JP4602413B2

JP4602413B2 - 固体撮像素子及び暗電流成分除去方法

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Publication number: JP4602413B2
Application number: JP2007551832A
Authority: JP
Inventors: 剛樋口
Original assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Current assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2025-12-27
Also published as: WO2007074518A1; CN101352033A; US20090002527A1; KR20080072089A; CN101352033B; KR100955637B1; JPWO2007074518A1

Description

本発明は固体撮像素子及び暗電流成分除去方法に関し、特に画素アレイの列ごとに設けられたアナログ・デジタル変換器を用いた固体撮像素子及び固体撮像素子の暗電流成分除去方法に関する。

ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）イメージセンサなどの固体撮像素子において、画素アレイの列（コラム）ごとに設けられたアナログ・デジタル変換器、いわゆるコラムＡＤ（アナログ・デジタル）変換器を搭載したものが知られている（例えば特許文献１参照）。

図１１は、従来の固体撮像素子における計数型のコラムＡＤ変換器の概略構成を示す図である。
計数型のコラムＡＤ変換器は、比較器５１と、ラッチ回路５２を有している。これらは、それぞれ、光電変換により光信号を電気信号に変換する複数の画素がマトリクス状に配置された画素アレイ（図示せず）の、コラムごとに設けられる。

比較器５１は、図示しない画素アレイからの画素信号と、所定の初期信号レベルから計数値と同期して一定の傾きで増加する基準信号（ランプ波）とを比較してその比較結果を出力する。

ラッチ回路５２は、比較器５１による比較結果及び、計数値を入力する。そして、画素信号と基準信号とが一致したときの計数値を画素信号の大きさを示す量子化値として保持する。

図１２は、従来の固体撮像素子のコラムＡＤ変換器を用いたＡＤ変換の様子を示す図である。
縦軸が電圧［Ｖ］、横軸が計数値である。

受光画素からの画素信号は、暗電流などの影響によるオフセット成分を含んだ信号として検出される。そして、例えば、受光量に応じて図の斜線部の範囲の電圧レベルで読み出され、コラムＡＤ変換器に入力される。図１１で示したコラムＡＤ変換器の比較器５１は、入力された画素信号と基準信号とを比較する。ラッチ回路５２は、入力された画素信号と基準信号とが一致したときの計数値をラッチして、画素信号の量子化値として出力する。なお、暗電流は温度による影響を強く受け、温度変化によって実オフセットの電圧レベル（実オフセットレベル）が上下する。そのため、従来の固体撮像素子のコラムＡＤ変換器においては、温度変化による受光画素の画素信号の電圧レベルの変動をカバーするように、図１２のように、実オフセットレベルからある程度のマージンを設けた一定の電圧レベル（アナログオフセットレベル）を、基準信号の初期信号レベルとして設定していた。
特開２０００−３４９６３８号公報

しかし、このようなアナログオフセットレベルを設定すると、図１２のように、得られる実量子化数が、最大の量子化数よりもオフセット分少なくなり、分解能が低下して解像度の低下による画質の低下を招くという問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、画素信号から、温度により変動する暗電流成分をＡＤ変換時の分解能を下げることなく除去可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、画素信号から、温度により変動する暗電流成分をＡＤ変換時の分解能を下げることなく除去可能な暗電流成分除去方法を提供することである。

上記課題を解決するために、画素アレイの列ごとに設けられたアナログ・デジタル変換器を用いた、以下のような固体撮像素子が提供される。
この固体撮像素子は、所定の初期信号レベルから一定の傾きで増加する基準信号を生成する基準信号生成部と、前記基準信号と画素信号とを比較する比較部と、前記基準信号の増加に同期した計数を行う計数部と、前記基準信号と前記画素信号とが一致したときの計数値を、前記画素信号の量子化値として保持する保持部と、複数の遮光画素から読み出された前記画素信号の前記量子化値の平均値を算出する平均値算出部と、前記平均値をもとに、受光画素から読み出された前記画素信号と比較する前記基準信号の前記初期信号レベルを設定する基準信号調整部と、を有し、前記基準信号調整部は、前記平均値における前記基準信号の信号レベルを、前記受光画素の読み出し時における前記初期信号レベルとして設定する。

また、上記課題を解決するために、以下のような固体撮像素子の暗電流成分除去方法が提供される。

この固体撮像素子の暗電流成分除去方法は、画素アレイから読み出された遮光画素の画素信号と、計数値と同期して所定の初期信号レベルから一定の傾きで増加する基準信号とを比較して、一致したときの前記計数値をもとに前記遮光画素における前記画素信号の量子化値を取得し、複数の前記遮光画素の前記量子化値の平均値を算出し、前記平均値における前記基準信号の信号レベルを、前記画素アレイから読み出された受光画素の前記画素信号と比較する前記基準信号の前記初期信号レベルとして設定し、前記平均値をもとに設定した前記初期信号レベルの前記基準信号と、前記受光画素の前記画素信号とを比較して、一致したときの前記計数値をもとに前記受光画素における前記画素信号の前記量子化値を取得する。

また、上記課題を解決するために、画素アレイの列ごとに設けられたアナログ・デジタル変換器を用いた、以下のような固体撮像素子が提供される。

この固体撮像素子は、前記画素アレイから遮光画素を読み出し、前記アナログ・デジタル変換器により変換した遮光画素デジタル値を算出する算出部と、前記算出部で算出された遮光画素デジタル値の平均値における基準信号の信号レベルを、受光画素の読み出し時における前記アナログ・デジタル変換器の量子化範囲の境界値として設定する境界値算出部と、を有する。

本発明によれば、受光画素の画素信号の量子化値を取得する前に、遮光画素の画素信号の量子化値を取得し、その平均値を算出して、算出した平均値をもとに受光画素の画素信号と比較する基準信号の初期信号レベルを設定するので、温度によって変動する暗電流成分をＡＤ変換時の分解能を下げることなく除去することができる。

本発明の上記および他の目的、特徴および利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。

第１の実施の形態の固体撮像素子の主要部の構成を示す図である。画素アレイの一例を示す図である。第１の実施の形態の固体撮像素子のＡＤ変換処理を説明するフローチャートである。遮光画素の画素信号のＡＤ変換の様子を説明する図である。受光画素の画素信号のＡＤ変換の様子を説明する図である。第２の実施の形態の固体撮像素子の主要部の構成を示す図である。第２の実施の形態の固体撮像素子のＡＤ変換処理を説明するフローチャートである。遮光画素の画素信号のＡＤ変換の様子を説明する図である。受光画素の画素信号のＡＤ変換の様子を説明する図である。遮光画素領域が複数個所に設定されている場合の画素アレイの一例を示す図である。従来の固体撮像素子における計数型のコラムＡＤ変換器の概略構成を示す図である。従来の固体撮像素子のコラムＡＤ変換器を用いたＡＤ変換の様子を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、第１の実施の形態の固体撮像素子の主要部の構成を示す図である。
第１の実施の形態の固体撮像素子１０は、ＤＡ変換器１１、比較器１２、カウンタ１３、ラッチ回路１４を有する。更に、第１の実施の形態の固体撮像素子１０は、平均値算出部１５、基準信号調整部１６を有する。

ＤＡ変換器１１は、カウンタ１３の計数値をもとにＤＡ変換を行い、所定の初期信号レベルから一定の傾きで増加する基準信号（ランプ波）を生成する。
コラムごとに設けられた比較器１２は、基準信号と、画素アレイから読み出された画素信号とを比較する。

図２は、画素アレイの一例を示す図である。
画素アレイ２０は、遮光画素領域２１と受光画素領域２２からなり、各領域にはＭＯＳトランジスタやフォトダイオードなどからなる画素（図示せず）がマトリクス状に配列されている。遮光画素領域２１は、黒レベルを測定するための遮光された画素（遮光画素）が配列された領域である。受光画素領域２２は、光が照射される画素（受光画素）が配列された領域である。

このような画素アレイ２０からの画素信号の読み出しは、図のようなコラム方向に、１行ずつまとめて読み出される。例えば、数千コラムの画素信号がそれぞれ図示しない読み出し回路を介して各コラムの比較器１２に入力される。

図１に戻り、カウンタ１３は、基準信号の増加に同期した計数を行う。
コラムごとに設けられたラッチ回路１４は、基準信号と画素信号が一致したときの計数値を、画素信号の量子化値（デジタル値）として保持する。

平均値算出部１５は、複数（例えば数千コラム分）の遮光画素から読み出された画素信号の量子化値（以下遮光画素デジタル値という場合もある。）の平均値を算出する。
基準信号調整部１６は、平均値算出部１５で算出された平均値をもとに受光画素から読み出された画素信号と比較する基準信号の初期信号レベルを設定する。

つまり、平均値算出部１５と基準信号調整部１６は、遮光画素デジタル値に基づきＡＤ変換の量子化範囲の境界値を決定する機能を有している。
なお、平均値算出部１５及び基準信号調整部１６は、固体撮像素子１０の全体を制御するデジタル制御回路（図示せず）に集積化してもよい。

以下、第１の実施の形態の固体撮像素子１０の画素信号の読み出し動作、特にＡＤ変換処理を説明する。
図３は、第１の実施の形態の固体撮像素子のＡＤ変換処理を説明するフローチャートである。

まず、基準信号調整部１６は、カウンタ１３の計数初期値をデフォルト（例えば０）に設定する（ステップＳ１）。
そして、図示しない読み出し回路によって、まず図２で示したような遮光画素領域２１から遮光画素の画素信号を読み出し（ステップＳ２）、ＡＤ変換により量子化値を取得する（ステップＳ３）。

図４は、遮光画素の画素信号のＡＤ変換の様子を説明する図である。
縦軸が電圧［Ｖ］、横軸がカウンタ１３による計数値である。
ＡＤ変換において、ＤＡ変換器１１は、ある初期信号レベルから計数値に応じて一定の傾きで増加する基準信号を生成する。なお、基準信号の初期信号レベルや傾きは、例えば基準信号調整部１６にて設定される。遮光画素の画素信号が比較値１２に入力されると、カウンタ１３は計数を開始する。そしてこの計数値をもとにＤＡ変換器１１で生成された基準信号は、比較器１２にて入力された遮光画素の画素信号と比較される。基準信号と、画素信号の値が一致した場合、ラッチ回路１４はそのときの計数値を、入力された画素信号の量子化値として保持する。

次に、平均値算出部１５は、各ラッチ回路１４からの遮光画素の画素信号の量子化値を取得し、その平均値を算出する（ステップＳ４）。
基準信号調整部１６は、得られた遮光画素デジタル値の平均値をカウンタ１３の計数初期値に設定する（ステップＳ５）。つまり、遮光画素デジタル値でＡＤ変換の量子化範囲の最小値を決定する。

次に、受光画素の読み出しを行い（ステップＳ６）、ＡＤ変換により受光画素の量子化値を取得する（ステップＳ７）。
図５は、受光画素の画素信号のＡＤ変換の様子を説明する図である。

縦軸が電圧［Ｖ］、横軸がカウンタ１３による計数値である。
基準信号調整部１６は、算出された平均値における基準信号の信号レベル（遮光画素の平均信号レベル）を、受光画素の画素信号のＡＤ変換に用いる基準信号の初期信号レベルとして設定する。さらに、基準信号調整部１６は、目的の量子化数に応じて基準信号の傾き（ゲイン）を設定するようにしてもよい。そして、ＤＡ変換器１１は、算出された平均値を計数初期値とした計数値をもとに、基準信号を生成する。

このように設定された基準信号を用いて、比較器１２及びラッチ回路１４により、図２で示したような受光画素領域２２の受光画素の画素信号の量子化値を取得する。なお、量子化値を取得した後は、黒レベルを揃えるために、取得した量子化値から平均値を減じる。

以上のような処理により、受光画素のＡＤ変換において、実オフセットレベルと、基準信号の初期信号レベルとを一致させることができるので、最大量子化数と実量子化数とを等しくしたままで、暗電流成分を除去できるようになる。そのため、温度変化によりＡＤ変換時の分解能が低下することを防止することができる。これにより、高解像度で高画質の撮像画像を得ることが可能になる。

なお、基準信号調整部１６は、基準信号の初期信号レベルの設定の際に算出した平均値にマージンを加えることで遮光画素の画素信号の量子化値のばらつきによる黒レベルの潰れを防止するようにしてもよい。このマージンは、従来のように暗電流の温度変化によるばらつきをカバーするように設けられたマージンよりもはるかに小さいものである。

また、遮光画素の画素信号の量子化値のばらつき範囲をカバーするのに必要なマージンは、基準信号の傾き（ゲイン）ごとに変わるので、このマージンを基準信号の傾きごとに設定するようにしてもよい。例えば、基準信号の傾きが急峻であればカウンタ１３に加えるマージンは少なくし、緩やかであれば多く加える。

次に第２の実施の形態の固体撮像素子を説明する。
計数型のコラムＡＤ変換器を用いた固体撮像素子において、基準信号を定電流発生回路で生成するものが知られているが、その場合においても、以下のような構成により暗電流成分をＡＤ変換時の分解能を低下させることなく除去できる。

図６は、第２の実施の形態の固体撮像素子の主要部の構成を示す図である。
第１の実施の形態の固体撮像素子１０と同一の構成要素については、同一符号として説明を省略する。

第２の実施の形態の固体撮像素子１０ａは、基準信号を生成する回路を２つ有する。すなわち、ＤＡ変換器１１ａと定電流発生回路１１ｂを有している。
ＤＡ変換器１１ａは、基準信号調整部１６ａの制御のもと遮光画素のＡＤ変換に用いる基準信号を生成する。なお、遮光画素のＡＤ変換に用いることから、このＤＡ変換器１１ａは分解能が低いものでもよく、小さい回路規模のもので実現できる。

定電流発生回路１１ｂは、受光画素のＡＤ変換に用いる基準信号を生成する。
基準信号調整部１６ａは、遮光画素のＡＤ変換の結果取得した量子化値の平均値をもとに、定電流発生回路１１ｂの初期信号レベルを設定する。

以下、第２の実施の形態の固体撮像素子１０ａの動作を説明する。
図７は、第２の実施の形態の固体撮像素子のＡＤ変換処理を説明するフローチャートである。

まず、基準信号調整部１６ａは、カウンタ１３の計数初期値を０に設定するとともに、基準信号の初期信号レベルを０Ｖに設定する（ステップＳ１０）。
そして、図示しない読み出し回路によって、まず図２で示したような遮光画素領域２１から遮光画素の画素信号を読み出し（ステップＳ１１）、ＡＤ変換により量子化値を取得する（ステップＳ１２）。

図８は、遮光画素の画素信号のＡＤ変換の様子を説明する図である。
縦軸が電圧［Ｖ］、横軸がカウンタ１３による計数値である。
ＡＤ変換において、ＤＡ変換器１１ａは、０Ｖから計数値に応じて一定の傾きで増加する基準信号を生成する。なお、基準信号の傾きは基準信号調整部１６ａにて設定される。遮光画素の画素信号が比較器１２に入力されると、カウンタ１３は計数を開始する。そして、この計数値をもとにＤＡ変換器１１ａで生成された基準信号は、比較器１２にて入力された遮光画素の画素信号と比較される。基準信号と、画素信号の値が一致した場合、ラッチ回路１４はそのときの計数値を、入力された画素信号の量子化値として保持する。

なお、遮光画素の画素信号のＡＤ変換の際には、定電流発生回路１１ｂはオフしている。
次に、平均値算出部１５は、各ラッチ回路１４からの遮光画素の画素信号の量子化値を取得し、その平均値を算出する（ステップＳ１３）。

基準信号調整部１６ａは、カウンタ１３の計数初期値を０にリセットするとともに、算出された平均値における基準信号の信号レベル（遮光画素の平均信号レベル）を、定電流発生回路１１ｂで生成される基準信号の初期信号レベルに設定する（ステップＳ１４）。

次に、受光画素の読み出しを行い（ステップＳ１５）、定電流発生回路１１ｂをオンし（ステップＳ１６）、ＡＤ変換により受光画素の量子化値を取得する（ステップＳ１７）。

図９は、受光画素の画素信号のＡＤ変換の様子を説明する図である。
縦軸が電圧［Ｖ］、横軸がカウンタ１３による計数値である。
定電流発生回路１１ｂは、基準信号調整部１６ａによって設定された初期信号レベルから一定の傾きで増加する基準信号を生成する。

このように設定された基準信号を用いて、比較器１２及びラッチ回路１４により、図２で示したような受光画素領域２２の受光画素の画素信号の量子化値を取得する。なお、第１の実施の形態の固体撮像素子１０と異なり、計数値は０から計数されるため、取得した量子化値から平均値を減ずる必要はない。

なお、基準信号調整部１６ａは、基準信号の初期信号レベルの設定の際に算出した平均値にマージンを加えることで遮光画素の画素信号の量子化値のばらつきや、ＤＡ変換器１１ａの調整限界による黒レベルの潰れを防止するようにしてもよい。このマージンは、従来のように暗電流の温度変化によるばらつきをカバーするように設けられたマージンよりもはるかに小さいものである。

また、遮光画素の画素信号の量子化値のばらつき範囲をカバーするのに必要なマージンは、基準信号の傾き（ゲイン）ごとに変わるので、このマージンを基準信号の傾きごとに設定するようにしてもよい。例えば、基準信号の傾きが急峻であればマージンは少なくし、緩やかであれば多く加える。

なお、上記第１及び第２の実施の形態の固体撮像素子１０、１０ａにおいて、動画撮像時などの場合、前述した基準信号の初期信号レベルの設定は、フレームごとに行ってもよい。例えば、フレームの画素信号の読み出しの先頭に行う。またはフレームの最後に行い、その初期信号レベルを用いて次のフレームの受光画素のＡＤ変換を行う。

また、フレーム間での温度変化が少ない場合には、処理時間の短縮のために、所定フレーム数ごとに１回（例えば３０フレームに１回など）行うようにしてもよい。
また、図２では遮光画素領域２１が画素アレイ２０の上側にある場合について示しているが、例えば、下側にあってもよい。

図１０は、遮光画素領域が複数個所に設定されている場合の画素アレイの一例を示す図である。
画素アレイ３０は、上下に遮光画素領域３１ａ、３１ｂを、受光画素領域３２を挟むように配置している。このような画素アレイ３０の場合、例えば、上側と下側の両方の遮光画素の画素信号から平均値を算出することで、より正確に暗電流成分を見積もることができる。この他にも、受光画素領域３２を囲うような遮光画素領域を用いた場合にも同様に本発明を適用可能である。

上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。

符号の説明

１０固体撮像素子
１１ＤＡ変換器
１２比較器
１３カウンタ
１４ラッチ回路
１５平均値算出部
１６基準信号調整部

Claims

画素アレイの列ごとに設けられたアナログ・デジタル変換器を用いた固体撮像素子において、
所定の初期信号レベルから一定の傾きで増加する基準信号を生成する基準信号生成部と、
前記基準信号と画素信号とを比較する比較部と、
前記基準信号の増加に同期した計数を行う計数部と、
前記基準信号と前記画素信号とが一致したときの計数値を、前記画素信号の量子化値として保持する保持部と、
複数の遮光画素から読み出された前記画素信号の前記量子化値の平均値を算出する平均値算出部と、
前記平均値をもとに、受光画素から読み出された前記画素信号と比較する前記基準信号の前記初期信号レベルを設定する基準信号調整部と、を有し、
前記基準信号調整部は、前記平均値における前記基準信号の信号レベルを、前記受光画素の読み出し時における前記初期信号レベルとして設定することを特徴とする固体撮像素子。
前記基準信号生成部は、前記計数値をもとに前記基準信号を生成するデジタル・アナログ変換器を有し、
前記基準信号調整部は、前記平均値を前記計数部の計数初期値に設定することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
前記基準信号調整部は、前記平均値に所定のマージンを加えた前記計数初期値を設定することを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
前記基準信号調整部は、前記マージンを前記基準信号の傾きに応じて設定することを特徴とする請求項３記載の固体撮像素子。
前記基準信号生成部は、前記画素信号が前記遮光画素から読み出された場合に、前記基準信号を生成するデジタル・アナログ変換器と、前記受光画素から読み出された場合に、前記基準信号を生成する定電流発生回路と、を有し、
前記基準信号調整部は、前記平均値をもとに前記定電流発生回路で生成される前記基準信号の前記初期信号レベルを設定することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
前記初期信号レベルの設定は、毎フレームの前記受光画素の読み出し開始前に行われることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
前記初期信号レベルの設定は、所定フレーム数ごとに１回行われることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
固体撮像素子の暗電流成分除去方法において、
画素アレイから読み出された遮光画素の画素信号と、計数値と同期して所定の初期信号レベルから一定の傾きで増加する基準信号とを比較して、一致したときの前記計数値をもとに前記遮光画素における前記画素信号の量子化値を取得し、
複数の前記遮光画素の前記量子化値の平均値を算出し、
前記平均値における前記基準信号の信号レベルを、前記画素アレイから読み出された受光画素の前記画素信号と比較する前記基準信号の前記初期信号レベルとして設定し、
前記平均値をもとに設定した前記初期信号レベルの前記基準信号と、前記受光画素の前記画素信号とを比較して、一致したときの前記計数値をもとに前記受光画素における前記画素信号の前記量子化値を取得することを特徴とする暗電流成分除去方法。
画素アレイの列ごとに設けられたアナログ・デジタル変換器を用いた固体撮像素子において、
前記画素アレイから遮光画素を読み出し、前記アナログ・デジタル変換器により変換した遮光画素デジタル値を算出する算出部と、
前記算出部で算出された遮光画素デジタル値の平均値における基準信号の信号レベルを、受光画素の読み出し時における前記アナログ・デジタル変換器の量子化範囲の境界値として設定する境界値算出部と、
を有することを特徴とする固体撮像素子。
前記境界値算出部は、前記遮光画素デジタル値を、前記量子化範囲の最小値とすることを特徴とする請求項９記載の固体撮像素子。