JP7201156B2 - Solid-state imaging device - Google Patents

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Description

本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device, a method for driving a solid-state imaging device, and an electronic device.

光を検出して電荷を発生させる光電変換素子を用いた固体撮像装置(イメージセンサ)として、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサが実用に供されている。
CMOSイメージセンサは、デジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、医療用内視鏡、パーソナルコンピュータ(PC)、携帯電話等の携帯端末装置(モバイル機器)等の各種電子機器の一部として広く適用されている。
A complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor has been put into practical use as a solid-state imaging device (image sensor) using a photoelectric conversion element that detects light and generates an electric charge.
CMOS image sensors are widely used as part of various electronic devices such as digital cameras, video cameras, surveillance cameras, medical endoscopes, personal computers (PCs), and portable terminal devices (mobile devices) such as mobile phones. there is

このように、様々な分野の光撮像に利用されるCMOSイメージセンサの市場規模は大きく、今後も車載カメラをはじめとする搭載アプリケーションの増加により需要が伸びることが予想される。 As described above, the market scale of CMOS image sensors used for optical imaging in various fields is large, and it is expected that the demand will continue to grow due to the increase in on-board applications such as in-vehicle cameras.

そして、近年、身の回りのあらゆるモノをインターネットに接続するIoT(Internet of Things)が大きく注目を集めている。IoTによって得られたデータが、インターネットを通じてクラウド側の計算機に収集され,解析された結果を再びIoT側に情報として伝えることが可能になっている。
たとえば,完全自動運転などを実現する場合の車載センサもIoTとみなすことができ、取得データの改ざんは事故など重大な被害を生じるおそれがある。
In recent years, IoT (Internet of Things), which connects all things around us to the Internet, has attracted a great deal of attention. Data obtained by IoT is collected by a computer on the cloud side through the Internet, and the analyzed results can be transmitted to the IoT side again as information.
For example, in-vehicle sensors for achieving fully automated driving can also be regarded as IoT, and falsification of acquired data may cause serious damage such as accidents.

このように、IoT時代の情報の入り口であるIoTセンサのセキュリティを高めることが重要になってくる。IoTセンサのセキュリティを高める要件としては、まずは不正なセンサが接続されていないこと、次の段階として、センサで取得されたデータが改ざんされていないことを確認する手段が必要となる。
従来の暗号技術ではデジタル化されたマイコンチップ以降の信号は守られているが、センサチップから出てくる直後の信号が必ずしも守られていない。その理由は、部品としてのセンサ単体には低コストが求められ、余分な回路となるセキュリティ技術が普及していないためである。
In this way, it is important to improve the security of IoT sensors, which are gateways for information in the IoT age. As a requirement to improve the security of IoT sensors, it is necessary to first ensure that unauthorized sensors are not connected, and as the next step, a means to confirm that the data acquired by the sensors has not been tampered with.
Conventional encryption technology protects the digitized signal after the microcomputer chip, but does not necessarily protect the signal immediately after coming out of the sensor chip. The reason for this is that low cost is required for a single sensor as a component, and security technology, which is an extra circuit, has not spread.

一方、LSIのセキュリティ技術としてPUF (Physically Unclonable Function;物理複製困難関数)と呼ばれる技術が近年注目を集めている。PUFは半導体におけるばらつきを物理特徴量として抽出し、デバイス固有の出力を得る技術である。
また、半導体デバイスにおいてPUFとは、製造時に発生するトランジスタのしきい値のばらつきなどにより起こる微小な性能のずれを抽出し、固有のIDとして出力する回路である。
このPUFで発生させた固有IDを用いてデバイスを認証したり,取得データに真正性を確保するためのメッセージ認証符号(MAC)を付与したりすることで情報の改ざんを防止できる。
On the other hand, as an LSI security technology, a technology called PUF (Physically Unclonable Function) has attracted attention in recent years. PUF is a technology that extracts variations in semiconductors as physical feature quantities and obtains device-specific outputs.
In addition, a PUF in a semiconductor device is a circuit that extracts minute deviations in performance caused by variations in threshold values of transistors that occur during manufacturing, and outputs them as unique IDs.
By using the unique ID generated by this PUF to authenticate the device, and by adding a message authentication code (MAC) to ensure the authenticity of the obtained data, falsification of information can be prevented.

以上のような状況において、CMOSイメージセンサ(CIS)に余分な回路を追加せず、CISの画素ばらつきを取り出し、それを個体固有の情報として利用することでセキュリティ機能をもたせられるCMOSイメージセンサPUF(CIS-PUF)が提案されている。 Under these circumstances, the CMOS image sensor PUF (CMOS image sensor PUF ( CIS-PUF) has been proposed.

たとえば、非特許文献1には、センサのデバイス認証と画像データの改ざんを防止する対策として、CMOSイメージセンサにおける画素ばらつき情報からPUFの固有IDを生成するCMOSイメージセンサPUF (CIS-PUF)が提案されている。 For example, Non-Patent Document 1 proposes a CMOS image sensor PUF (CIS-PUF) that generates a unique ID for a PUF from pixel variation information in a CMOS image sensor as a measure to prevent sensor device authentication and image data falsification. It is

CIS-PUFは、CMOSイメージセンサの画素ばらつきおよび読み出し部のばらつき情報のうちの少なくともいずれか一方を抽出しPUFに応用したものである。
本来、画素ばらつきの多くは、画素毎のリセットレベルと輝度レベルの差分をとる相関二重サンプリング(CDS:Correlated Double Sampling)回路によって除去されるが、CIS-PUFはCDS回路を動作させて撮影する通常の撮像モード(通常動作モード)と、CDS回路を動作させずに撮影するセキュリティモード(PUFモードあるいはレスポンス作成モードMDR)を有している。
The CIS-PUF extracts at least one of pixel variation information of a CMOS image sensor and readout unit variation information and applies it to the PUF.
Originally, most of the pixel variation is removed by a correlated double sampling (CDS) circuit that takes the difference between the reset level and the luminance level for each pixel, but the CIS-PUF operates the CDS circuit to shoot. It has a normal imaging mode (normal operation mode) and a security mode (PUF mode or response generation mode MDR) for imaging without operating the CDS circuit.

PUFモード(セキュリティモード)では、リセットレベルのみをノイズを低減して取り出すことで、周辺輝度に依存しない、チップ毎に固有な画素ばらつきパターンをレスポンス(固有ID)として出力する。 In the PUF mode (security mode), by extracting only the reset level with reduced noise, a unique pixel variation pattern for each chip that does not depend on the ambient luminance is output as a response (unique ID).

非特許文献1において、PUFモードでは、列毎に存在するクリップ回路から得られる電位を基準電位とし、各画素のリセット電位と差分を取ることで、画素毎のばらつきを抽出している。 In Non-Patent Document 1, in the PUF mode, a potential obtained from a clip circuit that exists for each column is used as a reference potential, and the difference between the reset potential of each pixel and the difference is taken to extract variations for each pixel.

このようなCIS-PUFではPUFレスポンスを生成する際に、画素トランジスタのばらつきに相当する差分データに関する複数ビットのデジタル値を出力し、隣接するトランジスタのしきい値電圧の大小関係より1/0のレスポンスを得る。
大小比較する画素トランジスタの値の差が大きい場合は、ノイズや温度・電圧などの環境条件が変動しても、しきい値電圧の大小関係は反転しないため、安定なビットであることが判断できる。
In such a CIS-PUF, when generating a PUF response, a multi-bit digital value related to differential data corresponding to variations in pixel transistors is output, and 1/0 is obtained based on the magnitude relationship of the threshold voltages of adjacent transistors. get a response.
If there is a large difference between the values of the pixel transistors compared in magnitude, even if environmental conditions such as noise, temperature, and voltage fluctuate, the magnitude relationship of the threshold voltage does not reverse, so it can be determined that the bit is stable. .

より具体的には、CIS-PUFの画素ばらつきを利用したPUFレスポンス生成は、画素信号の読み出し方向である垂直方向(上下)に隣接した2つのソースフォロワトランジスタSF-Trの出力値(LSB値)を大小比較し、1/0データを生成する。
たとえば、上下の出力値を大小比較し、上側の出力値が下側の出力値より大きい場合(上>下)「1」、上側の出力値が下側の出力値より小さい場合(上<下)「0」とする。
More specifically, the PUF response generation using the pixel variation of the CIS-PUF is the output value (LSB value) of two source follower transistors SF-Tr that are adjacent in the vertical direction (up and down), which is the reading direction of the pixel signal. are compared to generate 1/0 data.
For example, when comparing the upper and lower output values, if the upper output value is greater than the lower output value (top > bottom), "1", and if the upper output value is less than the lower output value (top < bottom) ) shall be “0”.

International Image Sensor Workshop, 2017, pp. 66-69International Image Sensor Workshop, 2017, pp. 66-69

上述したように、CIS-PUFで信頼性の高いレスポンス(デバイスの固有ID)を導出するには、ランダムノイズとFPNを除去する信号処理が必要であり、一例として、4行画素データが処理に利用される。 As described above, in order to derive a highly reliable response (device unique ID) in CIS-PUF, signal processing to remove random noise and FPN is necessary. used.

この場合、システム全体のコストを最小限に抑えるため、コントローラ側(システム)側で処理を行うべきではない。処理がCISの内部で行われる場合、多くのメモリが必要であり、回路のオーバヘッドは別の懸案事項であり、ひいてはチップコストが高くなることから、CIS内部の領域処理トポロジ(topology)が強く求められることになる。
理想的には、インタフェース(I/F)データソーティングのために、CISに通常装備されている1または2ラインメモリ、あるいは数ラインメモリでピクセルデータを処理することが好ましい。
In this case, in order to minimize the cost of the overall system, no processing should be done on the controller side (system) side. If the processing is done inside the CIS, a lot of memory is required, circuit overhead is another concern, and thus the chip cost is high, so a region processing topology inside the CIS is strongly desired. will be
Ideally, for interface (I/F) data sorting, it is preferable to process pixel data in one or two line memories, or even several line memories, which are usually equipped in CIS.

本発明は、少ない記憶部で、ランダムノイズとFPNを除去する信号処理を実現することが可能で、ひいては、処理回路による装置コストの増加を防止することが可能な固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器を提供することにある。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is a solid-state imaging device capable of realizing signal processing that removes random noise and FPN with a small storage unit, and thus capable of preventing an increase in device cost due to a processing circuit, and a solid-state imaging device. An object of the present invention is to provide a driving method and an electronic device.

本発明の第1の観点の固体撮像装置は、光電変換機能を有する複数の画素が行列状に配列された画素部と、前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、通常画像を生成する通常動作モードとは異なるセキュリティモードで前記画素のばらつき情報および前記読み出し部のばらつき情報の少なくともいずれかに関連付けてレスポンスデータを生成するレスポスデータ生成部を含む信号処理回路と、を有し、前記読み出し部は、前記セキュリティモード時には、画素信号の読み出し方向の複数画素から、当該読み出し方向の基準レベルとしてのクリップ信号と各画素のリセットレベルである画素リセット信号との差をとった第1の差分データを順次に取得し、前記信号処理回路は、演算部と、少なくとも2つの第1の記憶部および第2の記憶部と、を含み、前記セキュリティモード時において、前記第1の記憶部および前記第2の記憶部の少なくともいずれかに、前記読み出し部により取得された各画素の前記第1の差分データを選択的に記憶し、前記演算部の演算結果を選択的に記憶し、前記演算部は、画素信号の前記読み出し方向の前記複数画素の2画素の前記第1の差分データ間で平均化処理を行い、当該平均化処理結果を前記第1の記憶部および前記第2の記憶部の少なくともいずれかに記憶する。 A solid-state imaging device according to a first aspect of the present invention comprises: a pixel section in which a plurality of pixels having a photoelectric conversion function are arranged in a matrix; a reading section for reading out pixel signals from the pixel section; a signal processing circuit including a response data generation unit that generates response data in association with at least one of the pixel variation information and the readout unit variation information in a security mode different from the normal operation mode; In the security mode, the readout unit obtains a difference between a clip signal as a reference level in the readout direction and a pixel reset signal as a reset level of each pixel from a plurality of pixels in a pixel signal readout direction. The signal processing circuit sequentially acquires difference data, and includes an arithmetic unit and at least two first and second storage units, and in the security mode, the first storage unit and the second storage unit. selectively storing the first difference data of each pixel acquired by the reading unit in at least one of the second storage units, selectively storing the calculation result of the calculation unit, and performing the calculation; unit performs averaging processing between the first difference data of two pixels of the plurality of pixels in the readout direction of the pixel signal, and stores the result of the averaging processing in the first storage unit and the second storage unit; stored in at least one of

本発明の第2の観点は、光電変換機能を有する複数の画素が行列状に配列された画素部と、前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、を含む固体撮像装置の駆動方法であって、通常画像を生成する通常動作モードとは異なるセキュリティモード時に、画素信号の読み出し方向の複数画素から、当該読み出し方向の基準レベルとしてのクリップ信号と各画素のリセットレベルである画素リセット信号との差をとった第1の差分データを順次に取得する読み出しステップと、前記セキュリティモードで前記画素のばらつき情報および前記読み出し部のばらつき情報の少なくともいずれかに関連付けてレスポンスデータを生成するレスポスデータ生成ステップを含む信号処理ステップと、を有し、前記信号処理ステップにおいては、前記セキュリティモード時において、第1の記憶部および第2の記憶部の少なくともいずれかに、前記読み出しステップにより取得された各画素の前記第1の差分データを選択的に記憶し、演ステップの演算結果を選択的に記憶するステップを含み、前記演算ステップにおいては、画素信号の前記読み出し方向の前記複数画素の2画素の前記第1の差分データ間で平均化処理を行い、当該平均化処理結果を前記第1の記憶部および前記第2の記憶部の少なくともいずれかに記憶する。 A second aspect of the present invention is a driving method for a solid-state imaging device including a pixel section in which a plurality of pixels having a photoelectric conversion function are arranged in a matrix, and a reading section for reading out pixel signals from the pixel section. In a security mode different from a normal operation mode for generating a normal image, a clip signal as a reference level in the readout direction and a pixel reset signal as a reset level of each pixel are obtained from a plurality of pixels in the readout direction of pixel signals. a readout step of sequentially acquiring first difference data obtained by taking the difference between the second and second differential data; and a signal processing step including a data generating step, wherein in the signal processing step, the data acquired by the reading step is stored in at least one of a first storage unit and a second storage unit during the security mode. selectively storing the first difference data of each pixel and selectively storing the calculation result of the calculating step, wherein the calculating step comprises the steps of: Averaging processing is performed between the first difference data of pixels, and the result of the averaging processing is stored in at least one of the first storage section and the second storage section.

本発明の第3の観点の電子機器は、固体撮像装置と、前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、前記固体撮像装置は、光電変換機能を有する複数の画素が行列状に配列された画素部と、前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、通常画像を生成する通常動作モードとは異なるセキュリティモードで前記画素のばらつき情報および前記読み出し部のばらつき情報の少なくともいずれかに関連付けてレスポンスデータを生成するレスポスデータ生成部を含む信号処理回路と、を有し、前記読み出し部は、前記セキュリティモード時には、画素信号の読み出し方向の複数画素から、当該読み出し方向の基準レベルとしてのクリップ信号と各画素のリセットレベルである画素リセット信号との差をとった第1の差分データを順次に取得し、前記信号処理回路は、演算部と、少なくとも2つの第1の記憶部および第2の記憶部と、を含み、前記セキュリティモード時において、前記第1の記憶部および前記第2の記憶部の少なくともいずれかに、前記読み出し部により取得された各画素の前記第1の差分データを選択的に記憶し、前記演算部の演算結果を選択的に記憶し、前記演算部は、画素信号の前記読み出し方向の前記複数画素の2画素の前記第1の差分データ間で平均化処理を行い、当該平均化処理結果を前記第1の記憶部および前記第2の記憶部の少なくともいずれかに記憶する。 An electronic device according to a third aspect of the present invention includes a solid-state imaging device and an optical system for forming an object image on the solid-state imaging device, wherein the solid-state imaging device comprises a plurality of pixels having a photoelectric conversion function. are arranged in a matrix, a reading unit for reading pixel signals from the pixel unit, and a security mode different from a normal operation mode for generating a normal image, the pixel variation information and the reading unit variation. a signal processing circuit including a response data generation unit that generates response data in association with at least one of the information; First difference data obtained by taking a difference between a clip signal as a reference level in the readout direction and a pixel reset signal as a reset level of each pixel is sequentially obtained, and the signal processing circuit includes an arithmetic unit and at least two a first storage unit and a second storage unit, and each pixel acquired by the reading unit is stored in at least one of the first storage unit and the second storage unit during the security mode. selectively storing the first difference data of the two pixels of the plurality of pixels in the reading direction of the pixel signal, and selectively storing the operation result of the operation unit. Averaging processing is performed between the difference data, and the result of the averaging processing is stored in at least one of the first storage section and the second storage section.

本発明によれば、少ない記憶部(メモリ)で、ランダムノイズとFPNを除去する信号処理を実現することが可能で、ひいては、処理回路による装置コストの増加を防止することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to realize signal processing that removes random noise and FPN with a small storage unit (memory), thereby preventing an increase in device cost due to the processing circuit.

本発明の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a configuration example of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention; FIG. チャレンジおよびレスポンス認証(Challenge & Response(CR認証))システムの概要について説明するための図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram for explaining an overview of a challenge and response authentication (Challenge & Response (CR authentication)) system; 本実施形態におけるデバイス認証について説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining device authentication in this embodiment; 本実施形態におけるデータ整合性認証について説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining data consistency authentication in this embodiment; 本実施形態におけるデータ暗号化処理について説明するための第1図である。FIG. 1 is a first diagram for explaining data encryption processing in this embodiment; 本実施形態におけるデータ暗号化処理について説明するための第2図である。FIG. 2 is a second diagram for explaining data encryption processing in this embodiment; 本実施形態に係る画素の一例を示す回路図である。3 is a circuit diagram showing an example of a pixel according to this embodiment; FIG. 本発明の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の列出力の読み出し系の構成例を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining a configuration example of a column output readout system of a pixel unit of the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention; 本実施形態に係る暗号化処理系であるレスポンス生成部の全体的な概要を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing an overall overview of a response generation unit, which is an encryption processing system according to the embodiment; 図9の暗号化処理系であるレスポンスデータ作成の処理を模式的に示す図である。FIG. 10 is a diagram schematically showing processing for creating response data, which is the encryption processing system of FIG. 9; 画素のばらつき情報としてソースフォロワトランジスタのしきい値のばらつき情報を採用した場合の通常動作モードとレスポンス作成モードにおける要部の動作波形等を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing operation waveforms of main parts in a normal operation mode and a response creation mode when threshold value variation information of a source follower transistor is employed as pixel variation information; CMOSイメージセンサPUF(CIS-PUF)の要部を形成するばらつき情報を取得するのに好適な情報取得部を含む、本実施形態に係る画素部および列毎に配置された列読出し回路の概要を示す図である。An overview of a pixel unit and a column readout circuit arranged for each column according to the present embodiment, including an information acquisition unit suitable for acquiring variation information that forms the main part of a CMOS image sensor PUF (CIS-PUF). FIG. 10 shows. 図12のCIS-PUFの画素ばらつきを利用したPUFレスポンス生成の様子を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing how a PUF response is generated using the pixel variation of the CIS-PUF of FIG. 12; 本実施形態の平均化処理および判定処理を実行する信号処理回路のレスポンスデータ作成部の第1の構成例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a first configuration example of a response data creation unit of a signal processing circuit that executes averaging processing and determination processing according to the present embodiment; 図14の回路の平均化処理および判定処理を説明するためのタイミングチャートである。15 is a timing chart for explaining averaging processing and determination processing of the circuit of FIG. 14; 本実施形態の平均化処理および判定処理を実行する信号処理回路のレスポンスデータ作成部の第2の構成例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a second configuration example of the response data creation unit of the signal processing circuit that executes the averaging process and the determination process of the embodiment; 図16の回路の平均化処理および判定処理を説明するためのタイミングチャートである。17 is a timing chart for explaining averaging processing and determination processing of the circuit of FIG. 16; 本実施形態の平均化処理および判定処理を実行する信号処理回路のレスポンスデータ作成部の第3の構成例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a third configuration example of a response data creation unit of a signal processing circuit that executes averaging processing and determination processing according to the present embodiment; 図18の回路の平均化処理および判定処理を説明するためのタイミングチャートである。19 is a timing chart for explaining averaging processing and determination processing of the circuit of FIG. 18; 本実施形態の平均化処理および判定処理を実行する信号処理回路のレスポンスデータ作成部の第4の構成例を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a fourth configuration example of a response data creation unit of a signal processing circuit that executes averaging processing and determination processing according to the present embodiment; 図20のデュアルポートメモリのポート構成および各ポートにおける動作波形の一例を示す図である。21 is a diagram showing an example of a port configuration of the dual port memory of FIG. 20 and an operation waveform at each port; FIG. 図20の回路の平均化処理および判定処理を説明するためのタイミングチャートである。21 is a timing chart for explaining averaging processing and determination processing of the circuit of FIG. 20; 本実施形態の平均化処理および判定処理を実行する信号処理回路のレスポンスデータ作成部の第5の構成例を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a fifth configuration example of a response data creation unit of a signal processing circuit that executes averaging processing and determination processing according to the present embodiment; 図23の2ポートメモリのポート構成および各ポートにおける動作波形の一例を示す図である。24 is a diagram showing an example of a port configuration of the two-port memory of FIG. 23 and an operation waveform at each port; FIG. 図23の回路の平均化処理および判定処理を説明するためのタイミングチャートである。24 is a timing chart for explaining averaging processing and determination processing of the circuit of FIG. 23; FIG. 本実施形態の平均化処理および判定処理を実行する信号処理回路のレスポンスデータ作成部の第6の構成例を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a sixth configuration example of a response data creation unit of a signal processing circuit that executes averaging processing and determination processing according to the present embodiment; 図26のFIFOのポート構成および各ポートにおける動作波形の一例を示す図である。FIG. 27 is a diagram showing an example of the port configuration of the FIFO in FIG. 26 and operation waveforms at each port; 図26の回路の平均化処理および判定処理を説明するためのタイミングチャートである。27 is a timing chart for explaining averaging processing and determination processing of the circuit of FIG. 26; 図12および図13に示すようなレスポンス生成方式によって得られたPUF性能としての再現性とユニーク性を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing reproducibility and uniqueness as PUF performance obtained by the response generation method as shown in FIGS. 12 and 13; ユニーク性と再現性からもとめたFPRとFNRを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing FPR and FNR determined from uniqueness and reproducibility. Lehmer符号の例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of Lehmer code; 2進コードとGrayコードの対応表を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a correspondence table between binary codes and Gray codes; CIS-PUFにLehmer-Gray法(LG法)を適用した場合の処理手順について説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining a processing procedure when the Lehmer-Gray method (LG method) is applied to CIS-PUF; CIS-PUFにLehmer-Gray法を適用した場合のレスポンスの出現割合を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the appearance rate of responses when the Lehmer-Gray method is applied to CIS-PUF. 用意した5つのチップについて、N=2,4,8,16,32,64としたとき,それぞれのユニーク性と再現性の分布を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing distributions of uniqueness and reproducibility of five prepared chips when N=2, 4, 8, 16, 32, and 64; 再現性とユニーク性のHDの平均と標準偏差をまとめた表を示す図である。FIG. 11 shows a table summarizing the mean and standard deviation of reproducibility and uniqueness HD. 再現性とユニーク性から求めたFNRとFPRを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing FNR and FPR obtained from reproducibility and uniqueness; FNRとFPRが0.001ppm以下になるしきい値を表として示す図である。FIG. 4 is a table showing thresholds at which FNR and FPR are 0.001 ppm or less; N個の出力から生成されるレスポンスの長さを表にまとめて示す図である。FIG. 4 is a table showing lengths of responses generated from N outputs; 128ビットのIDがもつ情報量Iと、求めたしきい値から識別可能な個体数を計算し、まとめた表を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a table summarizing the information amount I of a 128-bit ID and the number of identifiable individuals calculated from the obtained threshold. 1回の認証で128ビットのレスポンスを消費するとき、N=2~64の場合についてCR認証可能な回数を試算し表にまとめて示す図である。FIG. 10 is a table showing a trial calculation of the number of CR authentications that can be performed for N=2 to 64 when a 128-bit response is consumed for one authentication; 本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用される電子機器の構成の一例を示す図である。It is a figure showing an example of composition of electronic equipment with which a solid imaging device concerning an embodiment of the present invention is applied.

以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
本実施形態において、固体撮像装置10は、たとえばCMOSイメージセンサにより構成される。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.
In this embodiment, the solid-state imaging device 10 is composed of, for example, a CMOS image sensor.

この固体撮像装置10は、図1に示すように、撮像部としての画素部20、垂直走査回路(行走査回路)30、読み出し回路(列(カラム)読み出し回路)40、水平走査回路(列走査回路)50、タイミング制御回路60、および信号処理回路70を主構成要素として有している。
これらの構成要素のうち、たとえば垂直走査回路30、読み出し回路40、水平走査回路50、およびタイミング制御回路60により画素信号の読み出し部90が構成される。
As shown in FIG. 1, the solid-state imaging device 10 includes a pixel section 20 as an imaging section, a vertical scanning circuit (row scanning circuit) 30, a readout circuit (column readout circuit) 40, a horizontal scanning circuit (column scanning circuit) 50, a timing control circuit 60, and a signal processing circuit 70 as main components.
Among these components, the vertical scanning circuit 30, the reading circuit 40, the horizontal scanning circuit 50, and the timing control circuit 60 constitute a pixel signal reading section 90, for example.

本実施形態に係る固体撮像装置10は、センサのデバイス認証と画像データの改ざんを防止する対策として、CMOSイメージセンサにおける画素ばらつきからPUFの固有IDを生成するCMOSイメージセンサPUF(CIS-PUF)として形成されている。
固体撮像装置10は、CIS-PUFではPUFのレスポンス(以下、PUFレスポンスという場合もある)を生成する際に、画素のばらつき情報および読み出し部のばらつき情報のうちの少なくともいずれか一方に関連付けて固有鍵を含むレスポンスデータを生成することが可能に構成される。
The solid-state imaging device 10 according to the present embodiment is a CMOS image sensor PUF (CIS-PUF) that generates a unique ID of the PUF from pixel variations in the CMOS image sensor as a countermeasure for device authentication of the sensor and prevention of falsification of image data. formed.
When the solid-state imaging device 10 generates a PUF response (hereinafter sometimes referred to as a PUF response) in the CIS-PUF, the solid-state imaging device 10 associates with at least one of pixel variation information and reading unit variation information a unique It is configured to be able to generate response data containing the key.

本実施形態に係るCIS-PUFは、CMOSイメージセンサの画素ばらつきおよび読み出し部のばらつき情報のうちの少なくともいずれか一方を抽出しPUFに応用したものである。
本来、画素ばらつきの多くはCDS回路によって除去されるが、本実施形態に係るCIS-PUFはCDS回路を動作させて撮影する通常の撮像モード(通常動作モード)と、CDS回路を動作させずに撮影するセキュリティモード(PUFモードあるいはレスポンス作成モードMDR)を有している。
The CIS-PUF according to the present embodiment extracts at least one of pixel variation information and reading unit variation information of a CMOS image sensor and applies it to the PUF.
Originally, most of the pixel variations are removed by the CDS circuit, but the CIS-PUF according to this embodiment can be used in a normal imaging mode (normal operation mode) in which the CDS circuit is operated to perform imaging, and in a normal imaging mode in which the CDS circuit is not operated. It has a security mode for shooting (PUF mode or response creation mode MDR).

本実施形態に係る固体撮像装置10は、後で詳述するように、PUFレスポンスである画素や読み出し部90のばらつき情報を生成する際に、一例として、画素トランジスタのばらつき情報に相当する第1の差分データに関する複数ビットのデジタル値(LSB値)を出力し、隣接するトランジスタのしきい値電圧の大小関係より1/0のレスポンスデータを取得する。
固体撮像装置10は、大小比較する画素トランジスタのデジタル値の差が大きい場合は、ノイズや温度・電圧などの環境条件が変動しても、しきい値電圧VTHとの大小関係は反転しないため、安定なビットであることが判断できる。
As will be described in detail later, the solid-state imaging device 10 according to the present embodiment generates the variation information of the pixels and the readout unit 90, which is the PUF response, as an example, when generating the variation information of the pixel transistor. A multi-bit digital value (LSB value) relating to the difference data is output, and 1/0 response data is acquired from the magnitude relationship between the threshold voltages of the adjacent transistors.
In the solid-state imaging device 10, when the digital value difference between the pixel transistors compared in magnitude is large, even if environmental conditions such as noise, temperature, and voltage fluctuate, the magnitude relationship with the threshold voltage VTH is not reversed. It can be determined that the bits are stable.

本実施形態の固体撮像装置10においては、後で詳述するように、セキュリティモード時に、読み出し部90が、画素信号の読み出し方向(垂直方向、垂直信号線の配線方向)の複数画素(本実施形態では、一例として4画素単位)から、読み出し方向の基準レベル(基準電位)としてのクリップ信号と各画素のリセットレベルである画素リセット信号との差をとった第1の差分データSDF1を順次に取得する。
信号処理回路70は、基本的に、演算部と、少なくとも2つの記憶部としての第1のメモリおよび第2のメモリと、を含み、セキュリティモード時において、2つのメモリの少なくともいずれかに、読み出し部90により取得された各画素の第1の差分データSDF1を選択的に記憶し、演算部の演算結果を選択的に記憶する。
In the solid-state imaging device 10 of the present embodiment, as will be described in detail later, in the security mode, the reading unit 90 reads a plurality of pixels (this embodiment In the embodiment, the first difference data SDF1 obtained by taking the difference between the clip signal as the reference level (reference potential) in the readout direction and the pixel reset signal as the reset level of each pixel is sequentially obtained from four pixel units as an example. get.
The signal processing circuit 70 basically includes an arithmetic unit and at least two storage units, a first memory and a second memory. It selectively stores the first difference data SDF1 of each pixel acquired by the unit 90, and selectively stores the computation result of the computation unit.

演算部は、画素信号の読み出し方向の複数画素の2画素の第1の差分データ間で平均化処理を行い、この平均化処理結果データを第1のメモリおよび第2のメモリの少なくともいずれかに記憶する。
演算部は、平均化処理を受けたデータについて、2画素間で差分をとった第2の差分データSDF2を取得し、取得した第2の差分データSDF2を第1のメモリおよび第2のメモリの少なくともいずれかに記憶する。
信号処理回路70は、取得した第2の差分データSDF2により、隣接の2画素間で大小判定して2値化を行う。
The calculation unit averages first difference data of two pixels of a plurality of pixels in the readout direction of the pixel signal, and stores the averaged result data in at least one of the first memory and the second memory. Remember.
The calculation unit acquires second difference data SDF2 obtained by taking a difference between two pixels for the data subjected to the averaging process, and stores the acquired second difference data SDF2 in the first memory and the second memory. Store at least one.
The signal processing circuit 70 performs binarization by determining the size between two adjacent pixels based on the obtained second difference data SDF2.

そして、本実施形態に係る固体撮像装置10において、信号処理回路70は、レスポンスデータ生成部80(800)を含んで構成され、通常画像を生成する通常動作モードMDUとは異なるセキュリティモードでレスポンスデータの生成処理を含む情報セキュリティ信号処理が可能に構成される。
本実施形態の信号処理回路70は、制御装置であるマイクロコンピュータ(以下、マイコンという)と認証処理等にかかわる通信を行うことが可能なビデオインタフェース(I/F)710を有している。
信号処理回路70は、情報セキュリティのための信号処理の処理時間による画像データフレームレートの低下を防止でき、処理回路による装置コストの増加を防止することが可能となるように、情報セキュリティ信号処理を、画像信号処理のブランキング期間の信号処理または行(ライン)ごとの信号処理として実行する。
In the solid-state imaging device 10 according to the present embodiment, the signal processing circuit 70 includes a response data generation unit 80 (800), and generates response data in a security mode different from the normal operation mode MDU for generating normal images. Information security signal processing including generation processing of is configured to be possible.
The signal processing circuit 70 of this embodiment has a video interface (I/F) 710 capable of communicating with a microcomputer (hereinafter referred to as a microcomputer) as a control device regarding authentication processing and the like.
The signal processing circuit 70 performs information security signal processing so as to prevent a reduction in the image data frame rate due to the processing time of signal processing for information security and to prevent an increase in device cost due to the processing circuit. , signal processing during a blanking period of image signal processing or signal processing for each row (line).

本実施形態において、信号処理回路70が実施する情報セキュリティ信号処理は、少なくとも、レスポンスデータの生成処理、デバイス認証、データ整合性認証、およびデータ暗号化のいずれかである。
そして、情報セキュリティ信号処理は、画素アドレスをチャレンジ(Challenge)とし、所定の手順で生成したレスポンスデータをレスポンス(Response)とする認証処理を含む。
In this embodiment, the information security signal processing performed by the signal processing circuit 70 is at least one of response data generation processing, device authentication, data consistency authentication, and data encryption.
The information security signal processing includes authentication processing in which a pixel address is used as a challenge and response data generated by a predetermined procedure is used as a response.

また、本実施形態の信号処理回路70は、煩雑な手間を要することなく、認証精度を確保しながらチャレンジおよびレスポンス認証(Challenge & Response(CR認証)回数を増大させることが可能となるように、レスポンスデータ生成のために読み出したPUFレスポンスであるばらつき情報を多ビット化する機能を有する多ビット化部720を含んで構成される。
信号処理回路70の多ビット化部720は、多ビット化処理として、ばらつき情報を複数の出力を1ブロックとして取り出して、レーマー(Lehmer)符号により符号化し、レーマー(Lehmer)符号化した情報をグレイコード(Gray code)に変換して行うLG(Lehmer-Gray)法を採用している。
このLG法による多ビット化処理については後で詳述する。
In addition, the signal processing circuit 70 of the present embodiment can increase the number of challenge and response authentication (CR authentication) while securing authentication accuracy without requiring complicated effort. It includes a bit-multiplexing unit 720 having a function of bit-multiplexing the variation information, which is the PUF response read for response data generation.
In the signal processing circuit 70, the bit-multiplexing unit 720 extracts a plurality of outputs of the variation information as one block, encodes them with Lehmer code, and converts the Lehmer-coded information into grayscale. The LG (Lehmer-Gray) method, which converts to a code (Gray code), is adopted.
The multi-bit processing by the LG method will be described in detail later.

なお、認証を行う際に確保すべき認証精度は、後で詳述するように、情報セキュリティ信号処理のユニーク性と再現性のデータより認証精度の指標として、偽物を本物と認識する確率FPR(False Positive Rate)と本物を偽物と認識する確率FNR(False Negative Rate)を求め、確率FPRと確率FNRにより評価(決定、選定)可能である。 As will be described in detail later, the authentication accuracy to be ensured when performing authentication is the probability FPR( False Positive Rate) and the probability FNR (False Negative Rate) of recognizing a genuine article as a counterfeit are obtained, and evaluation (determination, selection) is possible by the probability FPR and the probability FNR.

また、CIS-PUFは画素のアドレスをチャレンジ(Challenge)とし、所定の手順で生成した1/0データをレスポンス(Response)とするPUFである。
ここで、デバイス個体固有のばらつきをセキュリティに利用するPUFの応用としてのチャレンジおよびレスポンス認証(Challenge & Response(CR認証))の概要について説明する。
その後、本実施形態の特徴の一つであるデバイス認証、データ整合性認証、およびデータ暗号化の各処理について説明する。
A CIS-PUF is a PUF in which a pixel address is used as a challenge and 1/0 data generated by a predetermined procedure is used as a response.
Here, an outline of challenge and response authentication (Challenge & Response (CR authentication)) as an application of PUF that uses device-specific variations for security will be described.
After that, the processing of device authentication, data consistency authentication, and data encryption, which are one of the features of this embodiment, will be described.

(レスポンス認証システムの概要)
図2は、チャレンジおよびレスポンス認証(Challenge & Response(CR認証))システムの概要について説明するための図である。
(Overview of response authentication system)
FIG. 2 is a diagram for explaining an overview of a challenge and response authentication (Challenge & Response (CR authentication)) system.

図2のCR認証システム100は、本実施形態に係る固体撮像装置10を搭載したCIS-PUFチップ200、およびマイクロコンピュータ(以下、マイコン)300を含んで構成されている。
CIS-PUFチップ200は、図1のビデオインタフェース710としてのビデオインタフェース(Video I/F)210を有し、マイコン300はコントロールインタフェース(Control I/F)310を有する。
The CR authentication system 100 of FIG. 2 includes a CIS-PUF chip 200 on which the solid-state imaging device 10 according to the present embodiment is mounted, and a microcomputer (hereinafter referred to as microcomputer) 300 .
The CIS-PUF chip 200 has a video interface (Video I/F) 210 as the video interface 710 in FIG. 1, and the microcomputer 300 has a control interface (Control I/F) 310.

CIS-PUFを用いたCR認証システム100には、事前登録モードと認証モードがあり、認証を行う前にCIS-PUFチップ200の情報をマイコン300側に登録する必要がある。
事前登録モードでは、PUFモード側から全画素のIDを生成し、これをマイコン300の安全な領域に保管する。
The CR authentication system 100 using CIS-PUF has a pre-registration mode and an authentication mode, and information of the CIS-PUF chip 200 must be registered in the microcomputer 300 before authentication.
In the pre-registration mode, IDs of all pixels are generated from the PUF mode side and stored in a safe area of the microcomputer 300 .

このCIS-PUFを用いたCR認証システム100において、認証モードでは、初めに認証側のマイコン300がCIS-PUFチップ200に対してPUFモードコマンドを送信する(ステップST1)。
これを受けてCIS-PUFチップ200はPUFモードで撮影を行いPUFモード画像を得る。
次に、マイコン300は乱数発生器(RNG)301によりどの画素を使用してIDを生成するかを乱数で決定し、そのアドレス指定をチャレンジ情報としてCIS-PUFチップ200に送信する(ステップST2)。
CIS-PUFチップ200は受け取ったアドレス指定に従ってPUFモード画像を切り出し、1/0データを生成する。CIS-PUFチップ200は、このIDをチャレンジに対するレスポンスとしてマイコン300に送信する(ステップST3)。
マイコン300は事前に登録しておいた1/0データから指定したアドレスのIDを切り出し、CIS-PUFチップ200から受け取ったIDと比較する。IDが一致すれば認証成功となる(ステップST4)。
In the CR authentication system 100 using this CIS-PUF, in the authentication mode, the authentication-side microcomputer 300 first transmits a PUF mode command to the CIS-PUF chip 200 (step ST1).
In response to this, the CIS-PUF chip 200 performs imaging in PUF mode to obtain a PUF mode image.
Next, the microcomputer 300 uses a random number generator (RNG) 301 to determine which pixels are to be used to generate an ID, and transmits the address designation to the CIS-PUF chip 200 as challenge information (step ST2). .
The CIS-PUF chip 200 crops the PUF mode image according to the received addressing and generates 1/0 data. The CIS-PUF chip 200 transmits this ID to the microcomputer 300 as a response to the challenge (step ST3).
The microcomputer 300 cuts out the ID of the designated address from the 1/0 data registered in advance and compares it with the ID received from the CIS-PUF chip 200 . If the IDs match, the authentication is successful (step ST4).

このCR認証システム100の通信処理等を踏まえて、CIS-PUFチップ200の一部である信号処理回路70およびマイコン300における本実施形態の特徴の一つであるデバイス認証、データ整合性認証、およびデータ暗号化の各処理について説明する。 Based on the communication processing of this CR authentication system 100, device authentication, data integrity authentication, and Each processing of data encryption will be described.

(デバイス認証)
図3(A)および(B)は、本実施形態におけるデバイス認証について説明するための図である。
(device authentication)
FIGS. 3A and 3B are diagrams for explaining device authentication in this embodiment.

デバイス認証において、CIS-PUFチップ200の一部である信号処理回路70は、画素読み出し中に制御装置としてのマイコン300からの画素のアドレスXYのチャレンジを受信し、CIS-PUFチップ200内部のレジスタに受信したアドレスを書き込む。
次に、セキュリティモード(PUFモード)において、垂直ブランキング期間PVB中に受信したYアドレスに従って画素にアクセスする。
垂直ブランキング期間PVB中に画素信号を処理して再現性およびユニーク性が改善されたデバイスIDを取得する。
そして、垂直ブランキング期間PVB中または次の画素読み出し期間中に取得したデバイスIDをチャレンジに対するレスポンスとしてマイコン300に送信する。
マイコン300は、認証のためにデバイスIDをチェックする。
認証は、たとえばストリーミングビデオデータの場合、1フレーム、1秒、1分、1時間、または1日のいずれかの期間で実行される。
In device authentication, the signal processing circuit 70, which is a part of the CIS-PUF chip 200, receives a pixel address XY challenge from the microcomputer 300 as a control device during pixel readout, and registers in the CIS-PUF chip 200. writes the received address to
Next, in security mode (PUF mode), pixels are accessed according to the Y address received during the vertical blanking interval PVB.
Pixel signals are processed during the vertical blanking interval PVB to obtain a device ID with improved reproducibility and uniqueness.
Then, the device ID obtained during the vertical blanking period PVB or during the next pixel readout period is transmitted to the microcomputer 300 as a response to the challenge.
Microcomputer 300 checks the device ID for authentication.
Authentication is performed for a period of either one frame, one second, one minute, one hour, or one day, for example for streaming video data.

(データ整合性認証)
図4(A)および(B)は、本実施形態におけるデータ整合性認証について説明するための図である。
(data integrity authentication)
FIGS. 4A and 4B are diagrams for explaining data consistency authentication in this embodiment.

データ整合性認証において、CIS-PUFチップ200の一部である信号処理回路70は、デバイスIDを取得するための画素アドレスを設定する。
垂直ブランキング期間PVB中にアドレス指定された画素のばらつき情報からデバイスIDを取得する。
そして、行(ライン)画素信号を読み込み、メッセージ認証符号(MAC)機能により、デバイスIDを固有鍵、ライン画素信号をメッセージとするデータタグを生成する。
次に、ビデオI/F210またはコントロールI/F310を介した水平ブランキング期間PHB中またはビデオI/F210またはコントロールI/F310を介した垂直ブランキング期間PVB中に、画素アドレス、ライン画素信号、およびデータタグを、整合性認証を行う制御装置であるマイコン300側に転送する。
受信機側のマイコン300は、画素アドレスとともに生成されたのと同じキーと、整合性検証のための画素データとを用いてMAC処理を実行する。
なお、画素アドレスはいつでも任意に変更することができる。
In data integrity authentication, the signal processing circuit 70, which is part of the CIS-PUF chip 200, sets the pixel address to obtain the device ID.
A device ID is obtained from the variation information of the pixels addressed during the vertical blanking period PVB.
Then, it reads the row (line) pixel signal and generates a data tag using the device ID as a unique key and the line pixel signal as a message by a message authentication code (MAC) function.
Next, during the horizontal blanking period PHB via the video I/F 210 or the control I/F 310 or during the vertical blanking period PVB via the video I/F 210 or the control I/F 310, the pixel address, the line pixel signal, and The data tag is transferred to the microcomputer 300, which is a control device that performs consistency authentication.
The microcomputer 300 on the receiver side executes MAC processing using the same key generated together with the pixel address and pixel data for consistency verification.
Note that the pixel address can be arbitrarily changed at any time.

(データ暗号化)
図5(A)および(B)は、本実施形態におけるデータ暗号化処理について説明するための第1図である。
図6(A)~(C)は、本実施形態におけるデータ暗号化処理について説明するための第2図である。
(data encryption)
FIGS. 5A and 5B are first diagrams for explaining data encryption processing in this embodiment.
FIGS. 6A to 6C are second diagrams for explaining the data encryption processing in this embodiment.

データ暗号化処理において、CIS-PUFチップ200の一部である信号処理回路70は、デバイスIDを取得するための画素アドレスを設定する。
垂直ブランキング期間PVB中にアドレス指定された画素のばらつき情報からデバイスIDを取得する。
画素部20から第1行(Line1)の画素信号を読み出し、画素信号を内部のラインメモリに保存する。
画素部20から第2行(Line2)の画素信号を読み出し中に、第1行(Line1)の画素信号をデバイスIDである鍵で暗号化する。
画素部20から第3行(Line3)の画素信号を読み出し中に、暗号化された第1行(Line1)の画素信号および画素アドレスを、暗号解読処理を制御装置側ISP(Image Signal Processor)としてのマイコン300に転送する。
マイコン300では、暗号化された第1行(Line1)の画素値を同じ鍵で解読する。
In the data encryption process, the signal processing circuit 70, which is part of the CIS-PUF chip 200, sets the pixel address for obtaining the device ID.
A device ID is obtained from the variation information of the pixels addressed during the vertical blanking interval PVB.
The pixel signals of the first row (Line 1) are read out from the pixel section 20 and stored in the internal line memory.
While the pixel signals of the second row (Line 2) are being read out from the pixel unit 20, the pixel signals of the first row (Line 1) are encrypted with the device ID key.
While reading the pixel signals of the third row (Line 3) from the pixel unit 20, the encrypted pixel signals and pixel addresses of the first row (Line 1) are decrypted by the control device side ISP (Image Signal Processor). is transferred to the microcomputer 300 of
The microcomputer 300 decrypts the encrypted pixel values of the first row (Line1) with the same key.

なお、暗号化はライン画素の一部のみに適用でき、画素部の画素アレイ全体に対して行う必要なない。
バックグラウンド暗号化処理にはより多くの時間がかかるが、1行の読み取り期間中に行う必要はない。
通常、CMOSイメージセンサ(CIS)は数行のメモリを装備しており、このラインメモリの再利用によって、ラインバイライン暗号化は無視できるほどの小さな回路コストをも実現する。
Note that encryption can be applied to only a portion of the line pixels and need not be applied to the entire pixel array of the pixel portion.
Background encryption processing takes more time, but need not occur during the reading of a row.
A CMOS image sensor (CIS) is usually equipped with several lines of memory, and by reusing this line memory, line-by-line encryption also realizes negligible circuit cost.

以上のように、本実施形態において、デバイス認証、データ整合性認証、およびデータ暗号化等の情報セキュリティ信号処理を、画像信号処理のブランキング期間の信号処理または行(ライン)ごとの信号処理として実行することから、情報セキュリティのための信号処理の処理時間による画像データフレームレートの低下を防止でき、処理回路による装置コストの増加を防止することが可能となる。 As described above, in the present embodiment, information security signal processing such as device authentication, data integrity authentication, and data encryption is performed as signal processing during the blanking period of image signal processing or as signal processing for each row (line). Since it is executed, it is possible to prevent the image data frame rate from being lowered due to the processing time of signal processing for information security, and to prevent the device cost from increasing due to the processing circuit.

以上、認証システムの処理について説明した。
以下、固体撮像装置10の各部の構成および機能の概要、特に、画素部20の構成および機能等について説明する。
その後、本実施形態の固体撮像装置10の特徴的な構成、機能について、固有鍵の生成、並びに固有鍵を含む識別データと画像データの一体化を行ってレスポンスデータを作成する、いわゆる暗号化処理であり、少ないメモリで、ランダムノイズとFPNを除去する信号処理を実現することを可能とするレスポンスデータ作成処理、レスポンスデータ生成のために読み出したPUFレスポンスであるばらつき情報を多ビット化する機能、認証の評価等を中心に説明する。
The processing of the authentication system has been described above.
An outline of the configuration and function of each section of the solid-state imaging device 10, in particular, the configuration and function of the pixel section 20 will be described below.
After that, regarding the characteristic configuration and functions of the solid-state imaging device 10 of the present embodiment, a so-called encryption process of generating a unique key and integrating identification data including the unique key and image data to create response data. , a response data creation process that makes it possible to realize signal processing that removes random noise and FPN with a small amount of memory, a function to convert the variation information, which is the PUF response read for response data generation, into multiple bits, The explanation will focus on the evaluation of certification.

(画素並びに画素部20の基本的な構成)
画素部20は、フォトダイオード(光電変換素子)と画素内アンプとを含む複数の画素がn行×m列の2次元の行列状(マトリクス状)に配列されている。
(Basic Configuration of Pixel and Pixel Unit 20)
In the pixel section 20, a plurality of pixels including photodiodes (photoelectric conversion elements) and in-pixel amplifiers are arranged in a two-dimensional matrix of n rows×m columns.

図7は、本実施形態に係る画素の一例を示す回路図である。 FIG. 7 is a circuit diagram showing an example of a pixel according to this embodiment.

この画素PXLは、たとえば光電変換素子であるフォトダイオード(PD)を有する。
そして、このフォトダイオードPDに対して、転送トランジスタTG-Tr、リセットトランジスタRST-Tr、ソースフォロワトランジスタSF-Tr、および選択トランジスタSEL-Trをそれぞれ一つずつ有する。
This pixel PXL has a photodiode (PD), which is a photoelectric conversion element, for example.
For this photodiode PD, one transfer transistor TG-Tr, one reset transistor RST-Tr, one source follower transistor SF-Tr, and one selection transistor SEL-Tr are provided.

フォトダイオードPDは、入射光量に応じた量の信号電荷(ここでは電子)を発生し、蓄積する。
以下、信号電荷は電子であり、各トランジスタがn型トランジスタである場合について説明するが、信号電荷がホールであったり、各トランジスタがp型トランジスタであっても構わない。
また、本実施形態は、後で例示するように、複数のフォトダイオード間で、リセットトランジスタRST-Tr、ソースフォロワトランジスタSF-Tr、および選択トランジスタSEL-Trの各トランジスタを共有している場合にも有効であり、また、選択トランジスタを有していない3トランジスタ(3Tr)画素を採用している場合にも有効である。
The photodiode PD generates and accumulates signal charges (here, electrons) corresponding to the amount of incident light.
In the following description, the signal charges are electrons and each transistor is an n-type transistor. However, the signal charges may be holes or each transistor may be a p-type transistor.
Further, as will be exemplified later, the present embodiment is applicable when the reset transistor RST-Tr, the source follower transistor SF-Tr, and the select transistor SEL-Tr are shared among a plurality of photodiodes. is also effective, and it is also effective when employing a 3-transistor (3Tr) pixel that does not have a selection transistor.

転送トランジスタTG-Trは、フォトダイオードPDとフローティングディフュージョンFD(Floating Diffusion;浮遊拡散層)の間に接続され、制御信号TGを通じて制御される。
転送トランジスタTG-Trは、制御信号TGがハイレベル(H)の期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPDで光電変換された電子をフローティングディフュージョンFDに転送する。
The transfer transistor TG-Tr is connected between a photodiode PD and a floating diffusion FD (Floating Diffusion) and controlled by a control signal TG.
The transfer transistor TG-Tr is selected during a high level (H) period of the control signal TG and becomes conductive, and transfers electrons photoelectrically converted by the photodiode PD to the floating diffusion FD.

リセットトランジスタRST-Trは、電源線VRstとフローティングディフュージョンFDの間に接続され、制御信号RSTを通じて制御される。
なお、リセットトランジスタRST-Trは、電源線VDDとフローティングディフュージョンFDの間に接続され、制御信号RSTを通じて制御されるように構成してもよい。
リセットトランジスタRST-Trは、制御信号RSTがHレベルの期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンFDを電源線VRst(またはVDD)の電位にリセットする。
The reset transistor RST-Tr is connected between the power supply line VRst and the floating diffusion FD and controlled by the control signal RST.
The reset transistor RST-Tr may be connected between the power supply line VDD and the floating diffusion FD and controlled by the control signal RST.
The reset transistor RST-Tr is selected and rendered conductive while the control signal RST is at H level, and resets the floating diffusion FD to the potential of the power supply line VRst (or VDD).

ソースフォロワトランジスタSF-Trと選択トランジスタSEL-Trは、電源線VDDと垂直信号線LSGNの間に直列に接続されている。
ソースフォロワトランジスタSF-TrのゲートにはフローティングディフュージョンFDが接続され、選択トランジスタSEL-Trは制御信号SELを通じて制御される。
選択トランジスタSEL-Trは、制御信号SELがHの期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタSF-TrはフローティングディフュージョンFDの電位に応じた列出力アナログ信号VSLを垂直信号線LSGNに出力する。
これらの動作は、たとえば転送トランジスタTG-Tr、リセットトランジスタRST-Tr、および選択トランジスタSEL-Trの各ゲートが行単位で接続されていることから、1行分の各画素について同時並列的に行われる。
The source follower transistor SF-Tr and the select transistor SEL-Tr are connected in series between the power supply line VDD and the vertical signal line LSGN.
A floating diffusion FD is connected to the gate of the source follower transistor SF-Tr, and the select transistor SEL-Tr is controlled through a control signal SEL.
The selection transistor SEL-Tr is selected and becomes conductive during the period in which the control signal SEL is H. As a result, the source follower transistor SF-Tr outputs the column output analog signal VSL corresponding to the potential of the floating diffusion FD to the vertical signal line LSGN.
Since the gates of the transfer transistor TG-Tr, the reset transistor RST-Tr, and the select transistor SEL-Tr are connected in row units, these operations are performed simultaneously and in parallel for each pixel in one row. will be

画素部20には、画素PXLがn行×m列配置されているので、各制御信号SEL、RST、TG用の制御線はそれぞれn本、垂直信号線LSGNはm本ある。
図1においては、各制御信号SEL、RST、TG用の制御線を1本の行走査制御線として表している。
Since pixels PXL are arranged in n rows×m columns in the pixel section 20, there are n control lines for each of the control signals SEL, RST, and TG, and m vertical signal lines LSGN.
In FIG. 1, control lines for the respective control signals SEL, RST, and TG are represented as one row scanning control line.

垂直走査回路30は、タイミング制御回路60の制御に応じてシャッター行および読み出し行において行走査制御線を通して画素の駆動を行う。
また、垂直走査回路30は、アドレス信号に従い、信号の読み出しを行うリード行と、フォトダイオードPDに蓄積された電荷をリセットするシャッター行の行アドレスの行選択信号を出力する。
The vertical scanning circuit 30 drives the pixels in the shutter row and the readout row through row scanning control lines under the control of the timing control circuit 60 .
In addition, the vertical scanning circuit 30 outputs row selection signals of row addresses of read rows for reading out signals and shutter rows for resetting charges accumulated in the photodiodes PD according to the address signals.

読み出し回路40は、画素部20の各列出力に対応して配置された複数の列(カラム)信号処理回路(図示せず)を含み、複数の列信号処理回路で列並列処理が可能に構成されてもよい。 The readout circuit 40 includes a plurality of column signal processing circuits (not shown) arranged corresponding to each column output of the pixel section 20, and is configured to enable column parallel processing with the plurality of column signal processing circuits. may be

読み出し回路40は、CDS回路やADC(アナログデジタルコンバータ;AD変換器)、アンプ(AMP,増幅器)、サンプルホールド(S/H)回路等を含んで構成可能である。 The readout circuit 40 can be configured to include a CDS circuit, an ADC (analog-to-digital converter; AD converter), an amplifier (AMP), a sample-and-hold (S/H) circuit, and the like.

このように、読み出し回路40は、たとえば図8(A)に示すように、画素部20の各列出力アナログ信号VSLをデジタル信号に変換するADC41を含んで構成されてもよい。
あるいは、読み出し回路40は、たとえば図8(B)に示すように、画素部20の各列出力アナログ信号VSLを増幅するアンプ(AMP)42が配置されてもよい。
また、読み出し回路40は、たとえば図8(C)に示すように、画素部20の各列出力アナログ信号VSLをサンプル、ホールドするサンプルホールド(S/H)回路43が配置されてもよい。
また、読み出し回路40は、画素部20の各列から出力される画素信号に対して所定の処理が施された信号を記憶するカラムメモリとしてのSRAMが配置されてもよい。
In this manner, the readout circuit 40 may include an ADC 41 that converts each column output analog signal VSL of the pixel section 20 into a digital signal, as shown in FIG. 8A, for example.
Alternatively, the readout circuit 40 may include an amplifier (AMP) 42 for amplifying each column output analog signal VSL of the pixel section 20, as shown in FIG. 8B, for example.
Further, the readout circuit 40 may include a sample-and-hold (S/H) circuit 43 for sampling and holding each column output analog signal VSL of the pixel section 20, as shown in FIG. 8C, for example.
Further, the readout circuit 40 may be provided with an SRAM as a column memory for storing pixel signals output from each column of the pixel section 20 and subjected to predetermined processing.

水平走査回路50は、読み出し回路40のADC等の複数の列信号処理回路で処理された信号を走査して水平方向に転送し、信号処理回路70に出力する。 The horizontal scanning circuit 50 scans signals processed by a plurality of column signal processing circuits such as ADCs of the readout circuit 40 , horizontally transfers the signals, and outputs the signals to the signal processing circuit 70 .

タイミング制御回路60は、画素部20、垂直走査回路30、読み出し回路40、水平走査回路50等の信号処理に必要なタイミング信号を生成する。 The timing control circuit 60 generates timing signals necessary for signal processing of the pixel section 20, the vertical scanning circuit 30, the readout circuit 40, the horizontal scanning circuit 50, and the like.

信号処理回路70は、通常読み出しモードMDUのときには、読み出し回路40により読み出され所定の処理が施された読み出し信号に対する所定の信号処理により2次元画像データを生成する。 In the normal readout mode MDU, the signal processing circuit 70 generates two-dimensional image data by performing predetermined signal processing on readout signals read by the readout circuit 40 and subjected to predetermined processing.

上述したように、固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)では、わずかな光で光電変換により発生した電子を、微小容量で電圧に変換し、さらに微小面積のソースフォロワトランジスタSF-Trを用いて、出力している。そのため、容量をリセットする際に発生するノイズやトランジスタの素子ばらつきなどの微小なノイズを除去する必要があり、画素毎のリセットレベル(VRST)と輝度レベル(信号レベル:VSIG)の差分を出力している。
このように、CMOSイメージセンサでは、画素毎のリセットレベルと輝度レベルの差分を出力することで、リセットノイズと閾値ばらつきを除去し、数電子の信号を検出することができる。この差分を検出する動作は、前述したようにCDS(相関二重サンプリング)と呼ばれ、広く用いられている技術であり、アレイ状に配置された全て画素に対して、CDS読出しを順次行い、1フレーム分の通常の2次元画像データを出力する。
As described above, in a solid-state imaging device (CMOS image sensor), electrons generated by photoelectric conversion with a small amount of light are converted into a voltage with a minute capacitance, and a source follower transistor SF-Tr with a minute area is used to output the voltage. are doing. Therefore, it is necessary to remove minute noise such as noise generated when resetting the capacitor and variations in transistor elements. ing.
Thus, in the CMOS image sensor, by outputting the difference between the reset level and the luminance level for each pixel, it is possible to eliminate the reset noise and threshold variation and detect a signal of several electrons. The operation of detecting this difference is called CDS (correlated double sampling) as described above, and is a widely used technique. One frame of normal two-dimensional image data is output.

本実施形態の固体撮像装置10では、この通常の2次元画像データを生成するための動作は、通常動作モードMDUで動作可能に構成されている。 The solid-state imaging device 10 of the present embodiment is configured such that the operation for generating the normal two-dimensional image data can be performed in the normal operation mode MDU.

ただし、本実施形態における信号処理回路70においては、画像の無断使用や改ざん、ねつ造等が行われてしまうことを防止するために、固体撮像装置10の固有のばらつき情報(画素、読み出し回路のばらつき情報)から固有鍵を生成し、固有鍵と固体撮像装置10から得られる取得データを組み合わせて識別データを生成し、この識別データを画像データに一体化してレスポンスデータRPDとして出力し、固有鍵に関する情報を認識していない場合には識別データを正しく作成できないように構成されている。 However, in the signal processing circuit 70 of the present embodiment, in order to prevent unauthorized use, falsification, or forgery of an image, the inherent variation information of the solid-state imaging device 10 (variation of pixels, readout circuits, etc.) information), generates identification data by combining the unique key and acquired data obtained from the solid-state imaging device 10, integrates the identification data with image data, outputs response data RPD, and outputs the response data RPD. It is configured so that identification data cannot be created correctly if the information is not recognized.

本実施形態の固体撮像装置10では、この固有鍵の生成に関する動作は、レスポンス作成モードMDR(PUFモード、セキュリティモード)で動作可能に構成されている。 The solid-state imaging device 10 of the present embodiment is configured to be operable in the response generation mode MDR (PUF mode, security mode) for the operation related to generation of this unique key.

本実施形態のレスポンス作成モードMDRにおいては、周辺輝度に依存しない、チップ毎に固有な画素ばらつきパターン(ばらつき情報)を固有IDとして出力する。
本実施形態では、画素アレイ端に画素出力電圧振幅を制限し、クリップ信号を読み出すためのクリップ回路が配置されており、レスポンス作成モードMDRにおいては、画素信号の読み出し方向(垂直方向、垂直信号線の配線方向)の複数画素(本実施形態では、一例として4画素単位)から、読み出し方向の基準レベル(基準電位)としてのクリップ信号と各画素のリセットレベルである画素リセット信号との差をとった第1の差分データSDF1を順次に取得する。
このように、本実施形態のレスポンス作成モードMDRにおいては、画素毎のばらつきパターンのみを出力する。輝度レベルを出力しないため、イメージセンサの露光条件に依存しないパターン画像を出力することができる。また、各画素の出力には、FPNとフレーム毎にランダムに変動する熱雑音が含まれるが、レスポンス作成モードMDRにおけるFPNは熱雑音に対して10倍以上大きいため、安定した固定ばらつきパターンをレスポンスデータRPDとして出力することができる。
In the response generation mode MDR of the present embodiment, a pixel variation pattern (variation information) unique to each chip, which does not depend on the ambient luminance, is output as a unique ID.
In this embodiment, a clip circuit for limiting the pixel output voltage amplitude and reading the clip signal is arranged at the end of the pixel array. The difference between the clip signal as the reference level (reference potential) in the reading direction and the pixel reset signal as the reset level of each pixel is obtained from a plurality of pixels (in this embodiment, a unit of four pixels as an example) in the wiring direction). The first differential data SDF1 are obtained sequentially.
Thus, in the response creation mode MDR of this embodiment, only the variation pattern for each pixel is output. Since the luminance level is not output, it is possible to output a pattern image that does not depend on the exposure conditions of the image sensor. In addition, although the output of each pixel contains FPN and thermal noise that fluctuates randomly for each frame, the FPN in the response creation mode MDR is ten times larger than the thermal noise, so a stable fixed variation pattern can be used as a response. It can be output as data RPD.

本実施形態のレスポンス作成モードMDRにおいては、固有鍵の生成に際し、画素のばらつき情報および読み出し部のばらつき情報の少なくともいずれかに関連付けて固有鍵を含むレスポンスデータを生成する。 In the response generation mode MDR of the present embodiment, upon generation of the unique key, response data including the unique key is generated in association with at least one of the pixel variation information and the reading unit variation information.

以上、固体撮像装置10の各部の構成および機能の概要、特に、画素部20の基本的な構成および機能等について説明した。
以下、本実施形態の固体撮像装置10の特徴的な構成、機能について、固有鍵の生成、並びに固有鍵を含む識別データと画像データの一体化を行ってレスポンスデータを作成する、いわゆる暗号化処理であり、少ないメモリで、ランダムノイズとFPNを除去する信号処理を実現することを可能とするレスポンスデータ作成処理、レスポンスデータ生成のために読み出したPUFレスポンスであるばらつき情報を多ビット化する機能、認証の評価を中心に説明する。
The outline of the configuration and function of each section of the solid-state imaging device 10, particularly the basic configuration and function of the pixel section 20 have been described above.
Hereinafter, the characteristic configuration and functions of the solid-state imaging device 10 of the present embodiment will be described in a so-called encryption process of generating a unique key and integrating identification data including the unique key and image data to create response data. , a response data creation process that makes it possible to realize signal processing that removes random noise and FPN with a small amount of memory, a function to convert the variation information, which is the PUF response read for response data generation, into multiple bits, The explanation focuses on the evaluation of certification.

図9は、本実施形態に係る暗号化処理系であるレスポンスデータ作成の全体的な概要を示すブロック図である。
図10は、図9の暗号化処理系であるレスポンスデータ作成の処理を模式的に示す図である。
FIG. 9 is a block diagram showing an overall overview of response data creation, which is an encryption processing system according to this embodiment.
FIG. 10 is a diagram schematically showing processing for creating response data, which is the encryption processing system of FIG.

図9の暗号化処理系であるレスポンスデータ作成部80は、情報取得部81、鍵生成部82、画像データ生成部83、識別データ生成部84、一体化部85、およびメモリ86を主構成要素として有している。
なお、図9の例では情報取得部81と鍵生成部82が別の機能ブロックとして構成されているが、情報取得部81と鍵生成部82を一つの機能ブロックとして構成することも可能である。
The response data creation unit 80, which is the encryption processing system in FIG. have as
Although the information acquisition unit 81 and the key generation unit 82 are configured as separate functional blocks in the example of FIG. 9, it is also possible to configure the information acquisition unit 81 and the key generation unit 82 as one functional block. .

情報取得部81は、画素PXLのばらつき情報PFLCおよび読み出し回路40の構成回路のばらつき情報CFLCの少なくともいずれかを取得し、取得したばらつき情報を鍵生成部82に供給する。 The information acquisition unit 81 acquires at least one of the variation information PFLC of the pixel PXL and the variation information CFLC of the circuits constituting the readout circuit 40 , and supplies the acquired variation information to the key generation unit 82 .

ここで、一例として画素PXLのばらつき情報PFLCについての概略を説明する。
Here, as an example, the outline of the variation information PFLC of the pixel PXL will be described.

(ソースフォロワトランジスタSFのしきい値)
情報取得部81は、画素のばらつき情報としてソースフォロワトランジスタSFのしきい値VTHのばらつき情報を採用することができる。
(Threshold of source follower transistor SF)
The information acquisition unit 81 can employ variation information of the threshold value VTH of the source follower transistor SF as the pixel variation information.

図11(A)~(E)は、画素のばらつき情報としてソースフォロワトランジスタSFのしきい値VTHのばらつき情報を採用した場合の通常動作モードとレスポンス作成モードにおける要部の動作波形等を示す図である。
図11(A)が画素PXLの読み出し系の回路図を、図11(B)が通常動作モードMDU時の動作波形を、図11(C)がレスポンス作成モードMDRの動作波形を、図11(D)がばらつき情報を二値化した鍵パターンイメージを示し、図11(E)が出力信号と画素数としきい値VTHとの関係を示している。
図11(A)の画素PXLの読み出し系においては、垂直信号線LSGNにCDS回路44がスイッチSW0の一端子を介して接続されている。スイッチSW0の他端子は基準電圧Vrefの供給ラインに接続されている。
FIGS. 11A to 11E are diagrams showing operation waveforms and the like of main parts in the normal operation mode and the response creation mode when the variation information of the threshold value VTH of the source follower transistor SF is adopted as the pixel variation information. is.
11(A) is a circuit diagram of the readout system of the pixel PXL, FIG. 11(B) shows operation waveforms in the normal operation mode MDU, FIG. 11(C) shows operation waveforms in the response creation mode MDR, and FIG. D) shows a key pattern image obtained by binarizing the variation information, and FIG. 11E shows the relationship between the output signal, the number of pixels, and the threshold value VTH.
In the readout system of the pixel PXL in FIG. 11A, the CDS circuit 44 is connected to the vertical signal line LSGN via one terminal of the switch SW0. The other terminal of the switch SW0 is connected to the supply line of the reference voltage Vref.

通常動作モードMDUにおいては、図11(B)に示すように、差分信号を画素の出力信号として用いることで、各画素PXLが備えるソースフォロワトランジスタSFのしきい値のばらつきを除去している。 In the normal operation mode MDU, as shown in FIG. 11B, the difference signal is used as the output signal of the pixel, thereby eliminating variation in the threshold value of the source follower transistor SF included in each pixel PXL.

レスポンス作成モードMDRにおいては、図11(C)に示すように、時刻t1に後段回路は基準電圧レベル(Vref)、時刻t2に後段回路は画素のリセット電圧レベルを取り込む。
これらの信号の差分を読み出すことで、各画素PXLのリセット電圧のばらつきを取り出すことができる。
本例では、このばらつき分布を鍵として用いる。
上記ばらつきは100mV程度なので、アンプ等で増幅しても良い。
In the response creation mode MDR, as shown in FIG. 11C, the latter circuit takes in the reference voltage level (Vref) at time t1, and the reset voltage level of the pixel at time t2.
By reading the difference between these signals, variations in the reset voltage of each pixel PXL can be extracted.
In this example, this variation distribution is used as a key.
Since the variation is about 100 mV, it may be amplified by an amplifier or the like.

鍵生成部82(図9、図10)は、情報取得部81により取得され供給される画素のばらつき情報および読み出し回路40のばらつき情報の少なくともいずれかを用いて固有鍵を生成する。
鍵生成部82は、生成した固有鍵KYを識別データ生成部84に供給する。
鍵生成部82は、たとえば画素部20の有効画素の読み出し時以外の期間(たとえばブランキング期間)に固有鍵KYの生成を行う。
The key generation unit 82 (FIGS. 9 and 10) generates a unique key using at least one of the pixel variation information and the readout circuit 40 variation information acquired and supplied by the information acquisition unit 81 .
The key generator 82 supplies the generated unique key KY to the identification data generator 84 .
The key generation unit 82 generates the unique key KY during a period (for example, a blanking period) other than when the effective pixels of the pixel unit 20 are read, for example.

図9および図10の画像データ生成部83は、通常読み出しモードで読み出し回路40を通して読み出され所定の処理が施された読み出し信号に対する所定の信号処理により、たとえば図10に示すような2次元画像データIMGを生成する。
画像データ生成部83は、生成した画像データIMGを一体化部85に供給する。
The image data generator 83 in FIGS. 9 and 10 generates a two-dimensional image, for example, as shown in FIG. Generate data IMG.
The image data generation unit 83 supplies the generated image data IMG to the integration unit 85 .

画像データ生成部83は、固体撮像装置10から取得した取得データAQDを識別データ生成部84に供給する。
ここで、取得データAQDは、少なくとも画素、日付、温度、GPS(Global Positioning System)に関するデータのうちの少なくともいずれかのデータである。
The image data generator 83 supplies the acquired data AQD acquired from the solid-state imaging device 10 to the identification data generator 84 .
Here, the acquired data AQD is at least one of data relating to pixels, date, temperature, and GPS (Global Positioning System).

識別データ生成部84は、鍵生成部82で生成された固有鍵KYと、本固体撮像装置10で取得した取得データAQDを組み合わせて識別データDSCDを生成する。
識別データ生成部84は、生成した識別データDSCDを一体化部85に供給する。
The identification data generator 84 combines the unique key KY generated by the key generator 82 and the obtained data AQD obtained by the solid-state imaging device 10 to generate identification data DSCD.
The identification data generator 84 supplies the generated identification data DSCD to the integration unit 85 .

一体化部85は、図10に示すように、識別データ生成部84で生成された識別データDSCDと画像データ生成部83による読み出しデータに基づく画像データIMGを一体化して、センサチップの最終のレスポンスデータRPDとして出力する。
一体化部85は、たとえば図10に示すように、一体化データが、ヘッダHD、識別データDSCD、画像データIMGの順となるように一体化する。
As shown in FIG. 10, the integration unit 85 integrates the identification data DSCD generated by the identification data generation unit 84 and the image data IMG based on the readout data by the image data generation unit 83 to obtain the final response of the sensor chip. Output as data RPD.
For example, as shown in FIG. 10, the integration unit 85 integrates the integrated data such that the header HD, the identification data DSCD, and the image data IMG are arranged in this order.

前述したように、本実施形態に係る固体撮像装置10は、センサのデバイス認証と画像データの改ざんを防止する対策として、CMOSイメージセンサにおける画素ばらつきからPUFの固有IDを生成するCMOSイメージセンサPUF (CIS-PUF)として形成されている。
次に、PUFのレスポンス(以下、PUFレスポンスという場合もある)を生成する際に、画素のばらつき情報(および読み出し部のばらつき情報のうちの少なくともいずれか一方)に関連付けて固有鍵を含むレスポンスデータを生成することが可能なCIS-PUFの好適な構成例について説明する。
その後、本実施形態の固体撮像装置10の特徴的な構成、機能について、固有鍵の生成、並びに固有鍵を含む識別データと画像データの一体化を行ってレスポンスデータを作成する、いわゆる暗号化処理であり、少ないメモリで、ランダムノイズとFPNを除去する信号処理を実現することを可能とするレスポンスデータ作成処理、レスポンスデータ生成のために読み出したPUFレスポンスであるばらつき情報を多ビット化する機能、認証の評価等を中心に説明する。
As described above, the solid-state imaging device 10 according to the present embodiment uses a CMOS image sensor PUF ( CIS-PUF).
Next, when generating a PUF response (hereinafter sometimes referred to as a PUF response), response data including a unique key in association with pixel variation information (and at least one of reading unit variation information) A preferred configuration example of the CIS-PUF capable of generating is described.
After that, regarding the characteristic configuration and functions of the solid-state imaging device 10 of the present embodiment, a so-called encryption process of generating a unique key and integrating identification data including the unique key and image data to create response data. , a response data creation process that makes it possible to realize signal processing that removes random noise and FPN with a small amount of memory, a function to convert the variation information, which is the PUF response read for response data generation, into multiple bits, The explanation will focus on the evaluation of certification.

図12は、CMOSイメージセンサPUF (CIS-PUF)の要部を形成するばらつき情報を取得するのに好適な情報取得部を含む、本実施形態に係る画素部および列毎に配置された列読出し回路の概要を示す図である。 FIG. 12 shows a pixel unit according to the present embodiment, including an information acquisition unit suitable for acquiring variation information that forms the main part of a CMOS image sensor PUF (CIS-PUF), and a column readout arranged for each column. It is a figure which shows the outline|summary of a circuit.

図12の読み出し部90の一部を構成する画素部20Aおよび列(カラム)読出し回路40は、ばらつき信号の再現性を高め、ばらつきパターンのユニーク性を改善するために、垂直(図では上下)の2画素間で大小判定(引き算等)して2値化を行うことが可能となるように構成されている。 The pixel unit 20A and the column readout circuit 40, which constitute a part of the readout unit 90 of FIG. It is configured such that it is possible to perform magnitude determination (subtraction or the like) between two pixels of and perform binarization.

図12の画素部20Aは、一つのフローティングディフュージョンFD、一つのソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタSF-Tr、一つのリセット素子としてのリセットトランジスタRST-Tr、および一つの選択素子としての選択トランジスタSEL-Trを、複数(本例では2)の光電変換素子であるフォトダイオードPD1、PD22および転送素子としての転送トランジスタTG-Tr1,TG-Tr2で共有する画素共有構造を有する。 The pixel section 20A of FIG. 12 includes one floating diffusion FD, one source follower transistor SF-Tr as a source follower element, one reset transistor RST-Tr as a reset element, and one selection transistor SEL as a selection element. -Tr is shared by a plurality (two in this example) of photodiodes PD1 and PD22 as photoelectric conversion elements and transfer transistors TG-Tr1 and TG-Tr2 as transfer elements.

すなわち、図12のCMOSイメージセンサの画素PXLAは、フォトダイオードPD1およびPD2、転送クロックである制御信号TG1およびTG2で駆動する転送トランジスタTG-Tr1,TG-Tr2、リセットクロックである制御信号RSTで駆動するリセットトランジスタRST-Tr、ソースフォロワ(SF)トランジスタSF-Tr、選択クロックである制御信号SELで駆動する選択トランジスタSEL-Trにより構成されている。
ここで、2個のフォトダイオードPD1,PD2がリセットトランジスタRST-Tr、ソースフォロワ(SF)トランジスタSF-Tr、選択トランジスタSEL-Trを共有している。
これは、近年の微細な画素に対して広く用いられる方式であり、各トランジスタをPD間で共有することにより、PDの面積を所定の素サイズに対して大きくとり、光電変換可能な領域を広げることで、入射光に対する検出感度を高めている。
That is, the pixel PXLA of the CMOS image sensor in FIG. 12 is driven by photodiodes PD1 and PD2, transfer transistors TG-Tr1 and TG-Tr2 driven by control signals TG1 and TG2 that are transfer clocks, and control signal RST that is a reset clock. A reset transistor RST-Tr, a source follower (SF) transistor SF-Tr, and a selection transistor SEL-Tr driven by a control signal SEL, which is a selection clock.
Here, two photodiodes PD1 and PD2 share a reset transistor RST-Tr, a source follower (SF) transistor SF-Tr, and a select transistor SEL-Tr.
This is a method that is widely used for fine pixels in recent years, and by sharing each transistor between PDs, the area of the PDs is increased relative to a predetermined elementary size, and the area capable of photoelectric conversion is widened. This increases the detection sensitivity for incident light.

選択トランジスタSEL-Trがオンした画素では、電源電圧Vddの電源線VDD、ソースフォロワ(SF)トランジスタSF-Tr、電流源Idが直列となり、ソースフォロワ回路を構成する。
このソースフォロワ回路により、フローティングディフュージョンFDの電圧が読み出し回路40のAMP42を介してADC41に入力されて、デジタル値に変換される。
また、クリップ回路44が画素アレイ端に配置され、クリップクロックである制御信号CLIPによって駆動するクリップゲートCGおよびダイオード接続トランジスタM0は、画素アレイ端に配置され、画素出力電圧振幅を制限することで、安定的に動作させるために用いられる。
In a pixel in which the selection transistor SEL-Tr is turned on, the power supply line VDD of the power supply voltage Vdd, the source follower (SF) transistor SF-Tr, and the current source Id are connected in series to form a source follower circuit.
By this source follower circuit, the voltage of the floating diffusion FD is input to the ADC 41 via the AMP 42 of the readout circuit 40 and converted into a digital value.
A clip circuit 44 is arranged at the end of the pixel array, and a clip gate CG and a diode-connected transistor M0 driven by a control signal CLIP, which is a clip clock, are arranged at the end of the pixel array to limit the pixel output voltage amplitude. Used for stable operation.

(図12のCIS-PUFの概要)
ここで、図12のCIS-PUFの概要について説明する。
CIS-PUFは、CMOSイメージセンサの画素毎の特性ばらつきを利用してデバイスごとに固有のPUFレスポンス(画素のばらつき情報)を生成する。前述したように、特性ばらつきには固定した位置に生じる固定パターンノイズ(FPN:Fixed Pattern Noise)や画素等の位置に関係なくランダムに生じるランダムノイズがある。
CMOSイメージセンサは、通常動作モードMDUにおいては、これら特性ばらつきを除去するために,画素毎にリセット電位(VRST)と信号電位(VSIG)の差分を取るCDS(相関二重サンプリング:Correlated Double Sampling)を行っている。
(Overview of CIS-PUF in Figure 12)
Here, an overview of the CIS-PUF in FIG. 12 will be described.
The CIS-PUF utilizes the characteristic variation of each pixel of the CMOS image sensor to generate a unique PUF response (pixel variation information) for each device. As described above, characteristic variations include fixed pattern noise (FPN) occurring at fixed positions and random noise occurring at random regardless of pixel positions.
In the normal operation mode MDU, the CMOS image sensor uses CDS (Correlated Double Sampling), which takes the difference between the reset potential (VRST) and the signal potential (VSIG) for each pixel, in order to remove these characteristic variations. It is carried out.

一方でCIS-PUFは、PUFレスポンスを生成する目的でばらつき情報を得るために、CDSを動作させない信号読み出しモードであるレスポンス作成モード(PUFモード)MDRを持つ。このPUFモードにより画素ばらつきが支配的となる出力を得ることができる。 On the other hand, the CIS-PUF has a response creation mode (PUF mode) MDR, which is a signal readout mode that does not operate the CDS, in order to obtain variation information for the purpose of generating a PUF response. This PUF mode makes it possible to obtain an output in which pixel variation is dominant.

図12のCIS-PUFとしての固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)10Aは、画素数1,920×1,080(フルHD)のアレイ構造を有している。
この固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)10Aは、垂直方向(図では上下)に隣接した2画素でソースフォロワトランジスタSF-Trを共有しており、ソースフォロワトランジスタSF-Trの数は1,920×540である。
A solid-state imaging device (CMOS image sensor) 10A as a CIS-PUF in FIG. 12 has an array structure with 1,920×1,080 (full HD) pixels.
In this solid-state imaging device (CMOS image sensor) 10A, two pixels adjacent in the vertical direction (top and bottom in the drawing) share a source follower transistor SF-Tr, and the number of source follower transistors SF-Tr is 1,920×540. be.

PUFモードでは,列毎に存在するクリップ回路44から得られる電位を基準電位とし、各画素のリセット電位と差分を取ることで、画素毎のばらつきを抽出している。
PUFモードでは、最初に列ごとに配置されているクリップ回路44を選択する。このとき、ダイオード接続されたトランジスタM0のゲート電圧はVDDであり、アンプ42を介して電源電圧からオフセット電圧分シフトした電圧がADC41に保持される。次に、対象の画素を選択し、リセットトランジスタRST-Trと転送トランジスタTG-Trを同時にオンすることでフォトダイオードPDに蓄積された電荷を排出する。このとき、微小容量であるフローティングディフュージョンFDの電位はVDDとなり、同様に電源電圧からオフセット電圧分降下した電圧がADC41に保持される。
ADC41ではこれらの電圧の差分を取り、第1の差分データSDF1を取得することで、画素のソースフォロワトランジスタSF-Trとクリップ回路44のトランジスタCGのオフセットばらつきは、再現性の高い固定パターンノイズであり、たとえば12ビットのデジタルデータである第1の差分データSDF1を利用して固有IDを生成する。
In the PUF mode, the potential obtained from the clip circuit 44 that exists for each column is used as a reference potential, and the difference between the reset potential of each pixel and the difference is taken to extract variations for each pixel.
In the PUF mode, first, the clip circuits 44 arranged for each column are selected. At this time, the gate voltage of the diode-connected transistor M0 is VDD, and the voltage shifted from the power supply voltage by the offset voltage through the amplifier 42 is held in the ADC41. Next, a target pixel is selected, and the reset transistor RST-Tr and the transfer transistor TG-Tr are turned on at the same time to discharge the charge accumulated in the photodiode PD. At this time, the potential of the floating diffusion FD, which is a very small capacitance, becomes VDD, and similarly, the ADC 41 holds a voltage dropped from the power supply voltage by the offset voltage.
The ADC 41 obtains the difference between these voltages and acquires the first difference data SDF1, so that the offset variation between the source follower transistor SF-Tr of the pixel and the transistor CG of the clip circuit 44 is fixed pattern noise with high reproducibility. A unique ID is generated using the first difference data SDF1, which is, for example, 12-bit digital data.

(図12のCIS-PUFにおけるPUFレスポンスの生成)
次に、図12のCIS-PUFにおけるPUFレスポンスの生成の概要について説明する。
図13は、図12のCIS-PUFの画素ばらつきを利用したPUFレスポンス生成の様子を示す図である。
(Generation of PUF response in CIS-PUF in FIG. 12)
Next, an outline of generating a PUF response in the CIS-PUF of FIG. 12 will be described.
FIG. 13 is a diagram showing how a PUF response is generated using the pixel variation of the CIS-PUF of FIG.

CIS-PUFの画素ばらつきを利用したPUFレスポンス生成は、垂直方向(上下)に隣接した2つのソースフォロワトランジスタSF-Trの出力値(LSB値)に関連する第2の差分データSDF2を大小比較し、1/0データを生成する。
図13の例では、上下の出力値を大小比較し、上側の出力値が下側の出力値より大きい場合(上>下)「1」、上側の出力値が下側の出力値より小さい場合(上<下)「0」とする。
PUF response generation using CIS-PUF pixel variations compares the second difference data SDF2 related to the output values (LSB values) of two source follower transistors SF-Tr adjacent in the vertical direction (up and down). , to generate 1/0 data.
In the example of FIG. 13, the upper and lower output values are compared in size, and if the upper output value is greater than the lower output value (up>lower) "1", if the upper output value is smaller than the lower output value (Top < bottom) is set to "0".

この例では、上述したように、ソースフォロワトランジスタSF-Trが上下2画素で共有されている。そのため、まず上下に隣接した出力の平均を取ることで1つのソースフォロワトランジスタSF-Trにつき1つの出力値をとり、540×1,920の出力のマップを得る。
さらに上下に隣接した出力を大小比較し270×1,920の1/0データを生成する。
このように、CIS-PUFは画素のアドレスをチャレンジとし、上記手順で生成した1/0データをレスポンスとするPUFである。
In this example, as described above, the source follower transistor SF-Tr is shared by two upper and lower pixels. Therefore, by averaging the vertically adjacent outputs, one output value is taken for each source follower transistor SF-Tr, and a map of 540×1,920 outputs is obtained.
Furthermore, the vertically adjacent outputs are compared in size to generate 270×1,920 1/0 data.
In this way, the CIS-PUF is a PUF that uses the pixel address as a challenge and the 1/0 data generated by the above procedure as a response.

上述したように、図12の画素部20Aおよび列(カラム)読出し回路40は、ばらつき信号の再現性を高め、ばらつきパターンのユニーク性を改善するために、垂直(図では上下)の2画素間で大小判定(引き算等)して2値化を行うことが可能となるように構成されている。
そして、図12のADC41ではこれらの電圧の差分を取り、第1の差分データSDF1を取得することで、画素のソースフォロワトランジスタSF-Trとクリップ回路44のトランジスタCGのオフセットばらつきは、再現性の高い固定パターンノイズであり、信号処理回路70はこれを利用して固有IDを生成する。
このADC41の出力データある第1の差分データSDF1は、たとえば信号処理回路70のレスポンスデータ作成部800(80)に供給され、以下の処理が行われる。
As described above, the pixel section 20A and the column readout circuit 40 of FIG. 12 are arranged to increase the reproducibility of the variation signal and to improve the uniqueness of the variation pattern. is configured to enable binarization by performing magnitude determination (subtraction, etc.).
Then, the ADC 41 in FIG. 12 obtains the difference between these voltages and obtains the first difference data SDF1, thereby reducing the offset variation between the source follower transistor SF-Tr of the pixel and the transistor CG of the clip circuit 44 with reproducibility. It is a high fixed pattern noise, and the signal processing circuit 70 uses this to generate a unique ID.
The first difference data SDF1, which is the output data of the ADC 41, is supplied to, for example, the response data creating section 800 (80) of the signal processing circuit 70, and undergoes the following processing.

レスポンスデータ作成部800においては、ばらつき信号の再現性を高めるために、鍵生成用データKYGDの垂直2画素間で平均化処理を行い、ばらつきパターンのユニーク性を改善するために、垂直の2画素間で大小判定(引き算等)して2値化を行う判定処理を行う。
なお、判定処理の後に、データを圧縮するデータ圧縮処理を行うように構成することも可能である。
In the response data generation unit 800, two vertical pixels of the key generation data KYGD are averaged in order to improve the reproducibility of the variation signal. Judgment processing for binarization is performed by judging the magnitude (subtraction, etc.) between the two values.
Note that it is also possible to perform a data compression process for compressing data after the determination process.

以上の信号処理は、全画素アレイのデータを保持することなく、たとえば4行毎に順次処理することで、小さな回路規模で実現することができる。 The above signal processing can be realized with a small circuit scale by sequentially processing, for example, every four rows without holding data of all pixel arrays.

本実施形態の信号処理回路70のレスポンスデータ作成部800では、少ないメモリ(記憶部)で、ランダムノイズとFPNを除去する信号処理を実現することが可能で処理回路による装置コストの増加を防止することが可能となるように、上記平均化処理、判定処理を、基本的に、1つの演算部と、少なくとも2つの記憶部としての第1のメモリおよび第2のメモリとにより実現している。
信号処理回路70は、セキュリティモード時において、2つのメモリの少なくともいずれかに、読み出し部90により取得された各画素の第1の差分データSDF1を選択的に記憶し、演算部の演算結果を選択的に記憶する。
The response data generation unit 800 of the signal processing circuit 70 of the present embodiment can realize signal processing that removes random noise and FPN with a small amount of memory (storage unit), thereby preventing an increase in device cost due to the processing circuit. In order to make this possible, the averaging process and the determination process are basically implemented by one calculation unit and at least two storage units, a first memory and a second memory.
In the security mode, the signal processing circuit 70 selectively stores the first difference data SDF1 of each pixel acquired by the reading unit 90 in at least one of the two memories, and selects the operation result of the operation unit. memorize.

演算部は、画素信号の読み出し方向の複数画素の2画素の第1の差分データ間で平均化処理を行い、この平均化処理結果データを第1のメモリおよび第2のメモリの少なくともいずれかに記憶する。
演算部は、平均化処理を受けたデータについて、2画素間で差分をとった第2の差分データSDF2を取得し、取得した第2の差分データSDF2を第1のメモリおよび第2のメモリの少なくともいずれかに記憶する。
信号処理回路70は、取得した第2の差分データSDF2により、隣接の2画素間で大小判定して2値化を行う。
The calculation unit averages first difference data of two pixels of a plurality of pixels in the readout direction of the pixel signal, and stores the averaged result data in at least one of the first memory and the second memory. Remember.
The calculation unit acquires second difference data SDF2 obtained by taking a difference between two pixels for the data subjected to the averaging process, and stores the acquired second difference data SDF2 in the first memory and the second memory. Store at least one.
The signal processing circuit 70 performs binarization by determining the size between two adjacent pixels based on the obtained second difference data SDF2.

以下に、平均化処理および判定処理を実行する信号処理回路70のレスポンスデータ作成部の具体的な構成について説明する。以下では、第1から第6の6つの構成例について、図面に関連付けて説明する。
なお、ここでは平均化処理および判定処理を実行する信号処理回路70のレスポンスデータ作成部を符号800を持って表す。
また、ここでは、図12の回路において、画素信号の読み出し方向の複数画素は、同列の4行にわたる第1の画素PXLj、第2の画素PXLj+1、第3の画素PXLj+2、および第4の画素PXLj+3の4画素単位である。
A specific configuration of the response data generating section of the signal processing circuit 70 that executes the averaging process and the determination process will be described below. Six configuration examples from the first to the sixth will be described below with reference to the drawings.
Here, reference numeral 800 denotes a response data generating section of the signal processing circuit 70 that executes the averaging process and the determination process.
In the circuit of FIG. 12, the plurality of pixels in the pixel signal reading direction are the first pixel PXLj, the second pixel PXLj+1, the third pixel PXLj+2, and the third pixel PXLj+2 over four rows in the same column. It is a 4-pixel unit of 4 pixels PXLj+3.

(平均化処理および判定処理を実行する信号処理回路の第1の構成例)
図14は、本実施形態の平均化処理および判定処理を実行する信号処理回路のレスポンスデータ作成部の第1の構成例を示す図である。
(First configuration example of a signal processing circuit that executes averaging processing and determination processing)
FIG. 14 is a diagram showing a first configuration example of the response data creating section of the signal processing circuit that executes the averaging process and the determination process of this embodiment.

図14のレスポンスデータ作成部800は、演算部(演算器,AU)810、および第1のラインメモリ811~第6のラインメモリ816を含んで構成されている。
第1のラインメモリ811~第6のラインメモリ816は、たとえばSRAMにより構成されている。
The response data creation section 800 in FIG. 14 includes an arithmetic section (arithmetic unit, AU) 810 and first to sixth line memories 811 to 816 .
The first line memory 811 to the sixth line memory 816 are composed of SRAMs, for example.

図14のレスポンスデータ作成部800は、6つのラインメモリ811~816を用いて4画素に関する第1の差分データSDF1を記憶してから、演算部810で平均化処理および判定処理に必要な演算(加減算等)を行う。
図14のレスポンスデータ作成部800は、4画素(たとえば図12の画素PXLj~PXLj+3)に関する第1の差分データSDF1を記憶してから演算データを記憶するのに必要最低限の6つのラインメモリを含んで構成されている。
この例では、第1のラインメモリ(SRAM 1)811と第5のラインメモリ(SRAM 5)815はマスタとスレーブの関係にあり、第2のラインメモリ(SRAM 2)812~第4のラインメモリ(SRAM 4)814へのシーケンシャルな書き込み(記憶)が行われる。
The response data creation unit 800 in FIG. 14 uses six line memories 811 to 816 to store the first difference data SDF1 for four pixels, and then the calculation unit 810 performs calculations ( addition, subtraction, etc.).
The response data generation unit 800 in FIG. 14 stores the first difference data SDF1 for four pixels (for example, the pixels PXLj to PXLj+3 in FIG. 12), and then stores the six lines, which is the minimum required to store the calculation data. It is configured including memory.
In this example, the first line memory (SRAM 1) 811 and the fifth line memory (SRAM 5) 815 has a master-slave relationship and is a second line memory (SRAM 2) 812 to fourth line memory (SRAM 4) Sequential writes (stores) to 814 are performed.

図15(A)~(H)は、図14の回路の平均化処理および判定処理を説明するためのタイミングチャートである。
図15(A)は水平同期信号HDを、図15(B)は水平同期信号HDに同期して入力される図12のADC41による12ビットの第1の差分データSDF1を示し、図15(C)は第1のラインメモリ(SRAM 1)811のデータの記憶状態を、図15(D)は第2のラインメモリ(SRAM 2)812のデータの記憶状態を、図15(E)は第3のラインメモリ(SRAM 3)813のデータの記憶状態を、図15(F)は第4のラインメモリ(SRAM 4)814のデータの記憶状態を、図15(G)は第5のラインメモリ(SRAM 5)815のデータの記憶状態を、図15(H)は第6のラインメモリ(SRAM 6)816のデータの記憶状態を、それぞれ示している。
なお、図15中のOSはオフセット値を示している。実際にはこのオフセット値OSが勘案されるが、以下ではオフセット値OSはないものとして説明する。
FIGS. 15A to 15H are timing charts for explaining averaging processing and determination processing of the circuit of FIG.
15A shows the horizontal synchronizing signal HD, FIG. 15B shows the 12-bit first difference data SDF1 from the ADC 41 of FIG. ) is the first line memory (SRAM 1) The data storage state of 811 is shown in FIG. 15D in the second line memory (SRAM 2) The data storage state of 812 is shown in FIG. 3) The data storage state of 813 is shown in FIG. 15F in the fourth line memory (SRAM 4) The data storage state of 814 is shown in FIG. 15(G) in the fifth line memory (SRAM 5) The data storage state of 815 is shown in FIG. 15(H) in the sixth line memory (SRAM 6) 816 data storage states, respectively.
Note that OS in FIG. 15 indicates an offset value. Although this offset value OS is actually taken into consideration, the following description will be made assuming that there is no offset value OS.

信号処理回路70のレスポンスデータ作成部800は、セキュリティモードであるレスポンス作成モードMDR時に、たとえば第1の画素PXLjの第1の差分データDjを第1のラインメモリ(SRAM 1)811に記憶する。
次に、第2の画素PXLj+1の第1の差分データDj+1を第2のラインメモリ(SRAM 2)812に記憶するとともに、第1のラインメモリ(SRAM 1)811に記憶した第1の画素PXLjの第1の差分データDjを第5のラインメモリ(SRAM 5)815に記憶する。
第3の画素PXLj+2の第1の差分データDj+2を第3のラインメモリ(SRAM 3)813に記憶する。
次いで、第4の画素PXLj+3の第1の差分データDj+3を第4のラインメモリ(SRAM 4)814に記憶する。
The response data creation unit 800 of the signal processing circuit 70 stores, for example, the first difference data Dj of the first pixel PXLj in the first line memory (SRAM) in the response creation mode MDR which is the security mode. 1) store in 811;
Next, the first difference data Dj+1 of the second pixel PXLj+1 is stored in the second line memory (SRAM). 2) 812 and the first line memory (SRAM 1) The first differential data Dj of the first pixel PXLj stored in 811 is transferred to the fifth line memory (SRAM 5) store in 815;
The first difference data Dj+2 of the third pixel PXLj+2 is stored in the third line memory (SRAM). 3) store in 813;
Next, the first difference data Dj+3 of the fourth pixel PXLj+3 is stored in the fourth line memory (SRAM). 4) store in 814;

そして、演算部810が、第5のラインメモリ(SRAM 5)815に記憶されている第1の画素PXLjの第1の差分データDjと第2のラインメモリ(SRAM 2)812に記憶されている第2の画素PXLj+1の第1の差分データDj+1間の第1の平均化処理を行う。これにより、第1の平均化処理結果データ{(Dj+Dj+1)/2)}が得られる。
同様に、演算部810が、第3のラインメモリ(SRAM 3)813に記憶されている第3の画素PXLj+2の第1の差分データDj+2と第4のラインメモリ(SRAM 4)814に記憶されている第4の画素PXLj+3の第1の差分データDj+3間の第2の平均化処理を行う。これにより、第2の平均化処理結果データ{(Dj+2+Dj+3)/2)}が得られる。
次に、演算部810が第1の平均化処理結果データ{(Dj+Dj+1)/2)}と第2の平均化処理結果データ{(Dj+2+Dj+3)/2)}間の差分をとった第2の差分データSDF2(Qj=({(Dj+Dj+1)/2)}―{(Dj+2+Dj+3)/2)})を取得する。
演算部810は、取得した第2の差分データQjを第6のラインメモリ(SRAM 6)816に記憶する。
Then, the calculation unit 810 is used as a fifth line memory (SRAM 5) The first differential data Dj of the first pixel PXLj stored in 815 and the second line memory (SRAM 2) A first averaging process between the first difference data Dj+1 of the second pixel PXLj+1 stored in 812 is performed. As a result, the first averaging result data {(Dj+Dj+1)/2)} is obtained.
Similarly, the calculation unit 810 is a third line memory (SRAM 3) The first difference data Dj+2 of the third pixel PXLj+2 stored in 813 and the fourth line memory (SRAM 4) Perform a second averaging process between the first difference data Dj+3 of the fourth pixel PXLj+3 stored in 814; As a result, the second average processing result data {(Dj+2+Dj+3)/2)} is obtained.
Next, the calculation unit 810 computes the difference between the first average processing result data {(Dj+Dj+1)/2)} and the second average processing result data {(Dj+2+Dj+3)/2)}. Second differential data SDF2 (Qj=({(Dj+Dj+1)/2)}-{(Dj+2+Dj+3)/2)}) is obtained.
The calculation unit 810 stores the obtained second difference data Qj in a sixth line memory (SRAM 6) store in 816;

そして、信号処理回路70では、取得した第2の差分データQjにより、隣接の2画素間で大小判定して2値化を行う Then, the signal processing circuit 70 performs binarization by judging the size between two adjacent pixels based on the obtained second difference data Qj.

以上のように、第1の構成例によれば、4画素(たとえば図12の画素緒PXLj~PXLj+3)に関する第1の差分データSDF1を記憶してから演算データを記憶するのに必要最低限の6つのラインメモリを含んで構成されていることから、少ないメモリ(記憶部で、ランダムノイズとFPNを除去する信号処理を実現することが可能で、ひいては、処理回路による装置コストの増加を防止することが可能となる。 As described above, according to the first configuration example, after storing the first difference data SDF1 for four pixels (for example, the pixels PXLj to PXLj+3 in FIG. 12), the minimum required data for storing the operation data is stored. Since it is composed of a maximum of six line memories, it is possible to realize signal processing that removes random noise and FPN with a small amount of memory (storage unit). can be prevented.

(平均化処理および判定処理を実行する信号処理回路の第2の構成例)
図16は、本実施形態の平均化処理および判定処理を実行する信号処理回路のレスポンスデータ作成部の第2の構成例を示す図である。
(Second configuration example of signal processing circuit that executes averaging processing and determination processing)
FIG. 16 is a diagram showing a second configuration example of the response data creation section of the signal processing circuit that executes the averaging process and the determination process of this embodiment.

図16のレスポンスデータ作成部800Aは、演算部(演算器)810A、および2つの第1のラインメモリ811Aおよび第2のラインメモリ812Aを含んで構成されている。
第1のラインメモリ811Aおよび第2のラインメモリ812Aは、たとえば13ビットSRAMにより構成されている。
The response data creation section 800A in FIG. 16 includes a computing section (computing unit) 810A and two first line memories 811A and a second line memory 812A.
The first line memory 811A and the second line memory 812A are composed of 13-bit SRAMs, for example.

図16のレスポンスデータ作成部800Aは、2つのラインメモリ811A、812Aを用いて4画素(たとえば図12の画素PXLj~PXLj+3)に関する第1の差分データSDF1を記憶しつつ、演算部810Aで平均化処理および判定処理に必要な演算(加減算等)を行い、演算結果を適宜2つのラインメモリ811A、812Aに選択的に記憶する。
図16のレスポンスデータ作成部800Aは、4画素(たとえば図12の画素PXLj~PXLj+3)に関する第1の差分データSDF1を記憶しつつ、演算部810Aで平均化処理および判定処理に必要な演算(加減算等)を行い、演算結果を適宜2つのラインメモリ811A、812Aに選択的に記憶する必要最低限の2つのラインメモリを含んで構成されている。
この例では、第1のラインメモリ(SRAM 1)811Aと第2のラインメモリ(SRAM 2)812Aへの選択的かつシーケンシャルな書き込み(記憶)が行われる。
16 uses two line memories 811A and 812A to store first difference data SDF1 related to four pixels (for example, pixels PXLj to PXLj+3 in FIG. 12), A calculation (addition/subtraction, etc.) necessary for the averaging process and the determination process is performed, and the calculation result is selectively stored in two line memories 811A and 812A as appropriate.
The response data generation unit 800A in FIG. 16 stores the first difference data SDF1 regarding four pixels (for example, the pixels PXLj to PXLj+3 in FIG. 12), and the calculation unit 810A performs calculations necessary for averaging processing and determination processing. (addition/subtraction, etc.) and selectively storing the calculation result in the two line memories 811A and 812A.
In this example, the first line memory (SRAM 1) 811A and second line memory (SRAM 2) selective and sequential writes (stores) to 812A;

図17(A)~(D)は、図16の回路の平均化処理および判定処理を説明するためのタイミングチャートである。
図17(A)は水平同期信号HDを、図17(B)は水平同期信号HDに同期して入力される図12のADC41による12ビットの第1の差分データSDF1を示し、図17(C)は第1のラインメモリ(SRAM 1)811Aのデータの記憶状態を、図17(D)は第2のラインメモリ(SRAM 2)812Aのデータの記憶状態を、それぞれ示している。
FIGS. 17A to 17D are timing charts for explaining averaging processing and determination processing of the circuit of FIG.
17A shows the horizontal synchronizing signal HD, FIG. 17B shows the 12-bit first difference data SDF1 from the ADC 41 of FIG. ) is the first line memory (SRAM 1) The data storage state of 811A is shown in FIG. 2) Shows the storage state of data in 812A, respectively.

信号処理回路70のレスポンスデータ作成部800Aは、セキュリティモードであるレスポンス作成モードMDR時に、たとえば第1の画素PXLjの第1の差分データDjを第1のラインメモリ(SRAM 1)811Aに記憶する。
次に、演算部810Aが、第1のラインメモリ(SRAM 1)811Aに記憶されている第1の画素PXLjの第1の差分データDjと第2の画素PXLj+1の第1の差分データDj+1を加算して、その加算データ(Dj+Dj+1)を第2のラインメモリ(SRAM 2)812Aに記憶する。
次いで、演算部810Aが、第2のラインメモリ(SRAM 2)812Aに記憶されている第1の画素PXLjの第1の差分データDjと第2の画素PXLj+1の第1の差分データDj+1の加算データ(Dj+Dj+1)から第3の画素PXLj+2の第1の差分データDj+2を減算した加減算データ(Dj+Dj+1-Dj+2)を第1のラインメモリ(SRAM 1)811Aに記憶する。
The response data creation unit 800A of the signal processing circuit 70 stores, for example, the first difference data Dj of the first pixel PXLj in the first line memory (SRAM) in the response creation mode MDR which is the security mode. 1) Store in 811A.
Next, the calculation unit 810A stores the first line memory (SRAM 1) Add the first difference data Dj of the first pixel PXLj and the first difference data Dj+1 of the second pixel PXLj+1 stored in 811A, and obtain the added data (Dj+Dj+1). to the second line memory (SRAM 2) store in 812A;
Next, the calculation unit 810A stores the second line memory (SRAM 2) Addition data (Dj+Dj+1) of the first difference data Dj of the first pixel PXLj and the first difference data Dj+1 of the second pixel PXLj+1 stored in 812A to the third pixel The addition/subtraction data (Dj+Dj+1-Dj+2) obtained by subtracting the first difference data Dj+2 of PXLj+2 is stored in the first line memory (SRAM 1) Store in 811A.

次に、演算部810Aが、第1のラインメモリ(SRAM 1)811Aに記憶されている加減算データ(Dj+Dj+1-Dj+2)と第4の画素PXLj+3の第1の差分データDj+3間の差分をとり、2で除した第2の差分データSDF2(Qj=({(Dj+Dj+1)/2)}―{(Dj+2+Dj+3)/2)})を取得する。
演算部810Aは、取得した第2の差分データQjを第2のラインメモリ(SRAM 2)812Aに記憶する。
Next, the calculation unit 810A stores the first line memory (SRAM 1) A second difference obtained by taking the difference between the addition/subtraction data (Dj+Dj+1-Dj+2) stored in 811A and the first difference data Dj+3 of the fourth pixel PXLj+3 and dividing the difference by 2. Obtain data SDF2(Qj=({(Dj+Dj+1)/2)}-{(Dj+2+Dj+3)/2)}).
The calculation unit 810A stores the obtained second difference data Qj in a second line memory (SRAM 2) store in 812A;

そして、信号処理回路70では、取得した第2の差分データQjにより、隣接の2画素間で大小判定して2値化を行う Then, the signal processing circuit 70 performs binarization by judging the size between two adjacent pixels based on the obtained second difference data Qj.

以上のように、第2の構成例によれば、4画素(たとえば図12の画素緒PXLj~PXLj+3)に関する第1の差分データSDF1を記憶しつつ演算データを記憶するのに必要最低限の2つのラインメモリを含んで構成されていることから、第1の構成よりも少ないメモリ(記憶部)で、ランダムノイズとFPNを除去する信号処理を実現することが可能で、ひいては、処理回路による装置コストの増加を防止することが可能となる。 As described above, according to the second configuration example, the minimum number of pixels required to store the calculation data while storing the first differential data SDF1 for four pixels (for example, the pixels PXLj to PXLj+3 in FIG. 12) is stored. Since it is configured including two line memories, it is possible to realize signal processing that removes random noise and FPN with less memory (storage unit) than the first configuration, and by extension, the processing circuit It is possible to prevent an increase in device cost due to

(平均化処理および判定処理を実行する信号処理回路の第3の構成例)
図18は、本実施形態の平均化処理および判定処理を実行する信号処理回路のレスポンスデータ作成部の第3の構成例を示す図である。
(Third configuration example of signal processing circuit that executes averaging processing and determination processing)
FIG. 18 is a diagram showing a third configuration example of the response data creation section of the signal processing circuit that executes the averaging process and the determination process of this embodiment.

図18のレスポンスデータ作成部800Bは、演算部(演算器)810B、および2つの第1のラインメモリ811Bおよび第2のラインメモリ812Bを含んで構成されている。
第1のラインメモリ811Bおよび第2のラインメモリ812Bは、たとえば12ビットSRAMにより構成されている。
The response data creation section 800B in FIG. 18 includes a computing section (computing unit) 810B, and two first line memories 811B and a second line memory 812B.
The first line memory 811B and the second line memory 812B are composed of 12-bit SRAMs, for example.

図18のレスポンスデータ作成部800Bは、2つのラインメモリ811B、812Bを用いて4画素(たとえば図12の画素PXLj~PXLj+3)に関する第1の差分データSDF1に対する演算データを記憶しつつ、演算部810Bで平均化処理および判定処理に必要な演算(加減算等)を行い、演算結果を適宜2つのラインメモリ811B、812Bに選択的に記憶する。
図18のレスポンスデータ作成部800Bは、4画素(たとえば図12の画素PXLj~PXLj+3)に関する第1の差分データSDF1に対する演算データを記憶しつつ、演算部810Bで平均化処理および判定処理に必要な演算(加減算等)を行い、演算結果を適宜2つのラインメモリ811B、812Bに選択的に記憶する必要最低限の2つのラインメモリを含んで構成されている。
この例では、第1のラインメモリ(SRAM 1)811Bと第2のラインメモリ(SRAM 2)812Bへの選択的かつシーケンシャルな書き込み(記憶)が行われる。
The response data creation unit 800B in FIG. 18 uses two line memories 811B and 812B to store calculation data for the first difference data SDF1 regarding four pixels (for example, pixels PXLj to PXLj+3 in FIG. 12), and calculates A section 810B performs calculations (addition/subtraction, etc.) necessary for the averaging process and the determination process, and selectively stores the calculation results in two line memories 811B and 812B as appropriate.
The response data generation unit 800B in FIG. 18 stores the calculation data for the first difference data SDF1 regarding the four pixels (for example, the pixels PXLj to PXLj+3 in FIG. 12), and the calculation unit 810B performs the averaging process and the determination process. It is composed of a minimum number of two line memories for performing necessary calculations (addition and subtraction, etc.) and selectively storing the calculation results in the two line memories 811B and 812B.
In this example, the first line memory (SRAM 1) 811B and second line memory (SRAM 2) selective and sequential writes (stores) to 812B;

図19(A)~(D)は、図18の回路の平均化処理および判定処理を説明するためのタイミングチャートである。
図19(A)は水平同期信号HDを、図19(B)は水平同期信号HDに同期して入力される図12のADC41による12ビットの第1の差分データSDF1を示し、図19(C)は第1のラインメモリ(SRAM 1)811Bのデータの記憶状態を、図19(D)は第2のラインメモリ(SRAM 2)812Bのデータの記憶状態を、それぞれ示している。
FIGS. 19A to 19D are timing charts for explaining averaging processing and determination processing of the circuit of FIG.
19(A) shows the horizontal synchronizing signal HD, FIG. 19(B) shows the 12-bit first difference data SDF1 by the ADC 41 of FIG. ) is the first line memory (SRAM 1) The data storage state of 811B is shown in FIG. 2) Each shows the storage state of the data of 812B.

信号処理回路70のレスポンスデータ作成部800Bは、セキュリティモードであるレスポンス作成モードMDR時に、たとえば第1の画素PXLjの第1の差分データDjを2で除した第1の除算データ(Dj/2)を第1のラインメモリ(SRAM 1)811Bに記憶する。
次に、演算部810Bが、第1のラインメモリ(SRAM 1)811Bに記憶されている第1の除算データ(Dj/2)と第2の画素PXLj+1の第1の差分データDj+1を2で除した第2の除算データ(Dj+1/2)を加算し、この加算データ{(Dj/2)+(Dj+1/2)}を、第1の画素PXLjの第1の差分データDjと第2の画素PXLj+1の第1の差分データDj+1間の第1の平均化処理結果データ{(Dj+Dj+1)/2}として第2のラインメモリ(SRAM 2)812Bに記憶する。
演算部810Bが、第2のラインメモリ(SRAM 2)812Bに記憶されている第1の平均化処理結果データ{(Dj+Dj+1)/2}から第3の画素PXLj+2の第1の差分データDj+2を2で除した第3の除算データ(Dj+2/2)を減算した加減算データ{(Dj+Dj+1-Dj+2)/2}を第1のラインメモリ(SRAM 1)811Bに記憶する。
The response data generation unit 800B of the signal processing circuit 70 divides the first differential data Dj of the first pixel PXLj by 2, for example, to generate first division data (Dj/2) in the response generation mode MDR which is the security mode. to the first line memory (SRAM 1) Store in 811B.
Next, the calculation unit 810B stores the first line memory (SRAM 1) Second division data (Dj+1/ 2) is added, and this added data {(Dj/2)+(Dj+1/2)} is used as the first difference data Dj of the first pixel PXLj and the first difference data Dj of the second pixel PXLj+1. Second line memory (SRAM 2) store in 812B;
Arithmetic unit 810B is a second line memory (SRAM 2) The first difference data Dj+2 of the third pixel PXLj+2 is divided by 2 from the first average processing result data {(Dj+Dj+1)/2} stored in 812B to obtain the third The addition/subtraction data {(Dj+Dj+1-Dj+2)/2} obtained by subtracting the division data (Dj+2/2) is stored in the first line memory (SRAM 1) Store in 811B.

次に、演算部810Bが、第1のラインメモリ(SRAM 1)811Bに記憶されている加減算データ{(Dj+Dj+1-Dj+2)/2}と第4の画素PXLj+3の第1の差分データDj+3を2で除したデータ間の差分をとった第2の差分データSDF2(Qj=({(Dj+Dj+1)/2)}―{(Dj+2+Dj+3)/2)})を取得する。
演算部810Bは、取得した第2の差分データQjを第2のラインメモリ(SRAM 2)812Bに記憶する。
Next, the calculation unit 810B stores the first line memory (SRAM 1) The difference between the addition/subtraction data {(Dj+Dj+1-Dj+2)/2} stored in 811B and the data obtained by dividing the first difference data Dj+3 of the fourth pixel PXLj+3 by 2 Second differential data SDF2 (Qj=({(Dj+Dj+1)/2)}-{(Dj+2+Dj+3)/2)}) is obtained.
The calculation unit 810B stores the obtained second difference data Qj in a second line memory (SRAM 2) store in 812B;

そして、信号処理回路70では、取得した第2の差分データQjにより、隣接の2画素間で大小判定して2値化を行う Then, the signal processing circuit 70 performs binarization by judging the size between two adjacent pixels based on the obtained second difference data Qj.

以上のように、第3の構成例によれば、4画素(たとえば図12の画素緒PXLj~PXLj+3)に関する第1の差分データSDF1に対する演算データを記憶しつつ、平均化処理および判定処理の途中の演算データ、並びに最終的な演算データを記憶するのに必要最低限の2つのラインメモリを含んで構成されていることから、第2の構成よりも少ないメモリ(記憶部)で、ランダムノイズとFPNを除去する信号処理を実現することが可能で、ひいては、処理回路による装置コストの増加を防止することが可能となる。 As described above, according to the third configuration example, while storing the calculation data for the first difference data SDF1 regarding four pixels (for example, the pixels PXLj to PXLj+3 in FIG. 12), the averaging process and the determination process are performed. Since the configuration includes two line memories, which are the minimum necessary for storing the intermediate calculation data and the final calculation data, the random It is possible to implement signal processing that removes noise and FPN, thereby preventing an increase in device cost due to the processing circuit.

(平均化処理および判定処理を実行する信号処理回路の第4の構成例)
図20は、本実施形態の平均化処理および判定処理を実行する信号処理回路のレスポンスデータ作成部の第4の構成例を示す図である。
(Fourth configuration example of signal processing circuit that executes averaging processing and determination processing)
FIG. 20 is a diagram showing a fourth configuration example of the response data creating section of the signal processing circuit that executes the averaging process and the determination process of this embodiment.

図20のレスポンスデータ作成部800Cが図18の第3の構成例のレスポンスデータ作成部800Bと異なる点は以下のとおりである。
図20のレスポンスデータ作成部800Cにおいては、第1のメモリ(記憶部)および第2のメモリ(記憶部)が共有化され、共有化メモリ(記憶部)へのアクセス系統が第1のアクセス系統Aと第2のアクセス系統B2系統あり、これら2系統のアクセス系統はデータの入力とデータの出力のためのアドレスが個別に制御されるデュアルポートメモリ820を含んで構成されている。
The difference between the response data creation unit 800C of FIG. 20 and the response data creation unit 800B of the third configuration example of FIG. 18 is as follows.
In the response data creation unit 800C of FIG. 20, the first memory (storage unit) and the second memory (storage unit) are shared, and the access system to the shared memory (storage unit) is the first access system. There are two access systems A and a second access system B, and these two access systems include a dual port memory 820 in which addresses for data input and data output are individually controlled.

図21(A)~(K)は、図20のデュアルポートメモリのポート構成および各ポートにおける動作波形の一例を示す図である。
図21(A)がデュアルポートメモリ820のポート構成を示し、図21(B)はクロック信号CLK(A,B)を、図21(C)はクロック信号CLK(A,B)に同期して入力される図12のADC41による12ビットの第1の差分データSDF1を示している。
図21(D)は第1のアクセス系統Aの第1のライトイネーブル信号WE Aを、図21(E)は第1のアクセス系統Aのアドレス信号ADDR Aを、図21(F)は第1のアクセス系統Aの入力データDATA Aを、図21(G)は第1のアクセス系統Aの出力データQ Aを、それぞれ示している。
図21(H)は第2のアクセス系統Bの第2のライトイネーブル信号WE Bを、図21(I)は第2のアクセス系統Bのアドレス信号ADDR Bを、図21(J)は第2のアクセス系統Bの入力データDATA Bを、図21(K)は第2のアクセス系統Bの出力データQ Bを、それぞれ示している。
21A to 21K are diagrams showing an example of the port configuration of the dual port memory of FIG. 20 and the operation waveforms at each port.
21A shows the port configuration of the dual port memory 820, FIG. 21B shows the clock signal CLK (A, B), and FIG. 12 shows first differential data SDF1 of 12 bits by the ADC 41 of FIG. 12 to be input.
FIG. 21(D) shows the first write enable signal WE of the first access system A. A, and FIG. 21(E) is the address signal ADDR of the first access system A. A, and FIG. 21(F) is the input data DATA of the first access system A A, and FIG. 21(G) is the output data Q of the first access system A A, respectively.
FIG. 21(H) shows the second write enable signal WE of the second access system B. B, and FIG. 21(I) is the address signal ADDR of the second access system B. B, and FIG. 21(J) is the input data DATA of the second access system B B, and FIG. 21(K) is the output data Q of the second access system B B, respectively.

図21(A)に示すデュアルポートメモリ820は、第1のアクセス系統Aにおいて、第1のライトイネーブル信号WE Aの入力ポートP1A、アドレス信号ADDR Aの入力ポートP2A、入力データDATA Aの入力ポートP3A、データQ Aの出力ポートP4A、およびクロックCLK Aの入力ポートP5Aを有している。
図21(A)に示すデュアルポートメモリ820は、第2のアクセス系統Bにおいて、第1のライトイネーブル信号WE Bの入力ポートP1B、アドレス信号ADDR Bの入力ポートP2B、入力データDATA Bの入力ポートP3B、データQ Bの出力ポートP4B、およびクロックCLK Bの入力ポートP5Bを有している。
In the dual port memory 820 shown in FIG. 21A, in the first access system A, the first write enable signal WE A input port P1A, address signal ADDR Input port P2A of A, input data DATA A input port P3A, data Q A output port P4A, and clock CLK A input port P5A.
In the dual port memory 820 shown in FIG. 21A, in the second access system B, the first write enable signal WE B input port P1B, address signal ADDR B input port P2B, input data DATA B input port P3B, data Q B output port P4B, and clock CLK B input port P5B.

図20のレスポンスデータ作成部800Cは、1つのデュアルポートメモリ820を用いて4画素(たとえば図12の画素PXLj~PXLj+3)に関する第1の差分データSDF1に対する演算データを記憶しつつ、演算部810Cで平均化処理および判定処理に必要な演算(加減算等)を行い、演算結果を適宜1つのデュアルポートメモリ820の共有メモリ領域に選択的に記憶する。
図20のレスポンスデータ作成部800Cは、4画素(たとえば図12の画素PXLj~PXLj+3)に関する第1の差分データSDF1に対する演算データを記憶しつつ、演算部810Cで平均化処理および判定処理に必要な演算(加減算等)を行い、演算結果を適宜1つのデュアルポートメモリ820に選択的に記憶する必要最低限の1つのデュアルポートメモリ820を含んで構成されている。
The response data creation unit 800C in FIG. 20 uses one dual port memory 820 to store calculation data for the first difference data SDF1 regarding four pixels (for example, the pixels PXLj to PXLj+3 in FIG. 12), and the calculation unit In 810C, calculations (addition/subtraction, etc.) necessary for averaging processing and determination processing are performed, and the calculation results are selectively stored in the shared memory area of one dual port memory 820 as appropriate.
The response data creation unit 800C in FIG. 20 stores the calculation data for the first difference data SDF1 regarding four pixels (for example, the pixels PXLj to PXLj+3 in FIG. 12), and the calculation unit 810C performs the averaging process and the determination process. It is composed of one dual port memory 820 which performs necessary calculations (addition and subtraction, etc.) and selectively stores the calculation results in one dual port memory 820 as appropriate.

図22(A)~(C)は、図20の回路の平均化処理および判定処理を説明するためのタイミングチャートである。
図22(A)は水平同期信号HDを、図22(B)は水平同期信号HDに同期して入力される図12のADC41による12ビットの第1の差分データSDF1を示し、図22(C)はデュアルポートメモリ(DPSRAM)820の記憶状態を、それぞれ示している。
FIGS. 22A to 22C are timing charts for explaining averaging processing and determination processing of the circuit of FIG.
22(A) shows the horizontal synchronizing signal HD, FIG. 22(B) shows the 12-bit first difference data SDF1 by the ADC 41 of FIG. ) indicate the storage state of the dual port memory (DPSRAM) 820, respectively.

信号処理回路70のレスポンスデータ作成部800Cは、セキュリティモードであるレスポンス作成モードMDR時に、たとえば第1の画素PXLjの第1の差分データDjを2で除した第1の除算データ(Dj/2)を第1のライトイネーブル信号WE Aがハイレベルの第1のアクセス系統Aにより共有化記憶部としてのデュアルポートメモリ(DPSRA)820に記憶する。
次に、演算部810Cが、第2のライトイネーブル信号WE Bがローレベルの第2のアクセス系統Bにより読み出した、デュアルポートメモリ(DPSRAM)820に記憶されている第1の除算データ(Dj/2)と第2の画素PXLj+1の第1の差分データDj+1を2で除した第2の除算データ(Dj+1/2)を加算し、この加算データ{(Dj/2)+(Dj+1/2)}を、第1の画素PXLjの第1の差分データDjと第2の画素PXLj+1の第1の差分データDj+1間の第1の平均化処理結果データ{(Dj+Dj+1)/2}として第1のアクセス系統Aによりデュアルポートメモリ(DPSRAM)820に記憶する。
同様に、演算部810Cが、第2のライトイネーブル信号WE Bがローレベルの第2のアクセス系統Bにより読み出したデュアルポートメモリ(DPSRAM)820に記憶されている第1の平均化処理結果データ{(Dj+Dj+1)/2}から第3の画素PXLj+2の第1の差分データDj+2を2で除した第3の除算データ(Dj+2/2)を減算した加減算データ{(Dj+Dj+1-Dj+2)/2}を第1のライトイネーブル信号WE Aがハイレベルの第1のアクセス系統Aによりデュアルポートメモリ(DPSRAM)820に記憶する。
The response data creation unit 800C of the signal processing circuit 70 divides the first differential data Dj of the first pixel PXLj by 2, for example, into first division data (Dj/2) in the response creation mode MDR which is the security mode. to the first write enable signal WE A is stored in the dual port memory (DPSRA) 820 as a shared storage section by the first access system A whose level is high.
Next, the calculation unit 810C outputs the second write enable signal WE The first difference between the first division data (Dj/2) stored in the dual port memory (DPSRAM) 820 and the second pixel PXLj+1, which is read by the second access system B in which B is low level. The second divided data (Dj+1/2) obtained by dividing the data Dj+1 by 2 is added, and this added data {(Dj/2)+(Dj+1/2)} is the first pixel PXLj. and the first differential data Dj+1 of the second pixel PXLj+1, the first access system A is stored in dual port memory (DPSRAM) 820 by .
Similarly, the calculation unit 810C outputs the second write enable signal WE The third pixel PXLj+ is obtained from the first average processing result data {(Dj+Dj+1)/2} stored in the dual port memory (DPSRAM) 820 read out by the second access system B with B being low level. The addition/subtraction data {(Dj+Dj+1-Dj+2)/2} obtained by subtracting the third division data (Dj+2/2) obtained by dividing the first difference data Dj+2 of 2 by 2 is first written. Enable signal WE The data is stored in the dual port memory (DPSRAM) 820 by the first access system A whose level A is high.

次に、演算部810Cが、第2のライトイネーブル信号WE Bがローレベルの第2のアクセス系統Bにより読み出した、デュアルポートメモリ(DPSRAM)820に記憶されている前記加減算データ{(Dj+Dj+1-Dj+2)/2}から第4の画素PXLj+3の第1の差分データDj+3を2で除した第4の除算データ(Dj+3/2)を減算して、第2の差分データSDF2(Qj=({(Dj+Dj+1)/2)}―{(Dj+2+Dj+3)/2)})を取得する。
演算部810Cは、取得した第2の差分データQjを第1のライトイネーブル信号WE Aがハイレベルの第1のアクセス系統Aによりデュアルポートメモリ(DPSRAM)820に記憶する。
Next, the calculation unit 810C outputs the second write enable signal WE The fourth pixel PXLj+ is obtained from the addition/subtraction data {(Dj+Dj+1-Dj+2)/2} stored in the dual port memory (DPSRAM) 820, which is read by the second access system B in which B is low level. The fourth division data (Dj+3/2) obtained by dividing the first difference data Dj+3 of 3 by 2 is subtracted to obtain the second difference data SDF2 (Qj=({(Dj+Dj+1)/2 )}-{(Dj+2+Dj+3)/2)}).
The calculation unit 810C converts the acquired second difference data Qj into the first write enable signal WE The data is stored in the dual port memory (DPSRAM) 820 by the first access system A whose level A is high.

そして、信号処理回路70では、取得した第2の差分データQjにより、隣接の2画素間で大小判定して2値化を行う Then, the signal processing circuit 70 performs binarization by judging the size between two adjacent pixels based on the obtained second difference data Qj.

以上のように、第4の構成例によれば、4画素(たとえば図12の画素緒PXLj~PXLj+3)に関する第1の差分データSDF1に対する演算データを記憶しつつ、平均化処理および判定処理の途中の演算データ、並びに最終的な演算データを記憶するのに必要最低限の1つのデュアルポートメモリを含んで構成されていることから、第1~第3の構成よりも少ないメモリ(記憶部)で、ランダムノイズとFPNを除去する信号処理を実現することが可能で、ひいては、処理回路による装置コストの増加を防止することが可能となる。 As described above, according to the fourth configuration example, while storing calculation data for the first difference data SDF1 regarding four pixels (for example, pixels PXLj to PXLj+3 in FIG. 12), averaging processing and determination processing are performed. Since it is configured to include a minimum of one dual port memory required to store the intermediate calculation data and the final calculation data, the memory (storage unit ), it is possible to realize signal processing that removes random noise and FPN, thereby preventing an increase in device cost due to the processing circuit.

なお、この第4の構成例には、第3の構成例で採用した当初から除算を行う処理方法を採用して説明したが、第2の構成例で採用した処理の途中から除算を行う処理方法を採用することも可能である。 In addition, in the fourth configuration example, the processing method in which division is performed from the beginning adopted in the third configuration example has been described. It is also possible to adopt the method.

(平均化処理および判定処理を実行する信号処理回路の第5の構成例)
図23は、本実施形態の平均化処理および判定処理を実行する信号処理回路のレスポンスデータ作成部の第5の構成例を示す図である。
図24(A)~(I)は、図23の2ポートメモリのポート構成および各ポートにおける動作波形の一例を示す図である。
図25(A)~(C)は、図23の回路の平均化処理および判定処理を説明するためのタイミングチャートである。
(Fifth configuration example of a signal processing circuit that executes averaging processing and determination processing)
FIG. 23 is a diagram showing a fifth configuration example of the response data creating section of the signal processing circuit that executes the averaging process and the determination process of this embodiment.
FIGS. 24A to 24I are diagrams showing an example of the port configuration of the two-port memory of FIG. 23 and operation waveforms at each port.
FIGS. 25A to 25C are timing charts for explaining the averaging process and determination process of the circuit of FIG.

図23のレスポンスデータ作成部800Dが図20の第4の構成例のレスポンスデータ作成部800Cと異なる点は以下のとおりである。
図23のレスポンスデータ作成部800Dにおいては、デュアルポートメモリの代わりに、2ポートメモリ(TPSRAM)830を採用したことにある。
2ポートメモリ830では、第2のライトイネーブル信号の代わりに、リードイネーブル信号REが採用されており、第1のアクセス系統A側にはデータ出力ポートがなく、第2のアクセス系統Bにはデータ入力ポートがない。
基本的には、第5の構成例においても、上述した第4の構成例と同様の処理が行われることから、その詳細な説明は省略する。
The difference between the response data creation unit 800D of FIG. 23 and the response data creation unit 800C of the fourth configuration example of FIG. 20 is as follows.
The response data generator 800D of FIG. 23 employs a two-port memory (TPSRAM) 830 instead of a dual-port memory.
In the 2-port memory 830, the read enable signal RE is adopted instead of the second write enable signal, the first access system A side has no data output port, and the second access system B has a data output port. No input port.
Basically, in the fifth configuration example, the same processing as in the above-described fourth configuration example is performed, so detailed description thereof will be omitted.

以上のように、第5の構成例によれば、4画素(たとえば図12の画素緒PXLj~PXLj+3)に関する第1の差分データSDF1に対する演算データを記憶しつつ、平均化処理および判定処理の途中の演算データ、並びに最終的な演算データを記憶するのに必要最低限の1つの2ポートメモリを含んで構成されていることから、第1~第3の構成よりも少ないメモリ(記憶部)で、ランダムノイズとFPNを除去する信号処理を実現することが可能で、ひいては、処理回路による装置コストの増加を防止することが可能となる。 As described above, according to the fifth configuration example, while storing the calculation data for the first difference data SDF1 regarding four pixels (for example, the pixels PXLj to PXLj+3 in FIG. 12), the averaging process and the determination process are performed. Since it is configured to include a minimum of one 2-port memory necessary to store the intermediate calculation data and the final calculation data, the memory (storage unit ), it is possible to realize signal processing that removes random noise and FPN, thereby preventing an increase in device cost due to the processing circuit.

なお、この第5の構成例においても、第3の構成例で採用した当初から除算を行う処理方法を採用して説明したが、第2の構成例で採用した処理の途中から除算を行う処理方法を採用することも可能である。 Also in this fifth configuration example, the processing method in which division is performed from the beginning adopted in the third configuration example has been described. It is also possible to adopt the method.

(平均化処理および判定処理を実行する信号処理回路の第6の構成例)
図26は、本実施形態の平均化処理および判定処理を実行する信号処理回路のレスポンスデータ作成部の第6の構成例を示す図である。
図27(A)~(G)は、図26のFIFOのポート構成および各ポートにおける動作波形の一例を示す図である。
図28(A)~(C)は、図26の回路の平均化処理および判定処理を説明するためのタイミングチャートである。
(Sixth configuration example of signal processing circuit that executes averaging processing and determination processing)
FIG. 26 is a diagram showing a sixth configuration example of the response data creation section of the signal processing circuit that executes the averaging process and the determination process of this embodiment.
27A to 27G are diagrams showing an example of the port configuration of the FIFO in FIG. 26 and the operation waveforms at each port.
FIGS. 28A to 28C are timing charts for explaining averaging processing and determination processing of the circuit of FIG.

図26のレスポンスデータ作成部800Eが図23の第5の構成例のレスポンスデータ作成部800Dと異なる点は以下のとおりである。
図26のレスポンスデータ作成部800Eにおいては、2ポートメモリの代わりに、FIFO840を採用したことにある。
FIFO840では、フル(FULL)信号と空(EMPTY)信号をモニタすることにより、ライトイネーブル信号WEとリードイネーブル信号REによるデータ(DATA)の書き込みとデータの読み出しを制御する。
基本的には、第6の構成例においても、上述した第4の構成例と同様の処理が行われることから、その詳細な説明は省略する。
The difference between the response data creation unit 800E in FIG. 26 and the response data creation unit 800D in the fifth configuration example in FIG. 23 is as follows.
The response data creation unit 800E of FIG. 26 employs the FIFO 840 instead of the two-port memory.
The FIFO 840 monitors a full (FULL) signal and an empty (EMPTY) signal to control writing and reading of data (DATA) by the write enable signal WE and the read enable signal RE.
Since basically the same processing as in the above-described fourth configuration example is performed also in the sixth configuration example, detailed description thereof will be omitted.

以上のように、第6の構成例によれば、4画素(たとえば図12の画素緒PXLj~PXLj+3)に関する第1の差分データSDF1に対する演算データを記憶しつつ、平均化処理および判定処理の途中の演算データ、並びに最終的な演算データを記憶するのに必要最低限の1つのFIFOを含んで構成されていることから、第1~第3の構成よりも少ないメモリ(記憶部)で、ランダムノイズとFPNを除去する信号処理を実現することが可能で、ひいては、処理回路による装置コストの増加を防止することが可能となる。 As described above, according to the sixth configuration example, while storing calculation data for the first difference data SDF1 regarding four pixels (for example, pixels PXLj to PXLj+3 in FIG. 12), averaging processing and determination processing are performed. Since it is configured including one FIFO, which is the minimum necessary for storing the intermediate calculation data and the final calculation data, it requires less memory (storage unit) than the first to third configurations. , it is possible to implement signal processing that removes random noise and FPN, thereby preventing an increase in device cost due to the processing circuit.

なお、この第6の構成例においても、第3の構成例で採用した当初から除算を行う処理方法を採用して説明したが、第2の構成例で採用した処理の途中から除算を行う処理方法を採用することも可能である。 Also in this sixth configuration example, the processing method in which division is performed from the beginning adopted in the third configuration example has been described. It is also possible to adopt the method.

(ユニーク性と再現性の評価)
次に、ユニーク性と再現性の評価結果について述べる。
図29は、図12および図13に示すようなレスポンス生成方式によって得られたPUF性能としての再現性とユニーク性を示す図である。
(Evaluation of uniqueness and reproducibility)
Next, the evaluation results of uniqueness and reproducibility will be described.
FIG. 29 is a diagram showing reproducibility and uniqueness as PUF performance obtained by the response generation method shown in FIGS. 12 and 13. FIG.

CIS-PUFの性能評価としてユニーク性と再現性の評価を行った。
ユニーク性は、2つのチップのIDを比較したときどれだけ異なっているかを示す指標である。ユニーク性は各チップで100枚分の画像を平均化した画像から128ビット長のIDを3,840ブロック作り、異なる2つのチップで生成したID間のHD(ハミングでスタンス)を算出し平均値を求めることで得られる。
ID長をLとしたとき、ユニーク性のHDの分布の平均はL/2、標準偏差は√L/2が理想値である。
Uniqueness and reproducibility were evaluated as performance evaluations of CIS-PUF.
Uniqueness is an index that indicates how different the IDs of two chips are when compared. For uniqueness, create 3,840 blocks of 128-bit length IDs from images obtained by averaging 100 images on each chip, calculate the HD (Hamming stance) between IDs generated by two different chips, and find the average value. obtained by
When the ID length is L, the ideal values for the uniqueness HD distribution are L/2 for the average and √L/2 for the standard deviation.

再現性は,あるチップが生成するIDがどの程度の安定性をもつのかを示す指標であり、各チップで100枚分の画像を平均化した画像から128ビット長のIDを3,840ブロック作り、これを基準として、基準IDと100枚それぞれの画像から作ったIDとのHDを算出し平均値を求めることで得られる。
PUFの出力を認証に使う場合、IDが安定して出力されることが求められる。そのため再現性のHDは0付近に多く分布していることが理想である。
Reproducibility is an index that indicates how stable an ID generated by a certain chip is. 3,840 blocks of 128-bit length IDs are created from images obtained by averaging 100 images in each chip. is used as a reference, the HDs of the reference ID and the ID created from each of the 100 images are calculated, and the average value is obtained.
When using the output of the PUF for authentication, it is required that the ID is stably output. Therefore, it is ideal that reproducible HD is mostly distributed near zero.

図29は、用意した5つのチップについて、ID長を128ビットとして評価を行ったときのユニーク性と再現性の分布を示している。
ユニーク性のHDは平均値μ=63.9,標準偏差σ=5.66であり、ほぼ理想値(μ=64,σ=5.66)となっている。再現性のHDは平均値μ=1.49,標準偏差σ=1.21であり、CIS-PUFで生成したIDが高い再現性を持つことを示している。
FIG. 29 shows the distribution of uniqueness and reproducibility when evaluating the five prepared chips with an ID length of 128 bits.
The unique HD has an average value μ=63.9 and a standard deviation σ=5.66, which are almost ideal values (μ=64, σ=5.66). The reproducibility HD has an average value μ=1.49 and a standard deviation σ=1.21, indicating that the ID generated by CIS-PUF has high reproducibility.

(FPRとFNRによる認証評価)
次に、FPRとFNRによる認証評価した結果について述べる。
(Accreditation by FPR and FNR)
Next, the results of certification evaluation by FPR and FNR will be described.

前述したように、PUFを用いたCR認証では、あらかじめマイコン300側に登録しておいたIDとPUFが生成したIDが一致しているかを検証することで認証を行う。
しかし、上述の再現性の評価結果からわかるように、PUFは完全に同じIDを毎回出力するわけではなく、いくらかのビット反転が起こる。そのため、認証の際はある程度の誤りを許容する必要がある。
As described above, in CR authentication using a PUF, authentication is performed by verifying whether an ID registered in advance in the microcomputer 300 matches an ID generated by the PUF.
However, as can be seen from the reproducibility evaluation results described above, the PUF does not output exactly the same ID every time, and some bit inversion occurs. Therefore, it is necessary to allow a certain amount of error in authentication.

ここでは、CIS-PUFを利用したCR認証はどの程度の認証精度を実現できるのか、また何ビットまでの誤りを許容するよう設定すれば良いのかを評価するため、ユニーク性と再現性からFalse Positive Rate(FPR)とFalse Negative Rate(FNR)という2つの指標を導出し評価を行った。
FPRは偽物を本物と認識する確率を表し、FNRは本物を偽物と認識する確率を表す。認証に用いるID長をL、ユニーク性のHDがMビットとなる確率をPu (M)、再現性のHDがMビットとなる確率をPs (M)とすると、誤り許容ビット(しきい値)をTと設定したときのFNRとFPRは式(1), 式(2)で導出できる。
Here, in order to evaluate how much authentication accuracy can be achieved with CR authentication using CIS-PUF, and how many bits of error should be allowed, False Positive Two indices, Rate (FPR) and False Negative Rate (FNR), were derived and evaluated.
FPR represents the probability of recognizing a fake as real, and FNR represents the probability of recognizing real as fake. Let L be the ID length used for authentication, Pu(M) be the probability that the uniqueness HD is M bits, and Ps(M) be the probability that the reproducibility HD be M bits. is set to T, FNR and FPR can be derived from equations (1) and (2).

Figure 0007201156000001
Figure 0007201156000001

Figure 0007201156000002
Figure 0007201156000002

図30は、ユニーク性と再現性からもとめたFPRとFNRを示す図である。
図30において、横軸はしきい値、縦軸はそのときのFPR,FNRの値を表している。
FIG. 30 is a diagram showing FPR and FNR determined from uniqueness and reproducibility.
In FIG. 30, the horizontal axis represents the threshold value, and the vertical axis represents the FPR and FNR values at that time.

認証を行う際に確保すべき認証精度は、生体認証の認証精度を参考に決定した.現在運用されている生体認証システムでは認証精度が0.1ppm以下とされている。生体認証が対象とするのは人間であり、その総数は75億程度である。これに対して、CIS-PUFを用いたCR認証が対象とするものはセンサであり、その総数は多く見積もって1兆程度と考えられる。
よって対象物の数の違いを考慮し、FPRとFNRが共に0.001ppm以下を基準とした。図30より、誤りを許容するビット数を9-29bitの間に設定すると誤り率を0.001ppm以下にできることがわかる。
The authentication accuracy that should be secured when performing authentication was determined with reference to the authentication accuracy of biometric authentication. The biometric authentication system currently in operation has an authentication accuracy of 0.1 ppm or less. The targets of biometric authentication are humans, and the total number is about 7.5 billion. On the other hand, CR authentication using CIS-PUF targets sensors, and the total number of sensors is estimated to be approximately 1 trillion.
Therefore, in consideration of the difference in the number of objects, both the FPR and FNR are set to 0.001 ppm or less as a standard. From FIG. 30, it can be seen that the error rate can be reduced to 0.001 ppm or less by setting the number of bits for which errors are allowed between 9 and 29 bits.

(CIS-PUFのレスポンス多ビット化)
次に、CIS-PUFのレスポンスの多ビット化について詳述する。
(CIS-PUF response multi-bit)
Next, the multi-bit conversion of the CIS-PUF response will be described in detail.

CIS-PUFを利用したCR認証では、リプレイ攻撃を防ぐために同じCRペアを使いまわすことはできない。
また、CIS-PUFは他のメモリ型PUFと同様にCR空間が狭いため、CR認証可能な回数が少ない。たとえば1回の認証で128ビットのレスポンスを消費すると、3,840回の認証でIDが枯渇してしまうおそれがある。使い方にもよるが、たとえば1日4回の認証を行うと3年以内にIDを使い切ってしまうおそれがある。
そのため、CIS-PUFのCRペアを増やす必要があり、同様なCMOSイメージセンサの特性ばらつきをPUFとして利用し、さらにCRペア空間を広げる提案がされている。しかしこの方法では、出力ペアを組み替えるための計算が必要であり、また離れた位置の画素を比較する場合、列ごとに固有な成分や、製造時に広域的に発生するばらつきの影響を受けてしまうという問題がある。
そこで、本実施形態においては、これらの影響を除去しつつCRペアを増やすために、多ビット化を実現するLehmer-Gray法(LG法)を採用している。
In CR authentication using CIS-PUF, the same CR pair cannot be reused to prevent replay attacks.
In addition, since the CIS-PUF has a narrow CR space like other memory-type PUFs, the number of times CR authentication is possible is small. For example, if one authentication consumes a 128-bit response, there is a risk that IDs will be exhausted after 3,840 authentications. Depending on how it is used, for example, if authentication is performed four times a day, there is a risk that the IDs will be used up within three years.
Therefore, it is necessary to increase the number of CR pairs of CIS-PUFs, and a proposal has been made to use similar characteristic variations of CMOS image sensors as PUFs to further expand the CR pair space. However, this method requires calculations to rearrange the output pairs, and when comparing pixels at distant positions, it is affected by unique components for each column and variations that occur widely during manufacturing. There is a problem.
Therefore, in this embodiment, the Lehmer-Gray method (LG method) that realizes multi-bit is adopted in order to increase the number of CR pairs while removing these effects.

(Lehmer-Gray法 (LG法))
以下に、多ビット化の方法として、CRペアを増やすLG法について詳述する。
LG法は、Lehmer符号とGrayコードを組み合わせたレスポンス生成手法である。
Lehmer符号は、n個の数値があるとき、その並び順がn!通り存在する点に着目した符号である。たとえば、A,B,Cの3つの値があるとき,この並びは次の6(=3!)通りあり、この並び順を符号として扱う。
(Lehmer-Gray method (LG method))
The LG method for increasing the number of CR pairs will be described in detail below as a method for increasing the number of bits.
The LG method is a response generation method that combines Lehmer code and Gray code.
In the Lehmer code, when there are n numbers, the sequence order is n! It is a code that focuses on points that exist in the same direction. For example, when there are three values A, B, and C, there are the following 6 (=3!) arrangements, and this arrangement order is treated as a code.

(A, B, C) (A, C, B) (B, A, C)
(B, C, A) (C, A, B) (C, B, A)
(A, B, C) (A, C, B) (B, A, C)
(B, C, A) (C, A, B) (C, B, A)

Lehmer符号の簡単な符号化の手法として、ある数値について注目したとき、その数値より大きい(または小さい)数値が右(または左)にいくつあるかを数えることで符号化を行う手法がある。 As a simple Lehmer code encoding method, there is a method of encoding by counting the number of numbers to the right (or left) that are larger (or smaller) than a certain number.

図31は、Lehmer符号の例を示す図である。
図32は、2進コードとGrayコードの対応表を示す図である。
FIG. 31 is a diagram showing an example of Lehmer code.
FIG. 32 is a diagram showing a correspondence table between binary codes and Gray codes.

たとえば、図31のように,(1 5 2 7)という4つの数値を符号化すると、(3 1 1)となる。
またGrayコードとは、通常の2進表現とは異なる”0”と”1”による数の表現法である。Grayコードは、隣り合う数のハミングディスタンスが必ず1になるという性質を持つ。これを用いることにより、ノイズによるビットエラーの低減を期待できる。
For example, as shown in FIG. 31, encoding four numerical values (1 5 2 7) results in (3 1 1).
The Gray code is a method of representing numbers using "0" and "1" which is different from the usual binary representation. A Gray code has the property that the Hamming distance of adjacent numbers is always 1. By using this, a reduction in bit errors due to noise can be expected.

(CIS-PUFにおけるLG法)
ここでは、CIS-PUFにLehmer-Gray法(LG法)を適用した場合の処理手順について説明する。
図33は、CIS-PUFにLehmer-Gray法(LG法)を適用した場合の処理手順について説明するための図である。
(LG method in CIS-PUF)
Here, a processing procedure when the Lehmer-Gray method (LG method) is applied to CIS-PUF will be described.
FIG. 33 is a diagram for explaining the processing procedure when the Lehmer-Gray method (LG method) is applied to the CIS-PUF.

Lehmer-Gray法ではN個の縦に連なった出力の置換を符号化し,レスポンスを生成する。
たとえばN=4の場合、4つの出力を1ブロックとして取り出し符号化を行う。取り出した出力が上からLSB=(1649,1753, 1757, 2060)だった場合、Lehmer符号でこの4つの出力の置換を表すと、L=(3,2,1)となる。
そして、Lehmer符号で表した数列の中身をGrayコードで表現すると、G=(10,11,1)となる。
The Lehmer-Gray method encodes permutations of N cascaded outputs to generate a response.
For example, when N=4, four outputs are taken out as one block and encoded. If the extracted output is LSB=(1649, 1753, 1757, 2060) from the top, the permutation of these four outputs in Lehmer code is L=(3,2,1).
Then, when the content of the sequence represented by the Lehmer code is represented by the Gray code, G=(10,11,1).

この例では、4つの出力から5ビットのレスポンスが生成されるので、画像全体では1,296,000ビットのレスポンスを得られる。従来手法の総レスポンスは518,400ビットであったことから、CRペアが増加したことが確認できる。
また、Lehmer-Gray法では、N個の出力の比較から、N!通りのレスポンスを得る。N=4の場合について、各レスポンスが同じ割合で生成されているかを確認できる。
In this example, the four outputs produce a 5-bit response, so the entire image has a 1,296,000-bit response. Since the total response of the conventional method was 518,400 bits, it can be confirmed that the number of CR pairs has increased.
Also, in the Lehmer-Gray method, N! responses are obtained by comparing N outputs. For N=4, we can confirm that each response is generated at the same rate.

図34は、CIS-PUFにLehmer-Gray法を適用した場合のレスポンスの出現割合を示す図である。
図34において、横軸に4!=24種のレスポンスを、縦軸に各レスポンスの出現回数をプロットしたものである。
FIG. 34 is a diagram showing the appearance rate of responses when the Lehmer-Gray method is applied to CIS-PUF.
In FIG. 34, 4!=24 types of responses are plotted on the horizontal axis, and the number of occurrences of each response is plotted on the vertical axis.

24種のレスポンスが完全に同じ割合で出現するとき、各レスポンスの出現回数の期待値は10,800であり、図34中に線LVで示してある。図19より、N=4において各レスポンスが同程度の割合で出現していることが確認できる。 When 24 types of responses appear at exactly the same rate, the expected value of the number of occurrences of each response is 10,800, which is indicated by line LV in FIG. From FIG. 19, it can be confirmed that each response appears at a similar rate when N=4.

(ユニーク性と再現性評価 (LG法))
次に、Lehmer-Gray法を用いて、N個の出力の大小比較からレスポンスを生成したときの再現性とユニーク性を前述と同様の方法で評価した結果について述べる。
図35は、用意した5つのチップについて、N=2,4,8,16,32,64としたとき,それぞれのユニーク性と再現性の分布を示す図である。
また、図36(A)および(B)は、再現性とユニーク性のHDの平均と標準偏差をまとめた表を示す図である。
(Uniqueness and reproducibility evaluation (LG method))
Next, using the Lehmer-Gray method, the results of evaluating the reproducibility and uniqueness when a response is generated by comparing the magnitudes of N outputs in the same manner as described above will be described.
FIG. 35 is a diagram showing distributions of uniqueness and reproducibility of five prepared chips, when N=2, 4, 8, 16, 32, and 64. FIG.
Also, FIGS. 36A and 36B are diagrams showing tables summarizing the mean and standard deviation of reproducibility and unique HD.

図35より、Nが大きくなるとビット反転の影響が拡大するために再現性が悪くなることが確認できる。
また、Nが大きくなるとユニーク性の値がやや小さくなっているが、これはLehmer-Gray法において使用しないコードが存在するためである。
具体的には、N=4のとき、4つの出力から5ビットのレスポンスが得られるが、このうち3ビット目と4ビット目は(00,01,11)のいずれかであり、10は使用しない。そのため、使用しないコードを考慮したときのN=4のユニーク性の理想値はμ=61.44となる。
From FIG. 35, it can be confirmed that as N increases, the reproducibility deteriorates because the influence of bit inversion increases.
Also, as N increases, the uniqueness value decreases slightly, but this is because there are codes that are not used in the Lehmer-Gray method.
Specifically, when N=4, a 5-bit response is obtained from 4 outputs, of which the 3rd and 4th bits are either (00, 01, 11), and 10 is used do not do. Therefore, the ideal value of uniqueness for N=4 when considering unused codes is μ=61.44.

(FNRとFPRによる評価 (LG法))
FNRとFPRによる評価した結果について述べる。
図37は、再現性とユニーク性から求めたFNRとFPRを示す図である。
また、図38は、FNRとFPRが0.001ppm以下になるしきい値を表として示す図である。
(Evaluation by FNR and FPR (LG method))
The results of evaluation by FNR and FPR will be described.
FIG. 37 is a diagram showing FNR and FPR obtained from reproducibility and uniqueness.
FIG. 38 is a table showing the threshold values at which the FNR and FPR are 0.001 ppm or less.

図38より、N=32までで基準の認証精度を確保でき、N=64では基準を満たすしきい値が存在しないことがわかる。Nを大きくする程CRペアが増加するため、N=32でしきい値を20~26ビットに設定すると最も性能が良くなることがわかる。 From FIG. 38, it can be seen that the standard authentication accuracy can be secured up to N=32, and there is no threshold that satisfies the standard for N=64. Since the number of CR pairs increases as N increases, it can be seen that the best performance is obtained when N=32 and the threshold is set to 20 to 26 bits.

(多ビット化の認証性能評価)
次に、多ビット化の認証性能を評価した結果について述べる。
ここでは、レスポンスの多ビット化により、CIS-PUFを用いたCRR認証が実用可能な性能に至ったかの判断材料として、認証精度以外の評価についてまとめてある。
(Evaluation of multi-bit authentication performance)
Next, the result of evaluating the authentication performance of multi-bit is described.
Here, evaluations other than authentication accuracy are summarized as criteria for judging whether CRR authentication using CIS-PUF has achieved practical performance by increasing the number of bits in the response.

(識別可能なデバイス数)
想定しているCIS-PUFのCR認証では、1つのIDがもつ情報量をI,しきい値をTとして、以下の式で識別可能な個体数が求められる.
(Number of identifiable devices)
In the assumed CIS-PUF CR authentication, the number of identifiable individuals is obtained by the following formula, where I is the amount of information that one ID has, and T is the threshold value.

Figure 0007201156000003
Figure 0007201156000003

Lehmer-Gray法の特性上、使用されないコードがあるため、128ビットのIDがもつ情報量は128ビットより少なくなる。各レスポンスが同じ割合で生成されるとき、N個の出力から生成されるレスポンスの情報量Hは、以下の式で求められる。 Due to the characteristics of the Lehmer-Gray method, some codes are not used, so the amount of information that a 128-bit ID has is less than 128 bits. When each response is generated at the same rate, the information amount H of the response generated from N outputs is obtained by the following formula.

Figure 0007201156000004
Figure 0007201156000004

また、図39は、N個の出力から生成されるレスポンスの長さLRを表にまとめて示す図である。
128ビットのIDがもつ情報量Iは、レスポンスの長さLRと情報量Hを用いて次式で求められる。
FIG. 39 is a table showing the length LR of responses generated from N outputs.
The amount of information I that the 128-bit ID has is obtained by the following equation using the length LR and the amount of information H of the response.

Figure 0007201156000005
Figure 0007201156000005

図40は、128ビットのIDがもつ情報量Iと、求めたしきい値から識別可能な個体数を計算し、まとめた表を示す図である。
図40中のT1は、基準を満たす範囲で、FNRが最も小さくなるように設定したしきい値であり、T2はFPRが最も小さくなるように設定したしきい値である。
既に述べたように、識別対象となるセンサの総数は多く見積もっても1兆個(10の12乗)程度と考えられるので、基準を満たすしきい値を設定すれば,十分な識別可能個体数をもつといえる。
FIG. 40 is a diagram showing a table summarizing the information amount I possessed by the 128-bit ID and the number of identifiable individuals calculated from the determined threshold value.
T1 in FIG. 40 is the threshold value set so that the FNR becomes the smallest within the range that satisfies the criteria, and T2 is the threshold value set so that the FPR becomes the smallest.
As already mentioned, the total number of sensors to be identified is estimated to be about 1 trillion (10 to the 12th power) at most. It can be said that it has

(CRペアの増加量)
これまで述べてきたように、レスポンスの多ビット化の目的はCRペアの増加である。1回の認証で128ビットのレスポンスを消費するとき、N=2~64の場合についてCR認証可能な回数を試算し図41の表にまとめた。
(Increase amount of CR pair)
As described above, the purpose of increasing the number of bits in the response is to increase the number of CR pairs. When a 128-bit response is consumed in one authentication, the number of times CR authentication is possible for N=2 to 64 is calculated and summarized in the table of FIG.

従来手法に相当するN=2では、CR認証可能回数は3,840回である。それに対し、N=32ではCR認証可能な回数が30,720回に増加する。よって多ビット化を行うことにより、CR認証可能な回数を8倍まで増やせることがわかる。 With N=2, which corresponds to the conventional method, the number of possible CR authentications is 3,840. On the other hand, when N=32, the number of CR authentication possible increases to 30,720. Therefore, it can be seen that the number of CR authentications can be increased up to 8 times by increasing the number of bits.

上記したように、CIS-PUFを利用したCR認証システムの検討と,レスポンスの多ビット化について評価を行った。
これまでCIS-PUFはユニ-ク性,再現性ともに優れた特性を持つこと示されてきたが、本実施形態では、さらに認証性能の指標としてFNRとFPRを利用し、誤り率0.001ppm以下の認証精度を確保した運用を想定したときのトータルのCR認証可能な回数を試算した。
その結果、1日4回の認証を行うと3年以内にCRペアを使い切ってしまうおそれがあることがわかったが、Lehmer-Gray法を用いたレスポンスの多ビット化を適用することよにより、N=32のとき、既存システムと同程度の認証精度を確保しながら、CR認証回数を8倍にできる。
これにより、本実施形態に係る固体撮像装置は、長期間利用されるIoTデバイスへの搭載が可能になる。
As described above, we investigated a CR authentication system using CIS-PUF and evaluated multi-bit responses.
So far, CIS-PUF has been shown to have excellent characteristics in both uniqueness and reproducibility. A trial calculation was made of the total number of times that CR authentication is possible assuming an operation in which authentication accuracy is ensured.
As a result, it was found that if authentication is performed four times a day, there is a risk that the CR pairs will be used up within three years. When N=32, the number of times of CR authentication can be increased eight times while ensuring the same level of authentication accuracy as the existing system.
As a result, the solid-state imaging device according to this embodiment can be mounted on an IoT device that will be used for a long period of time.

以上説明したように、本実施形態によれば、固体撮像装置10においては、後で詳述するように、セキュリティモード時に、読み出し部90が、画素信号の読み出し方向(垂直方向、垂直信号線の配線方向)の複数画素(本実施形態では、一例として4画素単位)から、読み出し方向の基準レベル(基準電位)としてのクリップ信号と各画素のリセットレベルである画素リセット信号との差をとった第1の差分データSDF1を順次に取得する。
信号処理回路70は、基本的に、演算部と、少なくとも2つの記憶部としての第1のメモリおよび第2のメモリと、を含み、セキュリティモード時において、2つのメモリの少なくともいずれかには、読み出し部90により取得された各画素の第1の差分データSDF1を選択的に記憶し、演算部の演算結果を選択的に記憶する。
これにより、少ない記憶部(メモリ)で、ランダムノイズとFPNを除去する信号処理を実現することが可能で、ひいては、処理回路による装置コストの増加を防止することが可能となる。
As described above, according to the present embodiment, in the solid-state imaging device 10, in the security mode, the readout unit 90 can read out pixel signals in the direction (vertical direction, vertical signal line The difference between the clip signal as the reference level (reference potential) in the readout direction and the pixel reset signal as the reset level of each pixel is obtained from a plurality of pixels (in this embodiment, a unit of four pixels as an example) in the wiring direction). The first differential data SDF1 are obtained sequentially.
The signal processing circuit 70 basically includes an arithmetic unit and at least two storage units, a first memory and a second memory. In the security mode, at least one of the two memories has It selectively stores the first difference data SDF1 of each pixel acquired by the reading unit 90, and selectively stores the calculation result of the calculation unit.
As a result, signal processing for removing random noise and FPN can be realized with a small storage unit (memory), and an increase in device cost due to the processing circuit can be prevented.

また、本実施形態によれば、レスポンスデータの生成処理、少なくとも、デバイス認証、データ整合性認証、およびデータ暗号化のいずれかであって、画素アドレスをチャレンジ(Challenge)とし、所定の手順で生成したレスポンスデータをレスポンス(Response)とする認証処理を含む情報セキュリティ信号処理を、画像信号処理のブランキング期間の信号処理または行(ライン)ごとの信号処理として実行する。
これにより、情報セキュリティのための信号処理の処理時間による画像データフレームレートの低下を防止でき、処理回路による装置コストの増加を防止することが可能となる。
Further, according to the present embodiment, the response data generation process, at least one of device authentication, data integrity authentication, and data encryption, is generated by a predetermined procedure using a pixel address as a challenge. Information security signal processing including authentication processing using the received response data as a response is executed as signal processing during a blanking period of image signal processing or as signal processing for each row (line).
As a result, it is possible to prevent the image data frame rate from being lowered due to the processing time of signal processing for information security, and to prevent the device cost from increasing due to the processing circuit.

また、本実施形態によれば、信号処理回路70は、レスポンスデータ生成のために読み出したPUFレスポンスであるばらつき情報を多ビット化する機能を有する多ビット化部720を含んで構成されている。
そして、信号処理回路70の多ビット化部720は、多ビット化処理として、ばらつき情報を複数の出力を1ブロックとして取り出して、レーマー(Lehmer)符号により符号化し、レーマー(Lehmer)符号化した情報をグレイコード(Gray code)に変換して行うLG(Lehmer-Gray)法を採用している。
認証を行う際に確保すべき認証精度は、情報セキュリティ信号処理のユニーク性と再現性のデータより認証精度の指標として、偽物を本物と認識する確率FPR(False Positive Rate)と本物を偽物と認識する確率FNR(False Negative Rate)を求め、確率FPRと確率FNRにより評価(決定、選定)可能である。
これにより、煩雑な手間を要することなく、認証精度を確保しながらCR認証回数を増大させることが可能となる。
Further, according to the present embodiment, the signal processing circuit 70 includes a multi-bit conversion unit 720 having a function of multi-bit conversion of the variation information, which is the PUF response read for generating the response data.
Then, as the bit-multiplexing process, the bit-multiplexing unit 720 of the signal processing circuit 70 extracts a plurality of outputs of the variation information as one block, encodes them with Lehmer code, and converts them to Lehmer-encoded information. LG (Lehmer-Gray) method is adopted, which converts to Gray code.
The authentication accuracy that should be ensured when performing authentication is the FPR (False Positive Rate), the probability of recognizing a fake as a genuine article, and the recognition of a genuine article as a fake. It is possible to obtain a probability FNR (False Negative Rate) to perform an evaluation (determination, selection) based on the probability FPR and the probability FNR.
As a result, it is possible to increase the number of times of CR authentication while securing authentication accuracy without requiring complicated effort.

このように、本実施形態によれば、情報セキュリティのための信号処理の処理時間による画像データフレームレートの低下を防止でき、処理回路による装置コストの増加を防止することが可能で、また煩雑な手間を要することなく、認証精度を確保しながらCR認証回数を増大させることが可能となり、秘匿性の高い固有のレスポンスデータを生成することが可能で、ひいては画像の改ざん、ねつ造を確実に防止することが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to prevent a reduction in the image data frame rate due to the processing time of signal processing for information security, to prevent an increase in device cost due to the processing circuit, and to prevent complicated processing. It is possible to increase the number of times of CR authentication while ensuring authentication accuracy without requiring labor, to generate unique response data with high confidentiality, and to reliably prevent falsification and forgery of images. becomes possible.

なお、上記の鍵生成部82は、画素または読み出し回路40のばらつき情報に基づいて固有鍵を生成する例について説明したが、異なるばらつき情報により生成した固有鍵同士の演算を行って最終的な固有鍵を得るように構成することも可能である。
たとえば、次のように構成することも可能である。
Note that the key generation unit 82 described above generates a unique key based on the variation information of the pixels or the readout circuit 40 . It can also be configured to obtain the key.
For example, it is possible to configure as follows.

すなわち、鍵生成部82は、たとえば、読み出し回路40のADC41、アンプ(AMP)42、またはS/H回路43のばらつき情報を用いて第1固有鍵を生成する第1機能と、読み出し回路40のカラムメモリ45のSRAMの出力を用いて第2固有鍵を生成する第2機能と、を含み、第1機能により生成された第1固有鍵と、第2機能により生成された第2固有鍵とを演算することにより最終的な固有鍵を生成するように構成することも可能である。 That is, the key generation unit 82 has, for example, a first function of generating a first unique key using variation information of the ADC 41, the amplifier (AMP) 42, or the S/H circuit 43 of the readout circuit 40, and a second function for generating a second unique key using the output of the SRAM of the column memory 45, the first unique key generated by the first function and the second unique key generated by the second function; It is also possible to configure so as to generate the final unique key by calculating

この構成は、画素のばらつき情報に関しても同様に適用可能である。 This configuration is similarly applicable to pixel variation information.

なお、一体化部85は、一体化する鍵情報を用いて階層的に画像部分にマスクをする機能を含むように構成してもよい。
また、一体化部85は、一体化する鍵情報を用いて画像に電子透かしを入れる機能を含むように構成してもよい。
Note that the integration unit 85 may be configured to include a function of hierarchically masking the image portion using the key information to be integrated.
Also, the integration unit 85 may be configured to include a function of adding an electronic watermark to an image using key information to be integrated.

なお、本実施形態において、固体撮像装置10の各構成要素が同一パッケージ内に搭載されている構成を採用可能である。 In addition, in this embodiment, it is possible to employ a configuration in which each component of the solid-state imaging device 10 is mounted in the same package.

固体撮像装置(CIS)10とISP(Image Signal Processor)を同一パッケージに封止したSiP (Silicon in Package)にて、鍵および識別データを生成する信号処理をパッケージ内部にて完結し、パッケージ外部に固有鍵データを出力することなく、識別データを生成可能な構成を採用可能である。 A SiP (Silicon in Package), in which a solid-state imaging device (CIS) 10 and an ISP (Image Signal Processor) are sealed in the same package, completes signal processing for generating a key and identification data inside the package, and outputs it outside the package. A configuration that can generate identification data without outputting unique key data can be adopted.

また、イメージセンサと信号処理回路とを備えたSoC (System on Chip)において、鍵および識別データを生成する信号処理をチップ内部にて完結し、チップ外部に固有鍵データを出力することなく、識別データを生成可能な構成を採用可能である。 In addition, in a SoC (System on Chip) equipped with an image sensor and a signal processing circuit, the signal processing for generating the key and identification data is completed within the chip, and identification is performed without outputting the unique key data outside the chip. Any configuration that can generate data can be employed.

また、本実施形態の固体撮像装置10は、前述したように、通常の読出し駆動タイミングとは別に、リーク電流などを長時間蓄積するための駆動タイミングを備えるように構成可能である。また、アナログアンプ、デジタルアンプ、または、ADCのフルスケール電圧を縮小し、リーク電圧の蓄積電圧を強調して出力しても良い。また、複数行あるいは複数フレームのデータを平均化、または加算することで、ランダムノイズ成分を低減しても良い。 Further, as described above, the solid-state imaging device 10 of the present embodiment can be configured to have drive timing for accumulating leakage current for a long period of time in addition to normal readout drive timing. Alternatively, the full-scale voltage of an analog amplifier, a digital amplifier, or an ADC may be reduced, and the accumulated voltage of the leak voltage may be emphasized and output. Also, random noise components may be reduced by averaging or adding data of multiple rows or multiple frames.

また、読み出し回路40の構成回路のばらつき情報CFLCについて、情報取得部81は、読み出し回路40の構成回路のばらつき情報CFLCとして、ADCのばらつき情報を採用することができる。
また、情報取得部81は、読み出し回路40の構成回路のばらつき情報CFLCとして、アンプ(AMP、増幅器)のばらつき情報を採用することができる。
また、情報取得部81は、読み出し回路40の構成回路のばらつき情報CFLCとして、S/H回路のばらつき情報を採用することができる。
また、情報取得部81は、読み出し回路40の構成回路のばらつき情報CFLCとして、カラムメモリのSRAMの出力(ばらつき)情報を採用することができる。
As for the variation information CFLC of the configuration circuit of the readout circuit 40 , the information acquiring unit 81 can employ the variation information of the ADC as the variation information CFLC of the configuration circuit of the readout circuit 40 .
Further, the information acquiring unit 81 can employ variation information of an amplifier (AMP) as the variation information CFLC of the circuits constituting the readout circuit 40 .
Further, the information acquisition unit 81 can employ variation information of the S/H circuit as the variation information CFLC of the circuits constituting the readout circuit 40 .
Further, the information acquisition unit 81 can employ the output (variation) information of the SRAM of the column memory as the variation information CFLC of the circuits constituting the readout circuit 40 .

以上説明した固体撮像装置10,10Aは、デジタルカメラやビデオカメラ、携帯端末、あるいは監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器に、撮像デバイスとして適用することができる。 The solid-state imaging devices 10 and 10A described above can be applied as imaging devices to electronic equipment such as digital cameras, video cameras, mobile terminals, surveillance cameras, and medical endoscope cameras.

図42は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用されるカメラシステムを搭載した電子機器の構成の一例を示す図である。 FIG. 42 is a diagram showing an example of the configuration of an electronic device equipped with a camera system to which the solid-state imaging device according to the embodiment of the invention is applied.

本電子機器400は、図42に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置10,10Aが適用可能なCMOSイメージセンサ(IMGSNS)410を有する。
さらに、電子機器400は、このCMOSイメージセンサ410の画素領域に入射光を導く(被写体像を結像する)光学系(レンズ等)420を有する。
電子機器400は、CMOSイメージセンサ410の出力信号を処理する信号処理回路(PRC)430を有する。
As shown in FIG. 42, this electronic device 400 has a CMOS image sensor (IMGSNS) 410 to which the solid-state imaging device 10, 10A according to this embodiment can be applied.
Further, the electronic device 400 has an optical system (such as a lens) 420 that guides incident light to the pixel area of the CMOS image sensor 410 (forms an object image).
Electronic device 400 has a signal processing circuit (PRC) 430 that processes the output signal of CMOS image sensor 410 .

信号処理回路430は、CMOSイメージセンサ410の出力信号に対して所定の信号処理を施す。
信号処理回路430で処理された画像信号は、液晶ディスプレイ等からなるモニタに動画として映し出し、あるいはプリンタに出力することも可能であり、またメモリカード等の記録媒体に直接記録する等、種々の態様が可能である。
A signal processing circuit 430 performs predetermined signal processing on the output signal of the CMOS image sensor 410 .
The image signal processed by the signal processing circuit 430 can be displayed as a moving image on a monitor such as a liquid crystal display, output to a printer, or recorded directly on a recording medium such as a memory card. is possible.

上述したように、CMOSイメージセンサ410として、前述した固体撮像装置10,10Aを搭載することで、高性能、小型、低コストのカメラシステムを提供することが可能となる。
そして、カメラの設置の要件に実装サイズ、接続可能ケーブル本数、ケーブル長さ、設置高さなどの制約がある用途に使われる、たとえば、監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器を実現することができる。
As described above, by mounting the above-described solid-state imaging device 10 or 10A as the CMOS image sensor 410, it is possible to provide a high-performance, compact, and low-cost camera system.
And it is used for applications where camera installation requirements are limited to mounting size, number of connectable cables, cable length, installation height, etc. For example, electronic devices such as surveillance cameras and medical endoscope cameras can be realized.

10,10A・・・固体撮像装置、20,20A・・・画素部、30・・・垂直走査回路、40・・・読み出し回路、44・・・クリップ回路、50・・・水平走査回路、60・・・タイミング制御回路、70・・・信号処理回路、710・・・ビデオI/F、720・・・多ビット化部、80,800・・・レスポンスデータ作成部(暗号化処理系)、810,810A~810E・・・演算部、811,811A,811B,812,812A,812B,813~816・・・ラインメモリ、820・・・デュアルポートメモリ、830・・・2ポートメモリ、840・・・FIFO、81・・・情報取得部、82,82A・・・鍵生成部、83・・・画像データ生成部、84・・・識別データ生成部、85・・・一体化部、86・・・メモリ、90・・・読み出し部、10・・・CR認証システム、200・・・CIS-PUFチップ、300・・・マイクロコンピュータ(マイコン)、310・・・コントロールI/F、400・・・電子機器、410・・・CMOSイメージセンサ(IMGSNS)、420・・・光学系、430・・・信号処理回路(PRC)。 10, 10A Solid-state imaging device 20, 20A Pixel unit 30 Vertical scanning circuit 40 Readout circuit 44 Clip circuit 50 Horizontal scanning circuit 60 . . . timing control circuit 70 . 810, 810A to 810E... operation unit, 811, 811A, 811B, 812, 812A, 812B, 813 to 816... line memory, 820... dual port memory, 830... 2 port memory, 840. FIFO, 81... Information acquisition unit, 82, 82A... Key generation unit, 83... Image data generation unit, 84... Identification data generation unit, 85... Integration unit, 86. Memory 90 Reading unit 10 CR authentication system 200 CIS-PUF chip 300 Microcomputer (microcomputer) 310 Control I/F 400 - Electronic equipment, 410... CMOS image sensor (IMGSNS), 420... Optical system, 430... Signal processing circuit (PRC).

Claims (16)

光電変換機能を有する複数の画素が行列状に配列された画素部と、
前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、
通常画像を生成する通常動作モードとは異なるセキュリティモードで前記画素のばらつき情報および前記読み出し部のばらつき情報の少なくともいずれかに関連付けてレスポンスデータを生成するレスポスデータ生成部を含む信号処理回路と、を有し、
前記読み出し部は、
前記セキュリティモード時には、画素信号の読み出し方向の複数画素から、当該読み出し方向の基準レベルとしてのクリップ信号と各画素のリセットレベルである画素リセット信号との差をとった第1の差分データを順次に取得し、
前記信号処理回路は、
演算部と、
少なくとも2つの第1の記憶部および第2の記憶部と、を含み、
前記セキュリティモード時において、前記第1の記憶部および前記第2の記憶部の少なくともいずれかには、前記読み出し部により取得された各画素の前記第1の差分データを選択的に記憶し、前記演算部の演算結果を選択的に記憶し、
前記演算部は、
画素信号の前記読み出し方向の前記複数画素の2画素の前記第1の差分データ間で平均化処理を行い、当該平均化処理結果データを前記第1の記憶部および前記第2の記憶部の少なくともいずれかに記憶する
固体撮像装置。
a pixel unit in which a plurality of pixels having a photoelectric conversion function are arranged in a matrix;
a reading unit that reads out pixel signals from the pixel unit;
a signal processing circuit including a response data generation unit that generates response data in association with at least one of the pixel variation information and the readout unit variation information in a security mode different from a normal operation mode that generates a normal image; has
The reading unit
In the security mode, first difference data obtained by taking a difference between a clip signal as a reference level in the readout direction and a pixel reset signal as a reset level of each pixel is sequentially obtained from a plurality of pixels in the readout direction of the pixel signal. Acquired,
The signal processing circuit is
a computing unit;
at least two first storage units and a second storage unit;
During the security mode, at least one of the first storage unit and the second storage unit selectively stores the first difference data of each pixel acquired by the reading unit, and selectively storing the calculation result of the calculation unit;
The calculation unit is
averaging processing is performed between the first difference data of two pixels of the plurality of pixels in the reading direction of the pixel signal, and the averaging processing result data is stored in at least the first storage unit and the second storage unit; A solid-state imaging device that stores data in any one of them.
前記信号処理回路の前記演算部は、
前記平均化処理を受けたデータについて、2画素間で差分をとった第2の差分データを取得し、取得した前記第2の差分データを前記第1の記憶部および前記第2の記憶部の少なくともいずれかに記憶する
請求項1記載の固体撮像装置。
The arithmetic unit of the signal processing circuit,
obtaining second difference data obtained by taking a difference between two pixels of the data subjected to the averaging process, and storing the obtained second difference data in the first storage unit and the second storage unit; 2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein at least one is stored.
前記信号処理回路は、
取得した前記第2の差分データにより、隣接の2画素間で大小判定して2値化を行う
請求項2記載の固体撮像装置。
The signal processing circuit is
3. The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the obtained second difference data is used to determine the size between two adjacent pixels and perform binarization.
画素信号の前記読み出し方向の前記複数画素は、同列の4行にわたる第1の画素、第2の画素、第3の画素、および第4の画素の4画素単位であり、
前記信号処理回路は、
第1の記憶部、第2の記憶部、第3の記憶部、第4の記憶部、第5の記憶部、および第6の記憶部を含み、
前記セキュリティモード時に、
前記第1の画素の第1の差分データを前記第1の記憶部に記憶し、
前記第2の画素の第1の差分データを前記第2の記憶部に記憶するとともに、前記第1の記憶部に記憶した前記第1の画素の第1の差分データを前記第5の記憶部に記憶し、
前記第3の画素の第1の差分データを前記第3の記憶部に記憶し、
前記第4の画素の第1の差分データを前記第4の記憶部に記憶し、
前記演算部が、
前記第5の記憶部に記憶されている前記第1の画素の第1の差分データと前記第2の記憶部に記憶されている前記第2の画素の第1の差分データ間の第1の平均化処理を行うとともに、前記第3の記憶部に記憶されている前記第3の画素の第1の差分データと前記第4の記憶部に記憶されている前記第4の画素の第1の差分データ間の第2の平均化処理を行い、
前記第1の平均化処理結果データと前記第2の平均化処理結果データ間の差分をとった第2の差分データを取得し、取得した前記第2の差分データを前記第6の記憶部に記憶する
請求項2または3記載の固体撮像装置。
the plurality of pixels in the readout direction of the pixel signal is a unit of four pixels of a first pixel, a second pixel, a third pixel, and a fourth pixel over four rows of the same column;
The signal processing circuit is
A first storage unit, a second storage unit, a third storage unit, a fourth storage unit, a fifth storage unit, and a sixth storage unit,
During the security mode,
storing the first difference data of the first pixel in the first storage unit;
storing the first difference data of the second pixel in the second storage unit, and storing the first difference data of the first pixel stored in the first storage unit in the fifth storage unit; stored in
storing the first difference data of the third pixel in the third storage unit;
storing the first difference data of the fourth pixel in the fourth storage unit;
The computing unit
a first difference data between the first difference data of the first pixel stored in the fifth storage unit and the first difference data of the second pixel stored in the second storage unit; While performing averaging processing, the first difference data of the third pixel stored in the third storage unit and the first difference data of the fourth pixel stored in the fourth storage unit performing a second averaging process between the difference data,
acquiring second difference data obtained by taking a difference between the first average processing result data and the second average processing result data, and storing the acquired second difference data in the sixth storage unit; 4. The solid-state imaging device according to claim 2 or 3, wherein the image is stored.
画素信号の前記読み出し方向の前記複数画素は、同列の4行にわたる第1の画素、第2の画素、第3の画素、および第4の画素の4画素単位であり、
前記信号処理回路は、
第1の記憶部および第2の記憶部を含み、
前記セキュリティモード時に、
前記第1の画素の第1の差分データを前記第1の記憶部に記憶し、
前記演算部が、前記第1の記憶部に記憶されている前記第1の画素の第1の差分データと前記第2の画素の第1の差分データを加算して前記第2の記憶部に記憶し、
前記演算部が、前記第2の記憶部に記憶されている前記第1の画素の第1の差分データと前記第2の画素の第1の差分データの加算データから前記第3の画素の第1の差分データを減算した加減算データを前記第1の記憶部に記憶し、
前記演算部が、
前記第1の記憶部に記憶されている加減算データから前記読み出し部から供給される前記第4の画素の第1の差分データを減算し、2で除した第1の除算データを取得し、取得した前記第1の除算データを前記第2の記憶部に記憶する
請求項2または3記載の固体撮像装置。
the plurality of pixels in the readout direction of the pixel signal is a unit of four pixels of a first pixel, a second pixel, a third pixel, and a fourth pixel over four rows of the same column;
The signal processing circuit is
including a first storage unit and a second storage unit,
During the security mode,
storing the first difference data of the first pixel in the first storage unit;
The calculation unit adds the first difference data of the first pixel and the first difference data of the second pixel stored in the first storage unit, and stores the result in the second storage unit. remember,
The calculation unit calculates the third pixel data from the addition data of the first difference data of the first pixel and the first difference data of the second pixel stored in the second storage unit. storing the addition/subtraction data obtained by subtracting the difference data of 1 in the first storage unit;
The computing unit
subtracting the first difference data of the fourth pixel supplied from the readout unit from the addition/subtraction data stored in the first storage unit, and obtaining the first division data obtained by dividing by 2; 4. The solid-state imaging device according to claim 2, wherein said first division data obtained by dividing is stored in said second storage unit.
画素信号の前記読み出し方向の前記複数画素は、同列の4行にわたる第1の画素、第2の画素、第3の画素、および第4の画素の4画素単位であり、
前記信号処理回路は、
第1の記憶部および第2の記憶部を含み、
前記セキュリティモード時に、
前記演算部が、前記第1の画素の第1の差分データを2で除した第1の除算データを前記第1の記憶部に記憶し、
前記演算部が、前記第1の記憶部に記憶されている前記第1の除算データと前記第2の画素の第1の差分データを2で除した第2の除算データを加算して、前記第1の画素の第1の差分データと前記第2の画素の第1の差分データ間の第1の平均化処理結果データとして前記第2の記憶部に記憶し、
前記演算部が、前記第2の記憶部に記憶されている前記第1の平均化処理結果データから前記第3の画素の第1の差分データを2で除した第3の除算データを減算した加減算データを前記第1の記憶部に記憶し、
前記演算部が、
前記第1の記憶部に記憶されている前記加減算データから前記第4の画素の第1の差分データを2で除した第4の除算データを減算した第2の差分データを取得し、取得した前記第2の差分データを前記第2の記憶部に記憶する
請求項2または3記載の固体撮像装置。
the plurality of pixels in the readout direction of the pixel signal is a unit of four pixels of a first pixel, a second pixel, a third pixel, and a fourth pixel over four rows of the same column;
The signal processing circuit is
including a first storage unit and a second storage unit,
During the security mode,
The calculation unit stores first division data obtained by dividing the first difference data of the first pixel by 2 in the first storage unit;
The calculation unit adds the first division data stored in the first storage unit and the second division data obtained by dividing the first difference data of the second pixel by 2, and Stored in the second storage unit as first averaging processing result data between the first difference data of the first pixel and the first difference data of the second pixel;
The calculation unit subtracts third division data obtained by dividing the first difference data of the third pixel by 2 from the first average processing result data stored in the second storage unit. storing the addition/subtraction data in the first storage unit;
The computing unit
obtaining second difference data obtained by subtracting fourth division data obtained by dividing the first difference data of the fourth pixel by 2 from the addition/subtraction data stored in the first storage unit; 4. The solid-state imaging device according to claim 2, wherein said second difference data is stored in said second storage unit.
画素信号の前記読み出し方向の前記複数画素は、同列の4行にわたる第1の画素、第2の画素、第3の画素、および第4の画素の4画素単位であり、
前記信号処理回路は、
前記第1の記憶部および前記第2の記憶部が共有化され、共有化記憶部へのアクセス系統が第1のアクセス系統と第2のアクセス系統の2系統あり、当該2系統のアクセス系統はデータの入力とデータの出力のためのアドレスが個別に制御される複数ポートメモリを含み、
前記セキュリティモード時に、
前記演算部が、前記第1の画素の第1の差分データを2で除した第1の除算データを前記第1のアクセス系統により前記共有化記憶部に記憶し、
前記演算部が、前記第2のアクセス系統により読み出した前記共有化記憶部に記憶した前記第1の除算データと前記第2の画素の第1の差分データを2で除した第2の除算データを加算して、前記第1の画素の第1の差分データと前記第2の画素の第1の差分データ間の第1の平均化処理結果データとして前記第1のアクセス系統により前記共有化記憶部に記憶し、
前記演算部が、前記第2のアクセス系統により読み出した前記共有化記憶部に記憶されている前記第1の平均化処理結果データから前記第3の画素の第1の差分データを2で除した第3の除算データを減算した加減算データを前記第1のアクセス系統により前記共有化記憶部に記憶し、
前記演算部が、
前記第2のアクセス系統により読み出した前記共有化記憶部に記憶されている前記加減算データから前記第4の画素の第1の差分データを2で除した第4の除算データを減算した第2の差分データを取得し、取得した前記第2の差分データを前記第1のアクセス系統により前記共有化記憶部に記憶する
請求項2または3記載の固体撮像装置。
the plurality of pixels in the readout direction of the pixel signal is a unit of four pixels of a first pixel, a second pixel, a third pixel, and a fourth pixel over four rows of the same column;
The signal processing circuit is
The first storage unit and the second storage unit are shared, and there are two access systems, a first access system and a second access system, to the shared storage unit, and the two access systems are including a multi-port memory with independently controlled addresses for data input and data output;
During the security mode,
the arithmetic unit stores first division data obtained by dividing the first difference data of the first pixel by 2 in the shared storage unit through the first access system;
Second division data obtained by dividing, by 2, the first difference data of the second pixel and the first division data stored in the shared storage unit read out by the second access system by the calculation unit. is added and stored in the shared memory by the first access system as first averaging processing result data between the first difference data of the first pixel and the first difference data of the second pixel stored in the department,
The calculation unit divides the first difference data of the third pixel from the first average processing result data stored in the shared storage unit read by the second access system by 2. storing the addition/subtraction data obtained by subtracting the third division data in the shared storage unit through the first access system;
The computing unit
Second data obtained by subtracting fourth division data obtained by dividing the first difference data of the fourth pixel by 2 from the addition/subtraction data stored in the shared storage unit read by the second access system 4. The solid-state imaging device according to claim 2, wherein differential data is acquired, and the acquired second differential data is stored in the shared storage section through the first access system.
画素信号の前記読み出し方向の前記複数画素は、同列の4行にわたる第1の画素、第2の画素、第3の画素、および第4の画素の4画素単位であり、
前記信号処理回路は、
前記第1の記憶部および前記第2の記憶部が共有化され、共有化記憶部へのデータの書き込みおよび読み出しがライトイネーブル信号とリードイネーブル信号によって制御されるメモリを含み、
前記セキュリティモード時に、
前記演算部が、前記第1の画素の第1の差分データを2で除した第1の除算データを前記ライトイネーブル信号により前記共有化記憶部に記憶し、
前記演算部が、前記リードイネーブル信号により読み出した前記共有化記憶部に記憶した前記第1の除算データと前記第2の画素の第1の差分データを2で除した第2の除算データを加算して、前記第1の画素の第1の差分データと前記第2の画素の第1の差分データ間の第1の平均化処理結果データとして前記ライトイネーブル信号により前記共有化記憶部に記憶し、
前記演算部が、前記リードイネーブル信号により読み出した前記共有化記憶部に記憶されている前記第1の平均化処理結果データから前記第3の画素の第1の差分データを2で除した第3の除算データを減算した加減算データを前記ライトイネーブル信号により前記共有化記憶部に記憶し、
前記演算部が、
前記リードイネーブル信号により読み出した前記共有化記憶部に記憶されている前記加減算データから前記第4の画素の第1の差分データを2で除した第4の除算データを減算した第2の差分データを取得し、取得した前記第2の差分データを前記ライトイネーブル信号により前記共有化記憶部に記憶する
請求項2または3記載の固体撮像装置。
the plurality of pixels in the readout direction of the pixel signal is a unit of four pixels of a first pixel, a second pixel, a third pixel, and a fourth pixel over four rows of the same column;
The signal processing circuit is
a memory in which the first storage unit and the second storage unit are shared, and writing and reading of data to and from the shared storage unit are controlled by a write enable signal and a read enable signal;
During the security mode,
The arithmetic unit stores first division data obtained by dividing the first difference data of the first pixel by 2 in the shared storage unit according to the write enable signal;
The arithmetic unit adds the first division data stored in the shared storage unit read by the read enable signal and the second division data obtained by dividing the first difference data of the second pixel by 2. Then, the first difference data of the first pixel and the first difference data of the second pixel are stored in the common storage unit by the write enable signal as the first averaging process result data. ,
The calculation unit divides the first difference data of the third pixel by 2 from the first average processing result data stored in the shared storage unit read out by the read enable signal to obtain the third data. storing the addition/subtraction data obtained by subtracting the division data of from the write enable signal in the shared storage unit;
The computing unit
Second difference data obtained by subtracting fourth division data obtained by dividing the first difference data of the fourth pixel by 2 from the addition/subtraction data stored in the shared storage section read by the read enable signal. 4. The solid-state imaging device according to claim 2 or 3, wherein the obtained second difference data is stored in the shared storage unit by the write enable signal.
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた利得をもって電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
前記フローティングディフュージョンを所定電位にリセットするリセット素子と、を含む
請求項1から8のいずれか一に記載の固体撮像装置。
The pixels are
a photoelectric conversion element that accumulates charges generated by photoelectric conversion during an accumulation period;
a transfer element capable of transferring charges accumulated in the photoelectric conversion element during a transfer period;
a floating diffusion in which charges accumulated in the photoelectric conversion element are transferred through the transfer element;
a source follower element that converts the charge of the floating diffusion into a voltage signal with a gain corresponding to the amount of charge;
9. The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising a reset element for resetting said floating diffusion to a predetermined potential.
前記画素部は、
一つの前記フローティングディフュージョン、一つの前記ソースフォロワ素子、および一つのリセット素子を複数の前記光電変換素子および前記転送素子で共有する画素共有構造を有する
請求項9記載の固体撮像装置。
The pixel portion is
10. The solid-state imaging device according to claim 9, having a pixel sharing structure in which one said floating diffusion, one said source follower element and one reset element are shared by a plurality of said photoelectric conversion elements and said transfer elements.
画素アレイ端に画素出力電圧振幅を制限するクリップ回路が配置されている
請求項10記載の固体撮像装置。
11. The solid-state imaging device according to claim 10, wherein a clip circuit for limiting pixel output voltage amplitude is arranged at the edge of the pixel array.
前記信号処理回路は、
通常画像を生成する通常動作モードとは異なるセキュリティモードでレスポンスデータの生成処理を含む情報セキュリティ信号処理が可能で、
前記情報セキュリティ信号処理を、画像信号処理のブランキング期間の信号処理または行ごとの信号処理として実行する
請求項1から11のいずれか一に記載の固体撮像装置。
The signal processing circuit is
Information security signal processing including response data generation processing is possible in a security mode different from the normal operation mode that generates normal images.
The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 11, wherein the information security signal processing is executed as signal processing during a blanking period of image signal processing or as signal processing for each row.
前記情報セキュリティ信号処理は、
少なくとも、デバイス認証、データ整合性認証、およびデータ暗号化のいずれかである
請求項12記載の固体撮像装置。
The information security signal processing includes:
13. The solid-state imaging device according to claim 12, wherein at least one of device authentication, data integrity authentication, and data encryption.
前記情報セキュリティ信号処理は、
画素アドレスをチャレンジ(Challenge)とし、所定の手順で生成したレスポンスデータをレスポンス(Response)とする認証処理を含み、
前記ばらつき情報を含む前記第1の差分データは、複数ビットのデジタル値として取得され、
前記信号処理回路は、
前記レスポンスデータ生成のために読み出したばらつき情報を多ビット化する機能を有する
請求項12または13記載の固体撮像装置。
The information security signal processing includes:
including an authentication process in which a pixel address is used as a challenge and response data generated by a predetermined procedure is used as a response;
the first difference data containing the variation information is acquired as a multi-bit digital value;
The signal processing circuit is
14. The solid-state imaging device according to claim 12, further comprising a function of increasing the number of bits of the variation information read for generating the response data.
前記信号処理回路は、
多ビット化処理を、前記ばらつき情報を複数の出力を1ブロックとして取り出して、レーマー(Lehmer)符号により符号化し、レーマー(Lehmer)符号化した情報をグレイコードに変換して行う
請求項14記載の固体撮像装置。
The signal processing circuit is
15. The multi-bit process according to claim 14, wherein a plurality of outputs of the variation information are taken out as one block, encoded by Lehmer code, and the information encoded by Lehmer is converted into Gray code. Solid-state imaging device.
認証を行う際に確保すべき認証精度は、
前記情報セキュリティ信号処理のユニーク性と再現性のデータより認証精度の指標として、偽物を本物と認識する確率FPRと本物を偽物と認識する確率FNRを求め、確率FPRと確率FNRにより評価可能である
請求項13から15のいずれか一に記載の固体撮像装置。
The authentication accuracy that should be ensured when performing authentication is
From the uniqueness and reproducibility data of the information security signal processing, the probability FPR of recognizing a fake as a genuine article and the probability FNR of recognizing a genuine article as a fake are obtained as indicators of authentication accuracy, and the probability FPR and the probability FNR can be used for evaluation. The solid-state imaging device according to any one of claims 13 to 15.
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