JP3916901B2

JP3916901B2 - イメージセンシング方法及びそのためのディジタルｃｍｏｓイメージセンサ

Info

Publication number: JP3916901B2
Application number: JP2001269011A
Authority: JP
Inventors: 祥二川人; 信宏河合
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-09-05
Filing date: 2001-09-05
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2021-09-05
Also published as: JP2003078824A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディジタルＣＭＯＳイメージセンサに係り、その低消費電力特性や、機能回路を集積化できるなどの特徴からＣＣＤを越えるものとして期待されている高感度デジタルＣＭＯＳイメージセンサに関するものであり、特に、その雑音低減に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在のＣＭＯＳイメージセンサの雑音低減法として、アナログ領域で、リセットノイズや固定パターンノイズをキャンセルする方式が提案されている。
【０００３】
一方、画素（ピクセル）内でのＡ／Ｄ変換を行って高速画像を読み出す方式も存在するが、まだ十分ＳＮＲを達成しているとは言えない。
【０００４】
なお、かかる技術分野の先行技術としては、以下のようなものが開示されている。
【０００５】
〔１〕松長誠之、遠藤幸雄、“ＣＭＯＳイメージセンサのノイズキャンセル回路”、映像情報メディア学会技術報告、Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．３，ｐｐ．７−１１（Ｊａｎ．１９９８）
〔２〕中村信男、松長誠之、“高感度ＣＭＯＳイメージセンサの開発”、映像情報メディア学会誌、Ｖｏｌ．５４，Ｎｏ．２，ｐｐ．２１６−２２３（２００）
〔３〕ＤｗｉＨａｎｄｏｋｏ、川人祥二、田所嘉昭、松澤昭、“高速非破壊中間撮像ＣＭＯＳイメージセンサ”、映像情報メディア学会誌、Ｖｏｌ．５５，Ｎｏ．２，ｐｐ．２６４−２７０（２００１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＣＭＯＳイメージセンサでは、高感度を得るには難があった。
【０００７】
本発明は、上記状況に鑑みて、イメージセンサのノイズレベルを支配するアンプ等の回路が発生するランダムノイズを、高ゲインのコラムアンプと、ディジタル領域での処理で低減することにより、高感度を有するイメージセンシング方法及びそのためのディジタルＣＭＯＳイメージセンサ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】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕ビデオ信号フレームのＮ倍（Ｎは２以上）のフレーム周波数で、高速に全画素を読み出すイメージセンシング方法において、各画素のリセットレベルと信号レベルを別々に読み出して高ゲインのコラムアンプで増幅後Ａ／Ｄ変換を行い、該Ａ／Ｄ変換されたリセットレベルをフレームメモリに記憶し、その記憶されたリセットレベルから、該Ａ／Ｄ変換された信号レベル差を求めるとともに、求めた差分に対してディジタル低域通過フィルタで、ランダムノイズ低減処理を行い、１／Ｎに画像速度を落とすことを特徴とする。
【０００９】
〔２〕ディジタルＣＭＯＳイメージセンサにおいて、イメージアレイの画素からの走査出力信号と基準電圧との偏差をみる第１の加算器と、この第１の加算器からの出力が入力されるコラムアンプと、このコラムアンプからの出力が入力されるＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器からの出力が入力されるノイズ用フレームメモリと、前記Ａ／Ｄ変換された出力を前記ノイズ用フレームメモリに記憶されたノイズからディジタル領域で減算する第２の加算器と、この第２の加算器からの出力が入力されるディジタル低域通過フィルタ及びデシメーターとを備え、ビデオ信号フレーム周波数の数倍のフレーム周波数で、高速に全画素を読み出し撮像し、フレームオバーサンプリング信号処理によって信号振幅を小さくし、コラムに高ゲインのアンプを持たせ、前記第２の加算器、前記ディジタルフィルタ及びデシメーターを用いてコラムアンプ後の広帯域アンプの雑音や前記Ａ／Ｄ変換器の量子化雑音の低減を行うことを特徴とする。
【００１０】
〔３〕上記〔２〕記載のディジタルＣＭＯＳイメージセンサにおいて、前記イメージアレイからの信号を通常のＮ倍（Ｎは２以上）の速度で高速に読み出し、前記コラムアンプで高ゲインで増幅し、リセットレベルと信号レベルと別々にＡ／Ｄ変換して、ディジタル領域で該Ａ／Ｄ変換された信号とリセットレベル用フレームメモリに記憶したリセットレベルとの偏差信号をとり、該偏差信号に対して、前記ディジタル低域通過フィルタで高域のノイズを除去することを特徴とする。
【００１１】
〔４〕上記〔３〕記載のディジタルＣＭＯＳイメージセンサにおいて、最後に、信号を間引いて、通常の１／Ｎ倍の速度の画像に戻すことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１３】
本発明のＣＭＯＳイメージセンサの特徴を活かした高感度イメージセンサを実現する方法として、フレームオーバーサンプリングによる信号処理を用いた雑音低減法について述べる。
【００１４】
これは、フレームオーバーサンプリングにより、信号振幅を小さくすることで、コラムに高ゲインのアンプを持たせ、これによって、コラムアンプ後の広帯域アンプの雑音やＡ／Ｄ変換器の量子化雑音を低減できるとともに、固定パターン雑音やリセット雑音のディジタルノイズキャンセルの精度を高めることにより、低雑音のディジタルイメージセンサを実現するものである。
【００１５】
（１）画像の高速読み出しによるノイズ低減
図１は本発明にかかる画像の高速読み出しによるノイズ低減を用いたＣＭＯＳイメージセンサの構成図である。
【００１６】
この図において、１はイメージセンサアレイ、１Ａは画素（ピクセル）、２は垂直スキャナー、３はイメージセンサアレイ１からの垂直スキャナー２により走査された出力信号と基準電圧Ｖ_REFとの偏差をみる第１の加算器、４はコラムアンプ、５はＡ／Ｄ変換器、６はノイズ用フレームメモリ、７はＡ／Ｄ変換された出力をノイズ用フレームメモリ６に記憶されたノイズからディジタル領域で減算する第２の加算器、８はディジタルフィルタ及びデシメーター、９はディジタル出力である。
【００１７】
なお、これら全てを１つのイメージセンサチップ上に必ずしも集積化する必要はなく、例えば、Ａ／Ｄ変換器５までを集積化し、ディジタル処理部（６，７，８）は、専用のＡＳＩＣを用いるのが、現実的な構成と考えられる。
【００１８】
画素１Ａは、通常の３トランジスタのアクティブピクセル回路、あるいは、高い電圧ゲインを得るために、埋め込みフォトダイオードと画素内電荷転送による画素（ピクセル）１Ａを用いることもできる。しかし、３トランジスタ方式で性能が出せることが１つの利点にもなり得る。
【００１９】
３トランジスタＣＭＯＳイメージセンサの１つの画素１Ａに着目し、カソード部（フローティングデフュージョン部）の電圧（Ｖ_FB）の時間変化波形、制御信号、読み出された信号のタイミングチャートを図２に示す。
【００２０】
このイメージセンサでは、ビデオ信号フレーム周波数のＭ倍のフレーム周波数で、全画素を読み出す。この倍率をフレームオーバーサンプリング比（ＯＳＲ）と呼ぶことにする。
【００２１】
まず、リセット直後の電圧をφ_Rでサンプルし、コラムで増幅する。このとき、読み出される電圧にはオフセット電圧がのっているので、これをキャンセルするためにＶ_REFを減ずる。コラムアンプ４のゲインは、丁度、オーバーサンプリング比と同じにとることができる。ＣＭＯＳイメージセンサは、３Ｖ程度の電源電圧を扱うので、回路で扱える信号振幅は１Ｖ程度である。画素１Ａからの出力電圧が１Ｖであれば、コラムアンプ４で、さらに振幅を増幅することはできない。
【００２２】
しかし、オーバーサンプリングによって、高速フレームの周期で信号を読み出すことにより、センサ部の振幅は１／Ｍになっているので、コラムアンプ４でＭ倍してもアンプの出力が飽和することはない。これが、オーバーサンプリングの大きな特徴の１つである。
【００２３】
これによって、それ以降のアンプ雑音や、Ａ／Ｄ変換器５の量子化雑音が相対的に小さく見え、ＳＮＲを向上することができる。コラムアンプ４で増幅された電圧をＡ／Ｄ変換し、ノイズ用フレームメモリ６に記憶する。いま、ノイズ用フレームメモリ６に記憶されたｎ番目のフレームのある画素値をＲ（ｎＴ）と表記すると、Ｒ（ｎＴ）は、ほぼ以下のように表すことができる。
【００２４】

ここで、Ｎ_S（ｎＴ）、Ｎ_kTC（ｎＴ）、Ｎ_FPN、Ｎ_pn（ｎＴ）はそれぞれ、ショット雑音、画素部のリセット（ｋＴＣ）雑音、固定パターン雑音、ソースフォロワバッファとコラムアンプ４の入力換算雑音の和であり、Ａ／Ｄ変換前の電圧をＡ／Ｄ変換器５のフルスケール電圧（Ｖ_FS）で割り、Ａ／Ｄ変換器５の精度で量子化した値である。
【００２５】
また、Ｎ_a（ｎＴ）はＡ／Ｄ変換前のＳ／Ｈ等の回路のノイズのディジタル値、Ｑ（ｎＴ）はＡ／Ｄ変換器５の量子化ノイズ、Ｓ（ｎＴ）は映像信号のディジタル値である。
【００２６】
信号電荷が蓄積された後のＶ_FDを、φ_Sを用いてサンプルし、同様にコラムアンプ４で増幅する。その電圧をＡ／Ｄ変換する。これを、Ｕ（ｎＴ）とする。ノイズ用フレームメモリ６に記憶されたノイズから、その値をディジタル領域で減算した値をＹ（ｎＴ＋ΔＴ）とする。その値はフレームの先頭まで記憶されると考えると、Ｙ（ｎＴ＋ΔＴ）＝Ｙ〔（ｎ＋１）Ｔ〕であり、

となる。
【００２７】
固定パターンノイズと、リセットノイズは、時間相関があるので除去される。Ａ／Ｄ変換器５の量子化の精度までは完全にキャンセルされ、実際には、Ａ／Ｄ変換器５の非線形性ノイズ及び量子化ノイズの中に埋もれることになる。そのノイズは、他のランダム雑音と区別がつかなくなる。
【００２８】
その除去性能は、Ａ／Ｄ変換器５の有効ビット数で決まる精度以下にすることができ、また、両者とも、Ａ／Ｄ変換前にコラムアンプ４で増幅されるので、十分高い。例えば、Ｖ_FS＝０．８Ｖの１０ビットＡ／Ｄ変換器５を用い、１６倍のオーバーサンプリングを行って、コラムアンプ４で１６倍の増幅をすれば、アンプ前のＡ／Ｄ変換器の分解能は、約５０μＶである。これは、固定パターンノイズとリセットノイズのキャンセル精度が約５０μＶになることを意味する。
【００２９】
ディジタルフィルタ８の構成として、櫛形フィルタを用いた２段階のフィルタリング処理が比較的簡単な構成であり、急峻なカットオフ特性が得られる。
【００３０】
図３は本発明にかかる２段構成のディジタルフィルタの構成図である。
【００３１】
この図において、１１は入力、１２はコームフィルタ（櫛歯状フィルタ）、１３は第１の分周器（ｆｓ／４）、１４はディジタルＬＰＦ、１５は第２の分周器（ｆｓ／１６）、１６はディジタル出力である。
【００３２】
また、このディジタルフィルタによって、雑音が低減される様子を、図４に示す。
【００３３】
この図は、１６倍のオーバーサンプリングを行う場合の例を示している。これは、４次の櫛形フィルタを用い、最初、１／４にデシメーションを行う。４次の櫛形フィルタは次式の周波数特性をもつ。
【００３４】
｜Ｈ_c（ω）｜＝｜ｓｉｎ４ωＴ_s／ｓｉｎωＴ_s｜ …（３）
ここで、Ｔ_s＝１／ｆ_sはオーバーサンプリング周期である。櫛形フィルタは低域通過の特性を持ちながら、図４（ａ）に示すように、ｆ_s／４の整数倍の周波数でゼロ点をもつ。故に、高域の追いやられたノイズは、図４（ｂ）に示すように減衰する。
【００３５】
この後、ｆ_s／４の周波数にデシメーションをした際、ゼロ点の整数倍の周波数付近の成分がビデオ信号帯域に折り返され、図４（ｃ）に示すようになり、十分に減衰しているので都合が良い。その後、急峻なカットオフ特性をもつ低域通過ディジタルフィルタにより、ｆ_s／３２以上の雑音成分を除去する〔図４（ｄ）参照〕。最後に、図４（ｅ）に示すように、ｆ_s／１６の周波数、つまり、ビデオ速度周波数にデシメーションを行う。このようにして大幅に雑音低減が可能であることがわかる。
【００３６】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００３８】
（１）イメージセンサにおいて支配的である広帯域アンプのランダムノイズ及びＡ／Ｄ変換器の量子化ノイズを大幅に低減することができる。
【００３９】
（２）コラムアンプの効果により、固定パターン雑音及びリセット雑音除去効果が高い。
【００４０】
（３）雑音低減しながら、カラムで高ゲインの増幅を行うため、感度が高い。つまり、ＳＮＲが大いに改善され、特にコラムで高いゲインで増幅することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる画像の高速読み出しによるノイズ低減を用いたＣＭＯＳイメージセンサの構成図である。
【図２】本発明にかかるカソード部（フローティングデフュージョン部）の電圧（Ｖ_FB）の時間変化波形、制御信号、読み出された信号のタイミングチャートである。
【図３】本発明にかかる２段構成のディジタルフィルタの構成図である。
【図４】本発明にかかるディジタルフィルタによるノイズ低減の説明図である。
【符号の説明】
１イメージセンサアレイ
１Ａ画素（ピクセル）
２垂直スキャナー
３第１の加算器
４コラムアンプ
５Ａ／Ｄ変換器
６ノイズ用フレームメモリ、
７第２の加算器
８ディジタルフィルタ及びデシメーター
９ディジタル出力
１１入力
１２コームフィルタ（櫛歯状フィルタ）
１３第１の分周器（ｆｓ／４）
１４ディジタルＬＰＦ
１５第２の分周器（ｆｓ／１６）
１６ディジタル出力

Claims

ビデオ信号フレームのＮ倍（Ｎは２以上）のフレーム周波数で、高速に全画素を読み出すイメージセンシング方法において、各画素のリセットレベルと信号レベルを別々に読み出して高ゲインのコラムアンプで増幅後Ａ／Ｄ変換を行い、該Ａ／Ｄ変換されたリセットレベルをフレームメモリに記憶し、その記憶されたリセットレベルから、該Ａ／Ｄ変換された信号レベル差を求めるとともに、求めた差分に対してディジタル低域通過フィルタで、ランダムノイズ低減処理を行い、１／Ｎに画像速度を落とすことを特徴とするイメージセンシング方法。
（ａ）イメージアレイの画素からの走査出力信号と基準電圧との偏差をみる第１の加算器と、
（ｂ）該第１の加算器からの出力が入力されるコラムアンプと、
（ｃ）該コラムアンプからの出力が入力されるＡ／Ｄ変換器と、
（ｄ）該Ａ／Ｄ変換器からの出力が入力されるノイズ用フレームメモリと、
（ｅ）前記Ａ／Ｄ変換された出力を前記ノイズ用フレームメモリに記憶されたノイズからディジタル領域で減算する第２の加算器と、
（ｆ）該第２の加算器からの出力が入力されるディジタル低域通過フィルタ及びデシメーターとを備え、
（ｇ）ビデオ信号フレーム周波数の数倍のフレーム周波数で、高速に全画素を読み出し撮像し、フレームオバーサンプリング信号処理によって信号振幅を小さくし、コラムに高ゲインのアンプを持たせ、前記第２の加算器、前記ディジタルフィルタ及びデシメーターを用いてコラムアンプ後の広帯域アンプの雑音や前記Ａ／Ｄ変換器の量子化雑音の低減を行うことを特徴とするディジタルＣＭＯＳイメージセンサ。
請求項２記載のディジタルＣＭＯＳイメージセンサにおいて、前記イメージアレイからの信号を通常のＮ倍（Ｎは２以上）の速度で高速に読み出し、前記コラムアンプで高ゲインで増幅し、リセットレベルと信号レベルと別々にＡ／Ｄ変換して、ディジタル領域で該Ａ／Ｄ変換された信号とリセットレベル用フレームメモリに記憶したリセットレベルとの偏差信号をとり、該偏差信号に対して、前記ディジタル低域通過フィルタで高域のノイズを除去することを特徴とするディジタルＣＭＯＳイメージセンサ。
請求項３記載のディジタルＣＭＯＳイメージセンサにおいて、最後に、信号を間引いて、通常の１／Ｎ倍の速度の画像に戻すことを特徴とするディジタルＣＭＯＳイメージセンサ。