JPH09331420A - 固体撮像装置 - Google Patents
固体撮像装置Info
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Abstract
濃度ムラ及び固定パターンノイズを除去した基準出力を
得ることを課題とする。 【解決手段】 同一半導体基板上に形成された複数の光
電変換素子から出力される画素信号を、上記光電変換素
子に対応する上記画素信号を蓄積する複数の蓄積手段を
有し、上記光電変換素子のうち、少なくとも2つ以上の
遮光された上記光電変換素子を具備する固体撮像装置に
おいて、上記遮光された上記光電変換素子からの画素信
号出力を、上記蓄積手段上で加算平均化処理を行うこと
を特徴とする。また上記固体撮像装置において、上記蓄
積手段は容量で形成し、これらの容量を電気的に一時接
続することによって、加算平均化処理を行うことを特徴
とする。
Description
リ等の画像読み取り部に用いられる固体撮像装置に関す
るものである。
又は光電変換素子として、CCD型、フォトダイオード
型、バイポーラトランジスタ型、MOS型等、種々の素
子が開発、採用されつつあり、これらの素子を半導体チ
ップ上に1ラインに多数個配列するラインセンサとし
て、2次元状に配列したエリアセンサとして活用され、
前者は、原稿を移動したり又はセンサ系を移動して、原
稿画像を読み取って感光体に画像信号を転写してコピー
したり、原稿画像を1ライン毎に読み取って該原稿画像
信号を被転写紙に書き込んだりして、イメージセンサ、
複写機、ファクシミリなどに用いられている。また、エ
リアセンサとしては、ビデオカメラや拡大カメラ、ビデ
オ顕微鏡など、今後もマルチメディアの時代に向けて、
多彩な活用が期待されている。
画素電荷を生成する上記固体撮像素子と、この画素電荷
を1ライン分一括して、各画素毎に一時蓄積するキャパ
シタ(容量)等の蓄積手段と、この画素電荷を水平走査
回路からのタイミング信号により時系列的に順次出力す
る転送手段とから構成される例がある。
画素とするラインセンサ,エリアセンサ等の固体撮像装
置では、多数の画素のうち一部の画素を遮光し、これら
遮光された画素をオプティカルブラック画素(以下、
「OB画素」と称する)として、OB画素信号を基準出
力とし、他の遮光されていない画素信号からこの基準出
力の差をとり、正規のセンサ信号として用いることが一
般的に行われている。このOB画素からの信号を基準出
力として用いる方法として、例えば図2の(a)に示
す、クランプ回路が上げられる。図において、21はク
ランプ容量、22はスイッチトランジスタである。本図
において、光電変換素子の画素電荷のセンサ出力が入力
され、この画素電荷がクランプ容量21に一時蓄積さ
れ、その後水平走査回路等からのタイミング信号として
クランプパルスφCLPにローパルスが印加され、スイッ
チトランジスタ22がオフとなって、クランプ容量21
の電荷がクランプ出力される。
るセンサ出力を入力し、同図に示されるようにOB出力
期間中にφCLPを加えると、OB画素のセンサ出力が基
準信号となり、正規のセンサ出力S1,S2,S3など
と、同図に斜線で示される成分が有効信号出力成分とし
て取り出される。
場合、これらOB画素からの信号は各画素ごとにそのま
ま順次出力されていた。
合、OB画素の基準出力が確定するのはクランプパルス
φCLPがHighからLowに変化した時の出力による
ため、図2の(c)に示されるような複数のOB画素か
らの出力に対して、同図に示される3つのOB画素か
ら、クランプパルスφCLPの印加時間を加えたとして
も、基準出力として用いられるのは、単一の画素(この
場合、0B画素OB3)からの出力となっていた。
OB画素の出力には、ランダムノイズが含まれている。
したがって、この様に単一のOB画素からの出力を基準
出力とすると、特定のOB画素が発生するランダムノイ
ズがそのまま基準出力に反映されるという欠点があっ
た。基準出力におけるランダムノイズは、例えばライン
センサにおいて、1ライン読み出すごとに基準出力がラ
ンダムに変化することに相当し、出力画像がセンサの走
査方向に各ライン毎に濃度むらを生ずる原因となる。そ
こで本発明の目的は、複数の画素を有するラインセン
サ,エリアセンサ等の固体撮像装置において、OB画素
の出力を基準出力として用いる場合、OB画素の発生す
るランダムノイズが基準出力に与える影響を小さくする
ことにより、濃度むらの少ない出力画像を得ることにあ
る。また、各OB画素においてもノイズ成分と信号成分
との差動信号を得た上で基準出力を得ることにより、固
定パターンノイズ及び濃度ムラのない有効画素の画像信
号をえることを目的とする。
め、本発明は、複数の光電変換素子から出力される信号
を、それぞれ蓄積する複数の蓄積手段を有する固体画像
装置において、前記光電変換素子のうち、少なくとも2
つ以上の一部の光電変換素子が遮光された固体撮像装置
において遮光された2つ以上の前記光電変換素子からの
出力を前記蓄積手段上で加算平均化処理を行うことを特
徴とする。
ダムノイズをV〔Vr.m.s:実効電圧〕とすると、平均
化処理を行うことにより、ランダムノイズは自乗平均さ
れるので、平均化後のランダムノイズ、すなわち前記基
準出力のランダムノイズは、V/√N〔Vr.m.s〕(N
は平均化を行なったOB画素の数)となり1/√Nに減
少する。この結果、前記出力画像の濃度むらが改善され
る。
段は各光電変換素子からのノイズ成分用と信号成分用の
容量を備え、該容量の画素信号をそれぞれ加算平均化処
理して各成分用の出力信号を差動出力することで基準出
力を得ることを特徴とする。また、上記固体撮像装置に
おいて、加算平均化処理は、遮光された光電変換素子に
対応する蓄積手段に画素信号を蓄積した後、各蓄積手段
の画素信号を半導体スイッチ手段により共通化したこと
を特徴とする。
て図面を参照しつつ説明する。図1に本発明の第1の実
施形態を示す。同図において、1は遮光された複数の光
電変換素子(OB画素)、2は光電変換素子からの信号
を蓄積容量に読み出すためのスイッチトランジスタ、3
は蓄積容量としてのクランプ容量(CT)、4はクラン
プ容量CT3をリセットするためのリセットスイッチト
ランジスタ、5はクランプ容量CT3上の信号を加算平
均化するための平均化スイッチトランジスタ、6はクラ
ンプ容量CT3上の信号を共通読み出し線7に読み出す
ための読み出しスイッチトランジスタ、7はOUT端子
に接続された共通読み出し線、8はスイッチトランジス
タ6を順次開閉するための水平走査回路としてのシフト
レジスタ、9は共通読み出し線7をリセットするための
リセットスイッチトランジスタ、11はライン上に多数
配列された光電変換素子中遮光されていない光電変換素
子(有効画素)である。
1を不図示のリセット回路によってリセットし初期化し
た後、一定の時間を経て、これら光電変換素子に蓄積さ
れた画素信号は転送制御パルスφTにハイパルスを加
え、スイッチトランジスタ2を導通させることにより一
括して各光電変換素子に接続されたクランプ容量CT3
に読み出し画素信号が蓄積される。次にスイッチトラン
ジスタ2を非導通とした後、平均化制御パルスφADD
にハイパルスを加え、平均化スイッチトランジスタ5を
導通させることにより、OB画素1からクランプ容量C
T3に読み出された画素信号は加算平均化される。この
結果、画素信号をクランプ容量CT3に読み出すまでに
発生したランダムノイズは、OB画素1に対応したクラ
ンプ容量CT3の各画像信号は同一レベルの電荷を蓄積
して平均化されることとなる。
とし、シフトレジスタ8により読み出しスイッチトラン
ジスタ6をOB画素1及び遮光されていない有効画素1
1に対してそれぞれハイパルスを印加して走査すること
により、クランプ容量CT3上の画像信号は、共通読み
出し線7を通じてOUT端子に順次出力される。なお、
共通読み出し線7は、各クランプ容量CT3上の画像信
号を読み出した後毎にリセットパルスφHCにパルスを
加えることにより、スイッチトランジスタ9を通じてリ
セットされる。1ライン上の全画素の信号を読み出した
後、制御パルスφCRにハイパルスを加え、スイッチト
ランジスタ4を導通させ、クランプ容量CT3をリセッ
トすることにより一連の動作を終了する。この一連の動
作を一周期とし、上記一連の動作が順次繰り返される。
よるランダムノイズが平均化、すなわちランダムノイズ
が低減された平均化されたOB画素出力が得られること
となり、これを基準出力に用いれば、濃度むらの少ない
出力画像が得られることとなる。上記実施形態では、3
個のOB画素の例を示したが、2個でもn個の複数のO
B画素でもよく、その際、(n−1)個の平均化スイッ
チトランジスタ5を各出力線相互に設け、平均化制御パ
ルスφADDを印加することで、よりランダムノイズの
平均された画像信号を得ることができ、この画像信号を
基準出力として、他の遮光されていない有効画素11の
画素信号から基準出力との差を取り出すことにより、い
わゆる暗信号を含む画像信号中、対象画像に対応した画
像信号を得ることができる。
実施形態を示す。同図において、10はCT加算用スイ
ッチトランジスタ5同士を接続する共通線である。図1
と同一構成部材については同一符号を付し、詳細な説明
を省略する。
の動作と同様であるが、OB画素1の画像信号をクラン
プ容量CT3上で加算する際に、共通線10を通じて行
なわれる点で異なる。即ち、スイッチトランジスタ2を
非導通とした後、平均化制御パルスφADDにハイパル
スを加え、各CT加算用スイッチトランジスタ5を同時
に導通させることにより、OB画素1から対応するクラ
ンプ容量CT3に読み出された画素信号は加算平均化さ
れ、この加算平均化された画像信号に対応する画像電荷
がそれらのクランプ容量CT3に蓄積しなおされる。そ
の後、シフトレジスタ8からのタイミング信号により、
時系列で各読み出しスイッチトランジスタ6を導通し
て、共通読み出し線7にクランプ容量CT3の電荷が端
子OUTに出力される。
素のランダムノイズが低減された平均化されたOB画素
出力が得られることとなり、これを基準出力に用いて、
濃度むらの少ない出力画像が得られ、第1の実施形態と
同様の効果が得られる。
実施形態を示す。同図は、図1の光電変換素子以降の回
路を、各光電変換素子毎に2系統配列し、各系統の出力
の差分を取る構成にしたものである。図中、各番号に付
せられたA,Bの符号は各系統の区別を示し、図1と同
一番号を付せられたものは同一構成部材を示す。なお、
21は共通読み出し線7A,7Bに接続されその差信号
を得る差動回路を示す。かかる構成は固定パターンノイ
ズ(FPN)を除去する際に特に有効に用いられ、以下
のように動作する。
期化した後、直ちにノイズ転送パルスφTNにハイパル
スを加え、スイッチトランジスタ2Bを導通させること
により一括してクランプ容量CTN3Bに初期化直後の
信号を読み出す。この際読み出された画像信号は固定パ
ターンノイズそのものとなりこれをN成分画像信号とし
てクランプ容量3Bに蓄積する。その後、スイッチトラ
ンジスタ2Bを非導通とした後、再度光電変換素子1,
11を初期化し、一定時間の後これら光電変換素子1,
11に蓄積された信号を信号転送パルスφTSにハイパ
ルスを加え、スイッチトランジスタ2Aを導通させるこ
とにより、一括してクランプ容量CTS3Aに読み出
す。この際読み出された信号は、各光電変換素子に蓄積
された信号成分にFPNを加えたものとなり、これをS
+N成分画像信号とする。なお、非破壊読み出しが可能
な光電変換素子の場合には、N成分を読み出した後、再
度光電変換素子を初期化する必要はない。次にスイッチ
トランジスタ2Aを非導通とした後、平均化制御パルス
φADDにハイパルスを加え、スイッチトランジスタ5
A,5Bを導通させることにより、OB画素からクラン
プ容量CTS3A,CTN3Bに読み出された画像信号
はそれぞれ加算平均化される。
を非導通とし、シフトレジスタ8によりスイッチトラン
ジスタ6A,6Bを導通走査することにより、クランプ
容量CTS3A,CTN3B上の画像信号はそれぞれ共
通読み出し線7A,7Bを通じて順次出力される。OB
画素及び有効画素ともに、これらの画像信号すなわちS
+N成分画像信号とN成分画像信号は、差動回路21を
通して出力されることにより、(S+N)−N=Sとな
り、S成分のみが出力され、FPNが取り除かれる。
ランプ容量CTS,CTN上の画像信号を読み出した後
毎にリセットパルスφHCにパルスを加えることによ
り、スイッチトランジスタ9A,9Bを通じてリセット
される。こうして、全画素の信号を読み出した後、リセ
ット制御パルスφCRにハイパルスを加えることによ
り、スイッチトランジスタ4A,4Bを導通させ、各ク
ランプ容量CTS3A,CTN3Bの電荷をリセットす
ることにより一連の動作を終了する。この一連の動作を
一周期とし、これが順次繰り返される。
均化、すなわちランダムノイズが低減されたOB画素出
力が得られることとなり、これを基準出力に用いれば、
濃度むらの少ない出力画像が得られると共に、固定パタ
ーンノイズ(FPN)も除去することができる。
実施形態を示す。同図は図3の光電変換素子以降の回路
を各光電変換素子毎に2系統配し、各系統の出力の差分
を取る構成にしたものである。図中、各番号に付せられ
たA,Bの符号は各系統の区別を示し、図3と同一番号
を付せられたものは同一構成部材を示し、詳細な説明を
省略する。なお、21は共通読み出し線7A,7Bに接
続され、その差信号を得る差動回路を示す。また、本実
施形態の動作は、各系統の出力について、第3の実施形
態の動作と同様であるが、OB画素の信号をクランプ容
量CTS,CTN上でそれぞれ加算する際にそれぞれ共
通線10A,10Bを通じて行なわれる点で異なる。
有効画素の画素信号を蓄積した後、スイッチトランジス
タ2A,2Bを非導通とした後、平均化制御パルスφA
DDにハイパルスを加え、各CT加算用スイッチトラン
ジスタ5A,5Bを同時に導通させることにより、OB
画素1から対応するクランプ容量CTS3A,CTN3
Bに読み出された画素信号は加算平均化され、この加算
平均化された画像信号に対応する画像電荷がそれらのク
ランプ容量CTS3A,CTN3Bに蓄積しなおされ
る。その後、シフトレジスタ8からのタイミング信号に
より、時系列で各読み出しスイッチトランジスタ6A,
6Bを導通して、共通読み出し線7A.7Bにクランプ
容量CTS3A,CTN3Bの電荷が出力され、各共通
読み出し線7A.7Bの画素信号は差動回路21によっ
て差動増幅されて、端子OUTに出力される。
同様に、ランダムノイズが平均化された基準出力が得ら
れ、これを基準として、基準信号を越える各画素の画素
信号を出力することにより、濃度むらの少ない出力画像
が得られると共に、固定パターンノイズ(FPN)も除
去することができる。
号は、基準信号を本固体撮像装置の出力後段のクランプ
回路に入力され、基準信号をクランプ回路のクランプ電
圧として、このクランプ電圧を越える画像信号を容易に
得ることができる。
ンセンサを例に説明したが、エリアセンサについても応
用できる。即ち、同一工程で製作された2次元状に配列
された光電変換素子搭載のチップ中、行列にOB画素と
有効画素とに区分けし、OB画素部分には遮光板、又は
遮光膜を施し、1水平走査期間中のOB画素読み出し毎
にクランプ回路の基準信号を切り換えて、続く有効画素
の画素信号から有効成分を出力し、1垂直期間の1フィ
ールド信号を得ることができる。また、各フィールド信
号を比較すれば、1ライン中の各列方向の差異が生じる
ので、この列方向の濃度ムラを削減するため、当初の複
数ラインをOB画素として、垂直方向のOB画素を加算
平均化して基準信号とし、後段に接続されたフィールド
用クランプ回路に該基準信号を供給して、各フィールド
毎に発生する濃度ムラを防止することができる。
の出力を加算平均化の対象としているが、もちろん一部
のOB画素の出力のみを加算平均化に用いてもよい。た
とえば有効画素に隣接するOB画素あるいは最も端にあ
るOB画素等が有効で、他のOB画素と周囲の状況が異
なるOB画素の出力は、有効画素との関係が希薄なの
で、加算平均化の対象としないほうがより好ましい。
撮像装置れば、ランダムノイズが平均化すなわちランダ
ムノイズが低減されたOB画素出力が得られることとな
り、これを基準出力に用いれば、濃度むらの少ない出力
画像が得られることとなる。また、各画素から暗出力と
明出力とをそれぞれ出力して、当該基準出力を得ること
で、固定パターンノイズを削減し且つ濃度ムラの少ない
画像信号を得ることができる。
加算平均法を説明する図である。
明する図である。
加算平均法を説明する図である。
加算平均法を説明する図である。
加算平均法の説明する図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 同一半導体基板上に形成された複数の光
電変換素子から出力される画素信号を、前記光電変換素
子に対応する前記画素信号を蓄積する複数の蓄積手段を
有し、前記光電変換素子のうち、少なくとも2つ以上の
遮光された前記光電変換素子を具備する固体撮像装置に
おいて、 前記遮光された光電変換素子からの画素信号出力を、前
記蓄積手段上で加算平均化処理を行うことを特徴とする
固体撮像装置。 - 【請求項2】 請求項1に記載の固体撮像装置におい
て、前記蓄積手段は容量で形成し、これらの容量を電気
的に一時接続することによって、加算平均化処理を行う
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項3】 請求項1に記載の固体撮像装置におい
て、前記蓄積手段は前記各光電変換素子からのノイズ成
分用と信号成分用の容量を備え、該容量の画素信号をそ
れぞれ加算平均化処理して各成分用の出力信号を差動出
力することで基準出力を得ることを特徴とする固体撮像
装置。 - 【請求項4】 請求項1乃至3の内いずれか一つに記載
の固体撮像装置において、前記加算平均化処理は、前記
遮光された光電変換素子に対応する前記蓄積手段に前記
画素信号を蓄積した後、各前記蓄積手段の前記画素信号
を半導体スイッチ手段により共通化したことを特徴とす
る固体撮像装置。
Priority Applications (9)
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DE69720598T DE69720598T2 (de) | 1996-06-11 | 1997-06-10 | Festkörperbildaufnahmevorrichtung |
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