JP2009171128A - Solid state imaging element and solid imaging apparatus using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の画素がマトリックス状に配列された固体撮像素子、及びそれを用いた固体撮像装置に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device in which a plurality of pixels are arranged in a matrix and a solid-state imaging device using the same.
近年、有効画素の周辺部にオプティカルブラック画素(以下、「OB画素」と称する)が設けられた固体撮像素子が知られている。その目的は素子温度で変化する暗電流等の直流ノイズ成分をOB画素で実測して補正値を求め、この補正値を用いて有効画素(以下、「UK画素」と称する)から出力される画素信号を補正し、画素信号に含まれる直流ノイズ成分を除去することにある。 In recent years, a solid-state imaging device in which an optical black pixel (hereinafter referred to as an “OB pixel”) is provided around an effective pixel is known. The purpose is to obtain a correction value by actually measuring DC noise components such as dark current that changes with the element temperature in the OB pixel, and using this correction value, a pixel that is output from an effective pixel (hereinafter referred to as “UK pixel”). The purpose is to correct the signal and remove the DC noise component contained in the pixel signal.
OB画素から出力される画素信号にはランダムノイズ成分が含まれているため、ランダムノイズ成分の影響の少ない高精度な補正値を算出するには、OB画素の個数を多くすることが好ましい。 Since the pixel signal output from the OB pixel includes a random noise component, it is preferable to increase the number of OB pixels in order to calculate a highly accurate correction value that is less affected by the random noise component.
図5は、従来の固体撮像素子を示した図である。図5に示す固体撮像素子は、水平出力線L130が1本の固体撮像素子であり、OB領域、UK領域、垂直出力線L110、水平出力線L130、及びアンプ200を備える。
FIG. 5 is a diagram showing a conventional solid-state imaging device. The solid-state imaging device illustrated in FIG. 5 is a solid-state imaging device having one horizontal output line L130, and includes an OB region, a UK region, a vertical output line L110, a horizontal output line L130, and an
OB領域は、N(Nは正の整数)行×8列でマトリックス状に配列された複数のOB画素から構成されている。UK領域は、N行×8列でマトリックス状に配列された複数のUK画素から構成されている。 The OB area is composed of a plurality of OB pixels arranged in a matrix of N (N is a positive integer) rows × 8 columns. The UK region is composed of a plurality of UK pixels arranged in a matrix with N rows × 8 columns.
OB領域において、垂直出力線L110は各列に対応して8本存在し、各列のN個のOB画素のそれぞれと接続され、OB画素から出力される画素信号を出力する。UK領域において、垂直出力線L110は、各列に対応して8本存在し、各列のN個のUK画素のそれぞれと接続され、UK画素から出力される画素信号を出力する。水平出力線L130は図略の出力回路を介して、16本の垂直出力線L110のそれぞれと接続され、画素信号をアンプ200に出力する。
In the OB region, eight vertical output lines L110 exist corresponding to each column, and are connected to each of the N OB pixels in each column to output a pixel signal output from the OB pixel. In the UK region, eight vertical output lines L110 exist corresponding to each column, are connected to each of N UK pixels in each column, and output a pixel signal output from the UK pixel. The horizontal output line L130 is connected to each of the 16 vertical output lines L110 via an output circuit (not shown), and outputs a pixel signal to the
そして、図5に示す固体撮像素子では、図略の垂直走査回路により各行が順次選択されると、選択された各行の8個のOB画素は、垂直出力線L110を介して画素信号を出力し、この画素信号が各列の出力回路で保持される。次に、図略の水平走査回路により各列が順次選択されると、選択された列の出力回路は保持している画素信号を水平出力線L130に出力し、アンプ200に入力する。アンプ200へ入力された各列の画素信号はアンプ200の後段に接続された画像処理部に取り込まれて平均されて補正値が算出される。
In the solid-state imaging device shown in FIG. 5, when each row is sequentially selected by a vertical scanning circuit (not shown), the eight OB pixels in each selected row output a pixel signal via the vertical output line L110. This pixel signal is held in the output circuit of each column. Next, when each column is sequentially selected by a horizontal scanning circuit (not shown), the output circuit of the selected column outputs the held pixel signal to the horizontal output line L130 and inputs it to the
補正値の算出が終了すると、OB画素の場合と同様にして各列のUK画素から垂直出力線L110、図略の出力回路、及び水平出力線L130を介して画素信号が順次アンプ200へと出力され、画像処理部に取り込まれ、補正値を用いて補正される。
When calculation of the correction value is completed, pixel signals are sequentially output from the UK pixels in each column to the
図5に示す固体撮像素子においては、水平出力線L130が1本しか存在しないため、各列の画素信号を並列出力することができず、撮像時間が長くなるという問題があった。 In the solid-state imaging device shown in FIG. 5, since there is only one horizontal output line L130, pixel signals of each column cannot be output in parallel, and there is a problem that imaging time becomes long.
そこで、近年、撮像時間の短縮化を図ることを目的として、各画素を複数の群に分け、各群に対応する水平出力線を用いて、各画素から出力される画素信号を並列出力する固体撮像素子が知られている。図6は、4本の水平出力線L131〜134を用いて画素信号を並列出力する固体撮像素子を示している。 Therefore, in recent years, for the purpose of shortening the imaging time, each pixel is divided into a plurality of groups, and a pixel signal output from each pixel is output in parallel using a horizontal output line corresponding to each group. An image sensor is known. FIG. 6 shows a solid-state imaging device that outputs pixel signals in parallel using four horizontal output lines L131 to L134.
図6に示す固体撮像素子において、OB画素及びUK画素は、第1〜第4の4つの群に分けられている。具体的には、OB領域において左から1,5列目のOB画素と、UK領域において左から1,5列目のUK画素とが第1の群に属する。また、OB領域において左から2,6列目のOB画素と、UK領域において左から2,6列目のUK画素とが第2の群に属する。また、OB領域において左から3,7列目のOB画素と、UK領域において左から3,7列目のUK画素とが第3の群に属する。また、OB領域において左から4,8列目のOB画素と、UK領域において左から4,8列目のUK画素とが第4の群に属する。 In the solid-state imaging device shown in FIG. 6, the OB pixel and the UK pixel are divided into four groups of first to fourth. Specifically, the OB pixels in the first and fifth columns from the left in the OB region and the UK pixels in the first and fifth columns from the left in the UK region belong to the first group. The OB pixels in the second and sixth columns from the left in the OB region and the UK pixels in the second and sixth columns from the left in the UK region belong to the second group. The OB pixels in the third and seventh columns from the left in the OB region and the UK pixels in the third and seventh columns from the left in the UK region belong to the third group. The OB pixels in the fourth and eighth columns from the left in the OB region and the UK pixels in the fourth and eighth columns from the left in the UK region belong to the fourth group.
水平出力線L131〜L134は、それぞれ、第1〜第4の群に対応し、第1〜第4の群の垂直出力線L110は、それぞれ、水平出力線L131〜L134に接続されている。 The horizontal output lines L131 to L134 correspond to the first to fourth groups, respectively, and the vertical output lines L110 of the first to fourth groups are connected to the horizontal output lines L131 to L134, respectively.
そして、図6に示す固体撮像素子では、図略の水平走査回路により、第1〜第4の群からそれぞれ1つの合計4列が同時に選択され、選択された4列の出力回路により保持された画素信号が、水平出力線L131〜L134により並列出力される。このように4本の水平出力線L131〜L134を設けることにより、1本の水平出力線で読み出す場合に比べて全画素の読出し時間を1/4に短縮することができる。
しかしながら、図6に示す固体撮像素子では、OB領域において、水平出力線L131〜L134のそれぞれには、2本の垂直出力線L110しか接続されていないため、水平出力線L131〜L134の補正値は、それぞれ2つのOB画素の画素信号を用いて算出されることになる。 However, in the solid-state imaging device shown in FIG. 6, since only two vertical output lines L110 are connected to each of the horizontal output lines L131 to L134 in the OB region, the correction values of the horizontal output lines L131 to L134 are , Respectively, using the pixel signals of two OB pixels.
一方、図5に示す固体撮像素子では、OB領域において、水平出力線L130には、8本の垂直出力線L110が接続されているため、補正値は8つのOB画素の画素信号を用いて算出されることになる。 On the other hand, in the solid-state imaging device shown in FIG. 5, since the eight vertical output lines L110 are connected to the horizontal output line L130 in the OB region, the correction value is calculated using pixel signals of eight OB pixels. Will be.
そのため、図6に示す固体撮像素子により算出される補正値は、図5に示す固体撮像素子の補正値に比べてランダムノイズ成分の影響を大きく受けて精度が低くなり、UK画素から出力される画素信号を精度良く補正することができないという問題がある。 Therefore, the correction value calculated by the solid-state imaging device shown in FIG. 6 is greatly affected by the random noise component as compared with the correction value of the solid-state imaging device shown in FIG. There is a problem that the pixel signal cannot be corrected with high accuracy.
本発明の目的は、並列出力を実現するために水平出力線を複数設けた場合であっても、直流ノイズ成分を除去する補正を精度良く行うことができる固体撮像素子、及び固体撮像装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device and a solid-state imaging device capable of accurately performing correction to remove a DC noise component even when a plurality of horizontal output lines are provided in order to realize parallel output. It is to be.
(1)本発明による固体撮像素子は、マトリックス状に配列された複数の画素を備え、前記画素が1又は複数の列毎にm(mは2以上の整数)個の群に分けられ、所定の列の画素がオプティカルブラック画素とされ、残りの列の画素が有効画素とされた画素部と、前記オプティカルブラック画素及び前記有効画素から出力される画素信号を出力する各列に対応する垂直出力線と、前記画素信号が前記垂直出力線を介して入力され、入力された画素信号を出力する各群に対応するm本の水平出力線とを備え、前記有効画素の垂直出力線は、対応する群の水平出力線に接続され、前記オプティカルブラック画素の垂直出力線は、対応する群の水平出力線に接続されると共に、対応する群以外のいずれか1又は複数の群の水平出力線に接続されていることを特徴とする。 (1) A solid-state imaging device according to the present invention includes a plurality of pixels arranged in a matrix, and the pixels are divided into m (m is an integer of 2 or more) groups for each of one or a plurality of columns. The pixel portion in which the pixels in the column are optical black pixels and the pixels in the remaining columns are effective pixels, and the vertical output corresponding to each column that outputs the optical black pixels and the pixel signals output from the effective pixels A line and m horizontal output lines corresponding to each group to which the pixel signal is input via the vertical output line and output the input pixel signal, and the vertical output line of the effective pixel corresponds to The vertical output line of the optical black pixel is connected to the horizontal output line of the corresponding group, and is connected to the horizontal output line of any one or a plurality of groups other than the corresponding group. Connected It is characterized in.
この構成によれば、オプティカルブラック画素の垂直出力線は、対応する群の水平出力線に接続されると共に、対応する群以外のいずれか1又は複数の群の水平出力線に接続されている。そのため、各郡の補正値を算出するに際して採用されるオプティカルブラック画素の個数が図6に示す従来の固体撮像素子に比べて増大し、各群の補正値を精度良く算出することが可能となり、並列出力を実現するために水平出力線を複数設けた場合であっても直流ノイズ成分を除去する補正を精度良く行うことができる。 According to this configuration, the vertical output line of the optical black pixel is connected to the horizontal output line of the corresponding group, and is connected to the horizontal output line of any one or a plurality of groups other than the corresponding group. Therefore, the number of optical black pixels employed when calculating the correction value for each group is increased compared to the conventional solid-state imaging device shown in FIG. 6, and the correction values for each group can be calculated with high accuracy. Even when a plurality of horizontal output lines are provided in order to realize parallel output, correction for removing DC noise components can be performed with high accuracy.
(2)前記オプティカルブラック画素の垂直出力線は、対応する群の水平出力線に接続されると共に、対応する群以外の全ての群の水平出力線に接続されていることが好ましい。 (2) It is preferable that the vertical output lines of the optical black pixels are connected to the horizontal output lines of the corresponding group and are connected to the horizontal output lines of all the groups other than the corresponding group.
この構成によれば、各群の補正値を算出するに際して採用されるオプティカルブラック画素の個数が図5に示す固体撮像素子と同等になり、並列出力を実現しつつ、より精度の高い補正値を得ることができる。 According to this configuration, the number of optical black pixels employed when calculating the correction value for each group is the same as that of the solid-state imaging device shown in FIG. 5, and a more accurate correction value can be obtained while realizing parallel output. Obtainable.
(3)前記画素部は、各画素が1行×複数列に配列されていることが好ましい。この構成によれば、各画素が一次元に配列された固体撮像素子において、並列出力を実現しつつ精度の良い補正を実現することができる。 (3) In the pixel portion, it is preferable that each pixel is arranged in one row × multiple columns. According to this configuration, accurate correction can be realized while realizing parallel output in a solid-state imaging device in which pixels are arranged one-dimensionally.
(4)前記画素部は、各画素が複数行×複数列に配列されていることが好ましい。この構成によれば、各画素が二次元に配列された固体撮像素子において、並列出力を実現しつつ精度の良い補正を実現することができる。 (4) In the pixel portion, each pixel is preferably arranged in a plurality of rows and a plurality of columns. According to this configuration, accurate correction can be realized while realizing parallel output in a solid-state imaging device in which each pixel is two-dimensionally arranged.
(5)本発明による固体撮像装置は、請求項1〜4のいずれかに記載の固体撮像素子と、各群のオプティカルブラック画素から出力される画素信号を基に、有効画素から出力される画素信号に含まれる直流ノイズ成分を除去するための各群の補正値を求める補正値算出部と、前記補正値算出部により算出された各群の補正値を用いて、前記補正値に対応する群の有効画素から出力される画素信号を補正する補正部とを備えることを特徴とする。 (5) A solid-state imaging device according to the present invention is a pixel output from an effective pixel based on the solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 4 and a pixel signal output from an optical black pixel of each group. A correction value calculation unit for obtaining a correction value of each group for removing a DC noise component included in the signal, and a group corresponding to the correction value by using the correction value of each group calculated by the correction value calculation unit And a correction unit that corrects a pixel signal output from the effective pixel.
この構成によれば、各群のオプティカルブラック画素から出力される画素信号を基に、直流ノイズ成分を除去するための各群の補正値が求められ、この補正値を用いて有効画素から出力される画素信号が補正されるため、有効画素から出力される画素信号に含まれる直流ノイズ成分を精度良く除去することができる。 According to this configuration, the correction value of each group for removing the DC noise component is obtained based on the pixel signal output from the optical black pixel of each group, and is output from the effective pixel using this correction value. Therefore, the direct current noise component included in the pixel signal output from the effective pixel can be accurately removed.
(6)前記補正値算出部は、行毎に各群のオプティカルブラック画素から出力される画素信号の平均値を補正値として算出し、前記補正部は、画素信号から対応する補正値を減ずることで画素信号を補正することが好ましい。 (6) The correction value calculation unit calculates an average value of pixel signals output from the optical black pixels of each group for each row as a correction value, and the correction unit subtracts the corresponding correction value from the pixel signal. It is preferable to correct the pixel signal with
この構成によれば、行毎に各群の補正値が算出され、画素信号からその補正値が減じられて画素信号が補正されるため、直流ノイズ成分を画素信号から除去すると共に、水平出力線毎の出力特性のばらつきを画素信号から除去することができる。 According to this configuration, the correction value of each group is calculated for each row, and the correction value is subtracted from the pixel signal to correct the pixel signal. Therefore, the DC noise component is removed from the pixel signal, and the horizontal output line It is possible to remove variations in output characteristics for each pixel signal.
本発明によれば、並列出力を実現するために水平出力線を複数設けた固体撮像素子の場合であっても直流ノイズ成分を除去する補正を精度良く行うことができる。 According to the present invention, even in the case of a solid-state imaging device provided with a plurality of horizontal output lines in order to realize parallel output, it is possible to accurately perform correction for removing a DC noise component.
以下、本発明の一実施の形態による固体撮像装置について図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の一実施の形態による固体撮像装置の全体構成図を示している。図1に示すように固体撮像装置は、画素部10、垂直走査回路20、垂直出力線L11、水平出力線L21〜L24、出力回路(OC:output circuit)30、上下一対の水平走査回路40,40、アンプ50、及びアナログデジタル変換器(A/D)60を含む固体撮像素子と、画像処理部70と、タイミングジェネレータ(TG)80と、制御部90とを備えている。そして、図1に示す固体撮像素子は、各画素を複数の群、例えば第1〜第4の4つの群に分け、各群に対応する4本の水平出力線L21〜L24を用いて、各画素から出力される画素信号を並列出力する。
Hereinafter, a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall configuration diagram of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the solid-state imaging device includes a
なお、本実施の形態では、固体撮像素子は、1チップ化されたCMOSイメージセンサにより構成されているが、CMOSイメージセンサに代えてCCDイメージセンサにより構成してもよい。また、画像処理部70及び制御部90は、固体撮像素子内に含まれないのが一般的であるが、これに限定されず、固体撮像素子内に含めても良い。
In the present embodiment, the solid-state imaging device is constituted by a CMOS image sensor made into one chip, but may be constituted by a CCD image sensor instead of the CMOS image sensor. The
画素部10は、オプティカルブラック画素(以下、オプティカルブラック画素を「OB画素」と称する。)からなるOB領域と、OB領域に対して列方向に隣接し、有効画素(以下、有効画素を「UK画素」と称する。)からなるUK領域とを備えている。
The
OB領域は、N(Nは正の整数)行×8列でマトリックス状に配列された複数のOB画素から構成されている。UK領域は、N行×M列(Mは4以上の正の整数)でマトリックス状に配列された複数のUK画素から構成されている。 The OB area is composed of a plurality of OB pixels arranged in a matrix of N (N is a positive integer) rows × 8 columns. The UK region is composed of a plurality of UK pixels arranged in a matrix with N rows × M columns (M is a positive integer of 4 or more).
なお、上記説明では、OB領域の列数を8個、UK領域の列数をM個としたが、各画素は第1〜第4の群に分けられているため、OB領域及びUK領域の列数は、それぞれの4つ以上にすればよい。また、群の数が3個の場合はOB領域及びUK領域のそれぞれの列数を3つ以上、群の数が5個の場合はOB領域及びUK領域のそれぞれの列数を5つ以上というように、群の数に応じてOB領域及びUK領域のそれぞれの列数を適宜変更すればよい。 In the above description, the number of columns in the OB area is 8 and the number of columns in the UK area is M. However, since each pixel is divided into the first to fourth groups, the OB area and the UK area The number of columns may be four or more. In addition, when the number of groups is 3, the number of columns in the OB area and the UK area is 3 or more, and when the number of groups is 5, the number of columns in the OB area and the UK area is 5 or more. As described above, the number of columns in the OB area and the UK area may be appropriately changed according to the number of groups.
OB画素は、フォトダイオード及びフォトダイオードにより光電変換された信号電荷を増幅する増幅回路等を備え、素子温度で変化する暗電流等の直流ノイズ成分を実測し、有効画素の画素信号から直流ノイズ成分を除去するための補正値を算出するために用いられる。UK画素は、OB画素と同様、フォトダイオード及び増幅回路等を備え、光学像を撮像するために用いられる。 The OB pixel includes a photodiode and an amplification circuit that amplifies the signal charge photoelectrically converted by the photodiode, measures a DC noise component such as a dark current that changes depending on the element temperature, and determines a DC noise component from the pixel signal of the effective pixel. Is used to calculate a correction value for removing. Similar to the OB pixel, the UK pixel includes a photodiode, an amplifier circuit, and the like, and is used to capture an optical image.
ここで、OB領域において左から1、5行目の列のOB画素と、UK領域において左から4s+1(sは0以上の整数)行目の列のUK画素とが第1の群に属する。また、OB領域において左から2、6行目の列のOB画素と、UK領域において左から4s+2行目の列のUK画素とが第2の群に属する。また、OB領域において左から3、7行目の列のOB画素と、UK領域において左から4s+3行目の列のUK画素とが第3の群に属する。また、OB領域において左から4、8行目の列のOB画素と、UK領域において左から4s+4行目の列のUK画素とが第4の群に属する。 Here, the OB pixels in the columns of the first and fifth rows from the left in the OB region and the UK pixels in the columns of the 4s + 1 (s is an integer of 0 or more) row from the left in the UK region belong to the first group. The OB pixels in the second and sixth columns from the left in the OB area and the UK pixels in the 4s + 2 column from the left in the UK area belong to the second group. In addition, the OB pixels in the third and seventh rows from the left in the OB region and the UK pixels in the 4s + 3 rows from the left in the UK region belong to the third group. Further, the OB pixels in the columns of the fourth and eighth rows from the left in the OB region and the UK pixels in the columns of the 4s + 4th row from the left in the UK region belong to the fourth group.
OB領域における垂直出力線L11は、OB領域の各列に対応して上側の水平走査回路40に向けて8本、下側の水平走査回路40に向けて8本存在し、各列のN個のOB画素のそれぞれと接続され、OB画素から出力される画素信号を出力する。UK領域における垂直出力線L11は、UK領域の各列に対応してM本存在し、各列のN個のUK画素のそれぞれと接続され、UK画素から出力される画素信号を出力する。
There are eight vertical output lines L11 in the OB region corresponding to each column in the OB region toward the upper
また、UK領域において、第1の群の垂直出力線L11は、出力回路30を介して水平出力線L21に接続され、第2の群の垂直出力線L11は、出力回路30を介して水平出力線L22に接続され、第3の群の垂直出力線L11は、出力回路30を介して水平出力線L23に接続され、第4の群の垂直出力線L11は、出力回路30を介して水平出力線L24に接続されている。ここで、図1では、水平出力線L21,L23が画素部10の上側に配列されているため、UK領域において奇数列の垂直出力線L11は上側の水平走査回路40に接続されている。また、水平出力線L22,L24が画素部10を挟んで水平出力線L21,L23の反対側に配列されているため、偶数列の垂直出力線L11は下側の水平走査回路40に接続されている。
In the UK region, the first group of vertical output lines L11 is connected to the horizontal output line L21 via the
一方、OB領域においては、第1〜第4の群の垂直出力線L11は、それぞれ出力回路30を介して全ての水平出力線L21〜L24に接続されている。具体的には、第1及び第2の群の上側の垂直出力線L11が水平出力線L21,L23のそれぞれと接続され、下側の垂直出力線L11が水平出力線L22,L24のそれぞれと接続されている。また、第3及び第4の群の上側の垂直出力線L11が水平出力線L21,L23のそれぞれと接続され、第3及び第4の群の下側の垂直出力線L11が水平出力線L22,L24のそれぞれと接続されている。これにより、各群の補正値を8個のOB画素からの画素信号を用いて算出することが可能となり、図6に示す従来の固体撮像素子に比べて精度の良い補正値を求めることができる。
On the other hand, in the OB region, the vertical output lines L11 of the first to fourth groups are connected to all the horizontal output lines L21 to L24 via the
垂直走査回路20は、例えばシフトレジスタにより構成され、各行に対応するN本の行選択線L51を介して各行のOB画素及びUK画素と接続され、TG80の制御に従って、各行をサイクリックに順次選択する。
The
出力回路30は、OB領域においては、各列の上下の垂直出力線L11に対応して8×2=16個個存在し、UK領域においては、各列の垂直出力線L11に対応してM個存在し、OB画素又はUK画素から出力される画素信号を保持し、水平走査回路40の制御に従って、保持する画素信号を水平出力線L21〜L24を介してアンプ50に出力する。ここで、UK領域において、奇数列の出力回路30は、画素部10の上側に配列され、偶数列の出力回路30は画素部10の下側に配列されている。そのため、OB領域に比べ、UK領域の出力回路30の配線密度は小さくなっており配線スペースに余裕があることが分かる。
There are 8 × 2 = 16
図2は、出力回路30の回路図を示している。図2に示すように出力回路30は、定電流回路31、シグナルサンプルホールド回路32、及びノイズサンプルホールド回路33を備えている。定電流回路31は、電界効果型トランジスタから構成され、ゲートに負荷電圧VDが印加され、負荷として機能する。
FIG. 2 shows a circuit diagram of the
シグナルサンプルホールド回路32は、スイッチS1、コンデンサC1、及びアンプA1を備え、TG80の制御に従って、スイッチS1がオン・オフされ、垂直出力線L11により出力される画素信号をコンデンサC1で保持する。ノイズサンプルホールド回路33は、スイッチS2、コンデンサC2、及びアンプA2を備え、TG80の制御に従って、スイッチS2がオン・オフされ、垂直出力線L11により出力されるノイズ信号をコンデンサC2で保持する。
The signal
そして、シグナルサンプルホールド回路32は、水平走査回路40によって選択されると、コンデンサC1で保持する画素信号をアンプA1及び一対の垂直出力線L11の一方の線路L11−1を介してアンプ50に出力する。ここで、シグナルサンプルホールド回路32は、水平走査回路40により一対の列選択線L41の一方の線路L41−1を介してアンプA1に選択信号が入力されることで選択される。
The signal
ノイズサンプルホールド回路33は、水平走査回路40によって選択されると、コンデンサC2で保持するノイズ信号を、線路L11−2を介してアンプ50に出力する。ここで、ノイズサンプルホールド回路33は、水平走査回路40により線路L41−2を介してアンプA2に選択信号が入力されることで選択される。アンプ50は、線路L11−1を介して出力された画素信号から線路L11−2を介して出力されたノイズ信号を減じ、A/D60に出力する。
When selected by the
図1に戻り、水平出力線L21,23は、それぞれOB領域の8本の垂直出力線L11に接続され、水平出力線L22,24は、それぞれOB領域の8本の垂直出力線L11に接続され、水平走査回路40により選択された列の出力回路30に保持されている画素信号をアンプ50に並列出力する。また、UK領域において、水平出力線L21は第1の群の垂直出力線L11と接続され、水平出力線L22は第2の群の垂直出力線L11と接続され、水平出力線L23は第3の群の垂直出力線L11と接続され、水平出力線L24は第4の群の垂直出力線L11と接続され、第1〜第4の群の画素信号を並列出力する。
Returning to FIG. 1, the horizontal output lines L21 and L23 are each connected to eight vertical output lines L11 in the OB region, and the horizontal output lines L22 and L24 are respectively connected to eight vertical output lines L11 in the OB region. The pixel signals held in the
ここで、水平出力線L21,L23は画素部10の上側であって、列方向と平行に配列され、水平出力線L22,L24は画素部10の下側であって列方向と平行に配列されているが、これに限定されず、水平出力線L21〜L24のいずれか2本を画素部10の上側に配列し、残りの2本を画素部10の下側に配列してもよい。この場合、水平出力線L21〜L24の配列パターンに応じて、UK領域における第1〜第4の群の垂直出力線L11の配線パターンを適宜変更すればよい。更に、水平出力線L21〜L24の全てを画素部10の上側又は下側に纏めて配列してもよい。この場合、OB領域における垂直出力線L11の本数を8本にし、かつ、水平走査回路40の個数を1個にすることができる。
Here, the horizontal output lines L21 and L23 are arranged above the
水平走査回路40は、例えばシフトレジスタにより構成され、上下一対存在する。上側の水平走査回路40は、OB領域の各列に対応する8本の垂直出力線L11と出力回路30を介して接続され、UK領域の第1及び第3の群の垂直出力線L11と出力回路30を介して接続され、TG80の制御に従って、各出力回路30に列選択信号を出力し、各列を所定のシーケンスに従って選択する。また、下側の水平走査回路40は、OB領域の各列に対応する8本の垂直出力線L11と出力回路30を介して接続され、UK領域の第2及び第4の群の垂直出力線L11と出力回路30を介して接続され、TG80の制御に従って、各出力回路30に列選択信号を出力し、各列を所定のシーケンスに従って選択する。
The
具体的には、水平走査回路40は、OB領域から画素信号を読み出す場合は、上下の水平走査回路40がOB領域の出力回路30を例えば列方向に向けて順次選択し、選択した列の画素信号を水平出力線L21〜L24に並列出力させる。一方、UK領域から画素信号を読み出す場合は、上側の水平走査回路40が1,3列目を同時に選択すると共に、下側の水平走査回路40が2,4列目を同時に選択し、次に、上側の水平走査回路40がUK領域の5,7列目を同時に選択すると共に、下側の水平走査回路がUK領域の6,8列目を同時に選択するというようにして、第1〜第4の群の画素信号を水平出力線L21〜L24に並列出力させる。
Specifically, when the
アンプ50は、水平出力線L21〜L24のそれぞれに対応して4個存在し、水平出力線L21〜L24により出力される画素信号からノイズ成分を除去し、所定の利得で増幅し、A/D60に出力する。
There are four
A/D60は、水平出力線L21〜L24のそれぞれに対応して4個存在し、アンプ50から出力された画素信号をデジタルの画素信号に変換する。画像処理部70は、専用のハードウエア回路により構成され、4個のA/D60から出力されたデジタルの画素信号が入力される。また、画像処理部70は、補正値算出部71及び補正部72を備えている。
There are four A /
補正値算出部71は、各群のOB画素から出力される画素信号を基に、UK画素から出力される画素信号に含まれる直流ノイズ成分を除去するための各群の補正値を求める。ここで、行毎に各群のOB画素から出力される画素信号の平均値を補正値を算出することが好ましい。
The correction
具体的には、補正値算出部71は、垂直走査回路20により選択された行に属する8個のOB画素からの画素信号を4本の水平出力線L21〜L24を介して取り込み、水平出力線L21〜L24のそれぞれにより出力された8個の画素信号の平均値を、第1〜第4の群の補正値として算出する。例えば、第i(i=1,2,・・・,N)行の8個のOB画素から水平出力線L2k(k=1,2,3,4)を介して出力された画素信号の平均値をAikとすると、Aikが第i行の第kの群の補正値Hikとして算出される。
Specifically, the correction
したがって、第1〜第4の補正値は、それぞれ、各行に対応するN個の補正値から構成される。すなわち、補正値は、合計4×N個の補正値から構成される。なお、算出された補正値はメモリに一時的に記憶される。 Therefore, the first to fourth correction values are each composed of N correction values corresponding to each row. That is, the correction value is composed of a total of 4 × N correction values. The calculated correction value is temporarily stored in the memory.
補正部72は、補正値算出部71により算出された補正値を用いて、補正値に対応する群のUK画素から出力される画素信号を補正する。ここで、補正部72は、例えば、1行目の第1群のUK画素からの画素信号ついては、当該画素信号からH11を減じ、2行目の第1群のUK画素からの画素信号については、当該画素信号からH21を減じるというように、UK画素の画素信号から対応する補正値を減算することで画素信号を補正する。
The correction unit 72 corrects the pixel signal output from the UK pixel of the group corresponding to the correction value, using the correction value calculated by the correction
TG80は、制御部90の制御に従って、垂直走査回路20、出力回路30、水平走査回路40等に制御信号を出力し、これら各回路を制御する。制御部90は、例えばCPU、ROM、RAM等から構成され、固体撮像装置の全体制御を司る。
The
このように構成された固体撮像装置は、以下のように動作する。まず、垂直走査回路20により1行目が選択され、1行目の8個のOB画素から画素信号が同時に出力され、出力回路30に保持される。次に、上下の水平走査回路40によりOB領域の各列が列方向に向けて順次選択され、選択された各列の出力回路30は保持している画素信号を水平出力線L21〜L24に並列出力させる。並列出力された画素信号は、アンプ50及びA/D60を介して画像処理部70に入力される。そして、垂直走査回路20により選択された行の8個の画素信号の全てが水平出力線L21〜L24を介して画像処理部70に入力されると、補正値算出部71は、水平出力線L21〜L24を介して入力された画素信号の平均値A11〜A14を補正値H11〜H14として算出し、メモリに保持させる。
The solid-state imaging device configured as described above operates as follows. First, the first row is selected by the
次に、1行目のM個のUK画素から画素信号が同時に出力され、出力回路30に保持される。次に、水平走査回路40により1〜4列目が同時に選択され、選択された出力回路30は、保持している画素信号を対応する水平出力線L21〜L24に並列出力させる。並列出力された画素信号は、アンプ50及びA/D60を介して画像処理部70に入力される。
Next, pixel signals are simultaneously output from the M UK pixels in the first row and held in the
次に、1〜4列目の画素信号は、それぞれ、補正値H11〜H14を用いて補正される。次に、水平走査回路40により5〜8行目が同時に選択され、5〜8行目の出力回路30から画素信号が画像処理部70に並列出力され、それぞれ補正値H11〜H14を用いて補正される。このようにして、UK領域の1行目の全てのUK画素の画素信号が読み出されると、垂直走査回路20により2行目が選択され、1行目同様にして補正値H21〜H24が算出された後、補正値H21〜H24を用いて、2行目のUK画素から出力された画素信号が補正される。以上の動作がN行目まで繰り返し実行され、全てのUK画素から出力された画素信号が補正される。
Then, the pixel signal of the fourth column, respectively, is corrected using the correction value H 11 to H 14. Then, the selected 5-8 row by the
次に、本固体撮像素子による効果について説明する。図6に示す従来の固体撮像素子では、OB画素列数は8列であるにもかかわらず、1本の水平出力線に接続されたOB画素列数は2列である。通常、OB画素から出力された画素信号は各水平出力線で平均化され、補正値が算出される。この場合、ある水平出力線における第i列のOB画素の画素信号Vobiにおける直流成分(低周波成分を含む)をvdi、ランダムノイズ成分をvriとすると、この水平出力線に接続されたOB画素の画素信号の平均値Vod_avは以下のように表される。 Next, effects of the present solid-state imaging device will be described. In the conventional solid-state imaging device shown in FIG. 6, the number of OB pixel columns connected to one horizontal output line is two even though the number of OB pixel columns is eight. Usually, the pixel signal output from the OB pixel is averaged by each horizontal output line, and the correction value is calculated. In this case, if the direct current component (including the low frequency component) of the pixel signal Vobi of the OB pixel in the i-th column in a certain horizontal output line is vdi and the random noise component is vri, the OB pixel connected to this horizontal output line The average value Vod_av of the pixel signal is expressed as follows.
Vod_av=((vd1+vr1)+(Vd2+vr2))/2
=(vd1+vd2)/2+(vr1+vr2)/2 (1)
ここで、ランダムノイズ成分vrの振幅を△vrとすると、(1)の(vr1+vr2)/2の振幅はvrがランダムノイズであるので、√△vrとなる。
Vod_av = ((vd1 + vr1) + (Vd2 + vr2)) / 2
= (Vd1 + vd2) / 2 + (vr1 + vr2) / 2 (1)
Here, assuming that the amplitude of the random noise component vr is Δvr, the amplitude of (vr1 + vr2) / 2 in (1) is √Δvr because vr is random noise.
図5に示す水平出力線が一本の固体撮像素子の場合、ある水平出力線のOB画素の画素信号の平均値Vod_avは、以下のように表される。 When the horizontal output line shown in FIG. 5 is a single solid-state imaging device, the average value Vod_av of the OB pixels of a certain horizontal output line is expressed as follows.
vod_av=((vd1+vr1)+(vd2+vr2)+・・・+(vd8+vr8))/8
=(vd1+vd2+・・・+vd8)/8+(vr1+vr2+・・・+vr8)/8 (2)
したがって、ランダムノイズ成分vrの振幅は8√△vrとなる。すなわち、OB画素から出力される画素信号を4本の水平出力線で並列出力して平均化して補正値を求める場合は、1本の水平出力線でOB画素から出力される画素信号を平均化して補正値を求める場合に比べてランダムノイズ成分vrの影響を強く受けることになる。
vod_av = ((vd1 + vr1) + (vd2 + vr2) +... + (vd8 + vr8)) / 8
= (Vd1 + vd2 + ... + vd8) / 8 + (vr1 + vr2 + ... + vr8) / 8 (2)
Therefore, the amplitude of the random noise component vr is 8√Δvr. That is, when a pixel signal output from an OB pixel is output in parallel by four horizontal output lines and averaged to obtain a correction value, the pixel signal output from the OB pixel is averaged by one horizontal output line. As a result, the influence of the random noise component vr is stronger than when the correction value is obtained.
すなわち、図6に示すように並列出力する従来の固体撮像素子では、水平出力線毎に算出された補正値に含まれるランダムノイズ成分vrは、図5に示す固体撮像素子に比べて大きくなり、精度のよい補正値が得られない。 That is, in the conventional solid-state imaging device that outputs in parallel as shown in FIG. 6, the random noise component vr included in the correction value calculated for each horizontal output line is larger than that in the solid-state imaging device shown in FIG. An accurate correction value cannot be obtained.
また、各水平出力線には最終段にアンプが設けられており、その特性ばらつきにより水平出力線ごとに出力特性が異なる。撮影時にはこの出力特性のばらつきの除去するための補正値を、各水平出力線におけるOB画素の出力の平均値を比較した結果を基に算出する。しかしながら、上記のように、各水平出力線に接続されたOB画素が異なったものであり、更にランダムノイズ成分vrも大きいので、上記水平出力線間の出力特性のばらつきを補正しても、精度の高い補正を実現することはできない。 Each horizontal output line is provided with an amplifier at the final stage, and the output characteristics differ for each horizontal output line due to variations in characteristics. At the time of shooting, a correction value for removing the variation in output characteristics is calculated based on the result of comparing the average value of the output of the OB pixels in each horizontal output line. However, as described above, the OB pixels connected to the respective horizontal output lines are different, and the random noise component vr is also large. Therefore, even if the variation in the output characteristics between the horizontal output lines is corrected, the accuracy is improved. High correction cannot be realized.
本固体撮像素子では、図1に示すように、各OB画素は全ての水平出力線L21〜L24と接続されている。そのため、水平出力線L21〜L24のそれぞれにおけるOB画素の画素信号の平均値は以下の式となる。 In the present solid-state imaging device, as shown in FIG. 1, each OB pixel is connected to all the horizontal output lines L21 to L24. Therefore, the average value of the pixel signal of the OB pixel in each of the horizontal output lines L21 to L24 is expressed by the following formula.
vod_av=((vd1+vr1)+(vd2+vr2)+・・・+(vd8+vr8))/8
=(vd1+vd2+・・・vd8)/8+(r1+vr2+・・・+vr8)/8 (3)
これは、図6に示す固体撮像素子におけるOB画素の出力平均値と同じ式であり、ランダムノイズ成分vrの振幅が8√△vrに抑制されていることが分かる。すなわち、UK画素においては4本の水平出力線L21〜L24による並列出力により読出し時間の短縮化を図りつつ、OB画素からの出力される画素信号におけるランダムノイズ成分vrも水平出力線を1本とした場合と同じ低いレベルにすることができるので、精度の良い補正値を得ることができ、OB画素の出力を利用して、UK画素から出力される画素信号から直流成分ノイズを精度良く除去することが可能となる。また、行毎の各群のOB画素から出力される画素信号の平均値を補正値として採用しているため、水平出力線間のばらつき補正やアンプ50のばらつき補正も高い精度で行うことができる。
vod_av = ((vd1 + vr1) + (vd2 + vr2) +... + (vd8 + vr8)) / 8
= (Vd1 + vd2 + ... vd8) / 8 + (r1 + vr2 + ... + vr8) / 8 (3)
This is the same expression as the average output value of the OB pixels in the solid-state imaging device shown in FIG. 6, and it can be seen that the amplitude of the random noise component vr is suppressed to 8√Δvr. That is, in the UK pixel, the parallel output by the four horizontal output lines L21 to L24 reduces the readout time, and the random noise component vr in the pixel signal output from the OB pixel also has one horizontal output line. Therefore, it is possible to obtain a highly accurate correction value, and to accurately remove DC component noise from the pixel signal output from the UK pixel by using the output of the OB pixel. It becomes possible. In addition, since the average value of the pixel signals output from the OB pixels of each group for each row is adopted as the correction value, it is possible to correct the variation between horizontal output lines and the variation of the
なお、図1では、OB領域の8本の垂直出力線L11を全ての水平出力線に接続したが、これに限定されず、対応する群の水平出力線に接続すると共に、対応する群以外の群であって、1又は2つの群の水平出力線に接続してもよい。図3は、OB領域の垂直出力線L11と、水平出力線L21〜L24との他の接続例を示した図である。 In FIG. 1, the eight vertical output lines L11 in the OB area are connected to all the horizontal output lines. However, the present invention is not limited to this, and connected to the horizontal output lines of the corresponding group and other than the corresponding group. A group may be connected to one or two groups of horizontal output lines. FIG. 3 is a diagram showing another connection example of the vertical output line L11 and the horizontal output lines L21 to L24 in the OB region.
図3の接続例では、第1及び第3の群の垂直出力線L11は水平出力線L21,L23に接続され、第2及び第4の群の垂直出力線L11は水平出力線L22,L24に接続されている。これにより、OB領域の画素部10の上側において、偶数列の垂直出力線L11が不要になると共に、OB領域の画素部10の下側において、奇数列の垂直信号線L11が不要になる。そのため、画素部10の上側及び下側における出力回路30の配線スペースを増大させることが可能となる。
In the connection example of FIG. 3, the vertical output lines L11 of the first and third groups are connected to the horizontal output lines L21 and L23, and the vertical output lines L11 of the second and fourth groups are connected to the horizontal output lines L22 and L24. It is connected. This eliminates the need for the even column vertical output lines L11 above the
また、図1では、水平出力線の本数を4本としたが、これに限定されず、他の本数を採用してもよい。図4は、水平出力線を2本とした場合の固体撮像素子の垂直出力線L11と水平出力線L21,L22との接続例を示した図である。図4に示すように、OB領域では画素部10を挟んで各列に対応する垂直出力線L11が上下に8本ずつ配列され、上側の8本の垂直出力線L11は、画素部10の上側に配列された水平出力線L21に接続され、下側の8本の垂直出力線L11は、画素部10の下側に配列された水平出力線L22に接続されている。
In FIG. 1, the number of horizontal output lines is four, but the number is not limited to this, and other numbers may be adopted. FIG. 4 is a diagram illustrating an example of connection between the vertical output line L11 and the horizontal output lines L21 and L22 of the solid-state imaging device when the number of horizontal output lines is two. As shown in FIG. 4, in the OB region, eight vertical output lines L11 corresponding to each column are arranged on the upper and lower sides across the
また、この場合、OB画素及びUK画素は第1及び第2の群に分けられ、奇数列が例えば第1の群とされ、偶数列が例えば第2の群とされ、UK領域において奇数列の垂直出力線L11が水平出力線L21に接続され、偶数列の垂直出力線L11が水平出力線L22に接続される。そして、UK領域においては2列単位で画素信号が並列出力されることになる。 In this case, the OB pixel and the UK pixel are divided into first and second groups, and the odd-numbered columns are, for example, the first group, the even-numbered columns are, for example, the second group, and the odd-numbered columns are formed in the UK region. The vertical output line L11 is connected to the horizontal output line L21, and the even-numbered vertical output lines L11 are connected to the horizontal output line L22. In the UK region, pixel signals are output in parallel in units of two columns.
10 画素部
20 垂直走査回路
30 出力回路
31 定電流回路
32 シグナルサンプルホールド回路
33 ノイズサンプルホールド回路
40 水平走査回路
50 アンプ
70 画像処理部
71 補正値算出部
72 補正部
90 制御部
L11 垂直出力線
L21〜L24 水平出力線
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記オプティカルブラック画素及び前記有効画素から出力される画素信号を出力する各列に対応する垂直出力線と、
前記画素信号が前記垂直出力線を介して入力され、入力された画素信号を出力する各群に対応するm本の水平出力線とを備え、
前記有効画素の垂直出力線は、対応する群の水平出力線に接続され、
前記オプティカルブラック画素の垂直出力線は、対応する群の水平出力線に接続されると共に、対応する群以外のいずれか1又は複数の群の水平出力線に接続されていることを特徴とする固体撮像素子。 A plurality of pixels arranged in a matrix, wherein the pixels are divided into m (m is an integer of 2 or more) groups for each of a plurality of columns, and pixels in a predetermined column are optical black pixels; A pixel portion in which the pixels in the remaining columns are effective pixels;
A vertical output line corresponding to each column for outputting a pixel signal output from the optical black pixel and the effective pixel;
The pixel signals are input via the vertical output lines, and m horizontal output lines corresponding to each group for outputting the input pixel signals,
The vertical output lines of the effective pixels are connected to the corresponding group of horizontal output lines;
A vertical output line of the optical black pixel is connected to a horizontal output line of a corresponding group, and is connected to a horizontal output line of any one or a plurality of groups other than the corresponding group. Image sensor.
各群のオプティカルブラック画素から出力される画素信号を基に、有効画素から出力される画素信号に含まれる直流ノイズ成分を除去するための各群の補正値を求める補正値算出部と、
前記補正値算出部により算出された各群の補正値を用いて、前記補正値に対応する群の有効画素から出力される画素信号を補正する補正部とを備えることを特徴とする固体撮像装置。 A solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 4,
Based on the pixel signal output from the optical black pixel of each group, a correction value calculation unit for obtaining a correction value of each group for removing the DC noise component included in the pixel signal output from the effective pixel;
A solid-state imaging device comprising: a correction unit that corrects a pixel signal output from an effective pixel of the group corresponding to the correction value using the correction value of each group calculated by the correction value calculation unit. .
前記補正部は、画素信号から対応する補正値を減ずることで、画素信号を補正することを特徴とする請求項5記載の固体撮像装置。 The correction value calculation unit calculates an average value of pixel signals output from each group of optical black pixels for each row as a correction value,
The solid-state imaging device according to claim 5, wherein the correction unit corrects the pixel signal by subtracting a corresponding correction value from the pixel signal.
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WO2016190127A1 (en) * | 2015-05-28 | 2016-12-01 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Image sensor, processing method and electronic device |
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2008
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