JP2012235193A - Image sensor, imaging device, control method therefor, and control program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、デジタルカメラなどの撮像装置で用いられる撮像素子に関し、特に、CMOSイメージセンサ又はCCDなどの固体撮像素子を用いた撮像装置、その制御方法、および制御プログラムに関する。 The present invention relates to an imaging device used in an imaging device such as a digital camera, and more particularly to an imaging device using a solid-state imaging device such as a CMOS image sensor or a CCD, a control method thereof, and a control program.
一般に、デジタルカメラ又はビデオカメラ等の撮像装置においては、CMOSイメージセンサなどの固体撮像素子が用いられている。一般的なCMOS型の固体撮像素子においては、各画素(単位画素)がフォトダイオード、フローティングディフュージョン(FD)領域、転送トランジスタ、および増幅部を備えている。そして、転送トランジスタによってフォトダイオードからFD領域に電荷が転送され、FD領域に転送された電荷が増幅部で増幅される。 In general, in an imaging apparatus such as a digital camera or a video camera, a solid-state imaging element such as a CMOS image sensor is used. In a general CMOS solid-state imaging device, each pixel (unit pixel) includes a photodiode, a floating diffusion (FD) region, a transfer transistor, and an amplifying unit. Then, charges are transferred from the photodiode to the FD region by the transfer transistor, and the charge transferred to the FD region is amplified by the amplifying unit.
従来、固体撮像素子においては、出力信号の基準(基準信号)として、遮光された画素(オプティカルブラック又はOB)領域の信号が出力される。そして、撮像装置では出力信号(画素信号)を処理する処理回路において、OB画素の出力に応じて所定の黒レベル基準値を生成して、有効画素の出力を黒レベル基準値でクランプする処理を行う。 Conventionally, in a solid-state imaging device, a signal in a shaded pixel (optical black or OB) region is output as a reference (reference signal) of an output signal. In the imaging device, a processing circuit that processes the output signal (pixel signal) generates a predetermined black level reference value according to the output of the OB pixel and clamps the output of the effective pixel with the black level reference value. Do.
ところで、近年、固体撮像素子の多画素化が進むとともに、画素信号の読み出し速度の高速化が求められている。このためには、読み出しアンプの高速化が必要となる。通常、読み出しアンプを高速化すると、バイアス電流の増加に伴って、消費電力が増加する。そして、読み出しアンプにおける消費電力が増加した場合には、読み出しアンプが発光することがある。 Incidentally, in recent years, as the number of pixels of a solid-state image sensor has increased, it has been required to increase the readout speed of pixel signals. For this purpose, it is necessary to increase the speed of the read amplifier. Usually, when the speed of the read amplifier is increased, the power consumption increases as the bias current increases. When the power consumption in the read amplifier increases, the read amplifier may emit light.
読み出しアンプが発光すると、読み出しアンプ付近に配置されている画素に、不可避的に光が漏れ込む。OB画素に光が漏れ込んでしまうと、黒レベル基準値がずれてしまい、有効画素領域の出力が誤った黒レベル基準値でクランプされることになって、画像が劣化してしまう。 When the readout amplifier emits light, light inevitably leaks into the pixels arranged near the readout amplifier. If light leaks into the OB pixel, the black level reference value shifts, and the output of the effective pixel region is clamped at the wrong black level reference value, thereby degrading the image.
一方、固体撮像素子におけるダイナミックレンジを拡大するため、画素内に電荷保持部を備えて、この電荷保持部でフォトダイオードから出力された信号電荷を保持するようにしたものがある(例えば、特許文献1および2参照)。そして、電荷保持部において信号電荷を保持すれば、読み出しアンプの発光によってフォトダイオードに生じた電荷が信号電荷に加わることを防止することができる。 On the other hand, in order to expand the dynamic range in a solid-state imaging device, there is a device that includes a charge holding unit in a pixel and holds a signal charge output from a photodiode by the charge holding unit (for example, Patent Documents). 1 and 2). If the signal charge is held in the charge holding portion, it is possible to prevent the charge generated in the photodiode due to the light emission of the read amplifier from being added to the signal charge.
しかしながら、特許文献1および2においては、個体撮像素子の各画素が同一の構造を有しており、各画素に電荷保持部を設けるため、その回路規模が増大してしまうという問題点がある。 However, Patent Documents 1 and 2 have a problem in that each pixel of the individual imaging device has the same structure and a charge holding unit is provided in each pixel, so that the circuit scale increases.
そこで、本発明の目的は、回路規模の増大を抑えてOB領域におけるアンプ発光の影響を軽減して安定した黒レベル基準値を得ることのできる撮像素子、撮像装置、およびその制御方法、並びに制御プログラムを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an imaging device, an imaging apparatus, a control method thereof, and a control capable of obtaining a stable black level reference value by suppressing an increase in circuit scale and reducing the influence of amplifier light emission in the OB region. To provide a program.
上記の目的を達成するため、本発明による撮像素子は、複数の画素が2次元マトリックス状に配置された画素領域を有し、前記画素領域には前記画素が遮光された遮光画素領域と前記画素が遮光されていない有効画素領域とが規定された撮像素子であって、光に応じた電荷を発生する第1の光電変換部と、該第1の光電変換部に蓄積された電荷を一旦蓄積する電荷保持部と、前記電荷保持部に蓄積された電荷が転送される第1のフローティングディフュージョン部とを有し、前記第1のフローティングディフュージョン部に蓄積された電荷を増幅して第1の画素信号として出力する第1の画素と、光に応じた電荷を発生する第2の光電変換部と、該第2の光電変換部に蓄積された電荷が転送される第2のフローティングディフュージョン部とを有し、前記第2のフローティングディフュージョン部に蓄積された電荷を増幅して第2の画素信号として出力する第2の画素とを備え、前記遮光画素領域の少なくとも一部では前記画素として前記第1の画素が用いられ、前記有効画素領域では前記画素として前記第2の画素が用いられており、前記第2の光電変換部に電荷が蓄積されている蓄積期間中に、前記第1の光電変換部から前記電荷保持部に電荷を転送するようにしたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, an image pickup device according to the present invention has a pixel region in which a plurality of pixels are arranged in a two-dimensional matrix, and the pixel region includes a light-shielded pixel region in which the pixel is shielded from light and the pixel Is an image sensor in which an effective pixel region that is not shielded is defined, and a first photoelectric conversion unit that generates a charge corresponding to light, and a charge that is accumulated in the first photoelectric conversion unit And a first floating diffusion part to which the charge accumulated in the charge holding part is transferred, and amplifies the charge accumulated in the first floating diffusion part to thereby form a first pixel A first pixel that outputs a signal; a second photoelectric conversion unit that generates a charge according to light; a second floating diffusion unit to which the charge accumulated in the second photoelectric conversion unit is transferred; And a second pixel that amplifies the charge accumulated in the second floating diffusion portion and outputs it as a second pixel signal, and the first pixel is used as the pixel in at least a part of the light-shielding pixel region. In the effective pixel region, the second pixel is used as the pixel, and the first photoelectric conversion is performed during the accumulation period in which charges are accumulated in the second photoelectric conversion unit. The charge is transferred from the portion to the charge holding portion.
本発明による撮像装置は、上記の撮像素子と、前記第1の画素から出力された画素信号と黒レベル基準値との差分に応じて、前記有効画素領域から出力された画素信号の黒レベルを前記黒レベル基準値に合わせる補正手段とを有することを特徴とする。 According to the imaging device of the present invention, the black level of the pixel signal output from the effective pixel region is set according to a difference between the image sensor and the pixel signal output from the first pixel and a black level reference value. And correction means for adjusting to the black level reference value.
本発明による制御方法は、上記の撮像素子から画素信号を読み出す際、前記第1および前記第2の光電変換部で電荷を蓄積する第1のステップと、前記電荷の蓄積期間中に前記第1の光電変換部から前記電荷保持部に前記電荷を転送する第2のステップと、前記第2の光電変換部で前記電荷の蓄積が終了すると、前記第2の光電変換部に蓄積された電荷を前記第2のフローティングディフュージョン部に転送するとともに、前記電荷保持部に保持された電荷を前記第1のフローティングディフュージョン部に転送する第3のステップとを有することを特徴とする。 According to the control method of the present invention, when reading out a pixel signal from the image sensor, a first step of storing charges in the first and second photoelectric conversion units, and the first step during the charge storage period. A second step of transferring the charge from the photoelectric conversion unit to the charge holding unit, and when the accumulation of the charge is completed in the second photoelectric conversion unit, the charge accumulated in the second photoelectric conversion unit is And a third step of transferring the charge held in the charge holding portion to the first floating diffusion portion while transferring to the second floating diffusion portion.
本発明による制御プログラムは、上記の撮像素子から画素信号を読み出すための制御プログラムであって、コンピュータに、前記第1および前記第2の光電変換部で電荷を蓄積する第1のステップと、前記電荷の蓄積期間中に前記第1の光電変換部から前記電荷保持部に前記電荷を転送する第2のステップと、前記第2の光電変換部で前記電荷の蓄積が終了すると、前記第2の光電変換部に蓄積された電荷を前記第2のフローティングディフュージョン部に転送するとともに、前記電荷保持部に保持された電荷を前記第1のフローティングディフュージョン部に転送する第3のステップとを実行させることを特徴とする。 A control program according to the present invention is a control program for reading out a pixel signal from the above-described image sensor, wherein the first step of storing charges in the computer by the first and second photoelectric conversion units; A second step of transferring the charge from the first photoelectric conversion unit to the charge holding unit during a charge accumulation period; and when the accumulation of the charge is completed in the second photoelectric conversion unit, A third step of transferring the charge accumulated in the photoelectric conversion unit to the second floating diffusion unit and transferring the charge held in the charge holding unit to the first floating diffusion unit. It is characterized by.
本発明によれば、遮光画素領域の画素信号を読み出し期間中に電荷保持部で保持するようにしたので、アンプ発光の影響が軽減され、安定して黒レベル基準値を得ることができる。さらに、遮光画素領域の少なくとも一部に画素にのみ電荷保持部を設けるようにしたので、回路規模の増大を抑えることができるという効果がある。 According to the present invention, since the pixel signal in the light-shielded pixel region is held by the charge holding unit during the readout period, the influence of the amplifier light emission is reduced, and the black level reference value can be obtained stably. Furthermore, since the charge holding portion is provided only in the pixel in at least a part of the light-shielding pixel region, there is an effect that an increase in circuit scale can be suppressed.
以下、本発明の実施の形態による固体撮像素子の一例について図面を参照して説明する。 Hereinafter, an example of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明による第1の実施形態による固体撮像素子の一例であるCMOS撮像素子の構成を概略的に示す図である。 FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a CMOS image sensor which is an example of a solid-state image sensor according to the first embodiment of the present invention.
図1において、CMOS撮像素子(以下、単に撮像素子と呼ぶ)は、複数の画素が2次元マトリックス状に配置された画素領域を有している。そして、画素領域には、画素が遮光された遮光画素領域と画素が遮光されていない有効画素領域(有効部)とが規定されている。 In FIG. 1, a CMOS image sensor (hereinafter simply referred to as an image sensor) has a pixel region in which a plurality of pixels are arranged in a two-dimensional matrix. In the pixel area, a light-shielded pixel area where the pixels are shielded from light and an effective pixel area (effective portion) where the pixels are not shielded from light are defined.
図示のように、遮光画素領域は、水平オプティカルブラック領域11とおよび12と垂直オプティカルブラック(VOB)領域13とを有している。以下図1において、左側に位置する水平オプティカルブラック領域11を左HOB領域11と呼び、右側に位置する水平オプティカルブラック領域12を右HOB領域12と呼ぶ。そして、左HOB領域11および右HOB領域12の各々では、画素が遮光されている。
As shown, the light-shielding pixel region has horizontal optical
さらに、VOB領域13においても画素が遮光されている。有効部(有効画素領域)14は、前述のように、画素が遮光されていない画素領域である。そして、これら画素領域の外側において右HOB領域12の近傍に読み出しアンプ15が配置されている。
Further, the pixels are also shielded from light in the
図2は、図1に示す撮像素子の回路構成を説明するための図である。そして、図2(a)は右HOB領域12の単位画素の回路構成を示す図であり、図2(b)は左HOB領域11、VOB領域13、および有効部14の各々の単位画素の回路構成を示す図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining a circuit configuration of the image sensor shown in FIG. 1. 2A is a diagram showing a circuit configuration of a unit pixel in the
図2(a)において、右HOB領域12の単位画素(以下、第1の画素と呼ぶ)は、フォトダイオード(PD)201(第1の光電変換部)を有しており、PD201は受光した光を電荷に変換する。電荷保持部202はフォトダイオード201で生じた電荷を一旦蓄積する。
In FIG. 2A, a unit pixel (hereinafter referred to as a first pixel) in the
図示の第1の画素はフローティングディフュージョン部(FD)203(第1のフローティングディフュージョン部)を備えており、電荷保持部202は転送スイッチ(Tx)204および205を介してそれぞれPD201およびFD203接続されている。なお、Tx204および205の各々はMOSトランジスタで構成されている。
The illustrated first pixel has a floating diffusion portion (FD) 203 (first floating diffusion portion), and the
さらに、第1の画素は、MOSトランジスタで構成されたリセットスイッチ(Tres)206および207とソースフォロアMOSトランジスタ(Tsf)208を有し、Tsf208はFD203の電圧(出力電圧)を増幅する。上記の第1の画素は、右HOB領域において、行列状(2次元マトリックス状)に配列されて、同一の列の第1の画素は選択スイッチ(Tsel)209を介して共通の垂直出力線210に接続される。
Further, the first pixel includes reset switches (Tres) 206 and 207 configured by MOS transistors and a source follower MOS transistor (Tsf) 208, and
第1の画素において、Tres206がオン(ON)すると、PD201は共通電源VDD211と接続されて蓄積電荷がリセットされる。また、Tres207がONすると、FD203は共通電源VDD211とショートされて所定の電位にリセットされる。
In the first pixel, when
図2(b)おいて、左HOB11、VOB13、および有効部14の各々の単位画素(以下第2の画素と呼ぶ)は、第1の画素が備える電荷保持部202、Tx204、およびTres206を有していない。他の構成要素は第1の画素と同様である。つまり、図2に示す例においては、図1に示す読み出しアンプ15の近傍に位置する右HOB領域12のみが電荷保持部202を有している。
In FIG. 2B, each unit pixel (hereinafter referred to as a second pixel) of the
図3は、図2で説明した固体撮像素子のレイアウトの一例を概略的に示す平面図である。そして、図3(a)は第1の画素を示す図であり、図3(b)は第2の画素を示す図である。 FIG. 3 is a plan view schematically showing an example of the layout of the solid-state imaging device described in FIG. FIG. 3A shows the first pixel, and FIG. 3B shows the second pixel.
図3(a)において、第1の画素では、PD201および電荷保持部202の間Tx204が配置され、電荷保持部202の右側にTx205が配置され、その右側にFD203が配置されている。また、PD201の左側にTres206が配置されている。なお、図3(a)に符号301で示す領域はTres207、Tsf208、およびTsel209が配置されている領域である。そして、電荷保持部202の上部は遮光されて、外部から光の漏れ込みがないようにされている。
In FIG. 3A, in the first pixel, a
図3(b)において、第2の画素では、PD201(第2の光電変換部)の右側にTx205および領域301が配置され、Tx205の右側にFD203(第2のフローティングディフュージョン部)が配置されている。第2の画素は、電荷保持部202、Tx204、およびTres206が存在しないので、第1の画素に比べて画素のサイズを小さくすることができる。
In FIG. 3B, in the second pixel, the
ここで、図1に示す固体撮像装置の動作について説明する。 Here, the operation of the solid-state imaging device shown in FIG. 1 will be described.
図4は、図1に示す固体撮像素子の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。 FIG. 4 is a timing chart for explaining an example of the operation of the solid-state imaging device shown in FIG.
図1、図2、および図4を参照して、ここでは、Tsel209、Tres206、Tres207、Tx204、およびTx205を制御して、第1および第2の画素から、フォトダイオード201で光電変換の結果得られた電荷がそれぞれ第1の画素信号および第2の画素信号として出力される。
1, 2, and 4, here,
まず、期間T41でTres206、Tres207、Tx204、およびTx205がONとされる。これによって、第1の画素では、FD203および電荷保持部202の電位が共通電源VDDの電位にリセットされる。一方、第2の画素では、Tres207およびTx205のONによって、FD203の電位が共通電源VDDの電位にリセットされる。その後、Tres206、Tx204、およびTx205がオフ(OFF)とされて、第1及び第2の画素におけるリセット動作が完了する。
First, Tres206, Tres207, Tx204, and Tx205 are turned ON in a period T41. As a result, in the first pixel, the potentials of the
続いて、期間T42において、第1および第2の画素においてPD201で電荷の蓄積が行われる。そして、期間T43において、Tx204がONとされて、第1の画素においてPD201で生じた電荷が電荷保持部202に転送される。PD201の電荷を全て電荷保持部202に転送するため、電荷保持部202のチャネルポテンシャルはPD201のチャネルポテンシャルよりも高くなるように設計される。なお、ここで、電荷とは電子である。
Subsequently, in the period T42, charges are accumulated in the
その後、期間T43でTx204を再びOFFして、第1の画素における転送動作が完了する。そして、期間T43でTres206がONされて、PD201がリセットされる。期間T43においては、第2の画素ではPD201の電荷蓄積状態が維持される。
Thereafter, Tx204 is turned off again in period T43, and the transfer operation in the first pixel is completed. Then, Tres206 is turned ON in period T43, and PD201 is reset. In the period T43, the charge accumulation state of the
次に、期間T44において、画素信号の読み出し処理が行われる。まず、Tres207がOFFされるとともに、Tsel209がONされる。これによって、Tsf208の出力信号が画素信号として出力される。その後、信号TNが所定の期間だけONされる。信号TNは、FD203をリセット後に、FD203に蓄積されているノイズ電荷に応じた画素信号(N読み信号)を保持するタイミングを規定する信号である。
Next, in a period T44, pixel signal reading processing is performed. First,
信号TNのONによって、リセット後のFD203のノイズ電荷に応じた信号が読み出されて画素信号として出力される。そして、当該画素信号の信号レベルが第1の保持回路(図示せず)に保持される。
When the signal TN is turned ON, a signal corresponding to the noise charge of the
続いて、期間T44において、Tx205がONされる。これによって、第1の画素では、電荷保持部202に保持された電荷がFD203に転送される。一方、第2の画素では、PD201に蓄積された電荷がFD203に転送される。
Subsequently, in a period T44, Tx205 is turned on. As a result, in the first pixel, the charge held in the
前述のように、第1の画素においては、電荷保持部202のチャネルポテンシャルはPD201のチャネルポテンシャルよりも高くされている。さらに、電荷保持部202に保持された電荷をFD203に読み出す際には、電荷保持部202のチャネルポテンシャルをFD203のチャネルポテンシャルよりも低くして、全ての電荷がFD203に読み出されるようにする。
As described above, in the first pixel, the channel potential of the
第2の画素においては、PD201の電荷を全てFD203に読み出すために、FD201のチャネルポテンシャルをFD203のチャネルポテンシャルよりも低くする。
In the second pixel, the channel potential of the
これによって、第1および第2の画素では、FD203に転送された電荷に応じて、Tsf208の出力信号が、画素信号として出力される。そして、当該画素信号の信号レベルは、信号TSがONとなるタイミングで第2の保持回路(図示せず)に保持される。
Thereby, in the first and second pixels, the output signal of
ここで、蓄積期間とは、第1の画素においては、期間T41でPD201をリセットしてから期間T43でTx204をONしてPD201の電荷を電荷保持部202に読み出すまでの期間である。
Here, in the first pixel, the accumulation period is a period from when the
一方、第2の画素においては、期間T41でPD201をリセットしてから期間T44でTx205をONしてPD201の電荷をFD203に読み出すまでを期間が蓄積期間とされる。
On the other hand, in the second pixel, the period from the reset of the
前述のように、信号TNは、FD203をリセット後にFD203に蓄積されたノイズ電荷に応じた画素信号(N読み信号)を保持するための信号である。一方、信号TSは、ノイズ電荷に、PDに蓄積した信号電荷を加えた電荷に応じた画素信号(S読み信号)を保持するための信号である。図2には示されていないが、固体撮像素子には、Tsel209によって選択された画素が出力するN読み信号及びS読み信号の信号レベルを所定のタイミングで保持する第1および第2の保持回路が備えられている。
As described above, the signal TN is a signal for holding a pixel signal (N reading signal) corresponding to the noise charge accumulated in the
そして、信号TSのONで保持したS読み信号の信号レベルから、信号TNのONで保持したN読み信号の信号レベルを差し引けば、FD203に固有のノイズ成分を除去することができる。
Then, by subtracting the signal level of the N reading signal held when the signal TN is turned on from the signal level of the S reading signal held when the signal TS is turned on, the noise component specific to the
図5は、図1に示す固体撮像素子の動作概念を説明するための図である。 FIG. 5 is a diagram for explaining an operation concept of the solid-state imaging device shown in FIG.
図1、図2、および図5を参照して、期間T41において、全ての第1の画素および第2の画素が一括してリセットされる。次に、期間T42において、全ての第1の画素および第2の画素においてPD201で電荷の蓄積が行なわれる。
Referring to FIGS. 1, 2, and 5, all the first pixels and the second pixels are collectively reset in a period T41. Next, in a period T42, charges are accumulated in the
続いて、期間T43において、全ての第1の画素においてPD201に蓄積された電荷が電荷保持部202に一括して転送される。一方、期間T43において、第2の画素ではPD301の電荷蓄積状態が維持される。つまり、第2の画素における電荷の蓄積期間中において、第1の画素においてはPD201に蓄積された電荷が電荷保持部202に転送される。
Subsequently, in a period T43, charges accumulated in the
期間T44において、第1行目から行毎に順次信号の読み出しが行われる。つまり、第2の画素における蓄積期間が終了すると、信号の読み出しが行われる。ここでは、第1の画素では信号が読み出されるまでは電荷保持部202に電荷が保持された状態で読み出し待機が行われる。一方、第2の画素では、PD201に電荷が蓄積された状態で読み出し待機が行われる。
In a period T44, signals are sequentially read from the first row for each row. That is, when the accumulation period in the second pixel ends, signal reading is performed. Here, in the first pixel, until the signal is read, the
従って、読み出し期間において読み出しアンプ15が駆動されて、アンプ発光が起こったとしても、第1の画素では電荷保持部202に電荷が保持されて読み出し待機している状態であるから、第1の画素におけるアンプ発光の影響を軽減することができる。
Accordingly, even if the
さらに、図1に示す固体撮像素子では電荷保持部202を有する第1の画素を右HOB領域だけに配置するようにしたので、回路規模の増大を抑えることが可能となる。
Furthermore, in the solid-state imaging device shown in FIG. 1, since the first pixel having the
図6は、図2で説明した固体撮像素子のレイアウトの他の例を概略的に示す平面図であり、(a)は第1の画素を示す図であり、(b)は第2の画素を示す図である。 FIG. 6 is a plan view schematically showing another example of the layout of the solid-state imaging device described in FIG. 2, (a) is a diagram showing the first pixel, and (b) is the second pixel. FIG.
図3(a)および図3(b)に示す例では、第1の画素の画素サイズは第2の画素の画素サイズよりも大きい。一方、図6(a)および図6(b)に示すように、第1の画素の画素サイズと第2の画素の画素サイズとを等しくすることもできる。 In the example shown in FIGS. 3A and 3B, the pixel size of the first pixel is larger than the pixel size of the second pixel. On the other hand, as shown in FIGS. 6A and 6B, the pixel size of the first pixel can be made equal to the pixel size of the second pixel.
遮光された右HOB領域12(図1)に形成される第1の画素は、非遮光の有効部14に形成される第2の画素に比べて、ダイナミックレンジは小さくてよい。従って、図6(a)に示すように、第1の画素のPD601の面積を、図6(b)に示す第2の画素のPD602の面積よりも小さくできる。そして、第1の画素において、空いたスペースに電荷保持部202、Tx204、およびTres206を配置するようにすれば、第1の画素の画素サイズと第2の画素の画素サイズとを等しくして、さらに回路規模を小さくすることができる。
The first pixel formed in the light-shielded right HOB region 12 (FIG. 1) may have a smaller dynamic range than the second pixel formed in the non-light-shielding
続いて、上述の固体撮像素子を用いた撮像装置の一例について説明する。 Subsequently, an example of an imaging apparatus using the above-described solid-state imaging device will be described.
図7は、図1で説明した固体撮像素子が用いられた撮像装置の一例を示すブロック図である。 FIG. 7 is a block diagram illustrating an example of an imaging apparatus in which the solid-state imaging device described in FIG. 1 is used.
図7を参照して、図示の撮像装置は、たとえば、デジタルカメラであり、被写体などを撮像して画像データを得る。この撮像装置は、図1などに関連して説明したCMOS型の固体撮像素子701を有している。この固体撮像素子701には、撮影レンズ(図示せず)を介して光学像が結像される。
Referring to FIG. 7, the illustrated imaging device is, for example, a digital camera, and obtains image data by imaging a subject or the like. This imaging apparatus includes a CMOS solid-
固体撮像素子701は光学像に応じた電気信号(アナログ信号:画像信号)を出力する。このアナログ信号はアナログフロントエンド(AFE)702に送られる。AFE702はアナログ信号に対して水平OBクランプを行うとともに、アナログデジタル変換(AD)処理を行って、画像データを出力する。
The solid-
デジタルフロントエンド(DFE)703は、画像データに対する補正および画素データの並び替え等のデジタル処理を行って、画像処理部703(補正値算出手段および補正手段)に画像データを出力する。画像処理部704は画像データ(DFE703からの出力)に対して所定の画素補間処理、色変換処理、および後述するパターンノイズ補正処理等の各種画像処理を行った後、表示回路708に画像として表示する。さらに、DFE703の出力は制御回路706に与えられ、制御回路703は当該画像データを記録回路709に記録する。
A digital front end (DFE) 703 performs digital processing such as correction of image data and rearrangement of pixel data, and outputs the image data to an image processing unit 703 (correction value calculation means and correction means). The
メモリ回路705は画像処理部704の作業用メモリであり、連続撮影等においてはバッファーメモリとしても用いられる。制御回路706は、例えば、CPUを内蔵し、撮像装置全体を統括的に制御する。操作回路707は、撮像装置に備えられ、ユーザが操作する操作部(図示せず)からの指示を受け付ける。
A
表示回路708には前述のように画像等が表示され、例えば、TFT(Thin Film Transistor)方式のLCD(Liquid Crystal Display)である。記録回路709はメモリカード又はハードディスクなどの記録媒体である。
The
なお、タイミング発生回路(TG)710は、制御回路706の制御下で撮像素子701を駆動する各種のタイミング信号(図4で説明した各種の信号)を生成する。
Note that the timing generation circuit (TG) 710 generates various timing signals (various signals described in FIG. 4) for driving the
図8は、図7に示すアナログフロントエンド(AFE)702の構成を示すブロック図である。 FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of the analog front end (AFE) 702 shown in FIG.
図8において、AFE702(補正手段)は、ゲインコントロールアンプ(AMP)81、水平OBクランプ回路82、およびアナログデジタル変換回路(AD)83を有している。AMP81は固体撮像素子701から画像信号および水平OBクランプ回路82の出力を受けて感度調整を行う。
In FIG. 8, the AFE 702 (correction means) has a gain control amplifier (AMP) 81, a horizontal
AD83は、AMP81の出力を受けて、例えば、14ビットのデジタル信号に変換して出力する。このデジタル信号は水平OBクランプ回路82に与えられ、水平OBクランプ回路82は、デジタル信号について行方向における緩やかなダークシェーディングを補正して、黒レベル基準値に合わせる。さらに、水平OBクランプ回路82は各行のHOB領域の出力と黒レベル基準値との差(差分)が減少するようにオフセット補正を行う。
The
水平OBクランプ回路82における補正においては、補正量は行が進むにつれて積分されていくため、ゆるやかな変化にのみ追従することになって、HOB領域のノイズの影響を受けない。なお、水平OBクランプ回路82における処理はDFE703において行うようにしてもよい。
In the correction in the horizontal
前述のように、水平OBクランプ回路82の出力はAMP81に与えられ、AMP81はHOB領域における画素出力を黒レベル基準値に合わせるように利得調整(感度調整)を行ってアナログ信号(画像信号)を出力する。
As described above, the output of the horizontal
次に、図7に示す画像処理部705で行われるパターンノイズ補正処理について説明する。
Next, a pattern noise correction process performed by the
パターンノイズ補正処理とは、選択行読み出し中の電源変動等に起因して選択行全体に発生する横線状のノイズを補正する処理である。水平OBクランプ処理によって行方向に緩やかに変化する成分が補正されるのに対して、パターンノイズ補正処理では行方向に生じる高周波成分のノイズを補正する。 The pattern noise correction process is a process for correcting horizontal line noise generated in the entire selected row due to power supply fluctuation during reading of the selected row. While the component that changes gently in the row direction is corrected by the horizontal OB clamp processing, the noise of the high-frequency component that occurs in the row direction is corrected in the pattern noise correction processing.
横線状のノイズは有効部14(図1)の画素およびOB領域の画素のどちらでも発生するため、HOB領域の画素出力から行毎の平均値を算出して、この平均値から黒レベル基準値を減算することによって行毎のノイズ量を算出する。そして、有効部14の画素出力から行毎のノイズ量を減算して、横線状のノイズを補正する。
Since the horizontal noise occurs in both the pixels of the effective portion 14 (FIG. 1) and the pixels in the OB area, the average value for each row is calculated from the pixel output in the HOB area, and the black level reference value is calculated from the average value. The amount of noise for each row is calculated by subtracting. Then, the noise amount for each row is subtracted from the pixel output of the
ここで、図1に示す固体撮像素子では、右HOB領域12の画素は、図3(a)に示す電荷保持部202を有する第1の画素であり、左HOB領域11および有効部14の各々は、図3(b)に示す電荷保持部を有しない第2の画素である。つまり、右HOB領域12と左HOB領域11および有効部14とでは、画素の構造および画素サイズが異なる。このため、電源の変動等に起因する画素出力に対する影響は右HOB領域12と左HOB領域11および有効部14とでは異なる。従って、画素構造の相違を考慮して、右HOB領域12の画素出力から求めたノイズ量に補正係数を乗算して得られた補正ノイズ量を補正に用いる。
Here, in the solid-state imaging device illustrated in FIG. 1, the pixels in the
図9は、図7に示す画像処理部704で行われるパターンノイズ補正を説明するためのブロック図である。
FIG. 9 is a block diagram for explaining pattern noise correction performed by the
図9において、ブロック91および92ではそれぞれ右HOB領域12および左HOB領域11の行ごとの画素出力の平均値が算出される。ブロック93では、ブロック91で算出した右HOB領域12の行毎の画素出力の平均値から黒レベル基準値を減算し、さらに右HOB領域12の画素構造で決定される補正係数Aを掛ける。
In FIG. 9, in
ブロック94では、ブロック92で算出した左HOB領域11の行毎の画素出力の平均値から黒レベル基準値を減算し、さらに左HOB領域11の画素構造で決定される補正係数Bを掛ける。ここで、左HOB領域11は有効部14と同一の画素構造であるため、補正係数B=1とする。
In
ブロック95では、ブロック93および94で算出した値の平均値を行毎に計算し、この平均値を行毎の補正値とする。ブロック96では有効部14の画素出力から、ブロック95で算出した補正値を行毎に減算して出力する。
In
このようなパターンノイズ補正処理によって、水平OB領域の一部において、その画素構造が有効部14と異なる場合であっても、横線状のノイズを効果的に補正ですることができる。
By such pattern noise correction processing, even if the pixel structure is different from that of the
以上、本発明について実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment, this invention is not limited to these embodiment, Various forms of the range which does not deviate from the summary of this invention are also contained in this invention. .
例えば、上記の実施の形態の機能を制御方法として、この制御方法を、撮像装置に実行させるようにすればよい。また、上述の実施の形態の機能を有する制御プログラムを、撮像装置が備えるコンピュータに実行させるようにしてもよい。 For example, the function of the above embodiment may be used as a control method, and this control method may be executed by the imaging apparatus. In addition, a control program having the functions of the above-described embodiments may be executed by a computer included in the imaging apparatus.
この際、制御方法及び制御プログラムの各々は、少なくとも第1のステップ、第2のステップ、および第3のステップを有する。なお、制御プログラムは、例えば、コンピュータに読み取り可能な記録媒体に記録される。 At this time, each of the control method and the control program has at least a first step, a second step, and a third step. The control program is recorded on a computer-readable recording medium, for example.
本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)をネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(又はCPUやMPU等)がプログラムコードを読み出して実行する処理である。この場合、そのプログラム、及び該プログラムを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。 The present invention is also realized by executing the following processing. That is, software (program) that realizes the functions of the above-described embodiments is supplied to a system or apparatus via a network or various storage media, and a computer (or CPU, MPU, etc.) of the system or apparatus reads the program code. It is a process to be executed. In this case, the program and the storage medium storing the program constitute the present invention.
11 左水平OB領域
12 右水平OB領域
13 垂直OB領域(VOB)
14 有効部
15 読み出しアンプ
201,601,602 フォトダイオード(PD)
202 電荷保持部
203 フローティングディフュージョン(FD)
204,205 転送MOSトランジスタ
206,207 リセットMOSトランジスタ
208 ソースフォロアMOSトランジスタ
209 選択MOSトランジスタ
11 Left
14
202
204, 205
Claims (8)
光に応じた電荷を発生する第1の光電変換部と、該第1の光電変換部に蓄積された電荷を一旦蓄積する電荷保持部と、前記電荷保持部に蓄積された電荷が転送される第1のフローティングディフュージョン部とを有し、前記第1のフローティングディフュージョン部に蓄積された電荷を増幅して第1の画素信号として出力する第1の画素と、
光に応じた電荷を発生する第2の光電変換部と、該第2の光電変換部に蓄積された電荷が転送される第2のフローティングディフュージョン部とを有し、前記第2のフローティングディフュージョン部に蓄積された電荷を増幅して第2の画素信号として出力する第2の画素とを備え、
前記遮光画素領域の少なくとも一部では前記画素として前記第1の画素が用いられ、前記有効画素領域では前記画素として前記第2の画素が用いられており、
前記第2の光電変換部に電荷が蓄積されている蓄積期間中に、前記第1の光電変換部から前記電荷保持部に電荷を転送するようにしたことを特徴とする撮像素子。 An image pickup device having a pixel region in which a plurality of pixels are arranged in a two-dimensional matrix, wherein the pixel region includes a light-shielded pixel region where the pixel is shielded from light and an effective pixel region where the pixel is not shielded from light Because
A first photoelectric conversion unit that generates a charge according to light, a charge holding unit that temporarily stores the charge accumulated in the first photoelectric conversion unit, and a charge that is accumulated in the charge holding unit is transferred A first pixel having a first floating diffusion section, amplifying the charge accumulated in the first floating diffusion section and outputting the first pixel signal;
A second photoelectric conversion unit that generates a charge corresponding to light; and a second floating diffusion unit to which the charge accumulated in the second photoelectric conversion unit is transferred, the second floating diffusion unit And a second pixel that amplifies the charge accumulated in the pixel and outputs it as a second pixel signal,
The first pixel is used as the pixel in at least a part of the light-shielding pixel region, and the second pixel is used as the pixel in the effective pixel region,
An image pickup device, wherein charge is transferred from the first photoelectric conversion unit to the charge holding unit during a storage period in which charge is stored in the second photoelectric conversion unit.
前記画素領域の外側に配置され、前記第1および前記第2の画素信号を増幅する読み出しアンプを備え、
前記遮光画素領域の一部は前記読み出しアンプの近傍に位置する遮光画素領域であることを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。 The light-shielding pixel region is disposed so as to surround the effective pixel region;
A read amplifier disposed outside the pixel region and amplifying the first and second pixel signals;
The image sensor according to claim 1, wherein a part of the light-shielding pixel region is a light-shielding pixel region located in the vicinity of the readout amplifier.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の撮像素子と、
前記第1の画素から出力された画素信号と黒レベル基準値との差分に応じて、前記有効画素領域から出力された画素信号の黒レベルを前記黒レベル基準値に合わせる補正手段とを有することを特徴とする撮像装置。 In an imaging device that captures an image of a subject and obtains image data,
The imaging device according to any one of claims 1 to 4,
Correction means for adjusting a black level of the pixel signal output from the effective pixel region to the black level reference value according to a difference between the pixel signal output from the first pixel and a black level reference value; An imaging apparatus characterized by the above.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の撮像素子と、
前記第1の画素から出力された画素信号と黒レベル基準値との差分に前記第1の画素の構造で規定される補正係数を乗算して補正値を求める補正値算出手段と、
前記有効画素領域から出力された画素信号を前記補正値で補正する補正手段を有することを特徴とする撮像装置。 In an imaging device that captures an image of a subject and obtains image data,
The imaging device according to any one of claims 1 to 4,
Correction value calculation means for obtaining a correction value by multiplying a difference between a pixel signal output from the first pixel and a black level reference value by a correction coefficient defined by the structure of the first pixel;
An image pickup apparatus comprising: a correction unit that corrects a pixel signal output from the effective pixel region with the correction value.
前記画素領域には、光に応じた電荷を発生する第1の光電変換部と、該第1の光電変換部に蓄積された電荷を一旦蓄積する電荷保持部と、前記電荷保持部に蓄積された電荷が転送される第1のフローティングディフュージョン部とを有し、前記第1のフローティングディフュージョン部に蓄積された電荷を増幅して第1の画素信号として出力する第1の画素と、
光に応じた電荷を発生する第2の光電変換部と、該第2の光電変換部に蓄積された電荷が転送される第2のフローティングディフュージョン部とを有し、前記第2のフローティングディフュージョン部に蓄積された電荷を増幅して第2の画素信号として出力する第2の画素とが備えられ、
前記遮光画素領域の少なくとも一部では前記画素として前記第1の画素が用いられ、前記有効画素領域では前記画素として前記第2の画素が用いられており、
前記第1および前記第2の光電変換部で電荷を蓄積する第1のステップと、
前記電荷の蓄積期間中に前記第1の光電変換部から前記電荷保持部に前記電荷を転送する第2のステップと、
前記第2の光電変換部で前記電荷の蓄積が終了すると、前記第2の光電変換部に蓄積された電荷を前記第2のフローティングディフュージョン部に転送するとともに、前記電荷保持部に保持された電荷を前記第1のフローティングディフュージョン部に転送する第3のステップとを有することを特徴とする制御方法。 An image pickup device having a pixel region in which a plurality of pixels are arranged in a two-dimensional matrix, wherein the pixel region includes a light-shielded pixel region where the pixel is shielded from light and an effective pixel region where the pixel is not shielded from light Control method,
In the pixel region, a first photoelectric conversion unit that generates charges according to light, a charge holding unit that temporarily stores charges accumulated in the first photoelectric conversion unit, and a charge holding unit that stores the charges. A first pixel for amplifying the charge accumulated in the first floating diffusion unit and outputting it as a first pixel signal;
A second photoelectric conversion unit that generates a charge corresponding to light; and a second floating diffusion unit to which the charge accumulated in the second photoelectric conversion unit is transferred, the second floating diffusion unit And a second pixel that amplifies the charge accumulated in the pixel and outputs it as a second pixel signal,
The first pixel is used as the pixel in at least a part of the light-shielding pixel region, and the second pixel is used as the pixel in the effective pixel region,
A first step of accumulating charges in the first and second photoelectric conversion units;
A second step of transferring the charge from the first photoelectric conversion unit to the charge holding unit during the charge accumulation period;
When the accumulation of the electric charge is completed in the second photoelectric conversion unit, the electric charge accumulated in the second photoelectric conversion unit is transferred to the second floating diffusion unit, and the electric charge held in the electric charge holding unit And a third step of transferring to the first floating diffusion section.
前記画素領域には、光に応じた電荷を発生する第1の光電変換部と、該第1の光電変換部に蓄積された電荷を一旦蓄積する電荷保持部と、前記電荷保持部に蓄積された電荷が転送される第1のフローティングディフュージョン部とを有し、前記第1のフローティングディフュージョン部に蓄積された電荷を増幅して第1の画素信号として出力する第1の画素と、
光に応じた電荷を発生する第2の光電変換部と、該第2の光電変換部に蓄積された電荷が転送される第2のフローティングディフュージョン部とを有し、前記第2のフローティングディフュージョン部に蓄積された電荷を増幅して第2の画素信号として出力する第2の画素とが備えられ、
前記遮光画素領域の少なくとも一部では前記画素として前記第1の画素が用いられ、前記有効画素領域では前記画素として前記第2の画素が用いられており、
コンピュータに、
前記第1および前記第2の光電変換部で電荷を蓄積する第1のステップと、
前記電荷の蓄積期間中に前記第1の光電変換部から前記電荷保持部に前記電荷を転送する第2のステップと、
前記第2の光電変換部で前記電荷の蓄積が終了すると、前記第2の光電変換部に蓄積された電荷を前記第2のフローティングディフュージョン部に転送するとともに、前記電荷保持部に保持された電荷を前記第1のフローティングディフュージョン部に転送する第3のステップとを実行させることを特徴とする制御プログラム。 An image pickup device having a pixel region in which a plurality of pixels are arranged in a two-dimensional matrix, wherein the pixel region includes a light-shielded pixel region where the pixel is shielded from light and an effective pixel region where the pixel is not shielded from light A control program for performing read control of
In the pixel region, a first photoelectric conversion unit that generates charges according to light, a charge holding unit that temporarily stores charges accumulated in the first photoelectric conversion unit, and a charge holding unit that stores the charges. A first pixel for amplifying the charge accumulated in the first floating diffusion unit and outputting it as a first pixel signal;
A second photoelectric conversion unit that generates a charge corresponding to light; and a second floating diffusion unit to which the charge accumulated in the second photoelectric conversion unit is transferred, the second floating diffusion unit And a second pixel that amplifies the charge accumulated in the pixel and outputs it as a second pixel signal,
The first pixel is used as the pixel in at least a part of the light-shielding pixel region, and the second pixel is used as the pixel in the effective pixel region,
On the computer,
A first step of accumulating charges in the first and second photoelectric conversion units;
A second step of transferring the charge from the first photoelectric conversion unit to the charge holding unit during the charge accumulation period;
When the accumulation of the electric charge is completed in the second photoelectric conversion unit, the electric charge accumulated in the second photoelectric conversion unit is transferred to the second floating diffusion unit, and the electric charge held in the electric charge holding unit And a third step of transferring the program to the first floating diffusion section.
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-
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