JP2010081335A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズの低減により高画質の画像を得ることが可能な撮像装置を提供する。
【解決手段】この撮像装置１００におけるゲイン処理部６は、光が遮光された状態で発生する暗電流によるノイズに対応する暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋと、撮像時のノイズに対応する信号電子数Ｓ_ｓｉｇと、画像データを読み出す際に発生する読出しノイズＮｒとに基づいて、次回撮像時の、撮像素子部２における電子の増倍動作による増倍率ｍｅとゲイン部４における信号の増幅動作による増幅率ｍｇとを制御するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置に関し、特に、信号電荷を増加させる機能を有する撮像素子部を備えた撮像装置に関する。

従来、電子（信号電荷）を増加（増倍）させる機能を有する撮像素子部を備えた撮像装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、電子を増倍させる機能を有する撮像素子部を備えたＣＭＯＳイメージセンサが開示されている。上記特許文献１に開示されたＣＭＯＳイメージセンサでは、光電変換により生成された電子を増倍することによって信号の出力値を大きくするように構成されている。なお、電子の増倍動作とは、生成された電子に高電圧を印加して加速させるとともに、加速させた電子と格子原子とを衝突および電離させて増倍させる動作のことをいう。

特開２００８−６０５５０号公報

上記特許文献１に記載の撮像装置にあっては、デジタルカメラなどの製品に適したものであるが、撮像装置についてはノイズの低減による撮像した画像における更なる画質の向上が望まれている。

この発明は、ノイズの低減により高画質の画像を得ることが可能な撮像装置を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の一の局面による撮像装置は、信号電荷を生成するとともに、生成された信号電荷を増加させる機能を有する撮像素子部と、撮像素子部から出力された信号を増幅させる機能を有する信号増幅部と、信号電荷の増加率および信号の増幅率を制御する制御部とを備え、制御部は、光が遮光された状態で発生する暗電流によるノイズに対応する信号と、撮像時のノイズに対応する信号と、画像データを読み出す際に発生する読出しノイズに対応する信号とに基づいて、次回以降の少なくともいずれかの撮像時の撮像素子部における信号電荷の増加動作による増加率と、信号増幅部における信号の増幅動作による増幅率とを制御するように構成されている。

この発明の一の局面による撮像装置では、上記の構成により、ノイズの低減による高画質な画像を得ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による撮像装置の構成を示したブロック図である。図２〜図６は、本発明の第１実施形態による撮像装置について説明するための図である。

本発明の第１実施形態による撮像装置１００は、図１に示すように、レンズ１と、撮像素子部２と、ＡＦＥ（Ａｎａｌｏｇ Ｆｒｏｎｔ Ｅｎｄ）３と、ゲイン部４と、信号処理部５と、ゲイン処理部６とを備えている。

撮像素子部２は、図２に示すように、マトリクス状に配置された複数の画素２ａを有する撮像領域２ｂと、撮像領域２ｂの周辺部に形成された遮光領域２ｃとを備えている。各画素２ａは、図３に示すように、フォトダイオード部（ＰＤ部）２ｄと、ＰＤ部２ｄに隣接するように設けられた転送ゲート電極２ｅ、２ｆ、２ｇおよび２ｈと、読出ゲート電極２ｉと、読出ゲート電極２ｉにゲートが接続されるフローティングディフュージョン（ＦＤ）アンプ２ｊとを含み、ＦＤアンプ２ｊのソース／ドレインの一方には、選択された画素２ａから信号を出力するための選択トランジスタ２ｋが接続されている。

ＰＤ部２ｄは、レンズ１を介して外部から光が入射した際に、光電変換により外部光の光量に応じた量の電子を生成する機能を有する。転送ゲート電極２ｅ〜２ｈは、ＰＤ部２ｄにおいて生成された電子をＦＤアンプ２ｊに向けて転送する機能を有する。具体的には、転送ゲート電極２ｅ〜２ｈからそれぞれ転送ゲート電極２ｅ〜２ｈ下にある転送領域２ｌに対して電圧を印加することにより、電子が順次転送領域２ｌ内を転送するように構成されている。また、転送ゲート電極２ｆから対応する転送領域２ｌに高電圧を印加して電子を格子原子と衝突電離させることにより電子増倍が可能なように構成されている。そして、転送ゲート電極２ｆおよび２ｈ間において繰り返し電子を転送させることにより、電子の増倍動作を複数回行うことが可能なように構成されている。なお、上記の電子増倍は、本発明における「信号電荷の増加動作」の一例である。

読出ゲート電極２ｉは、転送ゲート電極２ｅ〜２ｈにより転送された電子をＦＤアンプ２ｊに出力する機能を有する。ＦＤアンプ２ｊは、転送された電子を電圧（電圧信号）に変換する機能を有する。選択トランジスタ２ｋは、ゲートにオン信号が入力されることにより、ＦＤアンプ２ｊにおいて電圧（電圧信号）に変換された電子を撮像素子部２の外部に出力する機能を有する。

また、図１に示すＡＦＥ３は、撮像素子部２から出力された信号（電圧信号）をＡ／Ｄ変換によりデジタル信号に変換する機能を有する。ゲイン部４は、ＡＦＥ３から出力されたデジタル信号（電圧信号）を増幅させる機能（信号処理による増幅機能）を有する。なお、ゲイン部４は、本発明の「信号増幅部」の一例である。信号処理部５は、デジタル信号として出力された出力値（増幅された撮像データ）を表示部（図示せず）などに出力する機能を有する。

ゲイン処理部６は、撮像素子部２における電子増倍と、ゲイン部４における信号処理による増幅とを制御する機能を有する。また、ゲイン処理部６は、撮像時の画像データの明るさ（光電変換により生成された電荷量）に基づいて、この画像データを増幅させる際の増幅率の大きさを判断する機能を有する。なお、ゲイン処理部６は、本発明の「制御部」の一例である。

ここで、ゲイン処理部６は、撮像時の画像データを所望の大きさにまで増幅させる際に、撮像素子部２の電子増倍による増倍率とゲイン部４の信号処理の増幅による増幅率とを組み合わせて増幅させるとともに、撮像素子部２における電子増倍によって発生するノイズの量と、ゲイン部４における信号処理による増幅によって発生するノイズの量との合計ノイズの大きさが最小になるように、電子増倍の増倍率の大きさと信号処理による増幅の増幅率の大きさとを振り分けて、全体として所望の増幅率に達するように制御するように構成されている。

以下、ゲイン処理部６の制御により、発生するノイズが最小となるような電子増倍の増倍率および信号処理による増幅の増幅率の組み合わせにより、画像データを所望の増幅率にまで増幅させる方法について説明する。

撮像素子部２において発生するノイズは、主に、暗電流によるノイズである暗電流ショットノイズと、撮像時のノイズである光ショットノイズとから構成されている。暗電流ショットノイズは、光が遮光された状態において発生する電荷（暗電流）に起因したノイズである。光ショットノイズは、撮像時に発生するノイズである。これらの２つのノイズは、撮像素子部２の各画素２ａ内において発生することから、撮像素子部２において行われる電子増倍によって増倍されるものである。ここで、暗電流ショットノイズの大きさをＮ_ｄａｒｋとし、光ショットノイズの大きさをＮ_ｓｉｇとするとともに、電子増倍による増倍率をｍ_ｅとした場合、電子増倍後の暗電流ショットノイズおよび光ショットノイズは、以下の式（３）および（４）のようになる。

増倍動作後の暗電流ショットノイズ＝Ｎ_ｄａｒｋ×ｍ_ｅ×Ｆ・・・（３）
増倍動作後の光ショットノイズ＝Ｎ_ｓｉｇ×ｍ_ｅ×Ｆ・・・（４）
なお、上記式（３）および（４）のＦ（エクセスノイズ）は、撮像素子部２において電子増倍を行うにあたって発生する電子増倍特有のノイズであり、一般的に、以下の式（５）により近似可能である。

Ｆ≒（２−１／ｍ_ｅ）^１／２・・・（５）
また、撮像素子部２において発生する上記のノイズとは別に、撮像装置１００においては、撮像した画像データの読出し動作など、信号処理を行う際のノイズ信号として読出しノイズＮｒが発生する。なお、読出しノイズＮｒは、主に撮像素子部２よりも後段において発生する全般的なノイズであり、デバイス毎に異なる実質的に固定的な値となる。

ここで、撮像装置１００に発生する上記した各々独立したノイズ（暗電流ショットノイズ、光ショットノイズ、および、読出しノイズ）の和は、一般的に二乗和平方として表わされる。したがって、上記のノイズの標準偏差σの二乗は、上記式（３）、（４）および読出しノイズＮｒにより、以下の式（６）のようになる。なお、以下の式における読出しノイズＮｒは、読出し動作において発生したノイズ信号を電子数に換算したものである。

σ^２＝｛（Ｎ_ｄａｒｋ×ｍ_ｅ×Ｆ）^２＋（Ｎ_ｓｉｇ×ｍ_ｅ×Ｆ）^２＋Ｎｒ^２｝×ｍ_ｇ ^２・・・（６）
すなわち、上記式（６）におけるノイズの標準偏差の二乗σ^２が最小になる際に、各々のノイズ（暗電流ショットノイズ、光ショットノイズ、および、読出しノイズ）が最小になる。なお、ｍ_ｇは、信号処理による増幅の増幅率であり、信号処理による増幅動作は、撮像素子部２よりも後段において行われる。これにより、上記式（６）に示すように、撮像素子部２における増倍動作後の暗電流ショットノイズＮ_ｄａｒｋおよび光ショットノイズＮ_ｓｉｇに対してもｍ_ｇの増幅が行われる。

ここで、画像の撮像により発生した暗電流電子数と、生成された信号電子数とを、それぞれ、Ｓ_ｄａｒｋおよびＳ_ｓｉｇとする。このとき、暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋは暗電流ショットノイズＮ_ｄａｒｋに対応する電子数であるとともに、信号電子数Ｓ_ｓｉｇは光ショットノイズＮ_ｓｉｇに対応する電子数であり、暗電流ショットノイズＮ_ｄａｒｋおよび光ショットノイズＮ_ｓｉｇに対して、以下の式（７）および（８）の関係が成立する。なお、暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋおよび信号電子数Ｓ_ｓｉｇは、それぞれ、本発明の「暗電流信号電荷数」および「信号電荷数」の一例である。

Ｓ_ｄａｒｋ＝（Ｎ_ｄａｒｋ）^２・・・（７）
Ｓ_ｓｉｇ＝（Ｎ_ｓｉｇ）^２・・・（８）
これにより、上記式（５）、（７）および（８）を、上記式（６）に代入することにより以下の式（９）が得られる。すなわち、暗電流ショットノイズＮ_ｄａｒｋに対応する暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋと、光ショットノイズＮ_ｓｉｇに対応する信号電子数Ｓ_ｓｉｇと、読出しノイズＮｒとに基づいて、全体のノイズの標準偏差の二乗σ^２が表される。

σ^２＝｛（Ｓ_ｄａｒｋ＋Ｓ_ｓｉｇ）×ｍ_ｅ ^２×（２−１／ｍ_ｅ）＋Ｎｒ^２｝×ｍ_ｇ ^２・・・（９）
ここで、撮像時の画像データに対する最終的に増幅させたい所望の増幅率をｍとした場合、本発明の撮像装置１００においては、ゲイン処理部６によりそれぞれ所定の割合に振り分けられた電子増倍による増倍率ｍ_ｅと信号処理による増幅率ｍ_ｇとの組み合わせにより、撮像時のデータに対して所望の増幅率ｍに増幅させるように構成されていることから以下の式（１０）が成り立つ。なお、電子増倍による増倍率ｍ_ｅおよび信号処理による増幅率ｍ_ｇは、それぞれ、ｍ_ｅ≧１、ｍ_ｇ≧１である。

ｍ＝ｍ_ｅ×ｍ_ｇ・・・（１０）
そして、上記式（１０）を上記式（９）に代入することにより、以下の式（１１）が成立する。

σ^２＝（Ｓ_ｄａｒｋ＋Ｓ_ｓｉｇ）×２×ｍ^２−（Ｓ_ｄａｒｋ＋Ｓ_ｓｉｇ）×ｍ_ｇ×ｍ＋Ｎｒ^２×ｍ_ｇ ^２・・・（１１）
ここで、上記式（１１）は、ｍ_ｇ（≧１）を変数とする二次関数であるとともに、ノイズの標準偏差の二乗σ^２は正の数である。したがって、以下の式（１２）を満たす場合にσ^２は最小（全体としてノイズが最小）となる。

∂σ^２／∂ｍ_ｇ＝０・・・（１２）
そして、上記式（１２）を解くことにより以下の式（１３）が得られる。

ｍ_ｇ＝ｍ（Ｓ_ｄａｒｋ＋Ｓ_ｓｉｇ）／２Ｎｒ^２・・・（１３）
また、上記式（１０）および（１３）により、以下の式（１４）が得られる。

ｍ_ｅ＝２Ｎｒ^２／（Ｓ_ｄａｒｋ＋Ｓ_ｓｉｇ）・・・（１４）
すなわち、上記式（１３）および（１４）により、所望の増幅率ｍにまで増幅させる際に全体としてノイズの発生量が最小になる電子増倍による増倍率ｍ_ｅおよび信号処理による増幅率ｍ_ｇが求められる。

ここで、上記式（１３）および（１４）に示すように、ノイズの発生量が最小になる電子増倍の増倍率ｍ_ｅおよび信号処理による増幅の増幅率ｍ_ｇは、暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋ（暗電流ショットノイズＮ_ｄａｒｋに対応）と、信号電子数Ｓ_ｓｉｇ（光ショットノイズＮ_ｓｉｇに対応）とに基づいて算出される。以下、上記式（１３）および（１４）に代入する暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋおよび信号電子数Ｓ_ｓｉｇの算出方法について説明する。

暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋは、撮像動作を行った際に、撮像素子部２の遮光領域２ｃにおいて、それぞれ、電子増倍を行わない部分の信号出力（電圧信号の出力）と電子増倍を行った部分の信号出力との差分から算出するように構成されている。具体的には、電子増倍を行わない部分における信号出力値をＶ１（ｍＶ）とするとともに、増倍率ｍ_ｅの電子増倍を行った部分における信号出力値をＶｍ_ｅ（ｍＶ）とした場合、信号出力値のうち電子増倍された分の大きさは（Ｖｍ_ｅ−Ｖ１）となる。したがって、１倍分の信号出力分は、（Ｖｍ_ｅ−Ｖ１）／（ｍ_ｅ−１）となる。ここで、ＦＤアンプ２ｊにおける電荷電圧変換係数（１電子あたりの電圧への変換効率）をｋ（ｍＶ／電子）とした場合、１倍分の暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋ（撮像した際に発生する暗電流電子数）は、以下の式（１５）により表される。

Ｓ_ｄａｒｋ＝（Ｖｍ_ｅ−Ｖ１）／（ｍ_ｅ−１）ｋ・・・（１５）
これは、たとえば、電荷電圧変換係数ｋが０．０４（ｍＶ／電子）である場合において、電子増倍を行わなかった部分の信号出力Ｖ１が０．２（ｍＶ）であるとともに、増倍率ｍ_ｅが３０倍の電子増倍を行った部分の信号出力Ｖｍ_ｅが２（ｍＶ）である場合、出力信号の差分（２−０．２＝１．８）を増倍率の差分（３０−１＝２９）で割ることにより算出された１倍分の信号出力に対して電荷電圧変換係数（０．０４）で割ることにより、１倍分の暗電流電子数が算出される。すなわち、Ｓ_ｄａｒｋ＝１．８／２９／０．０４＝１．５５電子となる。

また、信号電子数Ｓ_ｓｉｇにおいては、前回撮像した画像データの信号出力と今回撮像した画像データの信号出力とに基づいて算出される。具体的には、前回撮像した画像データにおける信号出力をＶ１とするとともに、前回撮像した画像データに対する電子増倍の増倍率をｍ_ｅ１とすると、電荷電圧変換係数がｋである場合、前回撮像した画像データにおける信号電子数Ｓ_ｓｉｇ１は、以下の式（１６）により表される。

Ｓ_ｓｉｇ１＝Ｖ１／（ｍ_ｅ１×ｋ）・・・（１６）
そして、今回撮像した画像データにおける信号出力をＶ２とするとともに、今回撮像した画像データに対する電子増倍の増倍率をｍ_ｅ２とする場合、今回撮像分における１倍分の信号電子数Ｓ_ｓｉｇ（撮像した際に発生する信号電子数）は、以下の式（１７）により表される。

Ｓ_ｓｉｇ＝Ｓ_ｓｉｇ１×（Ｖ２／Ｖ１）×（ｍ_ｅ１／ｍ_ｅ２）−Ｓ_ｄａｒｋ・・・（１７）
上記式（１５）に示すように、この信号電子数Ｓ_ｓｉｇは、前回撮像分の画像データと今回撮像分の画像データとにおける信号出力の比率（Ｖ２／Ｖ１）と、電子増倍の増倍率の比率（ｍ_ｅ１／ｍ_ｅ２）と、前回の信号電子数（Ｓ_ｓｉｇ１）と、暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋとに基づいて算出されている。たとえば、前回撮像した画像データが、増倍率ｍ_ｅ１が１倍で、信号出力Ｖ１が４００ｍＶであった場合、電荷電圧変換係数ｋが０．０４（ｍＶ／電子）の際に、前回撮像分の信号電子数Ｓ_ｓｉｇ１は、４００／０．０４＝１００００電子となる。そして、今回撮像した画像データが増倍率ｍ_ｅ２が３０倍で、信号出力Ｖ２が２４０ｍＶであった場合、今回生成された全ての電子数は、１００００×２４０／４００×１／３０＝２００電子となる。そして、この２００電子から暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋを減算したものが今回撮像分の１倍分の信号電子数Ｓ_ｓｉｇとなる。

第１実施形態では、画像を撮像する毎に、今回撮像分の画像データの出力信号と前回の撮像分の画像データの出力信号とに基づいて、今回撮像分の画像データに対応する１倍分の暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋおよび信号電子数Ｓ_ｓｉｇを算出するとともに、算出された暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋおよび信号電子数Ｓ_ｓｉｇに基づいて、上記式（１３）および（１４）によって次回撮像時における電子増倍の増倍率ｍ_ｅおよび信号処理による増幅の増幅率ｍ_ｇを算出するように構成されている。

次に図４〜図６を参照して、第１実施形態の撮像装置１００における撮像動作について説明する。

まず、図４のステップＳ１において、本発明の撮像装置１００により画像の撮像を行った際に、ステップＳ２において、撮像素子部２により、各画素２ａ毎に、予め算出された増倍率ｍ_ｅによって電子の増倍動作が行われる。次に、ステップＳ３において、電子増倍が行われるとともにＦＤアンプ２ｊにより電圧に変換された信号（電圧信号）をゲイン部４に出力する。次に、ステップＳ４において、ゲイン部４において増幅率ｍ_ｇにより信号（電圧信号）が増幅される。そして、ステップＳ５において、増幅された信号（電圧信号）が信号処理部５を介して出力信号として出力される。

そして、ステップＳ６において、今回の撮像分における出力信号と前回の撮像分の出力信号とに基づいて今回の撮像分において生成された信号電子数Ｓ_ｓｉｇが算出されるとともに、今回の撮像分において発生した暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋが算出される。そして、ステップＳ７において、算出された信号電子数Ｓ_ｓｉｇおよび暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋにより次回撮像時における増倍率ｍ_ｅおよび増幅率ｍ_ｇが算出される。

ここで、ステップＳ６における信号電子数Ｓ_ｓｉｇの算出については、図５に示すステップＳ８において、前回の撮像時における画像データの電子増倍の増倍率ｍ_ｅ１および出力値Ｖ１を取得するとともに、ステップＳ９において、取得した増倍率ｍ_ｅ１および出力値Ｖ１に基づいて、前回撮像時における信号電子数Ｓ_ｓｉｇ１を算出する。そして、ステップＳ１０において、今回の撮像時における画像データの信号出力値Ｖ２および電子増倍の増倍率ｍ_ｅ２を取得する。その後、ステップＳ１１において、算出した前回撮像分の信号電子数Ｓ_ｓｉｇ１と、取得した信号出力値Ｖ２および電子増倍の増倍率ｍ_ｅ２とによって今回撮像分の信号電子数Ｓ_ｓｉｇを算出する。

また、ステップＳ６における暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋの算出については、図６に示すステップＳ１２において、電子増倍を行わない部分における信号出力値Ｖ１と、今回の電子増倍における増倍率ｍ_ｅと、増倍率ｍ_ｅの電子増倍を行った部分における信号出力値Ｖｍ_ｅとを取得する。そして、ステップＳ１３において、ステップＳ１２において取得した信号出力値Ｖ１およびＶｍ_ｅと、増倍率ｍ_ｅとに基づいて暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋを算出する。

以上により、次回の画像の撮像時において、今回算出された増倍率ｍ_ｅによる電子増倍および増幅率ｍ_ｇの信号処理による増幅が行われる。

次に、本発明における撮像装置１００を適用して実際に画像データを増幅させた結果について説明する。図７は、撮像により取得した任意の信号電子数Ｓ_ｓｉｇに対して目的の値（最終的な増幅後の値）を１００００電子にする場合において、それぞれ振り分けられた電子増倍の増倍率および信号処理の増幅率の結果を示した図である。たとえば、取得した信号電子数が２００電子であった場合、１００００電子に増幅させるには所望の増幅率は５０倍となる。このとき、信号処理による増幅の増幅率を５０倍にするとともに電子増倍による増倍率を１倍（増倍しない）にする（ｍ＝ｍ_ｅ×ｍ_ｇ＝１×５０＝５０（倍））ことにより、発生するノイズは最小となる。なお、このとき、暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋは１電子であるとともに、読出しノイズＮｒは１０電子である。

また、図８は、本発明を適用した結果、ノイズが最小になるように電子増倍の増倍率および信号処理の増幅率の割合を振り分けることにより電子を１００００電子にまで増幅させた場合に発生したノイズ量を１００％とするとともに、このノイズ量（１００％の位置）を基準として、電子増倍のみによって電子を１００００電子にまで増倍させた場合に発生したノイズ量と、信号処理のみによって電子を１００００電子にまで増幅させた場合に発生したノイズ量とを表した図である。このとき、電子増倍のみによって電子を所望の値にまで増倍させる場合においては、信号電子数が小さい場合は本発明を適用した場合と略同程度のノイズの発生量となる一方で、信号電子数が大きい場合は、本発明を適用した場合よりもノイズの発生量が大きくなる。また、信号処理の増幅のみによって電子を所望の値にまで増幅させる場合においては、信号電子数が大きい場合には、本発明を適用した場合と略同程度のノイズの発生量となる一方で、信号電子数が小さい場合には、本発明の撮像装置１００よりもノイズの発生量が大きくなる。以上により、画像の撮像時に取得した画像データを増幅させる際に、信号電子数の大きさに係わらず、本発明を適用することにより発生するノイズ量は常に最小の値になることが判明した。

第１実施形態では、上記のように、ゲイン処理部６により、電子増倍時に発生する暗電流ショットノイズＮ_ｄａｒｋに対応する暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋと、画像の撮像時に発生する光ショットノイズＮ_ｓｉｇに対応する信号電子数Ｓ_ｓｉｇと、画像データの読出し時などに発生する読出しノイズＮｒとに基づいて、次回の撮像素子部２における電子増倍の増倍率ｍ_ｅと、ゲイン部４における信号の増幅動作の増幅率ｍ_ｇとを制御するように構成する。このように構成することによって、ゲイン処理部６の制御により、電子増倍の増倍率ｍ_ｅと信号処理の増幅による増幅率ｍ_ｇとをノイズの発生量が最小になるような大きさに配分しながら、画像データを所望の増幅率にまで増幅させるように制御することにより、全体のノイズ発生量を最小にしながら所望の増幅率により画像データを増幅させることができる。そして、この場合、上記図７および図８に示したように、画像データの信号電子数の大きさに係わらず、発生するノイズ量を常に最小にすることができる。以上により、ノイズの発生量を最小にまで低減させることができるので、高画質な画像を得ることができる。

また、第１実施形態では、ゲイン処理部６の制御により、前回撮像分の画像データと今回撮像分の画像データとに基づいて、次回撮像分の画像データに対して行う電子増倍の増倍率と信号処理の増幅による増幅率とが算出されるので、ノイズ発生量を最小にしながら、常に次回撮像分の画像データを適切な増幅率によって増幅させることができる。したがって、確実に高画質な画像を得ることができる。

（第２実施形態）
図９を参照して、各画素毎に増倍率および増幅率の割合を算出した第１実施形態とは異なり、複数の画素毎に増倍率および増幅率の割合を算出する例について説明する。

第２実施形態における撮像装置２００の撮像素子部２０では、４つの画素２０ａ毎に１つのエリア２５が構成されている。そして、４つの画素２０ａからなるエリア２５毎に画像データを増幅する際の電子増倍による増倍率ｍ_ｅおよび信号処理による増幅率ｍ_ｇの割合を算出するとともに、算出された増倍率ｍ_ｅおよび増幅率ｍ_ｇにより所望の増幅率ｍにまで増幅されるように制御されるように構成されている。

なお、第２実施形態におけるその他の構成および動作は、第１実施形態と同様である。

第２実施形態では、上記のように、複数の画素２０ａ毎（第２実施形態は４つ毎）に１つのエリア２５を形成するとともに、エリア２５毎に画像データを増幅する際の増倍率ｍ_ｅおよび増幅率ｍ_ｇの割合を算出するように制御することによって、エリア２５毎に電子の増倍動作および信号処理による増幅動作を行った際においても発生するノイズを常に最小の値にすることができるので、この場合においても、高画質の画像を得ることができる。

また、第２実施形態では、複数の画素２０ａからなるエリア２５毎に電子の増倍動作および信号の増幅動作を行うので、その分、各画素２０ａ毎に電子増倍および信号の増幅動作を行う場合に比べて処理速度を小さくすることができる。

なお、第２実施形態のその他の効果は、第１実施形態の効果と同様である。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記第１および第２実施形態では、撮像装置の一例としてＣＭＯＳイメージセンサに本発明を適用する例を示したが、本発明はこれに限らず、ＣＣＤなど、ＣＭＯＳイメージセンサ以外の撮像装置にも適用可能である。

また、上記第１および第２実施形態では、４本の転送ゲート電極からなるＣＭＯＳイメージセンサに本発明を適用する例を示したが、本発明はこれに限らず、４本以外の本数の転送ゲート電極からなるＣＭＯＳイメージセンサにも適用可能である。

また、上記第１および第２実施形態では、転送ゲート電極２ｆに高電圧を印加することにより電子増倍を行う例を示したが、本発明はこれに限らず、転送ゲート電極２ｆ以外の転送ゲート電極において電子増倍を行ってもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、信号電子数Ｓ_Ｓｉｇを、前回撮像分の画像データと今回撮像分の画像データとにおける信号出力の比率と、電子増倍の増倍率の比率と、前回の撮像時の信号電子数とに基づいて算出した値から暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋを減算することにより算出する例を示したが、本発明はこれに限らず、暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋを減算しない値を信号電子数Ｓ_Ｓｉｇとしてもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、各画素毎または各エリア毎に算出した暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋに基づいて次回撮像時の増倍率および増幅率を算出する例を示したが、本発明はこれに限らず、算出した画素毎またはエリア毎の暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋの平均値に基づいて次回撮像時の増倍率および増幅率を算出してもよい。また、各画素毎またはエリア毎に算出した暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋのうち、値の大きいものを選択して増倍率および増幅率の算出に使用してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋを、電子増倍を行わない部分の信号出力と、電子増倍を行った部分の信号出力との差分により算出する例を示したが、本発明はこれに限らず、暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋを、異なる増倍率により電子増倍を行った２種類の大きさの信号出力の差分により算出してもよい。すなわち、暗電流電子数Ｓ_ｄａｒｋを算出するための一方の信号出力の増倍率は１倍でなくてもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、前回および今回撮像時における画像データに基づいて、次回撮像時における電子増倍の増倍率および信号処理の増幅による増幅率を算出する例を示したが、本発明はこれに限らず、たとえば、２回撮像する毎に１回増倍率および増幅率を算出するなど、複数回撮像する毎に１回算出を行ってもよい。すなわち、常に次回撮像時の増倍率および増幅率を算出する場合のみならず、次回以降のいずれかの撮像時の増倍率および増幅率の算出であれば適用可能である。

また、上記第２実施形態では、画素を４個毎に分割してエリア毎に増倍率および増幅率を算出する例を示したが、本発明はこれに限らず、画素を４個毎以外の個数毎にエリアを構成してもよい。

本発明の第１実施形態による撮像装置の構成を示したブロック図である。 本発明の第１実施形態による撮像装置の画素部分の構成を示した正面図である。 本発明の第１実施形態による撮像装置の画素部分の構成を示した回路図である。 本発明の第１実施形態による撮像装置の増倍率および増幅率の算出を説明するためのフローチャートである。 本発明の第１実施形態による撮像装置の増倍率および増幅率の算出を説明するためのフローチャートである。 本発明の第１実施形態による撮像装置の増倍率および増幅率の算出を説明するためのフローチャートである。 本発明の第１実施形態による撮像装置を適用した結果について説明するための図である。 本発明の第１実施形態による撮像装置を適用した結果について説明するための図である。 本発明の第２実施形態による撮像装置について説明するための図である。

符号の説明

２、２０ 撮像素子部
２ｂ 撮像領域
２ｃ 遮光領域
４ ゲイン部（信号増幅部）
６ ゲイン処理部（制御部）
１００、２００ 撮像装置

Claims (4)

1. 信号電荷を生成するとともに、生成された信号電荷を増加させる機能を有する撮像素子部と、
   前記撮像素子部から出力された信号を増幅させる機能を有する信号増幅部と、
   信号電荷の増加率および信号の増幅率を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、光が遮光された状態で発生する暗電流によるノイズに対応する信号と、撮像時のノイズに対応する信号と、画像データを読み出す際に発生する読出しノイズに対応する信号とに基づいて、次回以降の少なくともいずれかの撮像時の前記撮像素子部における信号電荷の増加動作による増加率と、前記信号増幅部における信号の増幅動作による増幅率とを制御するように構成されている、撮像装置。
2. 前記制御部は、前記暗電流によるノイズと、前記撮像時のノイズと、前記読出しノイズとの合計のノイズの大きさが最小になるように、次回以降の少なくともいずれかの撮像時における画像データに対して行う前記撮像素子部における信号電荷の増加動作による増加率と、前記信号増幅部における信号の増幅動作による増幅率とをそれぞれ算出するように構成されている、請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記制御部は、前記読出しノイズをＮｒとし、前記暗電流によるノイズを構成する暗電流信号電荷数をＳ_ｄａｒｋとし、前記暗電流信号電荷数を含まないとともに、今回撮像時に生成された信号電荷数をＳ_ｓｉｇとした場合に、以下の式（１）により、次回以降の少なくともいずれかの撮像時における前記撮像素子部の信号電荷の増加率ｍ_ｅを算出するように制御するように構成されている、請求項２に記載の撮像装置。
   ｍ_ｅ＝２×Ｎｒ^２／（Ｓ_ｄａｒｋ＋Ｓ_ｓｉｇ）・・・（１）
4. 前記制御部は、画像データに対する次回以降の少なくともいずれかの撮像時の所望の増幅率をｍとし、前記読出しノイズをＮｒとし、前記暗電流によるノイズを構成する暗電流信号電荷数をＳ_ｄａｒｋとし、前記暗電流信号電荷数を含まないとともに、今回撮像時に生成された信号電荷数をＳ_ｓｉｇとした場合に、以下の式（２）により、次回以降の少なくともいずれかの撮像時における前記信号増幅部の信号の増幅率ｍ_ｇを算出するように制御するように構成されている、請求項２または３に記載の撮像装置。
   ｍ_ｇ＝ｍ×（Ｓ_ｄａｒｋ＋Ｓ_ｓｉｇ）／２Ｎｒ^２・・・（２）

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