JP3540341B2 - 固体撮像素子の信号読み出し処理方式及びそれに用いる固体撮像素子 - Google Patents
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【産業上の利用分野】
この発明は、固体撮像素子の信号読み出し処理方法及びそれに用いる固体撮像素子に関し、特に温度変化等による暗時固定パターンノイズの変化に追従し、常に暗時固定パターンノイズを安定に抑圧できるようにした動画撮像も可能な固体撮像素子の信号読み出し処理方法及びそれに用いる固体撮像素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、光電変換機能と蓄積電荷の増幅,読み出し及びリセット機能をもつ、例えばSIT(Static Induction Transistor ),AMI(Amplified MOS Imager),CMD(Charge Modulation Device)で代表される内部増幅型光電変換素子を単位画素として用いた固体撮像素子により画像を再生する装置が知られている。かかる画像再生装置においては、固体撮像素子固有の固定パターンノイズ(以下、FPNと略称する)をキャンセルするために、フレームメモリ等の記憶手段を設け、該記憶手段に各画素毎にFPNを記憶し、固体撮像素子の各画素から得られた画像情報から、各画素に対応するFPNを減算して画像信号を得るようにしたFPN抑圧手段が必要となる。
【0003】
図15は、かかる内部増幅型光電変換素子による画像再生装置において用いられている、例えば特開昭64−39171号等に開示されている従来のFPN抑圧手段のブロック構成図である。図15において、101 は固体撮像素子、102 は増幅回路、103 はA/D変換器、104 は切換スイッチ、105 はフレームメモリ等からなるFPNメモリ、106 は減算器、107 はD/A変換器である。このように構成された画像再生装置において、固体撮像素子101 から出力される画像信号は増幅回路102 で増幅され、A/D変換器103 によりデジタル信号に変換される。まず入射光を遮断した状態で固体撮像素子101 から出力される暗時信号を、切換スイッチ104 をb側に接続して、FPNメモリ105 に記憶する。この暗時信号がFPN信号となる。暗時FPN記憶動作の終了後、切換スイッチ104 をa側に切り換え接続し、遮光を解除する。これにより、固体撮像素子101 から出力される光生成電荷による明時信号は、A/D変換器103 でA/D変換されて、減算器106 において、FPNメモリ105 内に記憶されたFPN信号と繰り返し減算処理され、FPNが抑圧された画像信号となり、次いでD/A変換器107 に入力されD/A変換されてビデオ信号として出力される。なお、FPNメモリには、通常1フレーム又は数フレームの平均された暗時信号が記憶される。
【0004】
ここで、暗時FPN記憶時に、固体撮像素子を遮光する代わりに、蓄積した光生成電荷をリセットした直後、あるいはリセットしながら固体撮像素子から信号を読み出して得られる暗時信号を、暗時FPN信号とすることもできる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図15に示した従来のFPN抑圧手段は、暗時のFPN信号を予めFPNメモリ105 に記憶させておいて、光生成電荷に応じた画像信号から前記暗時FPN信号を減算してビデオ信号を出力させるものであるため、温度変化等により暗時FPNが変化した場合、この変化に追従できず、常に安定してFPNを抑圧することができないという問題点がある。
【0006】
また上記温度変化対策のため、撮像途中で固体撮像素子を間欠的に遮光して暗時FPN信号を取り込む方法が知られている。この方法により、連続撮像動作中に、例えば1フレーム分の暗時信号をFPNメモリに記憶させるためには、固体撮像素子からは図16の(A)に示すような出力が必要となり、時刻td において、固体撮像素子からは、光生成電荷の蓄積されていない暗時信号が出力される。この固体撮像素子の出力をそのまま映像出力とすると、図16の(B)に示すように、時刻td において、映像出力が得られず、モニタには時刻td のタイミングで、何も映らない画面のとぎれた状態となる。この画面のとぎれを、図16の(C)に示すように、直前の撮像画面を繰り返し出力して補間しても、動画に対しては動きが不自然になり、大きな問題となる。
【0007】
本発明は、従来の内部増幅型光電変換素子のFPN抑圧手段の上記問題点を解消するためになされたもので、温度変化による暗時FPNの変化に追従し、常に暗時FPNを安定に抑圧できるようにした動画撮像にも対応可能な固体撮像素子の信号読み出し処理方法及びそれに用いる固体撮像素子を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段及び作用】
上記問題点を解決するため、本発明は、内部増幅型光電変換素子を単位画素とし該単位画素をマトリクス状に配列してなるXYアドレス型の固体撮像素子の信号読み出し処理方法において、一垂直走査期間のある特定の行の各画素の光生成電荷による明時信号を読み出した後、前記特定行の各画素の光生成電荷をリセットした直後又はリセットしながら光生成電荷のない状態の暗時信号を読み出して前記特定行の各画素の暗時信号を外部メモリに記憶する第1のステップと、前記特定行を一垂直走査期間毎又は複数垂直走査期間毎に変化させながら前記第1のステップを各特定行に対して順次実行し、複数垂直走査期間で全有効行の各画素の暗時信号を順次読み出して該画素の暗時信号を前記外部メモリへ暗時 信号の初期値として記憶させる第2のステップと、引き続き前記第2のステップを繰り返しながら全有効行の各画素の暗時信号を新たに読み出して、前記外部メモリに記憶されている暗時信号を新たに読み出された暗時信号で書き換えることによりリフレッシュさせるか、または前回の第2のステップで前記外部メモリに記憶されている暗時信号と第2のステップで新たに読み出された暗時信号を所定の比で加算して得られた暗時信号で前回の第2のステップで記憶されている暗時信号を書き換えてリフレッシュさせる第3のステップと、前記外部メモリに記憶した各行の画素の暗時信号を読み出し、タイミングを合わせて対応する各行の画素の明時信号から減算処理する第4のステップとを備えて、固体撮像素子の信号読み出し処理を行うものである。
【0009】
このように構成した信号読み出し処理方法においては、外部メモリに記憶された暗時信号は複数垂直走査期間毎の短時間毎にリフレッシュ又は所定の比で加算されるので、温度変化等により暗時FPNが変化した場合でも、その変化に十分に追従し常に安定に暗時FPNを抑圧した画像信号が得られる。また撮像途中において暗時信号を読み出す期間は、一垂直走査期間中僅か1〜数ライン期間であり、撮像の連続性が損なわれることはなく、動画に対しても何ら問題を生ぜず、十分に対応させることができる。
【0010】
【実施例】
次に、実施例について説明する。図1は、本発明に係る固体撮像素子の信号読み出し処理方法の第1実施例を説明するための信号読み出し処理装置のブロック構成図である。図1において、1は内部増幅型光電変換素子を画素として用い、該画素をマトリクス状に配置した受光部2を備えた固体撮像素子で、この実施例では内部増幅型光電変換素子としてCMDを用いたものを示している。受光部2は説明を簡単にするため、3行×L列の構成としている。3は垂直走査回路で、読み出す行を選択する走査信号を送出するものである。4は水平走査回路で、読み出し状態にある行のL個のCMD画素を順次読み出す走査信号を送出するものである。5は増幅器で、固体撮像素子1の画素出力信号を増幅するものであり、該増幅器5で増幅された出力信号は、A/D変換器6でA/D変換されて、1Hデレイライン7と、切換スイッチ8の入力端子bと、FPNメモリ9へそれぞれ入力されるようになっている。切換スイッチ8は、制御信号入力端子10より入力される制御信号により、入力端子aに入力される1Hデレイライン7の出力信号、入力端子bに入力される1Hデレイライン7の入力信号(A/D変換器6の出力信号)、入力端子cに入力されるGNDすなわちデジタル00・・・0信号のいずれかを選択出力するようになっている。11は減算器で、切換スイッチ8で選択された信号から、FPNメモリ9の出力信号を減算するものであり、減算器11の出力信号はD/A変換器12でD/A変換され、ビデオ信号が出力されるようになっている。
【0011】
次に、このように構成されている信号読み出し処理装置の動作について説明する。図2及び図3は、この動作を説明するための各部の信号波形を示すタイミングチャートである。まず固体撮像素子1において、垂直走査回路3を駆動して読み出す選択行のCMD画素を読み出し状態にして、水平走査回路4により読み出し状態にある行のCMD画素の信号を順番に読み出す。垂直走査回路3により選択した行のCMD画素の読み出し状態は、選択した行のCMD画素の共通ゲートライン電位を読み出し電位VRDにすることで可能になる。このとき非選択行の共通ゲートライン電位は蓄積電位VSTにしている。また、1行分の各画素の蓄積した光生成電荷による信号を読み出した後、蓄積電荷をリセットするために、水平ブランキング期間に共通ゲートライン電位をリセット電位VRST にする。なお、画素としてCMDを用いた場合は、ブルーミング抑制のため水平ブランキング期間で、ゲート電位を蓄積電位VSTより高いオーバーフロー電位VOFとして、過剰蓄積電荷の掃き出しを行うオーバーフロー動作も行っている。
【0012】
図2においては、固体撮像素子1の1〜3行の共通ゲートライン電位波形を、それぞれA,B,Cで示している。このゲートライン電位波形A,B,Cからわかるように、本実施例においては、第1フレームでは、1行目の光生成電荷を蓄積した状態の明時信号を、t=0〜1の期間に読み出して、t=1の時点で、蓄積電荷をリセットしたのち、再びt=1〜2の期間で1行目の画素の信号を読み出すようにゲートライン電位を制御している。これは、t=1〜2の期間では光生成電荷の蓄積していない状態の暗時信号を読み出していることに相当する。
【0013】
内部増幅型光電変換素子は、蓄積電荷を増幅するトランジスタの特性ばらつきによるFPNを発生するが、上記暗時信号の読み出しは暗電流をゼロとした場合の暗時FPN(以下、この意味で用いる)を読み出していることになる。暗電流は最近非常に小さく抑えられており、通常の固体撮像素子の使用条件下では無視できるようになっているため、暗時FPNはほぼトランジスタの特性のばらつきにより発生しているものを意味する。暗時FPNは光量に無関係に一定レベル存在し、最初に読み出した光生成電荷に応じた明時信号にオフセット的に重畳されている。
【0014】
次いで、同様にして第2フレームでは2行目の暗時信号を、第3フレームでは3行目の暗時信号を読み出し、第4フレームでは再び1行目の暗時信号を読み出すようにしている。なお、通常は各フレーム間には垂直ブランキング期間が存在するが、図2においては、。各フレームのうち5ラインが垂直ブランキング期間に相当する。垂直走査回路3から出力されるこのようなゲートライン電位を印加することにより読み出された、明るさが一様な被写体を撮像した場合の信号波形、及び増幅されA/D変換された信号波形を、図2のD,Eで示す。なお、上記信号波形E及び次に述べる信号波形F〜Lは、デジタル信号であるが、わかり易いようにアナログ信号として波形を示している。
【0015】
上記出力信号波形D,Eからわかるように、第1フレームでは、1行目明時信号1Sに次いで、1行目暗時信号1Fが読み出され、1S,1F,2S,3Sの順番で固体撮像素子1から信号が読み出される。なお、1〜3行目の明時信号は1S,2S,3Sで表し、暗時信号は1F,2F,3Fで表すことにする。同様に第2フレームでは、1S,2S,2F,3Sの順番、第3フレームでは1S,2S,3S,3Fの順番となり、第4フレームでは再び第1フレームと同一の信号読み出し順番に戻る。すなわち、第4フレーム以降は1,2及び3行目の暗時信号が繰り返して読み出される。ここで、第1〜第3フレームに読み出された暗時信号は1〜3行目の暗時信号の初期値となる。一方、第4フレーム以降に読み出される暗時信号は、その都度更新されるリアルタイムでの最新の暗時信号となる。
【0016】
これらの出力信号Eを1Hデレイライン7で1ライン遅延した出力信号を図2のFで示し、各行の明時信号及び暗時信号にはダッシュを付して示している。
【0017】
切換スイッチ8は、入力端子10に印加する制御信号Gの制御電圧Va ,Vb ,Vc によって、それぞれ入力端子a,b,cへの入力信号を選択し出力するようになっており、図3においてGで示す制御信号波形を与えることにより、切換スイッチ8の出力端子からは、図3における信号波形Hで示すように、暗時信号の抜けた連続した明時信号が得られる。
【0018】
一方、FPNメモリ9は、固体撮像素子1から暗時信号が出力される期間のみライトイネーブルとし、暗時信号を書き込み記憶するようになっている。すなわち、第1フレームでは1行目の暗時信号1Fを、第2,第3の各フレームでは、それぞれ2,3行目の暗時信号2F,3Fを書き込むことになり、したがって第1,第2,第3フレームの期間で全有効行の暗時信号の書き込み記憶動作が完了する。その後、第4フレームでは1行目の暗時信号が再度読み出され、FPNメモリ9には新たな暗時信号の書き込み記憶動作が行わ れる。同様にして、第5フレーム以降は2行目以降の各行の最新の暗時信号がFPNメモリ9に書き込まれることになり、FPNメモリ9は3フレーム毎に最新の暗時信号にリフレッシュされる。そしてFPNメモリ9からは、切換スイッチ8の出力信号Hに、タイミングを一致させて、暗時信号が連続して読み出されるようになっており、このFPNメモリ9から読み出され暗時信号を図3のIに示す。減算器11では、切換スイッチ8の出力信号HからFPNメモリ9からの暗時信号Iを減算し、これにより、暗時FPNが抑圧されたビデオ信号Jが得られる。
【0019】
図1に示した実施例では、3フレーム毎に新たに読み出された暗時FPNによりFPNメモリ9に記憶した暗時FPNが書き換えられリフレッシュされるが、NTSC方式に対応した行数をもつ通常の固体撮像素子について考えると、暗時FPNは1フィールドに1行ずつ書き込まれ、525 フィールドで全行の暗時信号の記憶が完了するから、暗時信号リフレッシュ周期は525 フィールドとなり、1/60(秒)×525 ≒9秒である。このリフレッシュ周期は周囲温度変化の時間に比べて十分小さい時間であり、周囲温度変化に対しての暗時FPNの変化に完全に追従できる。なお、9秒毎に完全にFPNメモリに記憶されている信号をリフレッシュせずに、一般的なノイズリデュースの方法を用いて、記憶している信号と新たに読み出した信号を適当な比で加算し、ランダムノイズを抑圧して再記憶する方法が有効であることは言うまでもない。
【0020】
また、全行の暗時FPNを取り込むまでに9秒かかるので、電源投入後、暗時FPNの抑圧された画像信号が出力されるまで9秒かかることになる。この時間は、通常は装置の立ち上げ時間として許容できる範囲であるが、例えば電源投入時にはオーバーフロー電位VOFをリセット電位VRST に等しくして、水平ブランキング毎にリセット動作を行い、全行の暗時信号が出力する状態にして、連続して暗時信号をFPNメモリに書き込むことによって、最低1フレーム期間(1/30秒)で、全行の暗時FPNをFPNメモリに記憶する方法を用いることにより、立ち上げ時間の短縮化を図ることが可能である。
【0021】
図1に示した第1実施例においては、デジタル信号間で明時信号から暗時FPNの減算処理を行っているが、暗時信号のみデジタル化してFPNメモリに記憶し、FPNメモリの出力を再度アナログ信号に変換したのち、アナログ信号の明時信号から減算するように構成しても問題はない。図4は、このようにアナログ信号間で減算処理を行うようにした第2実施例を説明するためのブロック構成図で、図1に示した第1実施例と同一又は対応する部材には同一符号を付して示している。図4において、13はアナログ信号の明時信号を1ライン遅延させるための1Hデレイライン、14は切換スイッチ、16はアナログ信号間の減算処理を行う減算器である。
【0022】
図1に示した第1実施例は、暗時FPNの減算処理をデジタル方式で行うためFPN減算の精度が良いが、映像信号をデジタル化するため多ビットのA/D変換器を使用しないとS/Nが劣化するので、高価であるという問題点がある。これに対し、上記第2実施例は、暗時FPNの減算処理をアナログ方式で行うため、FPN減算精度は第1実施例に比べて劣るが、A/D変換器のビット数は第1実施例に比べて小さくて済み、経済的に有利であるという利点がある。
【0023】
上記第1及び第2実施例においては、明時信号読み出しの途中で暗時信号を読み出すために、暗時信号を読み出す行の前後で蓄積時間が1ライン期間分異なる現象が生ずる。すなわち図2に示したタイミングチャートからわかるように、第2フレームにおいて1行目で読み出す生成電荷の蓄積期間は、t=2〜5の3ライン、2行目についてはt=3〜6の3ライン、3行目についてはt=4〜8の4ラインとなる。以下同様に第3フレームの1,2,3行目は、それぞれ4,3,3ラインとなり、第4フレームの1,2,3行目は、それぞれ4,5,4ラインとなる。
【0024】
この蓄積時間の差は、3行の固体撮像素子で1フレームに1行の暗時信号を読み出す場合は、4ラインを中心として±1ライン期間分である。N行の固体撮像素子で1フレームに1行の暗時信号を読み出す場合は、正確には垂直ブランキング期間によるが、Nラインを中心として±1ライン期間となる。走査線525 ラインのNTSC方式に対応した一般の固体撮像素子においては、1ラインの蓄積時間差による蓄積電荷量の差は、フィールド蓄積読み出しの場合、1/( 525/2)×100 ≒0.4%に過ぎず、通常は実用上問題がない。
【0025】
しかし、用途によっては問題となる場合があるので、この蓄積時間差の問題を解消できるようにした第3実施例について説明する。図5は第3実施例を説明するための信号読み出し処理装置のブロック構成図である。この実施例においては、図1に示した実施例におけるD/A変換器12の前段に乗算器17を設け、信号レベル補正を加えるようにするものである。乗算器17は、係数入力端子18から入力された乗算器係数を、入力信号に乗算する。図3のタイミングチャートに、係数波形をKで示す。ここでK1 :K0 :K2 =1/3:1/4:1/5に設定すれば、信号レベル差を補正することができる。補正後の信号波形をLで示す。
【0026】
なお、上記第1〜第3実施例においては、1フレーム期間に1行の暗時信号を読み出すために、明時信号の読み出しの連続性が、1行読み出し期間とぎれることになる。しかし、走査線525 ラインのNTSC方式に対応した一般の固体撮像素子においては、1行の読み出し期間は約64μsec であり、この期間に行間の読み出しの連続性が損なわれても、視覚的には検知されず問題とならない。すなわち動画撮像上も問題とならない。
【0027】
また、上記各実施例では、1フレームに1行ずつ暗時信号を読み出す場合について説明を行ったが、1フレームに数行ずつ連続して、あるいは間隔をあけて暗時信号を読み出すようにしても構わない。例えば、N行の受光部をもつ固体撮像素子で1フレームに2行ずつ連続して読み出す場合は、次のように固体撮像素子から信号が読み出される。
第1フレームでは、1S,1F,2S,2F,3S,4S,5S,・・・NS
第2フレームでは、1S,2S,3S,3F,4S,4F,5S,・・・NS
また、1フレームに2行ずつ2行の間隔をあけて読み出す場合は、次のように信号が読み出される。
第1フレームでは、1S,1F,2S,3S,4S,4F,5S,・・・NS
第2フレームでは、1S,2S,2F,3S,4S,5S,5F,・・・NS
【0028】
このような1フレームに2行ずつの暗時信号を読み出す場合は、蓄積時間は最大±2ライン増減することになり、また読み出しの連続性も最大2ライン期間とぎれることになるが、NTSC方式対応の固体撮像素子においては、それぞれ信号レベル差は0.8%、とぎれる時間は約128 μsec であり、実用上問題とならない。また信号レベル差については、図5に示した第3実施例の方法を用いることにより補正可能である。
【0029】
また、上記各実施例では、フレーム毎に暗時信号を読み出す行を変化させるようにしたものを示したが、暗時信号を読み出す行は、複数フレーム毎に変化させるようにしても、同様に本発明による効果が得られる。
【0030】
上記固体撮像素子の信号読み出し処理方法に関する発明は、暗時信号を記憶したFPNメモリの内容の更新を例えば1フレーム期間に、1行又は数行分ずつ行う方法であるが、この方法を従来の内部増幅型光電変換素子を用いたXYアドレス型の固体撮像素子に、そのまま適用することは困難である。次に、上記固体撮像素子の信号読み出し処理方法を実施するために用いる固体撮像素子について説明する。
【0031】
まず、本発明に係る内部増幅型光電変換素子を用いたXYアドレス型の固体撮像素子の概要を、図6の概念図に基づいて説明する。図6において、21は水平走査回路、22は垂直走査回路、23はCMD画素を3行3列に並べて構成した受光部、24は水平走査回路21に入力されるクロック群、25は垂直走査回路22に入力されるクロック群、26は信号出力端子、27はCMDのドレイン電源である。なおCMDの動作を制御するために必要な蓄積,読み出し,リセット,オーバーフロー電源は図示を省略している。
【0032】
CMDを用いたXYアドレス型の固体撮像素子では、垂直走査回路22により選択され読み出し状態にある行の信号を、水平走査回路21により順番に読み出すようになっており、垂直走査回路22はシフトレジスタとCMDの動作を制御する4値のゲート電位を発生するレベルミックス回路からなり、水平走査回路21はシフトレジスタと信号選択スイッチとで構成されている。垂直及び水平走査回路22,21に含まれるシフトレジスタは、入力されるクロックに従い信号を順次シフトさせていくものである。図7に、図6に示した固体撮像素子における信号出力の態様と、垂直走査回路22から各行のゲートラインに出力されるゲート電位を示す。本発明における固体撮像素子においては、第1フレームでは、第1行の画素の光生成電荷による入射光情報をもった明時信号1Sの読み出しに続いて、第1行の入射光情報をリセットした後、第1行の入射光情報をもたない暗時信号1Fを読み出す。次に、第2行,第3行の入射光情報をもった明時信号2S,3Sを読み出す。第2フレームでは、第1行の入射光情報をもった明時信号1Sを読み出した後、第2行の入射光情報をもった明時信号2Sの読み出しに続いて、第2行の入射光情報をリセットした後、第2行の入射光情報をもたない暗時信号2Fを読み出す。次に、第3行の入射光情報をもった明時信号3Sを読み出す。このように、連続するフレームにおいて、入射光情報をもった明時信号に続き、入射光情報をもたない信号すなわち暗時信号を読み出す行を変化させ、一定のフレーム期間で、1フレーム分の暗時信号を更新させることができるように、垂直及び水平走査回路が構成されている。
【0033】
次に、本発明に係る固体撮像素子の具体的な実施例について説明する。CMDを用いた固体撮像素子においては、垂直走査回路に含まれるレベルミックス回路から出力される4値のパルスにより、CMD画素の蓄積,読み出し,リセット,オーバーフローの各動作が制御される。また、水平走査回路は垂直走査回路により読み出し状態に選択された行の画素の出力を順次読み出す働きをする。したがって、本発明による固体撮像素子は、従来のCMDを用いた固体撮像素子の垂直走査回路を変更することにより実現可能である。図8は、CMDを用いた固体撮像素子の第1の実施例の垂直走査回路を示す回路構成図であり、本実施例では3行3列の受光部に対応させて3段の垂直走査回路を示している。
【0034】
図8において、31は2個のクロックドインバータからなるシフトレジスタユニットを縦続接続してなるシフトレジスタで、32はシフトレジスタユニット、33-1はシフトレジスタユニットを構成する第1のクロックドインバータ、33-2はシフトレジスタユニットを構成する第2のクロックドインバータを示している。34はレベルミックス回路で、本件出願人が特願平4−56076号で提案したものを用いており、35はレベルミックス回路を構成するレベルミックス回路ユニットである。また36はリセット電源、37は読み出し電源、38はオーバーフロー電源、39は蓄積電源である。そして、シフトレジスタ31の第1のクロックドインバータ33-1には、クロックφV2とその反転クロック/φV2及びスタートパルスφVST を入力し、第2のクロックドインバータ33-2には、クロックφV1とその反転クロック/φV1を入力している。またレベルミックス回路34のレベルミックス回路ユニット35を構成しているトランジスタQofには、クロック/φV1を、同じくトランジスタQacにはクロックφV1を入力し、またリセット電源36に接続されたトランジスタQrsにはクロック/φV3(クロックφV3の反転クロック)を、読み出し電源37に接続されているトランジスタQrdには、クロックφV3を入力している。そして、シフトレジスタ31を構成する各シフトレジスタユニット32の出力である選択信号S1 ,S2 ,S3 は、インバータを介してレベルミックス回路34の各ユニット35へ入力され、各レベルミックス回路ユニット35から各行のゲートラインにゲート電位G1 ,G2 ,G3 が出力されるようになっている。
【0035】
次に、このように構成された垂直走査回路の動作を、図9に示した選択信号S1 ,S2 ,S3 及びゲート電位G1 ,G2 ,G3 のタイミングチャートを参照しながら説明する。図9に示すように、第1フレームにおいては時刻t1 で、クロックφV2のハイレベルを出力しないようにしている。したがって第1段目のシフトレジスタユニットからは選択信号S1 が出力され、時刻t1 の直前で選択状態にある行、すなわち第1行がクロックφV1の2周期分にわたり選択状態となる。また選択行に対して、リセット電位を供給するタイミングを決めるクロックφV3は、時刻t1 においてもハイレベルが失われないようにしており、したがって第1行は選択状態の前半は、入射光情報をもった明時信号が読み出され、入射光情報をリセットし、選択状態の後半に、入射光情報をもたない信号すなわち暗時信号が連続して読み出される。次の第2フレームでは、時刻t2 で、クロックφV2のハイレベルが失われるようにしている。したがって時刻t2 の直前では、第2行が選択状態であるので、このフレームでは第2行がクロックφV1の2周期分にわたり選択状態となる。そして、先のフレームにおける第1行と同様の読み出しが第2行に対して行われる。
【0036】
このように、本実施例によれば、1フレームの中、特定の1行に対して、入射光情報をもった明時信号を読み出した後、入射光情報をリセットし、暗時信号を読み出すことができるようになっている。また、連続するフレームで、この特定の行を変化させることにより、有限のフレーム期間で、1フレーム分の暗時信号を得ることができる。フレームメモリからなるFPNメモリの内容の中、暗時信号を得る画素に対応する内容についてメモリの内容を更新していくことにより、順次FPNメモリに記憶した暗時信号を更新することができる。
【0037】
上記第1実施例においては、図10に示す各行のゲート電位G1 ,G2 ,G3 のタイミングチャートからわかるように、各行の蓄積時間が不揃いになるという問題がある。すなわち、第2フレームでの各行の蓄積時間は、第1行及び第2行が3H(1Hは1水平走査期間)、第3行が4H、第3フレームでは、第1行が4H、第2行及び第3行が3H、第4フレームでは、第1行及び第3行が4H、第2行が5Hとなる。このような蓄積時間の不揃いは、NTSC方式を考えた場合、走査線数に対して、±1Hであるので、先に述べたように約0.4%となり、殆どの場合には問題とならない。しかし、1フレーム分の画像を静止画としてみる場合は、フレーム内に蓄積時間の違った部分の境界があると、その部分が無視できない場合がある。
【0038】
この問題は、ある垂直走査期間内の特定の行(明時信号を読み出した後リセットし、暗時信号を読み出す行)に先行して走査される行、及び、次の垂直走査期間で特定の行となる行より後に走査される行に対して、信号読み出し期間中又は信号読み出し期間直後の光生成電荷のリセットに加え、一水平走査期間後に光生成電荷のリセット動作を行うことで解決できる。
【0039】
上記の垂直走査期間内の蓄積時間を揃えるためのリセット動作を行う行を、図10に基づいて更に詳細に説明する。前者の行は、図10の第3フレームに着目すると、特定の行は第3行であるので、これに先行して走査される第1,第2行に相当し、後者の行は、第1フレームに着目すると、次フレームすなわち第2フレームでは第2行が特定の行となるので、第2行より後の行すなわち第3行に相当する。第4フレームにて読み出される各行については、第1,第2行は第3フレームでの特定の行が第3行であるので、信号読み出し中又は信号読み出し直後のリセットに加え、一水平走査期間後にリセット動作を行う。更に第4フレームの特定の行は第1行であるので、第2,第3行に対しても信号読み出し中又は信号読み出し直後のリセットに加え、一水平走査期間後にリセット動作を行う。ここで、第2行に対して、前者と後者による信号読み出し期間の一水平走査期間後のリセット動作が重複することになるが、このような場合は信号読み出し期間後に、二水平走査期間後にまでリセット動作を行うことで、全ての行の蓄積時間を3Hに統一することができる。また上述においては、光生成電荷のリセット動作が、ある行に対して、一垂直走査期間内に複数回行われるように説明をしたが、一垂直走査期間内の時間的に最後のリセット動作以外を省略しても、機能的には問題はない。
【0040】
次に、図8に示した第1実施例の上記の問題を解決できるようにした第2実施例の垂直走査回路の回路構成図を図11に示す。なお図11においては、図8に示した第1実施例と同一又は同一機能を有する構成要素には同一符号を付して示している。図11において、40は選択信号制御回路で、シフトレジスタ31とレベルミックス回路34との間に設けられており、この実施例では、第1行の選択信号S1 は、2段目のシフトレジスタユニットからの出力信号SR2 とコントロールクロックφcnt のAND出力と、1段目のシフトレジスタユニットからの出力信号SR1 のOR出力で得られるように構成している。
【0041】
次に、このように構成した第2実施例の動作を図12に示したタイミングチャートに基づいて説明する。選択信号制御回路40を用いることにより、第n行は、第n行が選択状態であるときに加えて、第n+1行が選択状態で、コントロールクロックφcnt がハイレベルのときも選択状態となる。この実施例では第2フレーム及び第3フレームでは、全ての行の蓄積時間は3Hとなる。しかし、第4フレームでは、第1行の蓄積時間が3H、第2行及び第3行の蓄積時間が4Hとなり、第2及び第3フレームと蓄積時間の不揃いが残る。本実施例では、受光部が3行からなる固体撮像素子について述べているが、一般に固体撮像素子はより多くの行で構成されており、有効画素部の周辺には映像信号に関係しない画素を配置している。本実施例の第4フレームの場合について考えると、第4フレーム内で蓄積時間の揃っていないのは第1行であり、この行は実際には映像信号には関係しないようにすることができる。したがって、第4フレーム内の蓄積時間は実質的に揃っていると考えることができる。この場合、第2及び第3フレームと第4フレームの間では、蓄積時間が1H揃わないことになるが、これはNTSC方式においては約500 フレームに1回もしくは数回のことであり、問題となることは殆どない。また、1フレーム内の蓄積時間は揃っているので、1フレームの画像を静止画として出力しても、特に異常は生じない。また、蓄積時間が異なることによる信号レベル差は、図5に示した信号読み出し処理方法の実施例で説明した信号レベル差を補正する乗算器を用いることにより、1フレーム単位で補正することができる。
【0042】
上記第1実施例におけるクロックφV2及び第2実施例の選択信号制御回路40で用いるコントロール信号φcnt は、簡単な論理回路により、他のクロック信号等により発生させることができる。例えば、図13に示す構成の回路により、クロックφV1,φV3,スタートパルスφVST 及びコントロール信号φcnt1を用いることにより、図14に示すようなタイミングでクロックφV2及びコントロール信号φcnt を発生させることができる。
【0043】
すなわち、図13において、FF1はDタイプフリップフロップであり、FF2〜FF4はR端子に“H”レベルを加えるとQ端子が“L”レベルとなるリセット付Dタイプフリップフロップである。そしてFF1〜FF4のクロック端子にはクロックφV1を、FF2〜FF4のR端子にはコントロール信号φcnt1とスタートパルスφVST を入力したAND1の出力端子を接続する。また、FF1のD端子にはコントロール信号φcnt1を入力し、FF2〜FF4のD端子には前段のDタイプフリップフロップのQ出力を入力するように接続する。これにより、FF2〜FF4のQ出力を入力したNORの出力と、クロックφV1をインバータNOTを介して反転した出力を入力したAND2の出力により、コントロール信号φcnt を形成することができる。またクロックφV2はFF1の/Q出力(Q出力の反転出力)とクロックφV3を入力したAND3の出力により形成することができる。
【0044】
このようなクロックあるいはコントロール信号を発生する回路は、固体撮像素子と同一基板上に殆ど面積の増大なしに構成することが可能で、この回路を固体撮像素子と同一基板上に構成することによって、入出力端子を低減することができる。
【0045】
以上説明した実施例においては、入射光情報をもった明時信号に続いて入射光情報をもたない暗時信号を読み出す行(特定行)は、1フレーム当たり1行とした例を示したが、この特定行は、先の信号読み出し処理方法の実施例において述べたように、1フレーム当たり1行である必要はなく、1フレーム当たり連続する複数の行、又は1フレーム当たり間隔をあけた複数の行とするように垂直走査回路を構成しても構わない。なお、図11に示した第2実施例において、特定行を1フレーム当たり複数の行とする場合には、信号読み出し期間直後のリセット動作に加える一水平走査期間後のリセット動作は、複数水平走査期間後に加えるように構成すればよい。
【0046】
また、上記実施例では、受光部を構成する画素としてCMDを用いたものを示したが、画素はCMDに限られるものではなく、SITやAMI等のXYアドレス型の固体撮像素子を構成できるものであれば、何れでも用いることができる。また、上記実施例においては、垂直走査回路をクロックドインバータを縦続接続したシフトレジスタを用いて構成したものを示したが、他のダイナミック型シフトレジスタあるいはスタティック型シフトレジスタを用いて構成しても、同様な効果が得られる。
【0047】
【発明の効果】
以上実施例に基づいて説明したように、本発明に係る固体撮像素子の信号読み出し処理方法によれば、動画及び静止画のいずれに対してもリアルタイムに暗時FPNが抑圧され、温度変化等により暗時FPNが変化した場合でも直ちにその変化に追従し、常に安定に暗時FPNを抑圧した画像信号を得ることができる。また、本発明に係る固体撮像素子によれば、上記信号読み出し処理方法に容易に適用できる固体撮像素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る固体撮像素子の信号読み出し処理方法の第1実施例を説明するための信号読み出し処理装置を示すブロック構成図である。
【図2】図1に示した装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図3】図1に示した装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図4】本発明の第2実施例を説明するための信号読み出し処理装置を示すブロック構成図である。
【図5】本発明の第3実施例を説明するための信号読み出し処理装置を示すブロック構成図である。
【図6】本発明の固体撮像素子を説明するための概念図である。
【図7】図6に示した固体撮像素子の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図8】本発明の固体撮像素子の具体的な第1実施例の垂直走査回路を示す回路構成図である。
【図9】図8に示した垂直走査回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図10】図8に示した第1実施例の問題点を説明するためのタイミングチャートである。
【図11】固体撮像素子の第2実施例の垂直走査回路を示す回路構成図である。
【図12】図11に示した第2実施例の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図13】制御信号及びシフトレジスタクロックの発生回路を示す回路構成図である。
【図14】図13に示した制御信号及びクロック発生回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図15】従来のFPN抑圧手段を示すブロック構成図である。
【図16】従来のFPN抑圧手段を備えた固体撮像素子の出力態様を示す図である。
【符号の説明】
1 固体撮像素子
2 受光部
3 垂直走査回路
4 水平走査回路
5 増幅器
6 A/D変換器
7 1Hデレイライン
8 切換スイッチ
9 FPNメモリ
11 減算器
12 D/A変換器
13 1Hデレイライン
14 切換スイッチ
16 減算器
17 乗算器
21 水平走査回路
22 垂直走査回路
23 受光部
24 水平走査回路用クロック群
25 垂直走査回路用クロック群
26 信号出力端子
27 ドレイン電源
31 シフトレジスタ
32 シフトレジスタユニット
33-1 第1のクロックドインバータ
33-2 第2のクロックドインバータ
34 レベルミックス回路
35 レベルミックス回路ユニット
40 選択信号制御回路
Claims (15)
- 内部増幅型光電変換素子を単位画素とし該単位画素をマトリクス状に配列してなるXYアドレス型の固体撮像素子の信号読み出し処理方法において、一垂直走査期間のある特定の行の各画素の光生成電荷による明時信号を読み出した後、前記特定行の各画素の光生成電荷をリセットした直後又はリセットしながら光生成電荷のない状態の暗時信号を読み出して前記特定行の各画素の暗時信号を外部メモリに記憶する第1のステップと、前記特定行を一垂直走査期間毎又は複数垂直走査期間毎に変化させながら前記第1のステップを各特定行に対して順次実行し、複数垂直走査期間で全有効行の各画素の暗時信号を順次読み出して該画素の暗時信号を前記外部メモリへ暗時信号の初期値として記憶させる第2のステップと、引き続き前記第2のステップを繰り返しながら全有効行の各画素の暗時信号を新たに読み出して、前記外部メモリに記憶されている暗時信号を新たに読み出された暗時信号で書き換えることによりリフレッシュさせるか、または前回の第2のステップで前記外部メモリに記憶されている暗時信号と第2のステップで新たに読み出された暗時信号を所定の比で加算して得られた暗時信号で前回の第2のステップで記憶されている暗時信号を書き換えてリフレッシュさせる第3のステップと、前記外部メモリに記憶した各行の画素の暗時信号を読み出し、タイミングを合わせて対応する各行の画素の明時信号から減算処理する第4のステップとを備えていることを特徴とする固体撮像素子の信号読み出し処理方法。
- 内部増幅型光電変換素子を単位画素とし該単位画素をマトリクス状に配列してなるXYアドレス型の固体撮像素子の信号読み出し処理方法において、一垂直走査期間のある特定の行の各画素の光生成電荷による明時信号を読み出した後、前記特定行の各画素の光生成電荷をリセットした直後又はリセットしながら光生成電荷のない状態の暗時信号を読み出して前記特定行の各画素の暗時信号を外部メモリに記憶する第1のステップと、前記特定行を一垂直走査期間毎又は複数垂直走査期間毎に変化させながら前記第1のステップを各特定行に対して順次実行し、複数垂直走査期間で全有効行の各画素の暗時信号を順次読み出して該画素の暗時信号を前記外部メモリへ暗時信号の初期値として記憶させる第2のステップと、引き続き前記第2のステップを繰り返しながら全有効行の各画素の暗時信号を新たに読み出して、前記外部メモリに記憶されている暗時信号を新たに読み出された暗時信号で書き換えることによりリフレッシュさせるか、または前回の第2のステップで前記外部メモリに記憶されている暗時信号と第2のステップで新たに読み出された暗時信号を所定の比で加算して得られた暗時信号で前回の第2のステップで記憶されている暗時信号を書き換えてリフレッシュさせる第3のステップと、前記外部メモリに記憶した各行の画素の暗時信号を読み出し、タイミングを合わせて対応する各行の画素の明時信号から減算処理する第4のステップと、前記第1,第2及び第3のステップを、明時信号のみの読み出しを行う1又は複数の垂直走査期間を挟んで間欠的に行う第5のステップとを備えていることを特徴とする固体撮像素子の信号読み出し処理方法。
- 前記特定行は単一の行であることを特徴とする請求項1又は2記載の固体撮像素子の信号読み出し処理方法。
- 前記特定行は連続した複数の行であることを特徴とする請求項1又は2記載の固体撮像素子の信号読み出し処理方法。
- 前記特定行は間隔をおいた複数の行であることを特徴とする請求項1又は2記載の固体撮像素子の信号読み出し処理方法。
- 前記減算処理を行う第4のステップで得られた出力信号を、各行の出力信号に対する回路利得を制御して補正するステップを加え、行間の光生成電荷蓄積時間の差によって生じる行間の信号レベル差を補正するようにしたことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体撮像素子の信号読み出し処理方法。
- 内部増幅型光電変換素子を単位画素とし該単位画素をマトリクス状に配列した受光部と、受光部の行方向に配列された画素行を順次選択して読み出す垂直走査回路と、選択して読み出された各画素行の画素信号を順次出力させる水平走査回路とを備えたXYアドレス型の固体撮像素子において、前記垂直走査回路は、一垂直走査期間の選択されたある特定の行の各画素の光生成電荷による明時信号を読み出した後、前記特定行の各画素の光生成電荷をリセットした直後又はリセットしながら光生成電荷のない状態の暗時信号を読み出し、前記特定行を一垂直走査期間毎又は複数垂直走査期間毎に変化させ、複数垂直走査期間で全有効行の画素の暗時信号が得られるように、行選択信号を出力する如く構成したことを特徴とする固体撮像素子。
- 前記垂直走査回路は、クロックに従って情報を伝達するシフトレジスタを備え、該シフトレジスタに加えるクロックを、前記特定行が選択された状態のとき1クロック分シフトレジスタがアクティブにならないように形成して、前記特定行が通常のクロック2周期分連続して選択された状態になるようにし、2周期分の選択状態の中、前半の1周期で明時信号を読み出し、後半の1周期で暗時信号を読み出すように構成したことを特徴とする請求項7記載の固体撮像素子。
- 前記特定行は、一垂直走査期間当たり1行とすることを特徴とする請求項7又は8記載の固体撮像素子。
- 前記特定行は、一垂直走査期間当たり連続する複数行であることを特徴とする請求項7又は8記載の固体撮像素子。
- 前記特定行は、一垂直走査期間当たり間隔をおいた複数行であることを特徴とする請求項7又は8記載の固体撮像素子。
- 前記垂直走査回路は、外部から加えられる制御信号により、信号読み出し期間中又は信号読み出し期間直後の光生成電荷のリセットに加え、一又は複数水平走査期間後に光生成電荷のリセット動作を行わせる選択信号制御回路を備え、一垂直走査期間内の全ての行の光生成電荷の蓄積時間を揃えるように構成したことを特徴とする請求項7〜11のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
- 前記選択信号制御回路に加える制御信号及び又は前記シフトレジスタに加えるクロックを、他のクロックを用いて発生させる回路を、固体撮像素子の他の構成要素と同一基板上に構成したことを特徴とする請求項12記載の固体撮像素子。
- 前記シフトレジスタとしてダイナミック型シフトレジスタを用いたことを特徴とする請求項7〜13のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
- 前記シフトレジスタとしてスタティック型シフトレジスタを用いたことを特徴とする請求項7〜13のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
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