JP4522337B2 - 固体撮像素子のノイズ発生源特定方法 - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像素子を遮光して駆動した際に生じるノイズの主たる発生源を特定する方法に関する。
デジタルカメラなどに搭載される固体撮像素子として、ＣＣＤイメージセンサ（ＣＣＤ）が知られている。最近では、ＣＣＤの微細化が進み、画素数の増加による解像度の向上が期待されている。しかし、その反面では、微小光量条件下におけるＳ／Ｎ比の劣化が懸念され、これを改善する手法の確立が急務となっている（非特許文献１参照）。
「撮像素子のランダム雑音と素子縮小化の課題」、日経マイクロデバイス、１９８６年６月号
「撮像素子のランダム雑音と素子縮小化の課題」、日経マイクロデバイス、１９８６年６月号
上記課題に対して、本発明者らは日々研鑽を重ね、ＣＣＤの微小光量条件下におけるＳ／Ｎ比を改善させるためには、ＣＣＤを遮光して駆動した際に生じるノイズを低減させることが有効であることを見出した。しかしながら、ノイズの主たる発生源がＣＣＤのどの箇所であるかを特定しない限りは、ノイズを低減させるための対策を立てることができないという新たな課題が生じた。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、ノイズの主たる発生源がどの箇所であるかを簡単且つ確実に特定することができる固体撮像素子のノイズ発生源特定方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、入射光をその光量に応じた信号電荷に変換して蓄積する光電変換素子と、光電変換素子からの信号電荷を転送する転送路と、転送路によって転送された信号電荷を信号電圧に変換して出力するフローティングディフュージョンアンプとを有する固体撮像素子を、遮光して駆動した際に生じるノイズの主たる発生源を特定する方法であって、前記光電変換素子、前記転送路、前記フローティングディフュージョンアンプの順に１箇所ずつ駆動を停止させていき、且つ全箇所の駆動を停止させて、その都度発生したノイズを求め、全箇所を駆動したときに求めたノイズから、駆動を停止させたときに求めたノイズを減算することで、駆動を停止させた箇所に起因するノイズを求め、ノイズの主たる発生源を特定することを特徴とする。
なお、前記転送路は、行列状に２次元配置された複数個の光電変換素子の垂直列毎に設けられ、各光電変換素子からの信号電荷を垂直転送する複数本の垂直ＣＣＤと、垂直ＣＣＤから転送される１ライン分の信号電荷を水平転送する水平ＣＣＤとからなり、前記転送路のノイズを求める際には、前記垂直ＣＣＤ、前記水平ＣＣＤの順に駆動を停止させて行う。
また、前記フローティングディフュージョンアンプは、前記転送路から転送された信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョン部と、フローティングディフュージョン部に蓄積された信号電荷を電圧に変換して出力するソースフォロア回路とを有しており、前記フローティングディフュージョンアンプのノイズを求める際には、前記フローティングディフュージョン部、前記ソースフォロア回路の順に駆動を停止させて行う。
本発明の固体撮像素子のノイズ発生源特定方法によれば、光電変換素子、転送路、フローティングディフュージョンアンプの順に１箇所ずつ駆動を停止させていき、且つ全箇所の駆動を停止させて、その都度発生したノイズを求め、全箇所を駆動したときに求めたノイズから、駆動を停止させたときに求めたノイズを減算することで、駆動を停止させた箇所に起因するノイズを求め、ノイズの主たる発生源を特定するので、ノイズの主たる発生源がどの箇所であるかを簡単且つ確実に特定することができる。
図１において、ＣＣＤ２は、行列状に２次元配置され、入射光をその光量に応じた信号電荷に変換して蓄積する複数個の光電変換素子（ＰＤ）１０と、ＰＤ１０の垂直列毎に設けられ、各ＰＤ１０からの信号電荷を垂直転送する複数本の垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）１１と、ＶＣＣＤ１１から転送される１ライン分の信号電荷を水平転送する水平ＣＣＤ（ＨＣＣＤ）１２と、ＨＣＣＤ１２によって転送された信号電荷を信号電圧に変換して出力するフローティングディフュージョンアンプ（ＦＤＡ）１３とを有している。
ＦＤＡ１３は、ＨＣＣＤ１２から順次転送された信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョン（ＦＤ）部１４と、出力の終了した画素の信号電荷を掃き捨てるためのリセットドレイン電圧が印加されるリセットドレイン（ＲＤ）部１５と、リセットパルスが入力されるリセットゲート（ＲＧ）部１６と、ＦＤ部１４に蓄積された信号電荷を電圧に変換して出力するソースフォロア回路（ＳＦ）１７とからなる。ＦＤＡ１３では、ＦＤ部１４の信号電荷の変化量をΔＱ、電圧変化をΔＶ、静電容量をＣとして、ΔＱ＝ＣΔＶの関係式を用いて信号電荷から信号電圧への変換を行っている。
ここで、ＣＣＤ２をデジタルカメラなどの実機に搭載して、実際に使用する際には、ＳＦ１７の後段に線形演算部１８が接続される。線形演算部１８は、ＳＦ１７から出力される信号電圧に対して、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）、増幅（ＡＭＰ）、Ａ／Ｄ変換（Ａ／Ｄ）などの線形演算を施して、デジタルデータＱＬを出力する。
本発明の固体撮像素子のノイズ発生源特定方法では、図中点線および矢印の区画で示すように、まず、ＰＤ１０、ＶＣＣＤ１１、ＨＣＣＤ１２、ＦＤ部１４、ＳＦ１７の順に１箇所ずつ駆動を停止させていき、且つ全箇所の駆動を停止させて、その都度発生したノイズを求める。
ＰＤ１０の駆動の停止は、ＰＤ１０からＶＣＣＤ１１への信号電荷の移動を停止させることで行う。ＶＣＣＤ１１、およびＨＣＣＤ１２の駆動の停止は、ＶＣＣＤ１１からＨＣＣＤ１２への信号電荷の移動、およびＨＣＣＤ１２からＦＤ部１４への信号電荷の移動を停止させることで行う。ＦＤ部１４の駆動の停止は、ＲＤ部１５にリセットドレイン電圧を印加することで行う。ＳＦ１７の駆動の停止は、線形演算部１８の駆動を停止させることで行う。
上記のようにして１箇所ずつ駆動を停止させ、且つ全箇所の駆動を停止させて、発生したノイズを求めた後、全箇所を駆動したときに求めたノイズＮtotalから、駆動を停止させたときに求めたノイズを減算することで、駆動を停止させた箇所に起因するノイズ（ＮPD（ＰＤ１０に起因するノイズ）、ＮVCCD（ＶＣＣＤ１１に起因するノイズ）、ＮHCCD（ＨＣＣＤ１２に起因するノイズ）、ＮFD（ＦＤ部１４に起因するノイズ）、ＮSF（ＳＦ１７に起因するノイズ）、Ｎpass（ＣＣＤ２回路系全体に起因するノイズ、全箇所の駆動を停止させて求めたノイズ））を求め、ノイズの主たる発生源を特定する。なお、ノイズは、デジタルデータＱＬをアナログに換算し、二乗平均平方根の形で求める。また、各箇所のノイズは独立して発生するものと想定している。
上記のようにして求めた各箇所に起因するノイズの算出結果の一例を図２に示す。この例では、ＳＦ１７に起因するノイズＮSFが、求めたノイズのうちで最大であるため、ノイズの主たる発生源がＳＦ１７であると特定することができる。この場合、ノイズＮSFを低減させるための対策としては、ＳＦ１７を構成するＭＯＳＦＥＴの１／ｆノイズおよび熱ノイズを根本的な原因として想定し、電流量、Ｗ／Ｌ比を増大、あるいはゲート膜厚を薄膜化する。
以上説明したように、ＣＣＤ２を構成する各部の駆動を１箇所ずつ停止させていき、且つ全箇所の駆動を停止させて、駆動を停止させた箇所に起因するノイズを求め、ノイズの主たる発生源を特定することができた。これにより、ノイズを低減させるための対策を立てることができ、また、対策を実施した後の効果を検証することも可能となる。
２ ＣＣＤ
１０ 光電変換素子（ＰＤ）
１１ 垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）
１２ 水平ＣＣＤ（ＨＣＣＤ）
１３ フローティングディフュージョンアンプ（ＦＤＡ）
１４ フローティングディフュージョン（ＦＤ）部
１７ ソースフォロア回路（ＳＦ）
１０ 光電変換素子（ＰＤ）
１１ 垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）
１２ 水平ＣＣＤ（ＨＣＣＤ）
１３ フローティングディフュージョンアンプ（ＦＤＡ）
１４ フローティングディフュージョン（ＦＤ）部
１７ ソースフォロア回路（ＳＦ）
Claims (3)
- 入射光をその光量に応じた信号電荷に変換して蓄積する光電変換素子と、光電変換素子からの信号電荷を転送する転送路と、転送路によって転送された信号電荷を信号電圧に変換して出力するフローティングディフュージョンアンプとを有する固体撮像素子を、遮光して駆動した際に生じるノイズの主たる発生源を特定する方法であって、
前記光電変換素子、前記転送路、前記フローティングディフュージョンアンプの順に１箇所ずつ駆動を停止させていき、且つ全箇所の駆動を停止させて、その都度発生したノイズを求め、
全箇所を駆動したときに求めたノイズから、駆動を停止させたときに求めたノイズを減算することで、駆動を停止させた箇所に起因するノイズを求め、
ノイズの主たる発生源を特定することを特徴とする固体撮像素子のノイズ発生源特定方法。 - 前記転送路は、行列状に２次元配置された複数個の光電変換素子の垂直列毎に設けられ、各光電変換素子からの信号電荷を垂直転送する複数本の垂直ＣＣＤと、
垂直ＣＣＤから転送される１ライン分の信号電荷を水平転送する水平ＣＣＤとからなり、
前記転送路のノイズを求める際には、前記垂直ＣＣＤ、前記水平ＣＣＤの順に駆動を停止させて行うことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子のノイズ発生源特定方法。 - 前記フローティングディフュージョンアンプは、前記転送路から転送された信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョン部と、
フローティングディフュージョン部に蓄積された信号電荷を電圧に変換して出力するソースフォロア回路とを有しており、
前記フローティングディフュージョンアンプのノイズを求める際には、前記フローティングディフュージョン部、前記ソースフォロア回路の順に駆動を停止させて行うことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子のノイズ発生源特定方法。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPH08126035A (ja) * | 1994-10-25 | 1996-05-17 | Sony Corp | 撮像素子欠陥検出装置 |
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| JP2002199286A (ja) * | 2000-12-27 | 2002-07-12 | Sony Corp | 固体撮像素子の駆動方法および駆動装置 |
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