JP6419655B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本実施形態は、固体撮像装置に関する。

固体撮像装置で得られる画像信号には、暗電流によるノイズが含まれることがある。かかるノイズを低減するための手段の一つとして、画像信号の黒レベルを理想とするレベルへ補正する黒レベル補正が知られている。黒レベルは、輝度のレベルを階調として表す際の基準とする信号レベルである。固体撮像装置は、高品質な画像を得るために、高い精度で黒レベルを補正できることが求められている。

特開２００６−３０３９５３号公報

一つの実施形態は、画像信号の基準とするレベルの高精度な補正を可能とする固体撮像装置を提供することを目的とする。

一つの実施形態によれば、固体撮像装置は、画素領域および信号処理回路を備える。画素領域は、行列状に配列された画素を備える。画素は、光電変換素子を含む。信号処理回路は、画素領域から伝送された信号を処理する。画素領域は、第１領域および第２領域を含む。第１領域には、光が入射する画素が配列されている。第２領域には、遮光された画素が配列されている。信号処理回路は、補正回路を備える。補正回路は、第２領域の画素からの信号を基に、第１領域の画素の信号値を補正する。補正回路は、エリア平均算出部、エリア平均選択部、演算器、行平均算出部および行データ選択部を備える。エリア平均算出部は、第２領域に設定された複数のエリアについて、エリア平均を求める。エリア平均は、エリアごとにおける画素の信号値の平均である。エリア平均選択部は、複数のエリアについて求められた各エリア平均のうちの１つを選択する。演算器は、選択されたエリア平均と、第１領域の画素の信号値とを演算する。行平均算出部は、エリア内の画素の行ごとにおける信号値の平均である行平均を求める。行データ選択部は、行平均と、先に算出され保持された行平均である参照値との差分を求め、差分に基づいて、行ごとのデータを選択する。エリア平均算出部は、エリア内の複数の行についての行ごとのデータを用いてエリア平均を求める。

図１は、第１の実施形態の固体撮像装置のブロック構成を示す図である。 図２は、図１に示す固体撮像装置を備えるカメラシステムのブロック構成を示す図である。 図３は、図１に示す信号処理回路のブロック構成を示す図である。 図４は、図１に示す画素領域の平面模式図である。 図５は、図３に示す黒レベル補正回路のブロック構成を示す図である。 図６は、図４に示す黒レベル調整領域の平面模式図である。 図７は、図５に示す行データ選択回路のブロック構成を示す図である。 図８は、第２の実施形態の固体撮像装置に設けられた行データ選択回路のブロック構成を示す図である。 図９は、第３の実施形態の固体撮像装置に設けられた行データ選択回路のブロック構成を示す図である。 図１０は、第４の実施形態の固体撮像装置に設けられた黒レベル補正回路のブロック構成を示す図である。 図１１は、図１０に示す乱数付加回路のブロック構成を示す図である。 図１２は、図１０に示す黒レベル加算回路および減算器のブロック構成を示す図である。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる固体撮像装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の固体撮像装置のブロック構成を示す図である。図２は、図１に示す固体撮像装置を備えるカメラシステムのブロック構成を示す図である。

カメラシステム１は、カメラモジュール２を備える電子機器である。カメラシステム１は、例えばカメラ付き携帯端末である。カメラシステム１は、デジタルカメラ等の電子機器であっても良い。

カメラシステム１は、カメラモジュール２および後段処理部３を備える。カメラモジュール２は、撮像光学系４および固体撮像装置５を備える。後段処理部３は、イメージシグナルプロセッサ（ＩＳＰ）６、記憶部７および表示部８を備える。

撮像光学系４は、被写体からの光を取り込む。撮像光学系４は、被写体像を結像させるレンズを備える。固体撮像装置５は、ＣＭＯＳイメージセンサである。固体撮像装置５は、被写体像を撮像する。ＩＳＰ６は、固体撮像装置５での撮像により得られた画像信号の信号処理を実施する。記憶部７は、ＩＳＰ６での信号処理を経た画像を格納する。記憶部７は、ユーザの操作等に応じて、表示部８へ画像信号を出力する。

表示部８は、ＩＳＰ６あるいは記憶部７から入力される画像信号に応じて、画像を表示する。表示部８は、例えば、液晶ディスプレイである。カメラシステム１は、ＩＳＰ６での信号処理を経たデータに基づき、カメラモジュール２のフィードバック制御を実施する。

図１に示すように、固体撮像装置５は、画素領域１１、制御回路１２、行走査回路１３、列走査回路１４、カラム処理回路１５および信号処理回路１６を備える。制御回路１２、行走査回路１３、列走査回路１４、カラム処理回路１５および信号処理回路１６は、画素領域１１が実装されているチップ上に集積された周辺回路部を構成する。

画素領域１１は、行列状に配列された画素を備える領域である。各画素は、光電変換素子であるフォトダイオードを備える。光電変換素子は、入射光量に応じた信号電荷を生成する。画素は、入射光量に応じて生成された信号電荷を蓄積する。

固体撮像装置５の駆動のための各種データおよびクロック信号は、チップ外部から制御回路１２へ供給される。制御回路１２は、固体撮像装置５の外部から供給されるクロック信号に応じて、周辺回路部の駆動を制御するための各種パルス信号を生成する。制御回路１２は、駆動タイミングを指示するパルス信号を、行走査回路１３、列走査回路１４、カラム処理回路１５および信号処理回路１６のそれぞれに供給する。

行走査回路１３は、シフトレジスタおよびアドレスデコーダ等を備える。画素駆動回路である行走査回路１３は、画素領域１１の画素へ駆動信号を供給する。制御回路１２は、垂直同期信号に応じたパルス信号を、行走査回路１３へ供給する。行走査回路１３は、画素信号が読み出される画素行を、制御回路１２からのパルス信号に応じて順次選択する。行走査回路１３は、選択された画素行において画素ごとに順次読み出し信号を供給することによる読み出し走査を行う。読み出し信号は、入射光量に応じて生成された画素信号を画素から読み出すための駆動信号である。

行走査回路１３は、画素ごとへの読み出し信号の供給に先行して、各画素へのリセット信号の供給による掃き出し走査を行う。リセット信号は、光電変換素子に残存されている電荷を排出させるための駆動信号である。各画素は、リセット信号が供給されたときから読み出し信号が供給されるまでの間、入射光量に応じて生成された信号電荷を蓄積する。

駆動信号は、行走査回路１３から各画素へ、画素駆動線１８を通じて伝送される。画素駆動線１８は、画素領域１１の画素行ごとに設けられている。画素行は、行方向（水平方向）へ配列された画素からなる。

画素信号は、各画素からカラム処理回路１５へ、垂直信号線１９を通じて伝送される。垂直信号線１９は、画素領域１１の画素列ごとに設けられている。画素列は、列方向（垂直方向）へ配列された画素からなる。

カラム処理回路１５は、垂直信号線１９を伝送した画素信号を、画素列ごとに設けられた単位回路（図示省略）にて処理する。カラム処理回路１５は、画素信号へ、固定パターンノイズの低減のための相関二重サンプリング処理（ＣＤＳ）を施す。カラム処理回路１５は、画素信号へ、アナログ方式の信号からデジタル方式の信号への変換であるＡＤ変換を施す。

カラム処理回路１５は、画素からのアナログ信号の電位レベルと、ＶＲＥＦの電位レベルとを比較する。ＶＲＥＦは、電位レベルを所定の傾きで変化させたランプ波形の基準電圧である。カラム処理回路１５は、かかる比較を開始してから、ＶＲＥＦおよびアナログ信号における電位レベルの大小関係が反転するまでのカウント値を得る。これにより、カラム処理回路１５は、アナログ信号の電位レベルを、デジタル値であるカウント値へ変換する。なお、カラム処理回路１５は、ＣＤＳおよびＡＤ変換以外の処理を実施しても良い。カラム処理回路１５は、ＣＤＳおよびＡＤ変換を経た画素信号を、単位回路ごとに保持する。

列走査回路１４は、シフトレジスタおよびアドレスデコーダ等を備える。制御回路１２は、水平同期信号に応じたパルス信号を、列走査回路１４へ供給する。列走査回路１４は、画素信号を読み出す画素列を、制御回路１２からのパルス信号に応じて順次選択する。カラム処理回路１５は、列走査回路１４による選択走査に応じて、各単位回路に保持されている画素信号を順次出力する。

信号処理回路１６は、画素領域１１から伝送された信号を処理する。信号処理回路１６は、カラム処理回路１５からの画素信号を成分とする画像信号に対し、各種の信号処理を実施する。固体撮像装置５は、信号処理回路１６での処理を経た画像信号を出力する。

図３は、図１に示す信号処理回路のブロック構成を示す図である。信号処理回路１６は、黒レベル補正回路２０、キズ補正回路２１、ノイズ低減回路２２、シェーディング回路２３、デジタルアンプ（ＡＭＰ）回路２４およびサイズ調整回路２５を備える。

黒レベル補正回路２０は、信号処理回路１６へ入力された画像信号の黒レベルを補正する補正回路である。黒レベルは、輝度のレベルを階調として表す際の基準とする信号レベルである。

キズ補正回路２１は、画像信号へのキズ補正を実施する。キズは、画素からの信号の相対的な異常である。ノイズ低減回路２２は、画像信号へのノイズ低減処理を実施する。ノイズ低減回路２２は、温度等の条件変動に伴う暗電流の変動によるノイズ、あるいは電源変動に伴う低周波変動によるノイズ等を低減させる。

シェーディング回路２３は、被写体像のシェーディング補正のためのシェーディング補正係数を算出する。デジタルＡＭＰ回路２４は、シェーディング回路２３で算出されたシェーディング補正係数を基に、デジタルＡＭＰ係数を算出する。デジタルＡＭＰ回路２４は、ノイズ低減回路２２からの画像信号にデジタルＡＭＰ係数を乗算する。

サイズ調整回路２５は、画像のサイズを調整する。サイズ調整回路２５は、線形フィルタを用いるスケーリング処理を実施する。サイズ調整回路２５は、画像の所定の領域を切り出すクロップ処理を実施しても良い。

カメラシステム１は、実施形態において信号処理回路１６が実施するものとした信号処理の少なくともいずれかを、後段処理部３のＩＳＰ６が実施することとしても良い。カメラシステム１は、信号処理の少なくともいずれかを、信号処理回路１６およびＩＳＰ６の双方が実施しても良い。信号処理回路１６およびＩＳＰ６は、実施形態で説明する信号処理以外の信号処理を実施することとしても良い。黒レベル補正回路２０の機能は、信号処理回路１６およびＩＳＰ６で分担しても良い。

図４は、図１に示す画素領域の平面模式図である。画素領域１１は、感光領域３１および遮光領域３２を備える。

感光領域３１は、光が入射する画素が行列状に配列された第１領域である。感光領域３１の各画素は、入射する光を通過させる開口（図示省略）を備える。感光領域３１のうち、有効画素領域３３は、有効画素が配列された領域である。有効画素は、被写体からの光を取り込むための画素である。有効画素は、入射光量に応じたレベルのアナログ信号である有効画素信号を出力する。感光領域３１のうち有効画素領域３３の周囲の領域にある画素の信号は、有効画素領域３３の端部にある有効画素の信号へのキズ補正あるいはノイズ低減処理等において使用される。

遮光領域３２は、感光領域３１の垂直方向上側に設けられている。遮光領域３２は、遮光画素が行列状に配列された第２領域である。遮光画素は、遮光された画素である。遮光画素は、暗時におけるレベルを示すアナログ信号であるオプティカルブラック（ＯＢ）信号を出力する。各遮光画素には、光を遮蔽する遮光膜（図示省略）が設けられている。遮光膜は、アルミニウム等の金属材料からなる。

遮光領域３２は、黒レベル調整領域３４およびクランプ領域３５を備える。黒レベル調整回路３４は、遮光領域３２のうち感光領域３１に隣接する位置に設けられている。黒レベル補正回路２０は、遮光領域３２からのＯＢ信号を基に、各有効画素の信号値を補正する。

固体撮像装置５は、カラム処理回路１５および黒レベル補正回路２０による二段階の黒レベル補正を実施する。カラム処理回路１５は、クランプ領域３５の遮光画素に由来するＯＢ値が所定の黒レベル基準値となるように、ＶＲＥＦのクランプ電圧を調整する。ＯＢ値は、遮光画素から読み出されたＯＢ信号へのＡＤ変換により得られた信号値とする。制御回路１２は、ＯＢ値が黒レベル基準値に収束するまで、カラム処理回路１５から出力される信号に応じて、クランプ電圧をフィードバック制御する。

黒レベル補正回路２０は、黒レベル調整領域３４の遮光画素に由来するＯＢ値に基づいて、有効画素信号の黒レベルをフレームごとに補正する。

図５は、図３に示す黒レベル補正回路のブロック構成を示す図である。黒レベル補正回路２０は、各種論理回路と、演算結果および各種データの保持のための記憶素子を適宜組み合わせて構成されている。記憶素子は、レジスタおよびメモリのいずれであっても良い。

黒レベル補正回路２０は、行平均回路４１−１，４１−２，４１−３、行データ選択回路４２−１，４２−２，４２−３、エリア平均回路４３−１，４３−２，４３−３、エリア選択回路４４、減算器４５および加算器４６を備える。

図６は、図４に示す黒レベル調整領域の平面模式図である。黒レベル調整領域３４には、８本の画素行（図示省略）が配置されている。画素行は、行方向（水平方向）へ配列された画素からなる。黒レベル調整領域３４には、３つのエリアが設定されている。以下、３つのエリアをそれぞれＡＲ１，ＡＲ２およびＡＲ３と称する。

ＡＲ１，ＡＲ２およびＡＲ３は、互いに間隔を介して、行方向へ配列されている。ＡＲ１，ＡＲ２およびＡＲ３では、エリア内の行方向における遮光画素の数がいずれも同じとされている。エリア内の行方向における遮光画素の数は、２のｎ乗とされている。ｎは任意の整数とする。黒レベル調整領域３４のうち行方向における両端と、エリア同士の間には、それぞれエリア外領域が設けられている。エリア外領域は、行方向における遮光画素の数がいずれも同じとされている。なお、黒レベル調整領域３４は、少なくとも複数のエリアが設定されたものであれば良く、３つのエリアが設定されたものに限られない。黒レベル調整領域３４の両端およびエリア同士の間におけるエリア外領域の少なくともいずれかは、省略されていても良い。

行平均回路４１−１，４１−２および４１−３は、それぞれＡＲ１，ＡＲ２およびＡＲ３に対応して設けられた行平均算出部である。行平均回路４１−１は、ＡＲ１内の各画素行についての行平均を求める。行平均回路４１−２は、ＡＲ２内の各画素行についての行平均を求める。行平均回路４１−３は、ＡＲ３内の各画素行についての行平均を求める。行平均は、行ごとにおける画素の信号値の平均である。

行平均回路４１−１，４１−２および４１−３は、１行あたりの信号値の積算結果から、１つの遮光画素当たりの信号値である行平均を求める。行方向における画素数が２のｎ乗であるため、行平均回路４１−１，４１−２および４１−３は、積算結果であるビット列の各桁をシフトさせる演算により行平均を求めることができる。行平均回路４１−１，４１−２および４１−３は、簡易な回路構成での高速な演算により、行平均を求めることができる。行平均回路４１−１，４１−２および４１−３は、行方向における画素数で積算結果を割ることにより行平均を求めることとしても良い。

行データ選択回路４２−１，４２−２および４２−３は、それぞれＡＲ１，ＡＲ２およびＡＲ３に対応して設けられた行データ選択部である。行データ選択回路４２−１，４２−２および４２−３は、行平均と保持値との差分を基に、行ごとのデータを選択する。

図７は、図５に示す行データ選択回路のブロック構成を示す図である。図７には、図５に示す行データ選択回路４２−１，４２−２および４２−３のうち、行データ選択回路４２−１を示している。行データ選択回路４２−２および４２−３は、行データ選択回路４２−１と同様の構成を備える。

行データ選択回路４２−１は、減算器５１、比較器５２、選択コントローラ５３、セレクタ５４、レジスタ５５および更新判定回路５６を備える。

行データ選択回路４２−１には、行平均回路４１−１で求めた行平均ＡＶｒが入力される。行データ選択回路４２−１には、水平同期信号に応じたパルス信号Ｐが制御信号１２から供給される。

減算器５１は、行平均ＡＶｒと、レジスタ５５に保持されている参照値との差分である絶対値を求める。参照値については後述する。比較器５２は、あらかじめ設定された閾値Ｔｈと、減算器５１で求めた差分とを比較する。行データ選択回路４２−１は、閾値Ｔｈを保持するレジスタ（図示省略）を備える。比較器５２は、比較結果を選択コントローラ５３へ出力する。

選択コントローラ５３は、比較器５２における比較結果に応じた選択制御信号をセレクタ５４へ供給する。選択コントローラ５３は、パルス信号Ｐにより、行方向における画素数をカウントすることで、セレクタ５４へ入力された行平均ＡＶｒが属するエリアを識別する。セレクタ５４は、選択制御信号に基づいて、行平均ＡＶｒと、レジスタ５５からの参照値とのいずれかを選択する。

例えば、選択コントローラ５３は、差分が閾値Ｔｈ以下である場合に選択制御信号「０」を出力し、差分が閾値Ｔｈより大きい場合に選択制御信号「１」を出力する。セレクタ５４は、選択制御信号「０」に応じて行平均ＡＶｒを選択する。セレクタ５４は、選択制御信号「１」に応じて参照値を選択する。行データ選択回路４２−１は、セレクタ５４における選択結果を、行ごとのデータとして出力する。

参照値は、行データ選択回路４２−１にて先に算出された行平均であって、入射光などの外的な作用の影響が少なく信頼性が高いデータとして保持された値である。行データ選択回路４２−１は、行平均回路４１−１で求められた行平均ＡＶｒと参照値とのずれが閾値Ｔｈ以下であれば、行ごとのデータとして当該行平均ＡＶｒを出力する。行データ選択回路４２−１は、行平均ＡＶｒと参照値とのずれが閾値Ｔｈより大きければ、当該行平均ＡＶｒに代えて、参照値を出力する。行データ選択回路４２−１は、参照値から大きくずれた信頼性の低い行平均ＡＶｒを除外し、当該行について行平均ＡＶｒから参照値へデータの置き換えを行う。このように、行データ選択回路４２−１は、行平均回路４１−１からの行平均ＡＶｒと、レジスタ５５に保持されている参照値との差分に基づいて、行ごとのデータを選択する。

更新判定回路５６は、レジスタ５５からの参照値と、セレクタ５４における選択結果である値とを比較し、レジスタ５５における参照値の更新の可否を判定する。更新判定回路５６は、選択結果が参照値以上である場合、更新を行わないと判定する。レジスタ５５は、それまでと同じ参照値を保持する。一方、更新判定回路５６は、選択結果の値が参照値より小さい場合、更新を行うと判定する。更新判定回路５６は、選択結果の値を、新たな参照値としてレジスタ５５に書き込む。

レジスタ５５が保持する参照値の初期値は、エリアＡＲ１の１行目の画素行における行平均ＡＶｒとする。１行目の画素行は、エリアＡＲ１のうちフレーム期間において最初に黒レベル補正回路２０へ信号値が読み込まれる画素行であり、かつエリアＡＲ１内において感光領域３１から最も離れた位置にある画素行である。

黒レベル調整領域３４のうち１行目の遮光画素は、感光領域３１から離れた位置にあることで、感光領域３１への入射光による影響を受けにくい。行データ選択回路４２−１は、かかる１行目の行平均ＡＶｒを、信頼性の高いデータとして参照値に採用している。２行目以降における行平均ＡＶｒが参照値より低い場合、更新判定回路５６は、得られた行平均ＡＶｒがより信頼性が高いデータであるものと判断し、参照値を更新する。レジスタ５５が保持する参照値は、１行目の画素行における行平均ＡＶｒ、および更新された行平均ＡＶｒのいずれかである。

比較器５２は、行平均ＡＶｒおよび参照値の差分である絶対値に代えて、行平均ＡＶｒおよび参照値の大小関係を表す符号を含む差分を求めることとしても良い。比較器５２は、符号を含む差分および閾値Ｔｈを比較する。行データ選択回路４２−１は、行平均ＡＶｒから参照値を差し引いた結果が閾値Ｔｈ以下であれば、行ごとのデータとして当該行平均ＡＶｒを出力する。閾値Ｔｈをプラスの値とした場合、行データ選択回路４２−１は、参照値より小さく信頼性の高い行平均ＡＶｒを、参照値との差分に関わらず選択可能となる。

なお、閾値Ｔｈは、一定値である場合に限られず、温度、アナログゲインあるいは露光時間等に連動して変化させたものであっても良い。行データ選択回路４２−１は、条件に応じて閾値Ｔｈを調整する手段を備えていても良い。

エリア平均回路４３−１，４３−２および４３−３は、それぞれＡＲ１，ＡＲ２およびＡＲ３に対応して設けられたエリア平均算出部である。エリア平均回路４３−１は、行データ選択回路４２−１からの行ごとのデータを積算する。エリア平均回路４３−１は、ＡＲ１内の８つの画素行についてのデータの積算結果から、１つの遮光画素当たりの信号値であるエリア平均を求める。エリア平均は、エリアごとにおける画素の信号値の平均である。

エリア平均回路４３−２は、行データ選択回路４２−２からの行ごとのデータの積算結果から、ＡＲ２についてのエリア平均を求める。エリア平均回路４３−３は、行データ選択回路４２−３からの行ごとのデータの積算結果から、ＡＲ３についてのエリア平均を求める。エリア平均回路４３−１，４３−２および４３−３は、求めたエリア平均をエリア選択回路４４へ出力する。

エリアの画素行の数が８（＝２^３）であるため、エリア平均回路４３−１，４３−２および４３−３は、積算結果であるビット列の各桁をシフトさせる演算によりエリア平均を求めることができる。エリア平均回路４３−１，４３−２および４３−３は、簡易な回路構成での高速な演算により、行平均を求めることができる。エリア平均回路４３−１，４３−２および４３−３は、画素行の数で積算結果を割ることにより行平均を求めることとしても良い。

エリア選択回路４４は、ＡＲ１，ＡＲ２およびＡＲ３について求められた各エリア平均のうちの１つを選択するエリア平均選択部である。エリア選択回路４４は、エリア平均回路４３−１，４３−２および４３−３からのエリア平均を比較し、最小値である１つを選択する。黒レベル補正回路２０は、黒レベル調整領域３４内の複数のエリアのうち、入射光あるいは温度変化などの外的な作用による信号値の変動が最も少ない１つを、エリア選択回路４４にて選択する。黒レベル補正回路２０は、エリア選択回路４４で選択されたエリア平均である黒レベル補正値を、フレーム期間ごとに生成する。黒レベル補正回路２０は、生成された黒レベル補正値を、エリア選択回路４４で保持する。

減算器４５は、選択されたエリア平均と、有効画素領域３３の有効画素の信号値とを演算する演算器である。減算器４５は、エリア選択回路４４からの黒レベル補正値を、有効画素領域３３の各有効画素の信号値から減算する。加算器４６は、減算器４５における減算結果に、所定の黒レベル基準値ＢＬを加算する、黒レベル基準値ＢＬは、例えば６４ＬＳＢである。黒レベル補正回路２０は、加算器４６による加算結果を出力する。以上により、黒レベル補正回路２０は、遮光画素からの信号を基に、有効画素ごとの信号値を補正する。

黒レベル補正回路２０は、エリア選択回路４４にて選択されたエリア平均を黒レベル補正値とすることで、外的な作用の影響が抑制された高精度な黒レベル補正を実施できる。遮光領域３２への光の入り込みを低減するために遮光領域３２が感光領域３１から離れて配置されていなくても、黒レベル補正回路２０は、高精度な黒レベル補正が可能となる。画素領域１１は、遮光領域３２と感光領域３１との間において、感光領域３１から遮光領域３２を離して設けるためのマージン領域を不要とする。固体撮像装置５は、画素領域１１のマージン領域が不要となる分、チップサイズを削減できる。固体撮像装置５は、黒レベル補正回路２０による高精度な黒レベル補正を可能とすることで、良好なダイナミックレンジを備える画像を得ることができる。

黒レベル調整領域３４に設定されるエリアは３つである場合に限られない。エリアは複数であれば良いものとする。黒レベル補正回路２０は、設定された各エリアに対して、それぞれ行平均算出部、行データ選択部およびエリア平均算出部が設けられる。

第１の実施形態によれば、黒レベル補正回路２０は、複数のエリアからのエリア平均のうちの１つをエリア選択回路４４において選択し、選択されたエリア平均を黒レベル補正値として使用する。黒レベル補正回路２０は、エリア選択回路４４での選択により、複数のエリアのうち外的な作用の影響が最も少ないエリアからのデータを用いて黒レベルを補正できる。黒レベル補正回路２０は、エリアごとのエリア平均を求めるための行ごとのデータとして、行ごとに求められた行平均と参照値とのいずれかを、行データ選択回路４２−１，４２−２，４２−３にて選択する。黒レベル補正回路２０は、行データ選択回路４２−１，４２−２，４２−３での選択により、信頼性の高いデータを使用してエリア平均を求めることができる。

以上により、固体撮像装置５は、画像信号の基準とする黒レベルの高精度な補正ができるという効果を奏する。

（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態の固体撮像装置に設けられた行データ選択回路のブロック構成を示す図である。第１の実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

第２の実施形態の固体撮像装置５は、図５に示す行データ選択回路４２−１，４２−２，４２−３に代えて、３つの行データ選択回路６０が設けられている。３つの行データ選択回路６０は、それぞれＡＲ１，ＡＲ２およびＡＲ３に対応して設けられた行データ選択部である。図８には、３つの行データ選択回路６０のうち、行平均回路４１−１からの行平均ＡＶｒが入力される１つの行データ選択回路６０を示している。３つの行データ選択回路６０は、いずれも同様の構成を備える。

行データ選択回路６０は、図７に示す行データ選択回路４２−１に備えられた各構成に加えて、比較器６１が設けられている。行データ選択回路６０には、水平同期信号に応じたパルス信号Ｐが制御信号１２から供給される。

比較器６１は、行データ選択回路６０へ入力された行平均ＡＶｒと、予測値Ｘとを比較する第１比較部である。予測値Ｘは、遮光画素の信号値の平均値としてあらかじめ予測された値とする。行データ選択回路６０は、予測値Ｘを保持するレジスタ（図示省略）を備える。比較器６１は、比較結果を選択コントローラ５３へ出力する。

比較器５２は、あらかじめ設定された閾値Ｔｈと減算器５１で求めた差分とを比較する第２比較部である。比較器５２は、比較結果を選択コントローラ５３へ出力する。選択コントローラ５３は、比較器６１における比較結果と、比較器５２における比較結果とに応じた選択制御信号を、セレクタ５４へ供給する。セレクタ５４は、選択コントローラ５３からの選択制御信号に応じて、行平均ＡＶｒと、レジスタ５５からの参照値とのいずれかを選択する。

例えば、選択コントローラ５３は、比較器６１において行平均ＡＶｒが予測値Ｘ以下と判定され、かつ比較器５２において差分が閾値Ｔｈ以下と判定された場合に、選択制御信号「０」を出力する。選択コントローラ５３は、比較器６１において行平均ＡＶｒが予測値Ｘより大きいと判定された場合、あるいは比較器５２において差分が閾値Ｔｈより大きいと判定された場合に、選択制御信号「１」を出力する。

セレクタ５４は、選択制御信号「０」に応じて行平均ＡＶｒを選択する。セレクタ５４は、選択制御信号「１」に応じて参照値を選択する。行データ選択回路６０は、セレクタ５４における選択結果を、行ごとのデータとして出力する。

レジスタ５５は、参照値の初期値として、予測値Ｘを保持する。行データ選択回路６０へ入力された行平均ＡＶｒが参照値より低い場合、更新判定回路５６は、得られた行平均ＡＶｒがより信頼性が高いデータであるものと判断し、参照値を更新する。レジスタ５５が保持する参照値は、予測値Ｘ、および更新された行平均ＡＶｒのいずれかである。

エリアＡＲ１の全ての画素行において、外的な作用による信号値の変動があった場合に、行データ選択回路６０は、比較器６１における判定により、信頼性の低い各画素行からのデータを除外する。行データ選択回路６０は、参照値の初期値として予測値Ｘを採用することで、全ての画素行が外的な作用の影響を受けている場合でも、エリア平均を求めるための行ごとのデータとして予測値Ｘを選択することができる。

なお、予測値Ｘは、一定値である場合に限られず、温度、アナログゲインあるいは露光時間等に連動して変化させたものであっても良い。例えば、アナログゲインが高い場合、画像のうち暗い部分の黒浮きが増幅されることを考慮し、予測値Ｘを高い値としても良い。行データ選択回路６０は、条件に応じて予測値Ｘを調整する手段を備えていても良い。

第２の実施形態によれば、黒レベル補正回路２０は、比較器６１での判定により、外的な作用の影響が低減されたデータを用いて黒レベルを補正できる。第２の実施形態においても、固体撮像装置５は、画像信号の基準とする黒レベルの高精度な補正ができるという効果を奏する。

（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態の固体撮像装置に設けられた行データ選択回路のブロック構成を示す図である。第１および第２の実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

第３の実施形態の固体撮像装置５は、図５に示す行データ選択回路４２−１，４２−２，４２−３に代えて、３つの行データ選択回路７０が設けられている。３つの行データ選択回路７０は、それぞれＡＲ１，ＡＲ２およびＡＲ３に対応して設けられた行データ選択部である。図９には、３つの行データ選択回路７０のうち、行平均回路４１−１からの行平均ＡＶｒが入力される１つの行データ選択回路７０を示している。３つの行データ選択回路７０は、いずれも同様の構成を備える。

行データ選択回路７０は、図８に示す行データ選択回路６０に備えられた各構成に加えて、加算器７１および乗算器７２が設けられている。行データ選択回路７０には、水平同期信号に応じたパルス信号Ｐが制御回路１２から供給される。

加算器７１は、行データ選択回路７０へ入力された行平均ＡＶｒと、レジスタ５５からの参照値とを加算する。乗算器７２は、加算器７１における加算結果に１／２を乗算する。加算器７１および乗算器７２は、行平均ＡＶｒと参照値との平均値を求める。

セレクタ５４は、選択コントローラ５３からの選択制御信号に応じて、行平均ＡＶｒと、レジスタ５５からの参照値と、加算器７１および乗算器７２で得られた平均値とのいずれかを選択する。

例えば、選択コントローラ５３は、比較器６１において行平均ＡＶｒが予測値Ｘ以下と判定され、かつ比較器５２において差分が閾値Ｔｈ以下と判定された場合に、選択制御信号「０」を出力する。選択コントローラ５３は、比較器６１において行平均ＡＶｒが予測値Ｘ以下と判定され、かつ比較器５２において差分が閾値Ｔｈより大きい判定された場合に、選択制御信号「１」を出力する。選択コントローラ５３は、比較器６１において行平均ＡＶｒが予測値Ｘより大きいと判定された場合、比較器５２における比較結果に関わらず選択制御信号「２」を出力する。

セレクタ５４は、選択制御信号「０」に応じて行平均ＡＶｒを出力する。セレクタ４３は、選択制御信号「１」に応じて、行平均ＡＶｒおよび参照値の平均値を出力する。セレクタ５４は、選択制御信号「２」に応じて、参照値を選択する。行データ選択回路７０は、セレクタ５４における選択結果を、行ごとのデータとして出力する。

第３の実施形態によれば、行データ選択回路７０は、比較器６１および比較器５２での判定に応じて、行平均ＡＶｒ、参照値、および平均値のいずれかを、行ごとのデータとして選択する。第３の実施形態においても、固体撮像装置５は、画像信号の基準とする黒レベルの高精度な補正ができるという効果を奏する。

（第４の実施形態）
図１０は、第４の実施形態の固体撮像装置に設けられた黒レベル補正回路のブロック構成を示す図である。第１の実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

第４の実施形態の黒レベル補正回路８０は、３つのエリア平均回路４３−１，４３−２，４３−３、エリア選択回路４４、減算器４５、乱数付加回路８１および黒レベル加算回路８２を備える。黒レベル補正回路８０は、第１から第３の実施形態の黒レベル補正回路と同様に、行平均回路４１−１，４１−２，４１−３および行データ選択回路４２−１，４２−２，４２−３を備えるものであっても良い。

エリア平均回路４３−１は、ＡＲ１内の各遮光画素の信号値を積算する。エリア平均回路４３−１は、積算結果から、１つの遮光画素当たりの信号値であるエリア平均を求める。エリア平均回路４３−２は、ＡＲ２内の各遮光画素の信号値を積算し、積算結果からエリア平均を求める。エリア平均回路４３−３は、ＡＲ３内の各遮光画素の信号値を積算し、積算結果からエリア平均を求める。エリア選択回路４４は、ＡＲ１，ＡＲ２およびＡＲ３について求められた各エリア平均のうちの１つを選択する。

乱数付加回路８１は、有効画素領域３３の各有効画素の信号値のビット列に乱数を付加する乱数付加部である。減算器４５は、エリア選択回路４４からの黒レベル補正値を、乱数付加回路８１で乱数が付加された信号値から減算する演算器である。黒レベル加算回路８２は、減算器４５における減算結果である信号値に黒レベル基準値を加算するとともに、信号値を調整する。黒レベル補正回路８０は、黒レベル加算回路８２からの信号値を出力する。

図１１は、図１０に示す乱数付加回路のブロック構成を示す図である。乱数付加回路８１は、乱数生成器８３および２つのラッチ回路８４，８５を備える。乱数生成器８３は、有効画素の信号値を使用して乱数を生成する。２つのラッチ回路８４，８５は、有効画素の信号値のビット列のうち、それぞれ１ビットずつのデータを保持する。乱数生成器８３は、２つのＥＸＯＲ回路８６，８８および２つのラッチ回路８７，８９を備える。

乱数付加回路８１には、有効画素の信号値である１１ビットのデータが入力される。乱数生成器８３には、１１ビットのデータのうち、最下位の１ビットであるビット［０］のデータが入力される。ＥＸＯＲ回路８６は、乱数生成器８３へ入力されたビット［０］のデータと、ラッチ回路８９からの出力との排他的論理和を求める。ラッチ回路８７は、ＥＸＯＲ回路８６における演算結果である１ビットのデータを保持する。

ＥＸＯＲ回路８８は、ラッチ回路８７からの出力と、ラッチ回路８９からの出力との排他的論理和を求める。ラッチ回路８９は、ＥＸＯＲ回路８８における演算結果である１ビットのデータを保持する。乱数生成器８３は、求めた乱数のデータを、入力されたデータとの論理演算へ循環させる循環経路を含む。

乱数付加回路８１へ入力された１１ビットのデータには、ラッチ回路８４，８５において２ビット分の遅延が施される。乱数付加回路８１は、遅延を経た１１ビットのデータの下位側に、ラッチ回路８９から出力された１ビットのデータと、ラッチ回路８７から出力された１ビットのデータとを順次連結する。ラッチ回路８７からのデータは、１３ビットのデータのうち最下位のビット［０］となる。ラッチ回路８９からのデータは、１３ビットのデータのうちビット［０］より１桁上位のビット［１］となる。

これにより、乱数付加回路８１は、１１ビットのデータに、乱数である２桁のデータが付加されてなる１３ビットのデータを得る。１３ビットのうち下位２桁のデータは、有効画素の信号値の小数値に相当する。乱数付加回路８１は、有効画素の信号値の量子化精度より小さい桁の乱数を、信号値のビット列に付加する。

乱数付加回路８１へ入力される有効画素の信号値のうちビット［０］のデータは、ノイズの影響による変動が生じる場合がある。乱数生成器８３は、ランダムなノイズを含むデータを使用することで、ランダムな乱数を生成可能とする。乱数付加回路８１は、量子化精度より小さくランダムな乱数を含むデータを得ることができる。

また、乱数付加回路８１は、乱数生成器８３で生成されたビット［０］およびビット［１］の各データを、黒レベル加算回路８２へ出力する。

エリア平均回路４３−１，４３−２および４３−３は、遮光画素の信号値である１１ビットのデータに対し、ビット列の各桁をシフトさせる演算を実施する。エリア平均回路４３−１，４３−２および４３−３は、かかる演算により、エリア平均である１３ビットのデータを生成する。１３ビットのうち下位２桁のデータは、遮光画素の信号値の小数値に相当する。このように、エリア平均回路４３−１，４３−２および４３−３は、乱数と同じ桁のビット列を含むエリア平均を求める。

さらに、エリア平均回路４３−１，４３−２および４３−３は、１３ビットのデータのうち上位３ビットをクリップすることで、１０ビットのデータであるエリア平均を得る。エリア選択回路４４は、黒レベル補正値である１０ビットのデータを出力する。

図１２は、図１０に示す黒レベル加算回路および減算器のブロック構成を示す図である。減算器４５は、乱数が付加された信号値である１３ビットのデータＤ１から、黒レベル補正値である１０ビットのデータＤ２を減算する。減算器４５は、減算結果として、符号付きの１３ビットのデータを出力する。１３ビットのうち最上位の１ビットは、符号を表す。有効画素の信号値が黒レベル補正値より小さい場合、減算器４５の減算結果は負の値となる。

黒レベル加算回路８２は、２つの乗算器９１，９４、２つの加算器９２，９５、２つのクリップ回路９３，９６、セレクタ９７およびＥＸＯＲ回路９８を備える。

黒レベル加算回路８２には、減算器４５からの符号付き１３ビットのデータが入力される。乗算器９１は、黒レベル加算回路８２へ入力されたデータに１／２を乗算する。乗算器９１では、１３ビットのデータのうち、小数値である最下位の１ビットが切り捨てられる。乗算器９１は、符号付きの１２ビットのデータを出力する。

加算器９２は、乗算器９１での乗算結果に、所定の黒レベル基準値ＢＬを加算する。黒レベル基準値ＢＬは、例えば６４ＬＳＢである。クリップ回路９３は、加算器９２での加算結果である１２ビットのデータのうち、最上位の１ビットをクリップする。クリップ回路９３は、符号なしの１１ビットのデータを出力する。

乗算器９４は、クリップ回路９３からのデータに１／２を乗算する。乗算器９４では、１１ビットのデータのうち、小数値である最下位の１ビットが切り捨てられる。乗算器９４における小数値の切り捨てを経た１０ビットのデータは、セレクタ９７へ入力される。黒レベル加算回路８２へ入力されたデータに含まれる２桁の小数値は、２つの乗算器９１および９４での乗算を経ることにより消去される。

加算器９５は、乗算器９４からの１０ビットのデータに、乗算器９４への入力前の１１ビットのデータのうち最下位の１ビットであるビット［０］のデータが加算される。加算器９５は、加算結果を出力する。

クリップ回路９６は、加算器９５での加算結果のうち、最上位の１ビットをクリップする。クリップ回路９６は、１０ビットのデータを出力する。これにより、加算器９５およびクリップ回路９６は、１ビットの小数値を含むデータに対する桁上げを実施する。加算器９５およびクリップ回路９６での桁上げを経た１０ビットのデータは、セレクタ９７へ入力される。

ＥＸＯＲ回路９８は、図１１に示す乱数生成器８３から入力されたビット［０］およびビット［１］の２つのデータの排他的論理和を求める。セレクタ９７は、ＥＸＯＲ回路９８における演算結果である１ビットのデータを選択制御信号として、クリップ回路９６からのデータと、乗算器９４からのデータとのいずれか一方を選択する。黒レベル加算回路８２は、セレクタ９７における選択結果である１０ビットのデータを出力する。

例えば、セレクタ９７は、ＥＸＯＲ回路９８から「１」が入力された場合、桁上げを経たクリップ回路９６からのデータを選択する。セレクタ９７は、ＥＸＯＲ回路９８から「０」が入力された場合、切り捨てを経た乗算器９４からのデータを選択する。セレクタ９７は、乱数生成器８３にて生成された乱数を用いることで、ランダムにデータを選択可能とする。

クリップ回路９３からの１１ビットのデータのうち小数値であるビット［０］の値が「１」であったとする。加算器９５では、乗算器９４からの１０ビットのデータに、かかる小数値「１」が加算される。クリップ回路９６からセレクタ９７へは、小数値「１」が切り上げられた１０ビットのデータが入力される。かかる小数の切り上げを経たデータと、乗算器９４における小数の切り捨てを経たデータとは、互いに異なる値となる。セレクタ９７は、互いに異なる２つの値のいずれかを選択する。

一方、クリップ回路９３からの１１ビットのデータのうち小数値であるビット［０］の値が「０」であったとする。この場合、クリップ回路９６からセレクタ９７へ入力されるデータと、乗算器９４における小数の切り捨てを経たデータとは、互いに同じ値となる。セレクタ９７は、ＥＸＯＲ回路９８からの選択制御信号に関わらず同じ値を出力する。これにより、黒レベル加算回路８２は、付与された乱数である小数値に応じて、セレクタ９７からの出力をランダムに変化させることができる。

黒レベル補正では、最下位ビットの演算誤差が１フレーム全体の黒レベルに足されるか否かで、フレームごとに画像全体の輝度が変化することとなる。黒レベル補正回路８０は、信号値の量子化精度未満の値をランダムに変化させることで、黒レベル補正の誤差の影響で画像全体の輝度が向上あるいは低下のいずれかに偏るという事態を少なくできる。黒レベル補正回路８０は、小数を含むデータについて、小数の切り捨ておよび桁上げをランダムに変化させることによっても、画像全体における輝度変化の偏りを低減できる。黒レベル補正回路８０は、信号値の量子化精度より小さい桁における演算精度を向上できることで、黒レベル補正の誤差による影響を低減できる。第４の実施形態の乱数付加回路８１および黒レベル加算回路８２は、第１から第３の実施形態の黒レベル補正回路２０のいずれかに設けられていても良い。

第４の実施形態によれば、黒レベル補正回路８０は、有効画素の信号値のビット列に乱数を付加して、黒レベル補正を実施する。黒レベル補正回路８０は、信号値の量子化精度より小さい桁における演算精度を向上できることで、黒レベル補正の誤差による影響を低減できる。第４の実施形態においても、固体撮像装置５は、画像信号の基準とする黒レベルの高精度な補正ができるという効果を奏する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

５ 固体撮像装置、１１ 画素領域、１６ 信号処理回路、２０，８０ 黒レベル補正回路、３１ 感光領域、３２ 遮光領域、４１−１，４１−２，４１−３ 行平均回路、４２−１，４２−２，４２−３，６０，７０ 行データ選択回路、４３−１，４３−２，４３−３ エリア平均回路、４４ エリア選択回路、４５，５１ 減算器、５２，６１ 比較器、５４ セレクタ、５５ レジスタ、８１ 乱数付加回路、８３ 乱数生成器、ＡＲ１，ＡＲ２，ＡＲ３ エリア。

Claims (5)

1. 光電変換素子を含む画素が行列状に配列された画素領域と、
   前記画素領域から伝送された信号を処理する信号処理回路と、を備え、
   前記画素領域は、光が入射する画素が配列された第１領域と、遮光された画素が配列された第２領域と、を含み、
   前記信号処理回路は、前記第２領域の画素からの信号を基に、前記第１領域の画素の信号値を補正する補正回路を備え、
   前記補正回路は、
   前記第２領域に設定された複数のエリアについて、エリアごとにおける画素の信号値の平均であるエリア平均を求めるエリア平均算出部と、
   前記複数のエリアについて求められた各エリア平均のうちの１つを選択するエリア平均選択部と、
   選択されたエリア平均と、前記第１領域の画素の信号値とを演算する演算器と、
   エリア内の画素の行ごとにおける信号値の平均である行平均を求める行平均算出部と、
   前記行平均と、先に算出され保持された行平均である参照値との差分を求め、前記差分に基づいて、行ごとのデータを選択する行データ選択部と、を備え、
   前記エリア平均算出部は、エリア内の複数の行についての前記行ごとのデータを用いて前記エリア平均を求めることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記エリア平均選択部は、前記各エリア平均のうちの最小値を選択することを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記行データ選択部は、あらかじめ設定された閾値より前記差分が小さい場合に、前記行ごとのデータとして、前記行平均算出部からの前記行平均を選択し、前記閾値より前記差分が大きい場合に、前記行ごとのデータとして、前記参照値を選択することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記行データ選択部は、
   前記行平均算出部からの前記行平均と、前記第２領域の画素の信号値の予測値とを比較する第１比較部と、
   あらかじめ設定された閾値と前記差分とを比較する第２比較部と、
   前記第１比較部および前記第２比較部における比較結果に基づいて、前記行ごとのデータを選択するセレクタと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
5. 前記セレクタは、
   前記第１比較部において前記行平均算出部からの前記行平均が前記予測値より大きいと判定された場合に、前記行ごとのデータとして、前記参照値を選択し、
   前記第１比較部において前記行平均算出部からの前記行平均が前記予測値より小さいと判定され、かつ前記第２比較部において前記閾値より前記差分が大きいと判定された場合に、前記行ごとのデータとして、前記行平均および前記参照値の平均値を選択し、
   前記第１比較部において前記行平均算出部からの前記行平均が前記予測値より小さいと判定され、かつ前記第２比較部において前記閾値より前記差分が小さいと判定された場合に、前記行ごとのデータとして、前記行平均算出部からの前記行平均を選択することを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。

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