JP2008042573A - 撮像装置及びその制御方法、撮像システム並びにプログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】光電変換素子の出力信号に入るノイズを除去する。
【解決手段】撮像装置は、光を電荷に光電変換する光電変換素子102と、光電変換素子102に蓄積された電荷を一時的に蓄える蓄積部104と、蓄積部104に蓄積された電荷を除去するリセット部107と、光電変換素子102から蓄積部104に転送された電荷を電圧に変換して出力する出力部105、106とを有する画素101が、二次元に配列された撮像部と、光電変換素子102において光電変換時に蓄積される時間的に変化するノイズをキャンセルするキャンセル手段115とを備える。
【選択図】図2
【解決手段】撮像装置は、光を電荷に光電変換する光電変換素子102と、光電変換素子102に蓄積された電荷を一時的に蓄える蓄積部104と、蓄積部104に蓄積された電荷を除去するリセット部107と、光電変換素子102から蓄積部104に転送された電荷を電圧に変換して出力する出力部105、106とを有する画素101が、二次元に配列された撮像部と、光電変換素子102において光電変換時に蓄積される時間的に変化するノイズをキャンセルするキャンセル手段115とを備える。
【選択図】図2
Description
本発明は、光電変換素子を有する撮像装置及びその制御方法、撮像システム並びにプログラムに関し、特にCMOSイメージセンサを用いた撮像装置及びその制御方法、撮像システム並びにプログラムに関する。
従来、固体撮像素子として、CCDイメージセンサ及びCMOSイメージセンサが広く用いられている。CMOSイメージセンサは、LSI製造プロセスを応用することにより大量生産が可能である点において、CCDイメージセンサよりも有利である。また、CMOSイメージセンサは、システムオンチップ化が容易である点や消費電力を低く抑えられる点などの利点があり、近年、デジタルカメラ等における固体撮像素子として、脚光を浴びている(特許文献1及び特許文献2参照)。
図5は、CMOSイメージセンサの構成を示す回路図である。102は光を電荷に変換するフォトダイオード(以下「PD」という。)である。PD102では、露光量に応じて光電変換された信号電荷を蓄積する。103はPD102に蓄積した信号電荷を次段に転送する転送ゲート(以下「TX」という。)である。104はTX103により転送された信号電荷を電圧に変換するのフローティングディフュージョン(以下「FD」という。)である。105はソースフォロアとして機能する増幅MOSアンプであり、106は増幅MOSアンプ105で増幅して出力された信号を読み出す選択ゲート(以下「SEL」という。)である。107はFD104及びPD102をリセットするリセットゲート(以下「RS」という。)である。101は102〜107の素子が集合体として構成された画素である。画素101は二次元に配列され、図6の撮像部40が構成される。撮像部40には、例えば600万画素のCMOSイメージセンサでは、600万セットもの画素101のブロックが存在する。
図5に示すCMOSイメージセンサの動作を次に説明する。まず、蓄積動作の開始前にPD102及びFD104を一度リセットする。PD102のリセット動作は、TX103をオンすることにより行われる。FD104のリセット動作は、RS107をオンすることにより行われる。次いで、TX103及びRS107をオフにすることによりPD102における蓄積動作が開始する。このとき、FD104の電荷はゼロになっており、この状態の信号をSEL106をオンすることにより垂直出力線10に読み出す。そして、図6のS−n回路ブロック及び水平選択線(図6では、「S−n回路ブロック+水平選択線」と表記)42に列数だけ存在する回路モジュール8のキャパシタ(CTN)17にスイッチ16を介してリセットノイズレベルを記憶する。
所定時間が経過すると、PD102に蓄積された信号電荷を、PTXによりオンされた転送ゲートTX103を通してFD104に転送する。そして、読み出しまでの待機時間が経過した後、SEL106をオンして蓄積電荷に対応した信号レベルの出力信号を垂直出力線(V出力線)10に読み出し、スイッチ11を介してキャパシタ(CTS)12に記憶する。キャパシタ(CTS)12及びキャパシタ(CTN)17には、それぞれ信号レベルとリセットノイズレベルとが記憶されている。そのため、読み出しスイッチ13、18をオンして差動アンプ(MainAMP)15に接続することにより、両者の差分がとられ、リセットノイズを除去した蓄積信号が得られる。これは、リセットノイズをキャンセルする際にCCDでよく用いられる相関2重サンプリング(CDS)と同様に、CMOSの重要な技術の1つである。CHS14及びCHN19は、入力線が長く配置されたことによる差動アンプ15の配線浮遊容量を示す。
図7を参照してCMOSイメージセンサの動作を説明する。図7(a)は、横軸が時間経過を示し、縦軸が各パルスの変化を示すタイミングチャートである。PRESは、図5のRS107を駆動するパルスであり、FD104のリセットを行う。PD102とFD104をリセットした後、FD104へPD102の信号電荷を転送する直前にFD104だけをリセットすることにより、蓄積時間中のFD104の暗電流成分をキャンセルすることができる。次いで、スイッチ16を駆動するパルスPTN1によりスイッチ16をオンして、リセットノイズレベルVresをt1のタイミングでCTN17に記憶する。図7(b)は、横軸が図7(a)のタイミングに同期した時間経過を示し、縦軸が電圧を示す。PTXは、TX103を駆動するパルスであり、TX103がオンすることによりPD102の電荷をFD104に転送する。次いで、パルスPTS1によりスイッチ11を駆動し、CTS12に信号レベルVres+Sが記憶される。CTS12に記憶された信号レベルVres+Sと、CTN17に記憶されたリセットノイズレベルVresとを、差動アンプ15で減算して出力することにより、Vres+S−Vres=Sが出力される。
図6の撮像部40には、画素101のモジュールが600万個配置されているとする。画素数の縦横比率が135フィルム比率であるとすると、横3000画素、縦2000画素となり、回路モジュール8は3000モジュール存在することになる。また、水平出力部9は1個存在することになる。図6を用いて説明すると、S−n回路ブロック+水平選択線42と出力アンプ43とを合わせた3000個の回路モジュール8と、1個のモジュール9とで構成されている。垂直シフトレジスタ41は、各行に選択信号φSELを与え、SEL106を順次オンしていくことにより、縦方向に読み出し走査を行うことができる。
特開2000−201300号公報
特開2002−209144号公報
一方、CCDイメージセンサでは、入射光で発生した信号電荷を各画素で増幅することなく、イメージセンサ内を電荷として転送し、最後の出力段で電圧に変換している。外来ノイズがあっても、電荷量にほとんど影響しないため、センサ自体が外来ノイズに強いといえる。
これに対し、CMOSイメージセンサでは、入射光で発生した信号電荷を各画素で電圧に変換して、電圧をセンサ内の配線を介して読み出す。特に、デジタル一眼レフカメラのCMOSイメージセンサは、大判でチップサイズが大きく、チップ上の配線はアンテナとして外来ノイズを受けやすい。横方向の配線に供給される信号には、例えば、TXに供給される転送パルス、RSに供給されるリセットパルス、SELに供給される選択パルス等がある。また、縦方向の配線に供給される信号には、垂直読み出し線や電源等に供給される信号がある。
CMOSイメージセンサにおいて、ノイズが発生する現象を図7を用いて説明する。理想的には、画素からの電圧出力は、図7(b)のような波形となる。しかしながら、各種電源の電圧が変動すると、図7(c)に示すように、時間で変動するノイズVn(t)が画素からの電圧出力に加算される。すなわち、実際には画素からの電圧出力は、図7(d)に示すような波形になる。その結果、CTN17にはVres+Vn(t1)が記憶され、CTS12にはVres+S+Vn(t2)が記憶される。これらを差動アンプ15で減算しても、S+Vn(t1)−Vn(t2)=S+ΔVn(t2、t1)のように、t1からt2の時間に発生したノイズVn(t)が除去されない。
一般に、信号線を平行に用意し、差分をとることで外来ノイズを除去できる。しかしながら、このような構成を周辺回路には実装できたとしても、イメージセンサ内にこのような構成を設けることは現実的ではない。イメージセンサの開口率を大きくするためには、配線を極力減らすことが重要であるからである。
また、一ラインごとに信号を周辺の回路に転送することにより、高速性とS/Nの改善を実現しようとしても、信号レベルとリセットレベルのサンプリングに時間差が発生するため、外来ノイズを微分して保持してしまう。
さらに、各ラインで一様にノイズを一次元でサンプリングすることになり、画像において横縞として観測されやすい。一般的に、二次元のランダムなノイズに比べて、一次元のパターンノイズは目立ちやすい。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、光電変換素子の出力信号に入るノイズを除去することを目的とする。
本発明の第1の側面は、撮像装置に係り、光を電荷に光電変換する光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を一時的に蓄える蓄積部と、前記蓄積部に蓄積された電荷を除去するリセット部と、前記光電変換素子から前記蓄積部に転送された電荷を電圧に変換して出力する出力部とを有する画素が、二次元に配列された撮像部と、前記出力部の蓄積される時間的に変化するノイズをキャンセルするキャンセル手段と、を備えることを特徴とする。
本発明の第2の側面は、撮像システムに係り、光学系と、上記の撮像装置と、を備える。
本発明の第3の側面は、光を電荷に光電変換する光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を一時的に蓄える蓄積部と、前記蓄積部に蓄積された電荷を除去するリセット部と、前記光電変換素子から前記蓄積部に転送された電荷を電圧に変換して出力する出力部とを有する画素が、二次元に配列された撮像部と、を備える撮像装置の制御方法に係り、前記出力部の時間的に変化するノイズをキャンセルする工程を含むことを特徴とする。
本発明の第4の側面は、プログラムに係り、上記の制御方法をコンピュータに実行させる。
本発明によれば、光電変換素子の出力信号に入るノイズを除去することができる。
本発明は、外来ノイズの周波数に対して、S−n回路ブロックで記憶する周期が十分に短いことに着目し、S−n回路ブロックで記憶された外来ノイズと等価の外来ノイズ成分を記憶する手段を備えてキャンセルできるようにしたものである。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形態を詳細に説明する。
(第1の実施形態)
本実施形態に係る撮像素子の駆動方法をデジタルカメラなどの撮像装置に適用した場合の一例について図1を用いて詳述する。
本実施形態に係る撮像素子の駆動方法をデジタルカメラなどの撮像装置に適用した場合の一例について図1を用いて詳述する。
図1において、201は被写体像を撮像部205に結像させるレンズ部である。レンズ部201は、レンズ駆動部202によってズーム、フォーカス、絞り等が駆動制御される。203は遮光部材であるシャッタで、所謂一眼レフカメラに使用されるフォーカルプレーン型のシャッタの後幕に相当する幕のみを有するシャッタ機構である。シャッタ203は、シャッタ駆動部204によって駆動制御される。205はレンズ部201で結像された被写体を画像信号として取り込むための図2に示す構成を有する撮像部である。206は撮像部205より出力される画像信号に各処理を行う撮像信号処理回路である。撮像信号処理回路206では、画像信号の増幅、アナログ信号からデジタル信号への変換を行うA/D変換、A/D変換後の画像データに各種の補正、画像データの圧縮等を行う。
207は、撮像部205、撮像信号処理回路206に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、209は撮像装置全体の制御と各種演算を行う全体制御演算部、208は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部である。210は記録媒体に画像データの記録または読み出しを行う為の記録媒体制御インターフェース部、211は画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。212は外部コンピュータ等と通信する為の外部インターフェース部、213は被写体の明るさ情報を検出する測光部、214は被写体までの距離情報を検出する測距部である。
次に、上記構成を有するデジタルカメラにおける撮影時の動作について説明する。
メイン電源がオンされると、各制御系の電源がオンし、撮像信号処理回路204等の撮像系回路の電源がオンされる。不図示のレリーズボタンが押されると、露光量を制御する為、全体制御演算部209は測光部213で測光を行い被写体の明るさを判断し、その結果に応じてレンズ駆動部202はレンズ部201の絞りを制御する。次に、測距部214から出力された信号を基に、高周波成分を取り出して被写体像の合焦判定の演算を全体制御演算部209で行う。合焦していないと判断した時は、レンズ駆動部202によりレンズ部201を駆動し、再度、合焦か否かを判断するこの動作を繰り返し、合焦が確認された後に撮影動作が開始する。
図2は、本発明の好適な実施の形態に係る撮像部の構成を示したものである。図2において、101は単位画素である。なお、図2では図の簡略化のために、画素101を4行×4列で配列した場合を一例として示したが、画素数はこれに限定されない。102は光を電荷に変換するフォトダイオード(PD)などの光電変換素子であり、103は転送パルスφTXによってPD102で発生した電荷を後述する蓄積部(フローティングディフュージョン:FD)に転送する転送スイッチである。また、104は電荷を一時的に蓄積しておく蓄積部(FD)である。また、105はソースフォロアとして機能する増幅MOSアンプであり、106は選択パルスφSELによって画素を選択する選択スイッチである。増幅MOSアンプ105と選択スイッチ106とでFD104に転送された電荷を電圧に変換して出力する出力部を構成している。107はリセットパルスφRESによってFD104に蓄積された電荷を除去するリセット部としてのリセットスイッチである。FD104、増幅MOSアンプ105、及び後述する定電流源109でフローティングディフュージョンアンプが構成され、選択スイッチ106で選択された画素の信号電荷が電圧に変換され、信号出力線108を経て読み出し回路113に出力される。109は増幅MOSアンプ105の負荷となる定電流源である。110は読み出し回路113から出力信号を選択する選択スイッチであり、水平走査回路114によって駆動される。15は信号を撮像部外部に出力するための出力アンプである。また、112はスイッチ103、106、107を選択するための垂直走査回路である。
なお、パルス信号φTX、φRES、φSELそれぞれについて、垂直走査回路112によって走査選択された、例えばn番目の走査ラインに印加するパルス信号をφTXn、φRESn、φSELnと記述する。また、各走査ラインごとに垂直出力線10を介して後述する図3の回路モジュール115が配置されている。さらに、これらの回路モジュール115はモジュール9と接続され、光電変換時に蓄積される時間的に変化するノイズをキャンセルするキャンセル手段を構成している。
図3は、本発明の好適な実施の形態に係るCMOSイメージセンサの回路図である。本実施形態に係るCMOSイメージセンサは、回路モジュール115の構成が図5に示す従来の回路モジュール8の構成と相違している。図5に示すようにCTSとCTNを備えるだけでは、図7(d)に示すノイズΔVn(t3、t2)が存在する。これに対し、本実施形態では、CTS2とCTN2とをさらに備える。具体的には、キャパシタCTS12とキャパシタCTN17のペアに、21のキャパシタCTS2と24のキャパシタCTN2のペアを追加し、それに応じてスイッチ20、22、23、25を追加している。このような構成による動作を図4を使って説明する。
図4は、本実施形態に係るCMOSイメージセンサの動作とタイミングを示す図である。図4(a)は、横軸が時間経過を示し、縦軸が各パルスの変化を示すタイミングチャートである。図4(b)は、横軸が図4(a)のタイミングに同期した時間経過を示し、縦軸が電圧を示す。本実施形態では、少なくともPTN2及びPTS2のパルス及びt1〜t3のタイミングを用いる点で、図7(a)に示す従来のCMOSイメージセンサの動作とタイミングと相違している。図7と同様の構成については、その説明を省略する。
まず、PRESパルスによりFD104をリセットした後に、t1のタイミングでPTS2パルスによりスイッチ20を駆動する。そして、リセットレベルVres及びノイズVn(t1)(図4(b)では「Vres+Vn(t1)」と表記)を21のキャパシタCTS2に記憶する。次に、所定時間後のt2のタイミングでPTN1パルスとPTN2パルスによりそれぞれスイッチ16と23とを駆動する。そして、リセットレベルVres及びノイズVn(t2)(図4(b)では「Vres+Vn(t2)」と表記)を24のキャパシタCTN2と17のキャパシタCTNに記憶する。次に、PTXパルスによりPD102の電荷をFD104に転送した後に、t3のタイミングでPTS1パルスによりスイッチ11を駆動する。そして、CTSに信号S及びノイズVn(t3)(図4(b)では「Vres+S+Vn(t3)」と表記)を12のキャパシタCTSに記憶する。t2からt3までの時間は、t1からt2までの時間と等しい。
CTS、CTS2に記憶された値はそれぞれスイッチ13、22を介して14のCHSに、CTNとCTN2に記憶された値はそれぞれスイッチ18、25を介して19のCHNに容量配分される。これらは、差動アンプ15で差分がとられて出力される。14と19は、入力線が長く配置されたときのことによる差動アンプ15の配線浮遊容量を示す。
これを数式で表すと、以下のようになる。
V(CTS−CTN+CTS2−CTN2)
=Vres+S+Vn(t3)−{Vres+Vn(t2)}+Vres+Vn(t1)−{Vres+Vn(t2)}
=S+Vn(t3)−Vn(t2)+Vn(t1)−Vn(t2)
=S+ΔVn(t3、t2)−ΔVn(t2、t1)
ここでt1、t2、t3の間隔はノイズの周波数に対して十分に短いため、ノイズは線形に変化していると近似できる。従って、ΔVn(t3、t2)とΔVn(t2、t1)は等しいとみなされ、ノイズがキャンセルされる。
V(CTS−CTN+CTS2−CTN2)
=Vres+S+Vn(t3)−{Vres+Vn(t2)}+Vres+Vn(t1)−{Vres+Vn(t2)}
=S+Vn(t3)−Vn(t2)+Vn(t1)−Vn(t2)
=S+ΔVn(t3、t2)−ΔVn(t2、t1)
ここでt1、t2、t3の間隔はノイズの周波数に対して十分に短いため、ノイズは線形に変化していると近似できる。従って、ΔVn(t3、t2)とΔVn(t2、t1)は等しいとみなされ、ノイズがキャンセルされる。
以上のように、本実施形態によれば、フォトダイオードから周辺回路に記憶するまでに乗る外来ノイズ成分だけを記憶できるような構成にすることにより、出力時に外来ノイズの除去が可能となる。その結果、例えば、横縞ノイズとして目立った従来の画像のノイズを除去することができる。
101 画素
102 光電変換素子
104 蓄積部
105、106 出力部
107 リセット部
115、119 キャンセル手段
102 光電変換素子
104 蓄積部
105、106 出力部
107 リセット部
115、119 キャンセル手段
Claims (8)
- 光を電荷に光電変換する光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を一時的に蓄える蓄積部と、前記蓄積部に蓄積された電荷を除去するリセット部と、前記光電変換素子から前記蓄積部に転送された電荷を電圧に変換して出力する出力部とを有する画素が、二次元に配列された撮像部と、
前記出力部の時間的に変化するノイズをキャンセルするキャンセル手段と、
を備えることを特徴とする撮像装置。 - 前記キャンセル手段は、
前記蓄積部のリセット後でかつ前記転送前の第1のタイミングで前記出力部から出力される第1の電圧を保持する第1の保持部と、前記蓄積部のリセット後でかつ前記転送前の第1のタイミング後の第2のタイミングで前記出力部から出力される第2の電圧を保持する第2の保持部と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 - 前記キャンセル手段は、
前記第2の電圧と前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送した前記出力部で電圧に変換した第3の電圧との第1の差分から、前記第2の電圧と前記第1の電圧との第2の差分を減算することを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。 - 前記ノイズは、時間に対して線形的に変化するノイズであることを特徴とする請求項3に記載の撮像装置。
- 前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送し前記出力部で電圧に変換するタイミングと前記第2のタイミングとの間隔は、前記第1のタイミングと前記第2のタイミングとの間隔と同じであることを特徴とする請求項4に記載の撮像装置。
- 光学系と、
請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の撮像装置と、
を備える撮像システム。 - 光を電荷に光電変換する光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を一時的に蓄える蓄積部と、前記蓄積部に蓄積された電荷を除去するリセット部と、前記光電変換素子から前記蓄積部に転送された電荷を電圧に変換して出力する出力部とを有する画素が、二次元に配列された撮像部と、を備える撮像装置の制御方法であって、
前記出力部の時間的に変化するノイズをキャンセルする工程を含むことを特徴とする撮像装置の制御方法。 - 請求項7に記載の制御方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
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JP2006214882A Withdrawn JP2008042573A (ja) | 2006-08-07 | 2006-08-07 | 撮像装置及びその制御方法、撮像システム並びにプログラム |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2010010620A1 (ja) * | 2008-07-24 | 2010-01-28 | 株式会社島津製作所 | 光または放射線撮像装置 |
JP2015135523A (ja) * | 2010-01-15 | 2015-07-27 | キヤノン株式会社 | 焦点検出装置 |
CN112840638A (zh) * | 2018-10-24 | 2021-05-25 | 宁波飞芯电子科技有限公司 | 复位方法、复位装置、以及应用其的复位系统和像素阵列 |
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2006
- 2006-08-07 JP JP2006214882A patent/JP2008042573A/ja not_active Withdrawn
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2010010620A1 (ja) * | 2008-07-24 | 2010-01-28 | 株式会社島津製作所 | 光または放射線撮像装置 |
JPWO2010010620A1 (ja) * | 2008-07-24 | 2012-01-05 | 株式会社島津製作所 | 光または放射線撮像装置 |
JP4888599B2 (ja) * | 2008-07-24 | 2012-02-29 | 株式会社島津製作所 | 光または放射線撮像装置 |
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CN112840638B (zh) * | 2018-10-24 | 2024-03-15 | 宁波飞芯电子科技有限公司 | 复位方法、复位装置、以及应用其的复位系统和像素阵列 |
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