断されることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
4. 前記リセットモードで動作する前記タイミングが、前記固体撮像装置の駆動条件を切り換えたか否かで判断されることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
5. 前記リセットモードで動作する前記タイミングが、電源投入時であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の撮像装置。
6. 前記撮像装置が移動体に設置されるとき、前記リセットモードで動作する前記タイミングが、前記移動体の移動速度が０となったタイミングであることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の撮像装置。
7. 前記リセットモードで前記固体撮像装置が動作するとき、前記固体撮像装置が複数フレーム分の動作を繰り返すとともに、当該複数フレーム分の動作を行うことで得られた複数のリセット信号を前記各画素毎に平均化して前記補正データを生成することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の撮像装置。

Images