JP4517638B2 - 固体撮像装置、画像入力装置、および、固体撮像装置のノイズ除去方法 - Google Patents

Description

本発明は、入力光を画素内のダイオードで光電変換して画素電荷を生成し、当該画素電荷を画素内のトランジスタにより増幅して読み出す固体撮像装置と、そのノイズ除去方法、ならびに、当該固体撮像装置を含む画像入力装置に関するものである。

画素電荷を画素内で増幅して読み出すアクティブ型の画素構造を有する固体撮像装置として、代表的なものではＣＭＯＳイメージセンサが知られている。ＣＭＯＳイメージセンサは、一般的に、ＣＣＤイメージセンサに比べ感度が低くノイズに弱いとされていた。ところが、近年のＣＭＯＳ集積回路におけるＭＯＳトランジスタや配線の微細化技術の著しい進歩とともに画素の小型化および高感度化が進み、また増幅機能を有するためノイズに対して強い信号出力（画素信号）が得られるようになった。また、画素信号のばらつきを低減する技術として、信号処理回路のうちとくにＣＤＳ（相関２重サンプリング）回路が進歩したことも、ＣＭＯＳイメージセンサが、ＣＣＤイメージセンサを置き換え可能なデバイスとして注目されてきた要因である。

ＣＭＯＳイメージセンサの画素信号に重畳されるノイズは、時間的および空間的に（すなわち二次元の出力画面内で）ランダムに発生するランダムノイズと、出力画面の同じところに縦縞、横縞または画面ムラなどの固定パターンとして発生する固定パターンノイズとに大別できる。ランダムノイズは、画面全体にスリガラスを通したときのようなムラ状のノイズとして現れ、主に、光ショットノイズや熱雑音など、画素のダイオード内や増幅箇所、その他の増幅箇所などで生じ、環境温度などで容易に変化する。一方、固定パターンノイズは、画素のＭＯＳトランジスタのしきい値電圧の違い、その他の回路（たとえば、垂直信号線ごとに設けたＣＤＳ回路のキャパシタ）あるいは配線などで、電気特性上のアンバランスに起因して生じるものが多い。

画素部全域に一定の強さの光を入力した場合、本来なら、画素列ごとに設けられ画素信号を画素部の外部に出力する垂直信号線から得られる信号も一定レベルを有するはずである。ところが、この信号には上述した固定パターンノイズ成分が重畳されているために、画素列ごと、すなわち垂直信号線ごとに信号レベルがばらつく現象が生じる。

このような画素列ごとに異なる固定パターンノイズ成分を除去するために、光を遮蔽あるいは光電変換そのものができないようにした状態で画素信号（以下、測定信号という）を出力させ、その測定信号から固定パターンノイズ成分を検出して保持させておき、撮像時の画素信号（以下、有効画素信号）が出力されたときに、この有効画素信号から、検出した固定パターンノイズ成分を減算してノイズ成分をキャンセルする技術が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載された技術では、光電変換が可能な感光画素が接続されていないダミーラインを画素部内に設け、このダミーラインから出力された信号をノイズ成分データとして用い、固定パターンノイズ成分の検出を行っている。この技術が解決しようとしている課題は、通常と同じ構成の画素を遮光したオプティカルブラック部からの信号をノイズ成分データとした場合、光の洩れこみがあり、また完全に遮光されていても暗電流が信号に重畳され、このような信号から精度よく固定パターンノイズ成分を検出することが困難なことである。特許文献１に記載の技術では、ダミーラインを設けて、そこから信号を読み出すことによって暗電流成分の影響を受けないようにしている。

ところが、ダミーラインから信号を出力するとしているが、その構成が明らかでないためどのような信号が出力されるかが不明である。
また、画素には読み出し用のトランジスタが存在するが、そのしきい値は製造プロセスの条件やトランジスタの位置によってばらつく。したがって、近いトランジスタではしきい値差は小さいが水平方向（行方向）に離れた位置では、そのしきい値差も大きくなる。そのため、水平方向のしきい値差が固定パターンノイズを決める要素の一つとなる。しかし、特許文献１のようにダミーラインを設け、そこから信号を読み出すだけでは、画素の読み出しトランジスタのしきい値差を、固定パターンノイズの測定信号に反映させることができない。
特開平０６−１８９２００号公報

解決しようとする課題は、暗電流の影響を受けることなく、かつ画素の読み出し用のトランジスタの行方向のばらつきを反映した固定パターンノイズの測定信号を出力できないことから、固定パターンノイズ成分の検出精度が低いことである。

本発明に係る固体撮像装置は、入力光に応じた画素電荷を生成するダイオードと、画素電荷を受けたノードの電位に応じた信号を出力する第１トランジスタと、前記ノードの電位をリセットする第２トランジスタとを有する有効画素が行単位で複数行、配置されている有効画素部と、前記第１および第２トランジスタを有し、ダイオードが省略された非有効画素が少なくとも１行、配置されている非有効画素部と、前記有効画素部および前記非有効画素部の画素列ごとに配線され、前記信号を外部に送る複数の垂直信号線と、前記非有効画素部にアクセスして数フレーム分の測定信号を出力させるノイズ測定信号の読み出しモードで、前記非有効画素において第２トランジスタがオンしたときに前記ノードの電荷量が、前記有効画素部の各画素で生成される信号電荷の平均電荷量となるように第２トランジスタのバイアスを制御し、当該制御に応答して各垂直信号線に出現する各信号を、信号経路の電気的特性のばらつきに起因した固定パターンノイズ成分の測定信号として出力し、その後の画素信号の出力モードで、前記有効画素部にアクセスして、前記入力光に応じて生成された信号を各垂直信号線に出力させる垂直駆動回路と、を有する。

本発明に係る画像入力装置は、固体撮像装置を有し、前記固体撮像装置が、入力光に応じた画素電荷を生成するダイオードと、画素電荷を受けたノードの電位に応じた信号を出力する第１トランジスタと、前記ノードの電位をリセットする第２トランジスタとを有する有効画素が行単位で複数行、配置されている有効画素部と、前記第１および第２トランジスタを有し、ダイオードが省略された非有効画素が少なくとも１行、配置されている非有効画素部と、前記有効画素部および前記非有効画素部の画素列ごとに配線され、前記信号を外部に送る複数の垂直信号線と、前記非有効画素部にアクセスして数フレーム分の測定信号を出力させるノイズ測定信号の読み出しモードで、前記非有効画素において第２トランジスタがオンしたときに前記ノードの電荷量が、前記有効画素部の各画素で生成される信号電荷の平均電荷量となるように第２トランジスタのバイアスを制御し、当該制御に応答して各垂直信号線に出現する各信号を、信号経路の電気的特性のばらつきに起因した固定パターンノイズ成分の測定信号として出力し、その後の画素信号の出力モードで、前記有効画素部にアクセスして、前記入力光に応じて生成された信号を各垂直信号線に出力させる垂直駆動回路と、を有する。

本発明に係る固体撮像装置のノイズ除去方法は、入力光に応じた画素電荷を生成するダイオードと、画素電荷を受けたノードの電位に応じた信号を出力する第１トランジスタと、前記ノードの電位をリセットする第２トランジスタとを有する有効画素が行単位で複数行、配置されている有効画素部と、前記第１および第２トランジスタを有し、ダイオードが省略された非有効画素が少なくとも１行、配置されている非有効画素部と、前記有効画素部および前記非有効画素部の画素列ごとに配線され、前記信号を外部に送る複数の垂直信号線と、を備える固体撮像装置において、様々な明るさの画像を入力させたときに、前記有効画素部の各画素で生成される画素電荷量の平均値に応じて前記非有効画素の前記第２トランジスタのバイアスを設定するバイアス設定ステップと、前記非有効画素部にアクセスして数フレーム分の測定信号を出力させる際に、前記バイアス設定ステップで設定したバイアスを前記非有効画素の第２トランジスタに印加した状態で非有効画素の前記第１トランジスタを動作させ、このときの各垂直信号線の信号を、固定パターンノイズ成分の測定信号として出力させる信号出力ステップと、複数の画素列の測定信号から、固定パターンノイズ成分のレベルを垂直信号線ごとに検出するレベル検出ステップと、固定パターンノイズ成分のレベルを、撮像時に入力光に応じて画素部より出力される有効画素信号から差し引いて当該固定パターンノイズを除去するノイズ除去ステップと、を含む。

本発明によれば、固定パターンノイズの測定信号を出力させるときは、非有効画素の第２のトランジスタをオンさせ、第２のトランジスタを通して第１のトランジスタのゲートをバイアスする。このときのバイアスは、たとえば様々な明るさの画像を入力させたときに、有効画素で生成される画素電荷量の平均値に応じて設定される。このゲートバイアスに応じた導通状態で非有効画素の第１のトランジスタがオンし、対応する垂直信号線の電位が変化する。この電位変化は、固定パターンノイズの測定信号として垂直信号線を通り、また当該垂直信号線に設けられている回路などを経由して画素部外に出力される。この測定信号の出力は、画素列ごとに接続されている全ての垂直信号線から一斉に出力される。
その後、複数の画素列から出力された測定信号から、固定パターンノイズ成分のレベルが垂直信号線ごとに検出され、この固定パターンノイズ成分のレベルを、撮像時に入力光に応じて画素部より出力される有効画素信号から差し引く。その結果、有効画素信号から固定パターンノイズが除去される。

本発明では、好適に、各垂直信号線から順次出力される測定信号を垂直信号線ごとに平均化される。このとき測定信号で全ノイズ成分に対しランダムノイズ成分をどの程度以内としたいかに応じて、垂直信号線ごとに平均化しようとする非有効画素データ量（すなわち、非有効画素の行数）が決められている。つまり、測定信号に一様に重畳したランダムノイズ成分を全ノイズ成分の１／Ｍ倍以下に抑圧したい場合、画素部内における非有効画素の行数がＭの２乗以上に設定されている。

本発明によれば、測定信号を出力する非有効画素では、通常の有効画素で第１のトランジスタのゲートに対して接続されているダイオードが省略されていることから、ダイオードで生成される暗電流の影響が測定信号から排除される。また、第１のトランジスタのゲートバイアス状態が当該第１のトランジスタを介して垂直信号線の電位に変換され、これが測定信号となる。このため画素列ごとに接続された全ての垂直信号線から出力される測定信号が、第１のトランジスタのしきい値の画素行内でのばらつきが反映されて変化することから、その分だけ、測定信号を用いた固定パターンノイズ成分の検出精度を向上させることができる。
また、測定信号の全ノイズ成分に対するランダムノイズを有効に低減でき、その分、固定パターンノイズ成分レベルの検出精度を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を、固体撮像装置の一種であるＣＭＯＳイメージセンサを例として説明する。
実施の形態にかかるＣＭＯＳイメージセンサに関し、図１に全体の構成図を示し、図２に画素部の回路図を示す。
図１に示すＣＭＯＳイメージセンサ１は、画素がマトリクス状に配置された画素部２、カラム処理回路３、垂直駆動回路４、水平駆動回路５、タイミング制御回路６および信号処理回路７を有している。
図示を省略しているが、カラム処理回路３内にＣＤＳ(Correlated Double Sampling)回路、電流源となるトランジスタ、水平駆動回路５により点順次で駆動されるサンプリング回路などを備えている。

画素部２は、有効画素部２１と非有効画素部２２を有している。有効画素部２１は入力光を光電変換し電荷を発生させるダイオードを有する有効画素の配置領域であり、非有効画素部２２は当該ダイオードが有しない非有効画素の配置領域である。

有効画素部２１内に、当該ＣＭＯＳイメージセンサの撮像解像度に応じた数の有効画素２１０が行方向（水平方向）と列方向（垂直方向）に多数配置されている。図２では簡略化のため同一行に属する３つの有効画素２１０のみ示し、また最初の行と最後の行のみ示している。有効画素部２１を構成する各有効画素２１０は、図２の例では３トランジスタ型であり、入力した光を光電変換するフォトダイオードＰＤと３つのトランジスタ２１１〜２１３とを有する。３つのトランジスタは、ノードＮＤに転送された蓄積電荷に応じた画素信号を増幅して垂直信号線２３に出力する読み出しトランジスタ（第１のトランジスタ）２１１と、ノードＮＤをフローティング状態からリセット電圧供給線２６への接続状態に切り替え、ノードＮＤにリセット電圧を充電して、その電荷量をリセットするリセットトランジスタ（第２のトランジスタ）２１２と、リセット後に再びフローティング状態となったノードＮＤにフォトダイオードＰＤの蓄積電荷（通常、電子）を転送する転送トランジスタ２１３とからなる。

読み出しトランジスタ２１１のドレインに電源電圧供給線２４が接続されている。リセットトランジスタ２１２のゲートに、同一行内の画素に共通なリセット制御線２５が接続され、そのドレインにリセット電圧供給線２６が接続されている。
また、転送トランジスタ２１３のゲートに、同一行内の画素に共通な転送制御線２７が接続されている。これらの電源電圧供給線２４およびリセット電圧供給線２６、ならびに、リセット制御線２５および転送制御線２７のそれぞれに各種信号または電圧を供給する垂直駆動回路４が接続されている。

垂直信号線２３に一斉に読み出された画素信号を並列処理してノイズを除去し、時系列の信号に変換するカラム処理回路３および水平駆動回路５が設けられている。垂直駆動回路４、カラム処理回路３および水平駆動回路５は、図１に示すタイミング制御回路６により制御されて動作する。

カラム処理回路３は、とくに図示しないが、垂直信号線２３ごとに設けられた電流源、ＣＤＳ回路およびサンプリングスイッチを有している。電流源は、読み出しトランジスタ２１１に一定電流を供給するために設けられている。また、ＣＤＳ回路は、有効画素部２１の画素信号に対し、その黒レベルでサンプル・ホールドした電圧と、蓄積電荷に応じた画素信号レベルでサンプル・ホールドした電圧との差分をとって、両電圧に重畳したノイズ成分をキャンセルする回路である。このノイズ除去後の画素信号レベルはＣＤＳ回路の出力で保持された後、さらに、水平駆動回路５から供給されるパルスによって順次オンされるサンプリングスイッチにより、点順次でサンプリングされて内部バスに排出される。内部バスに排出された点順次の画素信号は信号処理回路７で所定の処理が実行される。

図２に示すように、非有効画素部２２内に非有効画素２２０が水平方向と垂直方向に多数配置されている。同一行内の画素数は有効画素部２１と非有効画素部２２で同一である。また、非有効画素部２２の画素行数（ライン数）は、後述するように全ノイズ成分に対するランダムノイズ成分の割合を一定以下にするのに必要なライン数となっている。図２では簡略化のため同一行に属する３つの非有効画素２２０のみ示し、また最初の行と最後の行のみ示している。

非有効画素２２０は、有効画素２１０からフォトダイオードＰＤと転送トランジスタ２１３を省略した構成を有している。非有効画素２２０は、有効画素２１０の読み出しトランジスタ２１１と同じ大きさとパターンを有し同一の条件で一括して形成される第１のトランジスタ２２１と、有効画素２１０のリセットトランジスタ２１２と同じ大きさとパターンを有し同一の条件で一括して形成される第２のトランジスタ２２２とを有している。非有効画素２２０では、第１および第２のトランジスタ２２１と２２２の接続中点に転送トランジスタやフォトダイオードが接続されていない。なお、転送トランジスタやフォトダイオードは形成されていてもよいが、その場合でも、これらの素子が第１および第２のトランジスタ２２１と２２２の接続中点に電気的に接続されないことによって画素の読み出し動作に何ら寄与できないようにされている。

第１のトランジスタ２２１のドレインが電源電圧供給線２４に接続され、そのソースが対応する垂直信号線２３に接続されている。第２のトランジスタ２２２のソースが第１のトランジスタ２２１のゲートに接続され、そのドレインが電圧供給線２８に接続され、そのゲートが制御線２９に接続されている。
なお、電圧供給線２８は有効画素部２１のリセット電圧供給線２６と同じパターンを有し同一の条件で一括して形成される配線層であるが、その供給電圧はリセット電圧と同じであってもよいし、任意に変更した電圧であってもよい。また、制御線２９は有効画素部２１のリセット制御線２５と同じパターンを有し同一の条件で一括して形成される配線層であるが、その供給電圧はリセット制御電圧と同じであってもよいし、任意に変更した電圧であってもよい。
また、図２では非有効画素部２２が有効画素部２１の垂直方向の一方のみに配置されているが、非有効画素部２２を有効画素部２１の垂直方向の両側に配置することもできる。
非有効画素部２２は、固定パターンノイズのレベルを測定する際に用いる。その測定方法は後述する。

図３に、信号処理回路７内に設けられた回路の一部を示す。信号処理回路７は、２つのアンプ７１および７２と、ＡＤコンバータ７３と、ノイズ成分抽出部７４と、ノイズ成分抽出部７４が検出した固定パターンノイズのレベルを入力した画素信号から差し引く減算部７５とを有する。ノイズ成分抽出部７４は、垂直信号線ごとに非有効画素２２０から読み出した信号（測定信号）を記憶するメモリ７４１と、測定信号を垂直信号線ごとに平均化してランダムノイズ成分を抑圧するランダムノイズ抑圧部７４３と、ランダムノイズが抑圧された測定信号から垂直信号線ごとに所定数のフレームを単位として固定パターンノイズ成分のレベルを検出するレベル検出部７４２とを有する。

信号処理回路７内に、不図示のアナログ信号処理回路が設けられている。アナログ信号処理回路は、反転増幅、クランプレベル制御および高周波成分を除去するフィルタリングの機能を有し、図３に示す初段のアンプ７１はアナログ信号処理回路内のアンプを示している。

つぎに、以上のように構成されたＣＭＯＳイメージセンサの動作を説明する。
このＣＭＯＳイメージセンサは、非有効画素部２２のみアクセスすることによって、所定数のフレーム分の測定信号を出力させるノイズ測定信号の読み出しモードを備える。このノイズ測定信号の読み出しモードは、通常の画素信号の出力モードに先立って実行される。その測定信号の読み出しは１フレームで行ってもよいが、より測定精度を上げるには数フレームで行うことが望ましい。

ノイズ測定信号の読み出しモードでは、垂直駆動回路４が非有効画素部２２のみ動作させる。つまり、非有効画素部２２の電源電圧供給線２４に電源電圧を印加した状態で、電圧供給線２８に所定の電圧を供給し、その後、制御線２９に所定の電圧を供給する。

この電圧供給線２８および制御線２９に供給される各電圧は、第２のトランジスタ２２２がオンし、このとき第１のトランジスタ２２１のゲートに供給される電荷量が、有効画素部２１で生成される信号電荷の平均電荷量に対応できる値に制御することが望ましい。第１のトランジスタ２２１のゲートバイアスを有効画素信号の電荷と無関係に設定すると、固定パターンノイズを決める全ての要素（列ごとの回路素子の電気的特性など）が信号レベルに対しリニアな特性を有している場合は問題ないが、現実にはそうでない。本実施の形態では、測定信号レベルを実際の有効画像信号の平均レベル付近に設定することが可能であり、この場合、より精度よい測定信号が非有効画素部２２から出力される。
この測定信号の読み出し動作を非有効画素部２２の画素行（ライン）ごとに順次行う。

各垂直信号線２３を送られてくる測定信号は、カラム処理部３で垂直信号線ごとの処理が実行され、水平駆動回路５の制御により内部バスにシリアルの測定信号として排出され、信号処理回路７に送られる。このときカラム処理部３を含む垂直信号線経路の電気的特性の相違によって測定信号にカラムごとに変化する固定パターンノイズが重畳される。また、ランダムノイズも測定信号に重畳される。

信号処理部７では、所定のアナログ信号処理後にＡＤコンバータ７３によりディジタルの測定信号に変換される。また、必要に応じてアンプ７２により増幅された後、ノイズ成分抽出部７４に入力される。ノイズ成分抽出部７４では、まず、ランダムノイズ成分の抑圧処理が実行される。この処理では、所定数のフレーム分の測定信号がメモリ７４１に蓄積された時点で、メモリ７４１から測定信号を読み出して垂直信号線ごとに平均化することによりランダムノイズ成分を抑圧する。

ここで、ランダムノイズ成分の抑圧処理に用いられる非有効画素部２２の行数（ライン数）について説明する。
上述したランダムノイズ抑圧部７４３で、測定信号に一様に重畳したランダムノイズ成分を全ノイズ成分の１／Ｍ倍以下に抑圧するとしたときに、当該非有効画素部２２のライン数がＭの２乗以上に設定されている。経験則によれば、ランダムノイズ成分が全ノイズ成分の１／４以下になればランダムノイズは表示画面上で認識できないレベルに抑圧できる。以下、１／４以下にランダムノイズ成分を抑圧する場合について説明する。

確率統計で知られているように、ある母集団の分布（平均値：μ、分散：σ^２）からサンプルを任意に取り出す場合を考える。その幾つかサンプルの平均値μ(ｘ)の分布の分散σ_ｘ ^２は、サンプル数ｎに対して以下の式から求めることができる。

σ_ｘ ^２[μ(x_i)］＝σ_ｘ ^２[（１／ｎ）［ｘ_１＋ｘ_２＋…＋ｘ_ｎ］]
＝（１／ｎ^２）｛σ_ｘ ^２(x_１)＋σ_ｘ ^２(x_２)＋…＋σ_ｘ ^２(x_ｎ)｝
＝（１／ｎ^２）｛σ_１ ^２＋σ_２ ^２＋…＋σ_ｎ ^２｝
＝（１／ｎ^２）・ｎσ^２
＝σ^２／ｎ

したがって、標準偏差σ_ｘはσ／（ｎ）^１／２となる。このサンプル数ｎは非有効画素部２２のライン数であることから、ランダムノイズ成分を１／４以下にするためには、そのライン数ｎを１６以上にする必要がある。
このライン数ｎは、固定パターンノイズ成分の検出を複数のフレームで行う場合、１６未満でもランダムノイズを１／４以下にすることは可能である。つまり、たとえば４フレームで行う場合は１フレームあたり４ライン以上であれば、全体で１６ライン分の測定信号が得られ、その結果、ランダムノイズを１／４以下にすることができる。ただし、このＣＭＯＳイメージセンサを用いたカメラのゲインが調整されたとき、たとえばフラッシュをたいたときなどに、複数フレームを取り込んでいる時間がないことから１フレーム分で固定パターンノイズを抽出する必要がある。そのような場合にも有効にランダムノイズを抑圧したデータから固定パターンノイズ成分の検出を行うためには、１フレームごとに１６ライン以上の非有効画素２２０を備えていることが望ましい。

このようにしてランダムノイズが抑圧された測定信号は、再度メモリ７４１に格納される。
つぎに、固定パターンノイズが抑圧された測定信号から固定パターンノイズ成分のレベルが検出される。この検出は、レベル検出部７４２がメモリから測定信号を読み出して実行する。レベル検出の仕方は任意であるが、最も簡単な方法では、測定信号を垂直信号線ごとに平均化することにより実行できる。なお、平均化の場合は、ランダムノイズと処理の内容が同じであり、レベル検出部７４２とランダムノイズ抑圧部７４３は共通化され、垂直信号線ごとに１６以上の非有効画素に対応した測定信号で非有効画素データが平均化を１度だけ行い、その平均された非有効画素データがランダムのノイズが抑圧された固定パターンノイズ成分のレベルとなる。
検出された固定パターンノイズ成分のレベルは、メモリに格納されて保持される。

なお、レベル検出部７４２が行うレベル検出の仕方は、上記のように平均化に限定されず、たとえばメディアン値を固定パターンノイズ成分のレベルとして検出することもできる。抽出データ分布に何らかの偏りがあることが想定される場合、平均値よりメディアン値を用いた方が真の値を検出できることがあるからである。なお、レベル検出部７４２は、平均値を検出するかメディアン値を検出するかを外部からの制御により切り替え可能に構成してもよい。

ノイズ測定信号の読み出しモードの処理が終了すると、その後に読み出された有効画素信号に対しノイズ除去処理が実行可能な状態となる。
垂直駆動回路４が有効画素部２１をアクセスし、有効画素ラインごとに全ての垂直信号線に画素信号が読み出され、カラム処理後に信号処理回路７でアナログ信号処理、ＡＤ変換がされた有効画素信号が、減算部７５の「＋」入力端子に順次供給される。このとき、この画素信号の供給に同期して、対応した垂直信号線の固定パターンノイズ成分のレベル信号がメモリ７４１から読み出されて減算部７５の「−」入力端子に順次供給される。そのため、減算部７５から出力される有効画素信号において垂直信号線ごとの固定パターンノイズが除去または抑圧される。この減算処理後の有効画素信号は図示を省略したディジタル信号処理に送られ、所定のディジタル信号処理が施された後、ディスプレイにおける画像表示に供せられる。

本発明によれば、固定パターンノイズ成分のレベルを測定するための非有効画素２２０はフォトダイオードが省略された画素であることから、その欠陥の影響を受けない。
また、非有効画素２２０は、有効画素２１１の読み出しトランジスタと同じサイズとパターンを有し、同一の条件で一括して形成された第１のトランジスタ２２１を有し、その第１のトランジスタ２２１を介して測定信号を垂直信号線２３に読み出すことから、読み出しトランジスタのライン内のばらつきが測定信号に反映され、その分、固定パターンノイズの検出精度が高い。
また、電圧供給線２８および制御線２９を垂直駆動回路４が制御することにより、非有効画素２２０から出力される測定信号のレベルを任意に調整でき、高精度な、あるいは、実際の有効画素部からの画素信号に適合した固定パターンノイズ成分のレベル検出が可能である。
さらに、非有効画素部２２のライン数が、ランダムノイズを有効に抑圧できる数に設定されていることから固定パターンノイズ成分の検出レベルからランダムノイズの影響を排除して高精度な固定パターンノイズの除去が可能である。
以上に加えて、固定パターンノイズ成分を複数フレームから検出することもでき、その場合に、より高精度な固定パターンノイズの除去が可能である。

なお、図３に示す信号処理部７を、ＣＭＯＳイメージセンサの外部に設けた信号処理ＩＣとして実現することも可能である。また、ノイズ成分抽出部７４および減算部７５を、マイクロコンピュータのプログラム上で実現する構成も採用できる。

本発明の実施の形態にかかるＣＭＯＳイメージセンサの全体の構成図を示すブロック図である。 本発明の実施の形態にかかるＣＭＯＳイメージセンサの画素部の回路図である。 信号処理回路内に設けられた回路ブロックの一部を示す図である。

符号の説明

１…ＣＭＯＳイメージセンサ、２…画素部、２１…有効画素部、２１０…有効画素、２１１…第１のトランジスタ、２１２…第２のトランジスタ、２１３…転送トランジスタ、２２…非有効画素部、２２０…非有効画素、２２１…第１のトランジスタ、２２２…第２のトランジスタ、２３…垂直信号線、２４…電源電圧供給線、２５…リセット制御線、２６…リセット電圧供給線、２７…転送制御線、２８…電圧供給線、２９…制御線、３…カラム処理回路、４…垂直駆動回路、５…水平駆動回路、６…タイミング制御回路、７…信号処理回路、７１，７２…アンプ、７３…ＡＤコンバータ、７４…ノイズ成分抽出部、７４１…メモリ、７４２…レベル検出部、７４３…ランダムノイズ抑圧部、７５…減算部、ＰＤ…フォトダイオード、ＮＤ…ノード

Claims (9)

1. 入力光に応じた画素電荷を生成するダイオードと、画素電荷を受けたノードの電位に応じた信号を出力する第１トランジスタと、前記ノードの電位をリセットする第２トランジスタとを有する有効画素が行単位で複数行、配置されている有効画素部と、
   前記第１および第２トランジスタを有し、ダイオードが省略された非有効画素が少なくとも１行、配置されている非有効画素部と、
   前記有効画素部および前記非有効画素部の画素列ごとに配線され、前記信号を外部に送る複数の垂直信号線と、
   前記非有効画素部にアクセスして数フレーム分の測定信号を出力させるノイズ測定信号の読み出しモードで、前記非有効画素において第２トランジスタがオンしたときに前記ノードの電荷量が、前記有効画素部の各画素で生成される信号電荷の平均電荷量となるように第２トランジスタのバイアスを制御し、当該制御に応答して各垂直信号線に出現する各信号を、信号経路の電気的特性のばらつきに起因した固定パターンノイズ成分の測定信号として出力し、その後の画素信号の出力モードで、前記有効画素部にアクセスして、前記入力光に応じて生成された信号を各垂直信号線に出力させる垂直駆動回路と、
   を有する固体撮像装置。
2. 複数行の非有効画素の前記測定信号から、前記固定パターンノイズ成分のレベルを垂直信号線ごとに検出するレベル検出部と、
   固定パターンノイズ成分のレベルを記憶する記憶部と、
   撮像時に入力光に応じて前記有効画素部から有効画素信号が出力されたときに、当該有効画素信号から記憶部に記憶された固定パターンノイズ成分のレベルを差し引く減算部と
   をさらに有する請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記レベル検出部は、複数フレーム分の非有効画素の測定信号から、前記パターンノイズ成分のレベルを垂直信号線ごとに検出する
   請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記非有効画素の行のみアクセスすることによって、所定数のフレーム分の測定信号を出力させるノイズ測定信号の読み出しモードを備える
   請求項１に記載の固体撮像装置。
5. 各垂直信号線から順次出力される測定信号を垂直信号線ごとに平均化することにより、測定信号に一様に重畳したランダムノイズ成分を全ノイズ成分の１／Ｍ（Ｍは２以上の自然数）である倍以下に抑圧するランダムノイズ抑圧部をさらに有し、
   前記非有効画素部内における非有効画素の行数がＭの２乗以上に設定されている
   請求項１に記載の固体撮像装置。
6. 固体撮像装置を有し、
   前記固体撮像装置が、
   入力光に応じた画素電荷を生成するダイオードと、画素電荷を受けたノードの電位に応じた信号を出力する第１トランジスタと、前記ノードの電位をリセットする第２トランジスタとを有する有効画素が行単位で複数行、配置されている有効画素部と、
   前記第１および第２トランジスタを有し、ダイオードが省略された非有効画素が少なくとも１行、配置されている非有効画素部と、
   前記有効画素部および前記非有効画素部の画素列ごとに配線され、前記信号を外部に送る複数の垂直信号線と、
   前記非有効画素部にアクセスして数フレーム分の測定信号を出力させるノイズ測定信号の読み出しモードで、前記非有効画素において第２トランジスタがオンしたときに前記ノードの電荷量が、前記有効画素部の各画素で生成される信号電荷の平均電荷量となるように第２トランジスタのバイアスを制御し、当該制御に応答して各垂直信号線に出現する各信号を、信号経路の電気的特性のばらつきに起因した固定パターンノイズ成分の測定信号として出力し、その後の画素信号の出力モードで、前記有効画素部にアクセスして、前記入力光に応じて生成された信号を各垂直信号線に出力させる垂直駆動回路と、
   を有する画像入力装置。
7. 各垂直信号線から順次出力される測定信号を垂直信号線ごとに平均化することにより、測定信号に一様に重畳したランダムノイズ成分を全ノイズ成分の１／Ｍ（Ｍは２以上の自然数）倍以下に抑圧するランダムノイズ抑圧部をさらに有し、
   前記非有効画素部内における非有効画素の行数がＭの２乗以上に設定されている
   請求項６に記載の画像入力装置。
8. 入力光に応じた画素電荷を生成するダイオードと、画素電荷を受けたノードの電位に応じた信号を出力する第１トランジスタと、前記ノードの電位をリセットする第２トランジスタとを有する有効画素が行単位で複数行、配置されている有効画素部と、前記第１および第２トランジスタを有し、ダイオードが省略された非有効画素が少なくとも１行、配置されている非有効画素部と、前記有効画素部および前記非有効画素部の画素列ごとに配線され、前記信号を外部に送る複数の垂直信号線と、を備える固体撮像装置において、様々な明るさの画像を入力させたときに、前記有効画素部の各画素で生成される画素電荷量の平均値に応じて前記非有効画素の前記第２トランジスタのバイアスを設定するバイアス設定ステップと、
   前記非有効画素部にアクセスして数フレーム分の測定信号を出力させる際に、前記バイアス設定ステップで設定したバイアスを前記非有効画素の第２トランジスタに印加した状態で非有効画素の前記第１トランジスタを動作させ、このときの各垂直信号線の信号を、固定パターンノイズ成分の測定信号として出力させる信号出力ステップと、
   複数の画素列の測定信号から、固定パターンノイズ成分のレベルを垂直信号線ごとに検出するレベル検出ステップと、
   固定パターンノイズ成分のレベルを、撮像時に入力光に応じて画素部より出力される有効画素信号から差し引いて当該固定パターンノイズを除去するノイズ除去ステップと、
   を含む固体撮像装置のノイズ除去方法。
9. 各垂直信号線から順次出力される測定信号を垂直信号線ごとに平均化することにより、測定信号に一様に重畳したランダムノイズ成分を全ノイズ成分の１／Ｍ（Ｍは２以上の自然数）倍以下に抑圧するランダムノイズ除去ステップをさらに有し、
   当該ランダムノイズ除去時に、前記信号出力ステップで各垂直信号線に順次、前記測定信号を出力する非有効画素の行数がＭの２乗以上に設定されている
   請求項８に記載の固体撮像装置のノイズ除去方法。

Images