JP4873385B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
「CCD/CMOSイメージ・センサの基礎と応用」CQ出版社発行、第 193頁〜第 194頁
まず、本発明に係る固体撮像装置の実施例1について説明する。図1は、実施例1に係る固体撮像装置の構成を示す概略ブロック図である。。図1において、1はフォトダイオード等の光電変換手段で、所定時間光を受けて光電荷を蓄積して光電変換する。2は光電変換手段1の光電荷を保持するためのメモリ手段、3は光電変換手段1の光電荷を転送する転送手段、4はメモリ手段2を電源電位にリセットするリセット手段、5は光電変換手段1を電源電位にリセットする排出手段、6はメモリ手段2の電荷を読み出すための読み出し手段、7は上記各手段で構成される単位画素で、2次元的に複数配列して画素部を構成している。なお、図示例では2×2の4画素部分のみを示している。
次に、本発明に係る固体撮像装置の実施例2について説明する。図5は、実施例2に係る固体撮像装置のノイズ抑圧手段の構成を示す概略ブロック図である。実施例1に係るノイズ抑圧手段との相違は、加算器35の出力に対して取得画像の平均化処理を行うための平均化処理部37,及び信号レベルから平均化処理を行った画像を減算するための加算器38を追加した点である。なお、その他の構成自体は実施例1と同じである。
・図6の(1)に示す処理(メモリ手段の順次リセット及びリセットレベルの読み出し)による画像には、画素部のリセット(KTC)雑音及び固定パターン雑音が含まれる。
・(2)の処理(1フレーム期間経過後のリセットレベルの読み出し)による画像には、画素部のリセット(KTC)雑音及び固定パターン雑音に加え、メモリ手段2で発生する暗電流成分及びそれに起因するショットノイズ成分が含まれる。
・ここで、(1)と(2)の処理による画素部のリセット(KTC)雑音及び固定パターン雑音には相関がある。
・(2)−(1)の減算処理により、画素部のリセット(KTC)雑音及び固定パターン雑音がディジタル領域で除去され、固定パターン雑音成分であるメモリ手段2の暗電流成分及びランダムノイズ成分である暗電流に起因するショットノイズが残留するノイズ信号を取得できる。
・(4)−(3),(6)−(5),(8)−(7)の減算処理により、同様に画素部のリセット(KTC)雑音及び固定パターン雑音がディジタル領域で除去され、固定パターン雑音成分であるメモリ部の暗電流成分及びランダムノイズ成分である暗電流に起因するショットノイズを取得できる。
・図6の(9)に示す処理(メモリ手段の順次リセット及びリセットレベルの読み出し)による画像には、画素部のリセット(KTC)雑音及び固定パターン雑音が含まれる。
・(10)に示す処理(信号レベルの順次読み出し)による画像には、画素部のリセット(KTC)雑音及び固定パターン雑音に加え、メモリ手段2で発生する暗電流成分及びそれに起因するショットノイズ成分、所定の露光期間による光信号が含まれる。
・ここで、(9)と(10)の処理による画素部のリセット(KTC)雑音及び固定パターン雑音には相関がある。
・(10)−(9)の減算処理により、画素部のリセット(KTC)雑音及び固定パターン雑音がディジタル領域で除去され、固定パターン雑音成分であるメモリ部の暗電流成分及びランダムノイズ成分である暗電流に起因するショットノイズが残留する光信号を取得できる。
(2)−(1),(4)−(3),(6)−(5),(8)−(7)の各減算処理による4個のノイズ信号を、加算平均等の処理を行うことで、ノイズ信号のランダムノイズ成分であるメモリ手段2の暗電流に起因するショットノイズが抑圧されるた平均化ノイズ信号が得られる。
次に、本発明に係る固体撮像装置の実施例3について説明する。図12は、実施例3に係る固体撮像装置の構成を示す概略ブロック図である。図1に示した実施例1との相違は、単位画素7の読み出し手段6とA/D変換器32との間にアナログ領域でのゲイン可変手段40と、ノイズ抑圧手段33に乗算器41及び乗算器42を追加した点である。アナログ領域でのゲイン可変手段40の例としてはカラムアンプが挙げられるが、これに限られるものではない。
・第1の読み出しモード動作におけるリセット直後のリセットレベル ・・・・(11)
・第1の読み出しモード動作におけるリセットから1フレーム期間経過後のリセットレベル
・・・・・・・(12)
・第2の読み出しモード動作におけるリセット直後のリセットレベル ・・・・(11)
・第2の読み出しモード動作における信号レベル ・・・・・・・(13)
(11)による画像には、画素部のリセット(KTC)雑音及び固定パターン雑音が含まれる。
(12)による画像には、画素部のリセット(KTC)雑音及び固定パターン雑音に加え、メモリ手段2で発生する暗電流成分及びそれに起因するショットノイズ成分が含まれる。(13)による画像には、画素部のリセット(KTC)雑音及び固定パターン雑音に加え、メモリ手段2で発生する暗電流成分及びそれに起因するショットノイズ成分、並びに所定の露光期間による光信号が含まれる。これらの信号の振幅を比較すると、(11)<(12)<(13)となる。
次に、実施例4について説明する。図13は、実施例4に係る固体撮像装置のノイズ抑圧手段の構成を示す概略ブロック図である。図12に示した実施例3のノイズ抑圧手段との相違は、乗算器43,乗算器44,加算器35の出力に取得画像の平均化処理を行うための平均化処理部37,及び信号レベルから平均化処理を行った画像を減算するための加算器38を追加した点であり、その他の構成は実施例3と同じである。図12に示した実施例3で述べたように、第1の読み出しモード動作において、リセット直後のリセットレベルを、ゲイン可変手段40において係数αで増幅しフレームメモリ34に記憶し、リセットから1フレーム期間経過後のリセットレベルを、ゲイン可変手段40において係数βで増幅し、乗算器41の係数aと乗算器42の係数bを、a:b=β:αとして、ノイズ信号を検出し、第2の読み出しモード動作において、リセット直後のリセットレベルを、ゲイン可変手段40において係数γで増幅しフレームメモリ34に記憶し、信号レベルを、ゲイン可変手段40において係数δで増幅し、乗算器41の係数aと乗算器42の係数bを、a:b=δ:γとして光信号を検出する。
(12)×β×α−(11)×α×β
また、光信号は次のように表される。
(13)×δ×γ−(11)×γ×δ
その後、ノイズ信号は平均化処理部37において、ランダムノイズ成分が抑圧され、乗算器43の係数cと乗算器44の係数dを、c:d=γ×δ:α×βとすることで、それ以降のアンプ雑音やA/D変換器の量子化雑音を最小限にすることができ、更なる高画質化を実現することができる。
次に、実施例5について説明する。図14は、実施例5に係る固体撮像装置のノイズ抑圧手段の構成を示す概略ブロック図である。図5に示した実施例2のノイズ抑圧手段との相違は、平均化処理部37の代わりに、乗算器45,加算器46,乗算器47,フレームメモリ48を追加した点であり、その他の構成は実施例2あるいは実施例3と同様である。ここで、乗算器45,加算器46,乗算器47,フレームメモリ48は、ノイズ信号のランダムノイズ成分を抑圧しつつ、画素のメモリ手段2で発生する固定パターン雑音を検出する手段である。フレームメモリ48には、光信号に残留するメモリ手段2の暗電流成分による固定パターン雑音を抑圧するためのノイズ信号が格納される。
次に、実施例6について説明する。図15は、実施例6に係る固体撮像装置におけるノイズ抑圧手段の構成を示す概略ブロック図である。本実施例6に係るノイズ抑圧手段は、図13に示した実施例4に係るノイズ抑圧手段と図14に示した実施例5に係るノイズ抑圧手段との組み合わせ構成のものである。この構成により、アンプ雑音やA/D変換器の量子化雑音が相対的に小さく見えるのでSNRを向上させることができ、最小限のノイズ信号の取得で、温度変化等によるメモリ部の暗電流成分に常に追従し、常にランダムノイズ成分の少ないノイズ信号を読み出すことができ、撮影間隔が最短になり、連写速度が向上し、低消費電力化にも寄与し、先に述べた高画質化処理についても同等の効果が得られる。
2 メモリ手段
3 転送手段
4 リセット手段
5 排出手段
6 読み出し手段
7 単位画素
30 垂直回路
31 水平回路
33 ノイズ抑圧手段
34,48 フレームメモリ
35,38,46 加算器
36 コントローラ
37 平均化処理部
40 ゲイン可変手段
41,42,43,44,45,47 乗算器
Claims (16)
- 光電変換手段と、前記光電変換手段の光電変換信号を記憶するメモリ手段と、前記光電変換信号を前記メモリ手段に転送する転送手段と、前記メモリ手段をリセットするリセット手段と、前記光電変換手段に蓄積された光電変換信号を排出する排出手段と、前記メモリ手段の光電変換信号を読み出すための読み出し手段とを有する画素が2次元的に配列された画素部と、
前記画素部から出力される画素に係る信号をデジタル信号に変換するA/D変換器と、 前記A/D変換器からの信号を格納するフレームメモリと、前記フレームメモリからの出力と前記A/D変換器からの信号を加算する加算器とを有し、前記A/D変換器からの信号のノイズを抑圧するノイズ抑圧手段と、
前記画素部の同一画素からの信号の読み出しに際し、前記転送手段により前記光電変換信号が前記メモリ手段に転送された後の前記画素の第1の信号レベルが読み出されるタイミングと、前記リセット手段により前記メモリ手段をリセットしたときの前記画素の第2の信号レベルの読み出されるタイミングとが1フレーム期間分異なるように制御するコントローラとを有し、
前記コントローラは、前記光電変換手段に蓄積された光電変換信号を全画素一括で排出し次いで排出動作を停止して露光期間を開始する制御と、
前記メモリ手段を1ライン又は複数ライン毎に順次リセットして1フレーム分のリセットレベルを読み出して前記ノイズ抑圧手段に入力する制御と、
前記リセットレベルの読み出し終了後前記光電変換手段に蓄積された光電変換信号を前記メモリ手段に全画素一括で転送し露光を終了する制御と、
前記メモリ手段から1ライン又は複数ライン毎に1フレーム分の信号レベルを順次読み出し前記ノイズ抑圧手段に入力する制御とを有し、
且つ、前記コントローラは、露光期間が1フレーム分のリセットレベルを読み出す期間より短い場合においては、リセットレベルの読み出し中に前記光電変換変換手段に蓄積された光電変換信号の排出動作を停止させて露光を開始し、露光期間が1フレーム分のリセットレベルを読み出す期間より長い場合においては、リセットレベルの読み出し前に前記光電変換手段に蓄積された光電変換信号の排出動作を停止させて露光を開始することを特徴とする固体撮像装置。 - 前記コントローラは、前記1フレーム分のリセットレベルの読み出しの開始を、前記光電変換手段に蓄積された光電変換信号を前記メモリ手段に全画素一括転送する時点の略1フレーム期間前に開始することを特徴とする請求項1に係る固体撮像装置。
- 前記コントローラは、前記メモリ手段を1ライン又は複数ライン毎に順次リセットして1フレーム分のリセット直後のリセットレベルを読み出した後、前記メモリ手段を1ライン又は複数ライン毎にリセットしてから1フレーム期間経過後のリセットレベルを1フレーム分読み出す第1の読み出しモードと、
前記メモリ手段を1ライン又は複数ライン毎に順次リセットして1フレーム分のリセット直後のリセットレベルを読み出した後、前記光電変換手段に蓄積された光電変換信号を前記メモリ手段に全画素一括転送を行い、1ライン又は複数ライン毎に1フレーム分の信号レベルを順次読み出す第2の読み出しモードとを切り換え可能に有していることを特徴とする請求項1又は2に係る固体撮像装置。 - 前記コントローラは、前記第1の読み出しモード動作を1回又は複数回行った後に前記第2の読み出しモード動作を行うことを特徴とする請求項3に係る固体撮像装置。
- 前記コントローラは、前記第2の読み出しモード動作を行った後に前記第1の読み出しモード動作を1回又は複数回行うことを特徴とする請求項3に係る固体撮像装置。
- 前記コントローラは、前記第1の読み出しモード動作を1回又は複数回行った後に前記第2の読み出しモード動作を行い、更に前記第1の読み出しモード動作を1回又は複数回行うことを特徴とする請求項3に係る固体撮像装置。
- 前記ノイズ抑圧手段は、前記第1の読み出しモード動作により読み出された1フレーム期間経過後のリセットレベルからリセット直後のリセットレベルをディジタル領域で減算してノイズ信号を検出し、前記第2の読み出しモード動作により読み出された信号レベルからリセット直後のリセットレベルをディジタル領域で減算して光信号を検出し、前記第1の読み出しモード動作で得られる複数回のノイズ信号の平均化処理を行った後、前記第2の読み出しモード動作で得られる光信号から前記平均化処理を行ったノイズ信号をディジタル領域で減算することを特徴とする請求項4〜6のいずれか1項に係る固体撮像装置。
- 前記第2の読み出しモード動作は複数回行うことを特徴とする請求項4〜6のいずれか1項に係る固体撮像装置。
- 前記画素部と前記A/D変換器の間にアナログ領域のゲイン可変手段を更に備え、前記第1の読み出しモード動作及び前記第2の読み出しモード動作により読み出されたリセットレベル又は信号レベルに対してアナログ領域のゲイン処理を行うことを特徴とする請求項3〜8のいずれか1項に係る固体撮像装置。
- 前記ゲイン可変手段は、前記第1の読み出しモード動作により読み出されたリセットレベルに対するゲインを、前記第2の読み出しモード動作により読み出されたリセットレベル及び信号レベルに対するゲインより高く設定することを特徴とする請求項9に係る固体撮像装置。
- 前記ゲイン可変手段は、前記第1の読み出しモード動作により読み出されたリセットレベルに対するゲインと前記第2の読み出しモード動作により読み出されたリセットレベル及び信号レベルに対するゲインとを異ならせて設定したときは、前記ノイズ抑圧手段はディジタル領域での光信号とノイズ信号との減算処理の前に、ゲイン差を補正することを特徴とする請求項9又は10に係る固体撮像装置。
- 2段階のシャッターレリーズ手段を更に有し、前記コントローラは、前記シャッターレリーズ手段の1段目のシャッターレリーズ動作時に第1の読み出しモード動作を1回又は複数回行い、2段目のシャッターレリーズ動作時に排出動作を停止すると共に第2の読み出しモード動作を1回又は複数回行うことを特徴とする請求項3〜11のいずれか1項に係る固体撮像装置。
- シャッターレリーズ手段を更に有し、前記コントローラは、前記第2の読み出しモード動作を行った後、前記第1の読み出しモード動作を1回又は複数回行っている最中にシャッターレリーズ動作が行われたときは、一旦前記第1の読み出しモード動作を中断して、排出動作を停止すると共に前記第2の読み出しモード動作を1回又は複数回行い、再び前記第1の読み出しモード動作を1回又は複数回行うことを特徴とする請求項5又は6に係る固体撮像装置。
- 前記ノイズ抑圧手段は、前記第1の読み出しモード動作により読み出された1フレーム期間経過後のリセットレベルからリセット直後のリセットレベルをディジタル領域で減算してノイズ信号を検出して、このノイズ信号をフレームメモリに記憶しておくと共に、その後に取得したノイズ信号と前記フレームメモリに記憶されているノイズ信号に各々重み付けを行い、その演算結果を新規にフレームメモリに記憶し、光信号を検出したときに、該光信号から前記フレームメモリに記憶されている信号をディジタル領域で減算することを特徴とする請求項3〜13のいずれか1項に係る固体撮像装置。
- 前記ノイズ抑圧手段は、前記重み付けを、温度や経過時間により可変することを特徴とする請求項14に係る固体撮像装置。
- 前記コントローラは、前記第1の読み出しモードの動作回数を、温度、連写モード、画質モード、ユーザの任意設定により可変することを特徴とする請求項3〜15のいずれか1項に係る固体撮像装置。
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