JP2008053907A - 固体撮像装置の低雑音信号生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の相関二重サンプリングの方法に比べて容易にリセットノイズの低減効果が得られ、しかも、通常の撮像素子をそのまま用いながら雑音の低減されたカラーの画像信号が得られる固体撮像装置の低雑音信号生成方法を提供する。
【解決手段】 リセットパルスの繰り返し周期を水平ＣＣＤの駆動パルスの繰り返し周期の整数倍とし、水平ＣＣＤの最終電極に加える駆動パルスがオフになるごとに順次加算されてゆく画素信号を取り出し、隣接する加算された画素信号間で演算を行うことによって個々の画素信号を得る。また、加算された画素信号をそのまま構成信号の一部として用いるローパスフィルタを形成して得た低周波成分を用いて輝度信号を低雑音化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子を用いた単板カラーカメラにおいて、雑音の低減された画像信号を生成する方法に関する。さらに詳しくは、特殊な構造の固体撮像素子を用いることなく、雑音の低減されたカラーの画像信号が得られる固体撮像素子の駆動方法および信号処理方法に関する。

２次元状に画素を並べた固体撮像素子を一つだけ用いてカラーの画像信号を得る単板カラーカメラは、ビデオカメラやディジタルスチルカメラなど、広い分野で利用されている。こうした単板カラーカメラでは、特にディジタルスチルカメラにおいて撮像素子の多画素化にともなう画素の信号量の減少が著しく、高品位の画像を維持するには雑音の低減が課題となっている。雑音が大きいと、低照度の撮像条件ではある程度の信号量を確保するために蓄積時間を大きくとらなければならず、手ぶれによる撮影ミスが問題となる。

固体撮像素子のひとつであるＣＣＤ撮像素子の雑音は、おもに信号電荷に含まれる電流のショットノイズ、信号電荷を掃き出す際に発生するリセットノイズ、信号を出力するアンプで発生するアンプノイズである。これらのうち、リセットノイズを低減する方法として相関二重サンプリングが知られている。また、アンプノイズの影響を低減する画素混合読み出しの方法が、特開昭６２−２６５８、特開平５−２４４５１６などに提案されている。以下、これらの方法を簡単に説明する。

図３に従来技術による単板カラーカメラの構成の一例を示す。図３は、相関二重サンプリングや画素混合読みだしの動作説明に関わる部分を主体に示したものであり、一般的な動作を行う部分の詳細は示さない。

まず、従来技術の相関二重サンプリングの動作について説明する。図３に示す単板カラーカメラにおけるＣＣＤ撮像素子１では、一定の露光期間に発生して画素１０１に蓄積した信号電荷は、図には示さない読み出しゲートの動作によって画像信号の垂直ブランキング期間にそれぞれに隣接する垂直ＣＣＤ１０２に一斉に読み出される。なお、図３において画素１０１に付した文字Ｒ、Ｇ、Ｂは、画素に組み合わせた光学フィルタの透過光を示すものであり、それぞれ赤色光、緑色光、青色光を検知する画素であることを示す。各垂直ＣＣＤ１０２に読み出された信号電荷は、画像信号の水平ブランキング期間ごとに１ライン分、図には示さない垂直転送パルスを加えることによって水平ＣＣＤ１０３の方向に一斉にシフトされる。このとき水平ＣＣＤ１０３に移された水平方向１ライン分の画素の信号電荷は、画像信号の水平走査期間に、パルス発生器５で生成した一般的には２相の水平転送パルスPh1とPh2を端子１０６と端子１０７からそれぞれ加えることによって電圧変換部１０４に向かってシフトされる。電圧変換部１０４では、一例として水平ＣＣＤ１０３の最終段の転送電極がＨ１であるとき、水平転送パルスPh1がハイレベルからローレベルに変わるタイミングで１画素分の信号電荷が移されて電圧に変換される。変換された電圧信号は、アンプ１０５を経て出力端子１０９から出力信号Voutとなって出力される。電圧変換部１０４の信号電荷は、続く水平転送パルスPh1がハイレベルからローレベルに変わるタイミングで次の信号電荷が移される前に、端子１０８から加えたパルス発生器５からのリセットパルスPrstによって掃き出される。

図４は上記に述べたＣＣＤ撮像素子１の出力信号Voutに関わる動作のタイミングチャートを示す図である。（ａ）は、水平転送パルスPh1の波形を示す。また（ｂ）はリセットパルスPrstの波形を示す。（ｃ）は出力端子１０９から得られる出力信号Voutの波形を示す。（ｃ）に示す出力信号Voutでは、（ｂ）に示すリセットパルスPrstのオン期間の終了T1と同時に、リセット動作で発生したリセットノイズ２０１ａがあらわれ、これに（ａ）に示す水平転送パルスPh1がハイレベルからローレベルに変化したタイミングT2で信号電荷による画素信号２０２ａが重畳して現れる。ここで、信号電荷による画素信号は、通常のＣＣＤ撮像素子の場合がそうであるように、負の方向に現れるものとして示した。

ＣＣＤ撮像素子１の出力信号Voutは、アンプ２を経てサンプル回路３およびサンプル回路４に加えられる。サンプル回路４には、図４（ｄ）に示すような、出力信号Voutにリセットノイズ２０１ａのみが現れる期間T3に信号を取り込むためのパルスPnがパルス発生器５から加えられる。この結果、サンプル回路４からは図４（ｅ）に示すリセットノイズのみの信号Vnが得られる。一方、サンプル回路３には、図４（ｆ）に示すような、出力信号Voutに画素信号２０２ａが現れる期間T4に信号を取り込むためのパルスPsがパルス発生器５から加えられる。この結果、サンプル回路３からは図４（ｇ）に示すリセットノイズと画素信号が加算された信号Vsが得られる。サンプル回路３の出力信号Vsおよびサンプル回路４の出力信号Vnを減算回路６に加えてVs−Vnを生成すると、減算回路６からは図４（ｈ）に示す差信号Vdifが得られる。（ｈ）からわかるように差信号Vdifは、パルスPsがオフになるT5からパルスPnがオンになるT6までの期間に画素信号２０２ａのみが現れるものとなる。そこでこれをサンプル回路７に加え、たとえば図４（ｉ）に示すパルスPoutでT7に差信号Vdifを取り込めば、サンプル回路７からはリセットノイズ２０１ａが除去された画素信号２０２ａのみの信号が得られる。こうした方法は相関二重サンプリングと呼ばれており、リセットノイズの除去に有効である。

ここで、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を参照することでわかるように、リセットパルスPrstの位相がT1より遅れた位相であると、出力信号Voutにリセットノイズ２０１ａのみが現れる期間が短くなる。このときサンプル回路４に加えるパルスPnの位相設定の余裕が小さくなる。一方、リセットパルスPrstの位相がT1より進んだ位相であると、出力信号Voutにリセットノイズ２０１ａと画素信号２０２ａの加算信号が現れる期間が短くなる。このときサンプル回路３に加えるパルスPsの位相設定の余裕が小さくなる。このように相関二重サンプリングでは、一つの画素信号を読み出す周期内において２カ所の信号を取り込む必要があるので、サンプリングパルスの位相調整が煩雑である。サンプリングパルスの位相が適当でなく、たとえばリセットノイズが現れつつある段階の出力信号Voutをサンプル回路４で取り込んだときは、リセットノイズの除去が充分に行えない場合がある。とくに多画素のＣＣＤ撮像素子を用いた場合には、全画面の画素信号をある程度の時間内に読み出すために一つの画素信号を読み出す周期を短くしなければならないので、サンプリングパルスの調整余裕が減少し、リセットノイズの充分な除去が難しくなる。

一方、図３に示す単板カラーカメラにおいてサンプル回路７から得られたリセットノイズ除去後の画素信号は、カラー信号生成のための処理を行うプロセッサ８に加えられ、カラーの画像信号が生成される。プロセッサ８は、画素に組み合わされた光学フィルタに対応して色分離とメモリ９を用いた補間を行う前処理部１０、クロマ信号の生成を行うクロマ処理部１１、輝度信号の生成を行う輝度処理部１２、およびクロマ信号と輝度信号をカラーの画像信号に合成するエンコーダ部１３で構成されているものとし、その動作は一般的なものと同様でよいので説明は省略する。

また、リセットノイズの低減に加えてＣＣＤ撮像素子１のアンプ１０５で発生するアンプノイズの影響を軽減するため、画素混合読みだしを行う方法が特開昭６２−２６５８、特開平５−２４４５１６などに提案されている。こうした従来技術の画素混合読みだしの方法では、図３に示した構成において以下に述べる動作を行う。

図５は従来技術の画素混合読みだしにおける、ＣＣＤ撮像素子１の信号出力に関わる動作のタイミングチャートを示す図である。（ａ）は、水平転送パルスPh1の波形であり、図４（ａ）に示した通常の相関二重サンプリングの場合と同一である。また（ｂ）は、リセットパルスPrst2の波形を示す。通常の相関二重サンプリングではリセットパルスPrstと水平転送パルスPh1は同一の繰り返し周期であったのに対し、（ｂ）に示すリセットパルスPrst2の繰り返し周期は水平転送パルスPh1の２倍である。この結果、ＣＣＤ撮像素子１の出力端子１０９から得られる出力信号Voutの波形は（ｃ）に示すものとなる。（ｃ）に示す出力信号Voutでは、（ｂ）に示すリセットパルスPrst2のオン期間の終了T10と同時に、リセット動作で発生したリセットノイズ２０１ａがあらわれる。これに（ａ）に示す水平転送パルスPh1が１番目にハイレベルからローレベルに変化するタイミングT11で信号電荷による画素信号２０２ａが重畳して現れる。さらに、水平転送パルスPh1が２番目にハイレベルからローレベルに変化するタイミングT12で信号電荷による画素信号２０２ｂが重畳する。

そこで、ＣＣＤ撮像素子１の出力信号Voutをアンプ２を経てサンプル回路３およびサンプル回路４に加える。サンプル回路４には、出力信号Voutにリセットノイズ２０１ａのみが現れる期間T13に信号を取り込むための図５（ｄ）に示すパルスPn2をパルス発生器５から加える。この結果、サンプル回路４からは（ｅ）に示すリセットノイズのみの信号Vn2が得られる。一方サンプル回路３には、出力信号Voutに画素信号２０２ａと画素信号２０２ｂが加算されて現れる期間T14に信号を取り込むための（ｆ）に示すパルスPs2をパルス発生器５から加える。この結果、サンプル回路３からは（ｇ）に示すリセットノイズと２つの画素信号が加算された信号Vs2が得られる。ここでサンプル回路３とサンプル回路４の出力信号を減算回路６に加えて差信号を生成すると、（ｈ）に示すようにパルスPs2がオフになるT15からパルスPn2がオンになるT16までの期間に画素信号２０２ａと画素信号２０２ｂの加算信号のみが現れる。そこでこれをサンプル回路７に加え、（ｉ）に示すPout2を加えてT17で差信号Vdif2を取り込めば、サンプル回路７からはリセットノイズ２０１ａが除去されて画素信号２０２ａと画素信号２０２ｂの加算信号のみが得られる。

こうして得られたサンプル回路７の出力信号は２画素分の信号であるから、図４に示した通常の相関二重サンプリングの動作を行った場合に比べておよそ２倍の大きさとなる。この結果、ＣＣＤ撮像素子１のアンプ１０５が発生するアンプノイズに対する信号対雑音比は２倍となるので、相対的な雑音低減が達成できる。しかし、このとき水平方向に隣接する２つの画素信号が混合されるので、カラーの画像信号を得るには混合される２画素に対応する光学フィルタの透過光が同じものとなるよう、光学フィルタの配列を２画素連続する繰り返しに変更するなど、通常の相関二重サンプリングの場合とは異なるＣＣＤ撮像素子を用いる必要がある。あるいは、詳細な説明は省略するが、画素混合読み出し時にも通常の光学フィルタの配列でカラーの画像信号を得るため、同じ透過光の画素の信号電荷が混合されるよう、垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤの接続部に特別な構造を設けたＣＣＤ撮像素子を開発した例が文献に報告されている。また、こうした従来技術の画素混合読みだしの方法では、２画素分の信号を加算して得るので実効的な画素数が半減し、サンプリング数の半減にともなって画像信号の限界解像度が低下する。
公開特許公報 特開昭６２−２６５８ 公開特許公報 特開平５−２４４５１６ ITE Technical Report vol.26, no.26, pp.65-70, 2002

以上述べたように、従来の相関二重サンプリングの方法を用いた固体撮像装置の低雑音信号生成方法では、リセットノイズの低減に有効であるが、１つの画素信号を読み出す周期内で２つの位置の信号を取り出す必要があるので、サンプリングパルスの位相設定が煩雑であり、常に良好な低減効果を確保することが難しいという問題点があった。また、従来の画素混合読み出しによる固体撮像装置の低雑音信号生成方法では、アンプノイズの影響を軽減できるが、カラーの画像信号を得るには通常とは異なる配列の光学フィルタを組み合わせた撮像素子、あるいは特殊な構造を持つ撮像素子を必要とするという問題点があった。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、通常の撮像素子をそのまま用いながら、雑音の低減されたカラーの画像信号が得られる固体撮像装置の低雑音信号生成方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の固体撮像装置の低雑音信号生成方法は、二次元状に配列された複数の画素と、上記複数の画素で発生した信号電荷を取り出して垂直方向に転送する複数の垂直転送手段と、上記複数の垂直転送手段から上記信号電荷を受け取って水平方向に転送する水平転送手段と、上記水平転送手段の最終段において転送された上記信号電荷を検出する検出手段と、上記検出手段の信号電荷を排出するリセット手段を備えた固体撮像素子を用いた固体撮像装置の低雑音信号生成方法において、Ｎを２以上の任意の整数としたとき、上記リセット手段を駆動するリセットパルスの繰り返し周期を上記水平転送手段の転送電極を駆動する水平転送パルスの繰り返し周期のＮ倍に設定し、上記リセット手段を駆動するリセットパルスの繰り返し周期内において上記リセット手段がオフになってから上記検出手段に１番目に上記画素信号が取り込まれるまでの期間を第１の期間とし、上記検出手段に１番目に上記画素信号が取り込まれてから上記検出手段に２番目に上記画素信号が取り込まれるまでの期間を第２の期間とし、順次上記検出手段にＮ−１番目に上記画素信号が取り込まれてから上記検出手段にＮ番目に上記画素信号が取り込まれるまでの期間を第Ｎの期間とし、上記検出手段にＮ番目に上記画素信号が取り込まれてから次に上記リセット手段がオンになるまでの期間を第Ｎ＋１の期間としたとき、上記検出手段の出力信号から上記第１の期間に対応する第１の信号を取り出し、上記検出手段の出力信号から上記第２の期間に対応する第２の信号を取り出し、順次上記検出手段の出力信号から上記第Ｎ＋１の期間に対応する第Ｎ＋１の信号を取り出し、上記第２の信号から上記第１の信号を減算した第１の差信号を生成し、上記第３の信号から上記第２の信号を減算した第２の差信号を生成し、順次上記第Ｎ＋１の信号から上記第Ｎの信号を減算した第Ｎの差信号を生成し、上記第１の差信号ないし上記第Ｎの差信号を用いて画像信号を生成することを特徴とする。

また本発明の固体撮像装置の低雑音信号生成方法は、上記第１の差信号ないし上記第Ｎの差信号を用いてクロマ信号を生成し、上記第１の信号ないし上記第Ｎ＋１の信号と上記第１の差信号ないし上記第Ｎの差信号を用いて輝度信号を生成することを特徴とする。

本発明の固体撮像装置の低雑音信号生成方法によれば、水平転送パルスの繰り返し周期内にリセットノイズのみの現れる部分と画素信号が重畳して現れる部分の２カ所をサンプリングする必要があるのはＮ周期に１度でよく、他は画素信号が現れている部分の１カ所のみをサンプリングすればよいので、サンプリングパルスの調整が容易であり、リセットノイズを低減しながら固体撮像装置の生産性の向上と動作の安定性が実現できる。またこのとき、Ｎ個のうちのＮ−１個の画素信号は画素信号が重畳して現れる部分の信号間の減算で得るのでリセットノイズが相殺されて充分に除去でき、固体撮像装置におけるリセットノイズの低減率を向上できる。

また、本発明の固体撮像装置の低雑音信号生成方法によれば、複数の画素信号が加算された信号を得ながら同時に個々の画素信号も得ることができるので、輝度信号の低雑音化を達成しながらカラーの画像信号を得ることができる。このとき、特殊な撮像素子を用いる必要がなく、通常の撮像素子にそのまま適用できるので、低雑音化を図った固体撮像装置の開発が容易になる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態による単板カラーカメラの構成図である。また図２は、本発明の第１の実施の形態による単板カラーカメラにおける、ＣＣＤ撮像素子１の出力信号に関わる動作のタイミングチャートを示す図である。図１において、ＣＣＤ撮像素子１が一定の露光期間に発生して画素１０１に蓄積した信号電荷を、図には示さない読み出しゲートの動作によって画像信号の垂直ブランキング期間にそれぞれに隣接する垂直ＣＣＤ１０２に一斉に読み出し、各垂直ＣＣＤ１０２に読み出された信号電荷が、画像信号の水平ブランキング期間ごとに１ライン分、図には示さない垂直転送パルスを加えることによって水平ＣＣＤ１０３の方向に一斉にシフトされることは、図３に示した従来例の場合と同様である。また、水平ＣＣＤ１０３に移された水平方向１ライン分の画素の信号電荷が、画像信号の水平走査期間にパルス発生器５で生成した水平転送パルスPh1とPh2を端子１０６と端子１０７から加えることによって電圧変換部１０４に向かってシフトされること、電圧変換部１０４で電圧に変換された信号がアンプ１０５を経て出力端子１０９から出力信号Voutとなって出力されること、電圧変換部１０４の信号電荷が次の信号電荷が移される前に端子１０８から加えられたリセットパルスPrst0によって掃き出されることも図３に示した従来技術の場合と同様である。

ここで図１に示す本発明の単板カラーカメラでは、水平転送パルスPh1が図２（ａ）に示すものであるとき、端子１０８に加えるリセットパルスPrst0の周期を図５（ｂ）に示した従来技術による画素混合読みだしの場合と同様、水平転送パルスPh1の繰り返し周期の２倍とする。この結果、出力端子１０９から得られる出力信号Voutは、図５（ｃ）に示した従来例の場合と同様、図２（ｃ）に示すものとなる。（ｃ）に示す出力信号Voutは、（ｂ）に示すリセットパルスVrst0のオン期間の終了T20と同時に、リセット動作で発生したリセットノイズ２０１ａがあらわれ、これに（ａ）に示す水平転送パルスPh1が１番目にハイレベルからローレベルに変化するタイミングT21で信号電荷による画素信号２０２ａが重畳して現れる。さらに、水平転送パルスPh1が２番目にハイレベルからローレベルに変化するタイミングT22で次の信号電荷による画素信号２０２ｂが重畳する。

ＣＣＤ撮像素子１の出力端子１０９から得られた出力信号Voutは、アンプ２を経てサンプル回路３およびサンプル回路４に加えられる。サンプル回路４には、図５（ｄ）に示した従来技術のものと同様、図２（ｄ）に示す出力信号Voutにリセットノイズ２０１ａのみが現れる期間T23に信号を取り込むためのパルスPn0がパルス発生器５から加えられる。この結果、サンプル回路４からは（ｅ）に示すリセットノイズ２０１のみの信号Vn0が得られる。これも図５（ｅ）に示した従来技術の場合と同様である。

一方、図１に示す本発明の単板カラーカメラでは図３に示した従来技術と異なり、サンプル回路３にパルス発生器５から図２（ｆ）に示すPs0を加える。図２（ｆ）に示すPs0は、出力信号Voutに画素信号２０２ａが現れる期間T24とさらに画素信号２０２ｂが重畳して現れる期間T25に信号を取り込むようサンプル回路３を動作させる。この結果、サンプル回路３からは（ｇ）に示すように、T24からT25までの期間はリセットノイズ２０１ａと画素信号２０２ａが加算された信号が現れ、T25から次にPs0がオンとなるT26までの期間はリセットノイズ２０１ａと画素信号２０２ａおよび２０２ｂが加算された信号が現れる。ここでサンプル回路３とサンプル回路４の出力信号を減算回路６に加えて差信号を生成すると、減算回路６からは図２（ｈ）に示すようにT24からT25までの期間にリセットノイズの除去された画素信号２０２ａが得られ、T25からT23の次にPn0がオンとなるT27までの期間にリセットノイズの除去された画素信号２０２ａと画素信号２０２ｂの加算信号が現れる。そこでこれをサンプル回路７に加え、パルス発生器５から図２（ｉ）に示すパルスを加えてT28で画素信号２０２ａを取り出し、T29で画素信号２０２ａと画素信号２０２ｂの加算信号である加算画素信号２０３ａを取り出す。

こうしてサンプル回路７から得られたリセットノイズ２０１ａが除去された画素信号２０２ａと加算画素信号２０３ａが交互に現れる出力信号を分離回路１４に加える。分離回路１４では、画素信号２０２ａと加算画素信号２０３ａを分離してそれぞれ端子１５と端子１６から出力する。分離回路１４の端子１５から出力された画素信号２０２ａは遅延回路１７に加えられ、分離回路１４の端子１６から出力された加算画素信号２０３ａと同時に出力されるよう時間調整される。遅延回路１７の出力信号は、分離回路１４の端子１６から出力された加算画素信号２０３ａとともに演算回路１８に加えられる。この結果、演算回路１８では加算画素信号２０３ａから画素信号２０２ａを減算することによって画素信号２０２ｂが生成される。演算回路１８で得られた画素信号２０２ｂは、分離回路１４から得られた画素信号２０２ａとともにゲート回路１９に加えられる。このときゲート回路１９は、分離回路１４から得られた画素信号２０２ａと演算回路１８から得られた画素信号２０２ｂが交互に出力されるよう動作する。この結果、ゲート回路１９から得られる信号は、図３，図４に示した従来技術による通常の相関二重サンプリングによる場合と同様、リセットノイズの除去された画素信号が出力されるものとなる。

このとき、画素信号２０２ａに混入するリセットノイズの除去は、図２（ｄ）に示すサンプリングパルスPn0の位相調整が適当でないと充分に達成できないことは、通常の相関二重サンプリングによる場合と同様である。これに対して画素信号２０２ｂは加算画素信号２０３ａと画素信号２０２ａとの減算によって生成されるので、サンプル回路７の出力でのリセットノイズの除去程度に関わらず、除去しきれなかったリセットノイズも相殺されて完全に除去できる。このように図１に示した本発明の構成によれば、画素信号２０２ａのリセットノイズの除去は通常の相関二重サンプリングによる場合と同様、リセットノイズを取り込むサンプリングパルスの位相の調整に影響されるが、画素信号２０２ｂのリセットノイズの除去はPrst0の位相に関わらず画素信号間の演算によって充分に達成できる。この結果、全画素信号で見た平均値としてのリセットノイズの残留量は通常の相関二重サンプリングによる場合よりも低減できる。

なお、図１に示す単板カラーカメラにおけるゲート回路１９以降の動作は、図３に示した従来例の場合のサンプル回路７以降と同様である。ゲート回路１９の出力はカラー信号生成のための処理を行うプロセッサ８に加えられ、画素に組み合わされた光学フィルタに対応して色分離とメモリ９を用いた補間を行う前処理部１０、クロマ信号の生成を行うクロマ処理部１１、輝度信号の生成を行う輝度処理部１２、およびクロマ信号と輝度信号からカラーの画像信号を合成するエンコーダ部１３の動作によりカラーの画像信号を生成する。

なお、上記の説明は、サンプル回路７、分離回路１４、遅延回路１７、演算回路１８、およびゲート回路１９を独立したものとして説明したが、各要素の機能が達成されれば他の形態でもよいことは明らかである。たとえば分離回路１４にサンプル回路７の機能を併せ持たせることが容易であることは明らかである。また、サンプル回路７に入力する信号をディジタル信号に変換すれば、サンプル回路７以降の動作はソフトウェア的手法で各要素を独立させることなく達成できることは明らかである。

図６は本発明の第２の実施の形態を示す単板カラーカメラの構成図である。図６においてＣＣＤ撮像素子１からサンプル回路７までの動作は、図１に示した第１の形態における動作と同様である。

これに対して図６に示す第２の形態における単板カラーカメラでは、サンプル回路７の出力を分離回路２０に加える。分離回路２０では、サンプル回路７から加えられた信号から画素信号２０２ａ、画素信号２０２ａと画素信号２０２ｂの加算信号である加算画素信号２０３ａ、次の周期で読み出される画素信号２０２ｃ、および画素信号２０２ｃと画素信号２０２ｄの加算信号である加算画素信号２０３ｂを分離し、それぞれ端子２１、端子２２、端子２３、端子２４から出力する。端子２１から出力された画素信号２０２ａは遅延回路２５で遅延時間の調整が施されてから、端子２２からの加算画素信号２０３ａと同時に演算回路２６に加えられ、減算が行われる。この結果、演算回路２６からは画素信号２０２ｂのみの信号が得られる。

また、分離回路２０の端子２３から出力された画素信号２０２ｃは、遅延回路２７で遅延時間の調整が行われてから端子２４からの加算画素信号２０３ｂと同時に演算回路２８に加えられ、減算が行われる。この結果、演算回路２８からは画素信号２０２ｄのみの信号が得られる。演算回路２８から得られた画素信号２０２ｄと端子２３から出力された画素信号２０２ｃはゲート回路２９に加えられる。このときゲート回路２９は、分離回路２０から得られた画素信号２０２ｃと演算回路２８から得られた画素信号２０２ｄが交互に出力されるよう動作する。ゲート回路２９の出力信号は、カラーの画像信号を生成するプロセッサ８に加えられる。

さらに、演算回路２６から得られた画素信号２０２ｂは遅延回路３０に加えられて遅延時間の調整が施されてから、分離回路２０の端子２３から得られる画素信号２０２ｃとともに加算回路３１に加えられる。この結果、加算回路３１からは画素信号２０２ｂと画素信号２０２ｃの加算信号が得られる。加算回路３１の出力信号は分離回路２０の端子２４から得られる画素信号２０２ｃと画素信号２０２ｄの加算信号である加算画素信号２０３ｂとともにゲート回路３２に加えられる。このときゲート回路３２は、加算回路３１からの画素信号２０２ｂと画素信号２０２ｃの加算信号、分離回路２０からの画素信号２０２ｃと画素信号２０２ｄの加算信号である加算画素信号２０３ｂが交互に得られるよう動作する。こうして得られる隣接する２つの画素の加算信号は、ＣＣＤ撮像素子から出力される画素信号に２タップのローパスフィルタの処理を施した信号であるので、プロセッサ８の輝度処理部１２に加えて低周波帯域の輝度信号として用いることができる。

このとき加算回路３１で加算される画素信号２０２ｂと画素信号２０２ｃに混入するアンプノイズは、各画素信号を独立して読み出す通常の相関二重サンプリングを用いた場合とおおよそ同じ大きさであるのに対し、分離回路２０から得られる画素信号２０２ｃと画素信号２０２ｄの加算信号に混入するアンプノイズは、図５に示した従来技術の画素混合読みだしと同様、信号対雑音比が２倍に改善されたものとなる。この結果、ゲート回路３２から得られる２タップのローパスフィルタの出力信号に混入するアンプノイズの平均値は、従来技術の画素混合読み出しを用いた場合より多いが、通常の相関二重サンプリングを用いた場合より改善されたものとなる。しかもこのとき、ゲート回路２９から個々の画素信号が分離して得られるので、特殊な撮像素子や光学フィルタ構成を用いることなく、カラーの画像信号を生成できる。さらに、すべての画素のサンプリング位置に対応する加算信号が得られるので、従来技術の画素混合読みだしのように限界解像度が低下することがない。

以上述べたように、図６に示す本発明の第２の実施の形態によれば、全画素信号での平均値としてのリセットノイズの残留量が通常の相関二重サンプリングによる場合よりも低減でき、しかも特別な構造や通常と異なる光学フィルタ構成をもつＣＣＤ撮像素子を用いることなく、輝度信号に混入するアンプノイズが低減されたカラーの画像信号が得られる。なお、上記の説明はサンプル回路７、分離回路２０、遅延回路２５、演算回路２６、ゲート回路３２、遅延回路２７、遅延回路３０、演算回路２８、ゲート回路２９、および加算回路３１などを独立したものとして説明したが、各要素の機能が達成されれば他の形態でもよいことは明らかである。たとえば遅延回路３０の機能を演算回路２６の入力側で実現してもよいことは明らかである。また、図１に示した第１の実施の形態の場合と同様、サンプル回路７に入力する信号をディジタル信号に変換すれば、サンプル回路７以降の動作はソフトウェア的手法で各要素を独立させることなく達成できることは明らかである。

また上述の本発明の第１の実施の形態および第２の実施の形態は、リセットパルスの繰り返し周期が水平ＣＣＤの駆動パルスの繰り返し周期の２倍である場合について説明したが、整数倍にできることは明らかである。このとき、個々の画素信号を得るには、水平ＣＣＤの最終電極に加える駆動パルスがオフになるごとに順次加算されてゆく信号を取り出し、隣接する加算された画素信号間で演算を行えばよい。

また上述の本発明の第２の実施の形態は、低周波帯域の輝度信号の生成に２タップのローパスフィルタを形成する場合を例にとって説明したが、加算された画素信号をそのまま構成信号の一部として用いることができる３タップ以上のローパスフィルタを形成した場合に、同様のアンプノイズの低減効果が得られることは明らかである。

以上説明したように、本発明の固体撮像装置の雑音低減方法によれば、通常の相関二重サンプリングによる場合よりもリセットノイズが低減された画素信号を得ることができる。また、本発明の固体撮像装置の雑音低減方法によれば、特別な構造や通常と異なる光学フィルタ構成をもつＣＣＤ撮像素子を用いることなく、輝度信号に混入するアンプノイズが低減されたカラーの画像信号が得られる。この結果、低照度の撮像条件でも蓄積時間を大きくとらずにすみ、手ぶれによる撮影ミスの発生を防止できる単板カラーカメラの実現が可能になる。

本発明の固体撮像装置の雑音低減方法による第１の実施の形態の構成を示す図である。 本発明の固体撮像装置の雑音低減方法による実施の形態での動作のタイミングチャートを示す図である。 従来技術による単板カラーカメラの構成を示す図である。 従来技術の相関二重サンプリングの動作でのタイミングチャートを示す図である。 従来技術の画素混合読みだし方法の動作でのタイミングチャートを示す図である。 本発明の固体撮像装置の雑音低減方法による第２の実施の形態の構成を示す図である。

符号の説明

１ ＣＣＤ撮像素子
２ アンプ
３ サンプル回路

４ サンプル回路
５ パルス発生器
６ 減算回路
７ サンプル回路
８ プロセッサ
９ メモリ
１０ 前処理部
１１ クロマ処理部
１２ 輝度処理部
１３ エンコーダ部
１４ 分離回路
１５、１６ 端子

１７ 遅延回路
１８ 演算回路
１９ ゲート回路
２０ 分離回路
２１、２２、２３、２４ 端子
２５、２７、３０ 遅延回路
２６、２８ 演算回路
２９、３２ ゲート回路
３１ 加算回路
１０１ 画素
１０２ 垂直ＣＣＤ
１０３ 水平ＣＣＤ
１０４ 電圧変換部
１０５ アンプ
１０６、１０７、１０８ 端子
１０９ 出力端子
２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄ リセットノイズ
２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄ 画素信号
２０３ａ、２０３ｂ 加算画素信号

Claims (2)

1. 二次元状に配列された複数の画素と、上記複数の画素で発生した信号電荷を取り出して垂直方向に転送する複数の垂直転送手段と、上記複数の垂直転送手段から上記信号電荷を受け取って水平方向に転送する水平転送手段と、上記水平転送手段の最終段において転送された上記信号電荷を検出する検出手段と、上記検出手段の信号電荷を排出するリセット手段を備えた固体撮像素子を用いた固体撮像装置の低雑音信号生成方法において、
   Ｎを２以上の任意の整数としたとき、上記リセット手段を駆動するリセットパルスの繰り返し周期を上記水平転送手段の転送電極を駆動する水平転送パルスの繰り返し周期のＮ倍に設定し、
   上記リセット手段を駆動するリセットパルスの繰り返し周期内において上記リセット手段がオフになってから上記検出手段に１番目に上記画素信号が取り込まれるまでの期間を第１の期間とし、上記検出手段に１番目に上記画素信号が取り込まれてから上記検出手段に２番目に上記画素信号が取り込まれるまでの期間を第２の期間とし、順次上記検出手段にＮ−１番目に上記画素信号が取り込まれてから上記検出手段にＮ番目に上記画素信号が取り込まれるまでの期間を第Ｎの期間とし、上記検出手段にＮ番目に上記画素信号が取り込まれてから次に上記リセット手段がオンになるまでの期間を第Ｎ＋１の期間としたとき、上記検出手段の出力信号から上記第１の期間に対応する第１の信号を取り出し、上記検出手段の出力信号から上記第２の期間に対応する第２の信号を取り出し、順次上記検出手段の出力信号から上記第Ｎ＋１の期間に対応する第Ｎ＋１の信号を取り出し、
   上記第２の信号から上記第１の信号を減算した第１の差信号を生成し、上記第３の信号から上記第２の信号を減算した第２の差信号を生成し、順次上記第Ｎ＋１の信号から上記第Ｎの信号を減算した第Ｎの差信号を生成し、
   上記第１の差信号ないし上記第Ｎの差信号を用いて画像信号を生成することを特徴とした固体撮像装置の低雑音信号生成方法。
2. 二次元状に配列された複数の画素と、上記複数の画素で発生した信号電荷を取り出して垂直方向に転送する複数の垂直転送手段と、上記複数の垂直転送手段から上記信号電荷を受け取って水平方向に転送する水平転送手段と、上記水平転送手段の最終段において転送された上記信号電荷を検出する検出手段と、上記検出手段の信号電荷を排出するリセット手段を備えた固体撮像素子を用いた固体撮像装置の低雑音信号生成方法において、
   Ｎを２以上の任意の整数としたとき、上記リセット手段を駆動するリセットパルスの繰り返し周期を上記水平転送手段の転送電極を駆動する水平転送パルスの繰り返し周期のＮ倍に設定し、
   上記リセット手段を駆動するリセットパルスの繰り返し周期内において上記リセット手段がオフになってから上記検出手段に１番目に上記画素信号が取り込まれるまでの期間を第１の期間とし、上記検出手段に１番目に上記画素信号が取り込まれてから上記検出手段に２番目に上記画素信号が取り込まれるまでの期間を第２の期間とし、順次上記検出手段にＮ−１番目に上記画素信号が取り込まれてから上記検出手段にＮ番目に上記画素信号が取り込まれるまでの期間を第Ｎの期間とし、上記検出手段にＮ番目に上記画素信号が取り込まれてから次に上記リセット手段がオンになるまでの期間を第Ｎ＋１の期間としたとき、上記検出手段の出力信号から上記第１の期間に対応する第１の信号を取り出し、上記検出手段の出力信号から上記第２の期間に対応する第２の信号を取り出し、順次上記検出手段の出力信号から上記第Ｎ＋１の期間に対応する第Ｎ＋１の信号を取り出し、
   上記第２の信号から上記第１の信号を減算した第１の差信号を生成し、上記第３の信号から上記第２の信号を減算した第２の差信号を生成し、順次上記第Ｎ＋１の信号から上記第Ｎの信号を減算した第Ｎの差信号を生成し、
   上記第１の差信号ないし上記第Ｎの差信号を用いてクロマ信号を生成し、上記第１の信号ないし上記第Ｎ＋１の信号と上記第１の差信号ないし上記第Ｎの差信号を用いて輝度信号を生成することを特徴とした固体撮像装置の低雑音信号生成方法。

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