JP2005130322A - イメージセンサーノイズ除去装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 相関ダブルサンプリングによる基準レベルと画素信号レベルを引き算して、リセットノイズ、低周波ノイズを除去する方法では、水平同期信号と非同期な1/fノイズ、低周波ノイズ、高周波ノイズ、ショットノイズ及びビートノイズ等などが十分に低減しきれていなかった。
【解決手段】 イメージセンサー101の出力信号S1と同相のノイズ基準信号S2を発生するノイズ発生器102の出力とイメージセンサー101の出力信号S1とを差動増幅器103に入力し、同相信号を打ち消すことで水平同期信号と非同期な1/fノイズ、ショットノイズなどを低減する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、デジタルカメラ等に搭載されるイメージセンサーにおいて、そのノイズ除去するためのイメージセンサーノイズ除去装置に関する。
近年、カメラ業界におけるアナログ技術からデジタル技術への移行には目覚しいものがある。特にフィルムも現像も不要なデジタルスチルカメラは活況を呈し、携帯電話もカメラ搭載型が主流を占めるようになってきている。
現状では、デジタルカメラ用のセンサーとしてCCDセンサーが主流であるが、MOSセンサーも特性改善が進み、CCDに代わるセンサーとして有望視されている。イメージセンサーは更なる高性能化が求められ、解像度を重視しかつ高S/Nセンサー出力を実現する技術提案が必要となっている。
このような高S/Nセンサー出力を実現するイメージセンサーの出力のノイズ除去装置の従来技術について、図面を用いて以下に説明する(例えば、特許文献1参照)。
図10は、従来の撮像装置の一部の構成図であり、a1はイメージセンサー、a2はCDS(CorrelatedDouble Sampling:相関二重サンプリング)回路、a3は増幅器(AMP)、a4は黒基準クランプ回路、a5はアナログデジタル(A/D)変換器、a6はイメージセンサー駆動回路である。
また、図11は、従来のイメージセンサーの出力波形図である。X1はMOSセンサー出力波形、X2はCCDセンサー出力波形であり、図10のセンサー出力b1に出力される波形である。また、b6はフィードスルークランプパルスDS1出力、b7はサンプルパルスDS2出力の波形である。
ここで、例えばCCDセンサー出力波形X2は、リセットパルスRPによる信号電荷放電の結果であるリセット部X10、リセットから次の信号電荷充電までの間にリセットノイズを含んだ状態で安定し、その後、充電される画素信号の基準となるフィードスルー部X11、信号電荷充電の結果である画素信号部X12、などにより構成されている。さらに、これらリセット部X10、フィードスルー部X11、画素信号部X12で構成される各画素の信号は、時系列で連続しており、低周波ノイズの重畳により波形全体の直流レベルが緩やかに変動する。
従来、相関2重サンプリング(CDS)を行い、イメージセンサーのアナログ画像出力信号中に含まれるリセットノイズ及び低周波ノイズを除去する構成が知られている。CDS回路は、上記のイメージセンサーの出力に混合されているノイズの除去を目的とした回路である。
従来のCDS回路は、電圧変換されたイメージセンサーの出力信号のフィードスルー部X11を、CDSパルスを構成するフィードスルークランプパルスDS1でサンプルホールドし、画素信号部X12を、CDSパルスを構成するサンプルパルスDS2でサンプルホールドして、両者を引き算することでリセットノイズを除去し、同時に低周波ノイズも除去する。その後、A/D変換してデジタル信号を出力する。
図12は、従来のデジタルカメラc0の基本構成ブロック図である。図12において、c1はイメージセンサー、c2はイメージセンサーc1の駆動パルスを発生するタイミングジェネレータ(TG)、c3はイメージセンサーc1の出力のノイズを除去し、ゲインをコントロールするCDS/AGC回路、c4はアナログデジタル変換器(ADC)、c5はデジタル信号処理回路(DSP)、c6は画像データおよび各種データを保存しておくメモリ回路、c7はカメラを制御するCPU(マイクロコンピュータ)である。
図12において、レンズを通ってイメージセンサーc1に入射した光は、フォトダイオードにより電気信号に変換され、垂直駆動、水平駆動によりアナログ連続信号として出力される。イメージセンサーc1の動作に必要な駆動タイミングパルスはタイミングジェネレータc2から発生される。イメージセンサーc1から出力された信号はサンプルホールド回路(CDS)c3にて1/fノイズを効果的に低減した後、ゲインコントロールしてADCc4に入力され、デジタル信号に変換される。デジタル化された信号はDSPc5に入力され、メモリc6を介して色分離、カラーマトリクス処理、輝度処理などの各種処理が行われる。
このようにして従来のイメージセンサーノイズ除去方法においては、センサーから出力された飛び飛びの画素信号出力を後段のCDS(相関2重サンプリング)回路にて基準レベルと画素信号レベルをサンプルホールドして引き算することにより、リセットノイズ、低周波ノイズを除去していた。
特開2003−18477号公報(第5−7頁、第1図)
しかしながら、上記のような従来のイメージセンサーのノイズ除去方法では、水平同期信号と同期したリセットノイズ、低周波ノイズ成分除去の効果に関しては十分な効果が発揮されるが、水平同期信号と非同期な1/fノイズ、低周波ノイズ、高周波ノイズ、ショットノイズ及びビートノイズに関しては、ノイズを十分に低減できないという課題を有していた。
本発明は上記従来の問題点を解決するもので、ノイズキャンセルとゲインアップを効果的に行うことにより、高S/Nセンサー出力を実現するイメージセンサーノイズ除去装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記の課題を解決するために、後段に配置した差動増幅器の同相信号除去機能を利用してノイズキャンセルとゲインアップを行うものである。
第1の解決手段として、本発明によるイメージセンサーノイズ除去装置は、イメージセンサーの出力と同相のノイズを発生するノイズ発生器と、前記イメージセンサーの出力と前記ノイズ発生器の出力との差分を増幅する差動増幅器とを備えた構成とされている。
この構成により、水平同期信号と非同期な1/fノイズ、低周波ノイズ、高周波ノイズ、ショットノイズ及びビートノイズ等に関しても、ノイズを低減することができる。
また、第2の解決手段として、本発明によるイメージセンサーノイズ除去装置は、N個(Nは2以上の自然数)のイメージセンサーの出力に共通の同相のノイズを基準信号として発生するノイズ発生器と、前記N個のイメージセンサーの出力と前記基準信号との差分を増幅するN個の差動増幅器とを備えた構成とされている。
さらに、第3の解決手段として、本発明によるイメージセンサーノイズ除去装置は、N個(Nは2以上の自然数)のイメージセンサーの出力の各々に対応して同相のノイズを各々基準信号として発生するN個のノイズ発生器と、前記N個のイメージセンサーの出力と前記N個の基準信号との差分を増幅するN個の差動増幅器とを備えた構成とされている。
このように構成すれば、N個のイメージセンサーの出力の特性に応じて、水平同期信号と非同期な1/fノイズ、低周波ノイズ、高周波ノイズ、ショットノイズ及びビートノイズ等を低減することができる。
本発明のイメージセンサーノイズ除去装置によれば、水平同期信号と非同期な1/fノイズ、低周波ノイズ、高周波ノイズ、ショットノイズ及びビートノイズ等に関しても、十分にノイズを低減することが可能となる。
また、N個のイメージセンサーの出力が同種の同相ノイズを発生する場合に、N個のイメージセンサーに共通の1個のノイズ発生器を備えることで、複数のイメージセンサーを搭載するカメラシステムにおいてコストを低減したノイズ除去装置の提供が可能となる。
また、N個のイメージセンサーの出力が各々異なる性質の同相ノイズを発生する場合に、N個のイメージセンサーに対応したN個のノイズ発生器を備えることで、複数のイメージセンサーを搭載するカメラシステムにおいて十分にノイズを低減するノイズ除去装置の提供が可能となる。
以下、本発明にかかわるイメージセンサーノイズ除去装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1の同相ノイズを打ち消すイメージセンサーノイズ除去装置100の基本構成を示すブロック図である。図1において、101はMOS型イメージセンサーやCCD型イメージセンサー等のイメージセンサー、102はイメージセンサー101と同相ノイズを発生するノイズ発生器、103はイメージセンサー101からの出力信号S1とノイズ発生器102からのノイズ基準信号S2との2つの信号を入力して両者の差分をとった上で増幅を行う差動増幅器、104はアナログフロントエンド(AFE)LSIであり、S1はイメージセンサー101から出力されるイメージセンサ出力信号、S2はノイズ発生器102による1/fノイズ、低周波ノイズ、高周波ノイズ、ショットノイズ及びビートノイズ等を含んだノイズ基準信号、S3は差動増幅器103から出力される差動増幅出力信号である。
差動増幅器103の同相除去機能により、さまざまなノイズを含んだイメージセンサ出力信号S1の波形からノイズ発生器102のノイズ基準信号S2の波形を引き算することで、差動増幅出力信号S3の波形はノイズを含まない波形となる。このようにイメージセンサーとノイズ発生器と差動増幅器とを用いてノイズを除去することができる。
以上のような構成により、差動増幅器103の同相信号除去機能を利用して、イメージセンサー101の1系統の出力信号S1からノイズ基準信号S2を減算してノイズキャンセルとゲインアップを行うことにより、高S/Nのセンサー出力を実現することができる。
図2はMOS型イメージセンサーにノイズ発生器を追加したイメージセンサーノイズ除去装置を示す。
図2において、200はMOS型イメージセンサー、201は光電変換素子アレイ、202は垂直シフトレジスタ、203はMOS型イメージセンサー200内のノイズキャンセル・画素信号保持回路、210はノイズ発生回路、220は差動増幅器である。
MOS型イメージセンサー200において、光電変換素子アレイ201のフォトダイオードで光電変換された信号電荷は、垂直シフトレジスタ202で選択されたとき、セル毎の増幅器(セルアンプ)で電圧出力され、ノイズキャンセル・画素信号保持回路203で保持された後、水平シフトレジスタ(図示せず)で選択されることにより電圧信号として出力される。ただし、図2では、水平シフトレジスタで選択された一つの電圧信号出力のみを示している。
ノイズキャンセル・画素信号保持回路203は、垂直転送スイッチQ1、クランプコンデンサC1、クランプスイッチQ2、クランプ用基準電源E1および信号電圧保持コンデンサC2を有している。
光電変換素子アレイ201における任意の1つの画素の画素データの読み出しは次のように行われる。出力アンプA1の前段のリセットスイッチRS1のスイッチングにより信号出力用コンデンサC3がリセット用電源E2のVDDレベルにリセットされる。ノイズキャンセル・画素信号保持回路203のクランプスイッチQ2をスイッチングしてクランプ用直流電源E1を印加することにより、クランプコンデンサC1をリセットする。光電変換素子アレイ201における画素は、フォトダイオードとセルアンプ(フローティング・ディフュージョンアンプ)の組み合わせで構成されている。フォトダイオードに蓄積された電荷はセルアンプを介して電圧の形態で出力される。セルアンプのトランジスタのしきい値電圧VTにばらつきがあり、それがオフセット成分となって画像品質を劣化させる(例えば、縦すじ)。これをノイズといい、このノイズをキャンセルするのがノイズキャンセル・画素信号保持回路203である。
そして、光電変換素子アレイ201において水平垂直方向で選択された画素の画素データを垂直転送スイッチQ1を閉じることにより読み出し、信号電圧保持コンデンサC2に保持する。水平転送スイッチQ3を閉じることにより、信号電圧保持コンデンサC2の画素データを信号出力用コンデンサC3に転送した上で、出力アンプA1を介して出力信号S1を出力する。
光電変換素子アレイ201における多数の縦方向の画素データ読み出しラインについて、垂直転送スイッチQ1、クランプコンデンサC1、クランプスイッチQ2、信号電圧保持コンデンサC2のセットが接続されている。各セットが水平転送スイッチQ3を介して信号出力用コンデンサC3に接続されている。したがって、水平転送スイッチQ3のスイッチングの制御を適切に行うことにより、複数画素分の画素データを信号出力用コンデンサC3で加算混合することも可能である。
信号出力用コンデンサC3を介しての画素データ1つ分の出力が終了すると、リセットスイッチRS1をスイッチングして信号出力用コンデンサC3をリセットする。
出力アンプA1から出力される出力信号S1には、1/fノイズ、低周波ノイズ、高周波ノイズ、ショットノイズ及びビートノイズ等が含まれている。このノイズを打ち消すための差動増幅器220につながるノイズ発生回路210は、ノイズキャンセル・画素信号保持回路203の等価的な回路構成となっている。すなわち、クランプ用直流電源E1に対応する直流電源E3、クランプスイッチQ2に対応し、クランプスイッチQ2と同期してスイッチングされるスイッチQ4、信号電圧保持コンデンサC2に対応するコンデンサC4、そして出力アンプA1に対応する出力アンプA2、リセットスイッチRS1に対応し、リセットスイッチRS1に同期してスイッチングされるリセットスイッチRS2から構成されている。このノイズ発生回路210は、MOS型イメージセンサー200によるイメージセンサー出力信号S1に含まれる各種のノイズ成分と同じノイズを発生するものである。
ノイズキャンセル・画素信号保持回路203側の出力アンプA1の出力端子が差動増幅器220の非反転入力端子(+)に接続され、ノイズ発生回路210の出力アンプA2の出力端子が差動増幅器220の反転入力端子(−)に接続されている。
図3は、図2の水平転送スイッチQ3およびノイズ発生回路210で対応するスイッチQ4に対して印加する水平ライン出力読み出しパルス(H2パルス)と、リセットスイッチRS1および対応するノイズ発生回路210のリセットスイッチRS2に対して印加するリセットパルス(RSパルス)のタイミングと、イメージセンサー出力信号S1の波形を示す。
図3に示すようなタイミングで、図2のスイッチQ3,Q4のスイッチング、リセットスイッチRS1,RS2のスイッチングを繰り返すことにより、MOS型イメージセンサー200からイメージセンサー出力信号S1を出力させ、これに同期してノイズ発生回路210からノイズ基準信号S2を発生させ、差動増幅器220において、イメージセンサー出力信号S1からノイズ発生回路210のノイズ基準信号S2を減算した差動増幅出力信号S3を得ることができる。イメージセンサー出力信号S1に含まれている1/fノイズ、低周波ノイズ、高周波ノイズ、ショットノイズ及びビートノイズ等の各種ノイズ成分を、これと同相で同じ波形のノイズ基準信号S2によりキャンセルすることができ、差動増幅出力信号S3には1/fノイズ、低周波ノイズ、高周波ノイズ、ショットノイズ及びビートノイズ等のノイズ成分は含まれない。
上記の説明ではMOS型イメージセンサーを基調としていたが、これに代えて、CCD型イメージセンサーに適用してもよい。
図4はCCD型イメージセンサーにノイズ発生器を追加したイメージセンサーノイズ除去装置を示す。400はCCD型イメージセンサー、410はノイズ発生回路、420は差動増幅器である。CCD型イメージセンサー400では、光電変換素子アレイのフォトダイオードで光電変換された信号電荷は垂直CCD、水平CCDで転送された後、出力ゲートOGを介して浮遊拡散層のフローティング・ディフュージョン部FDに蓄積され、蓄積された電荷は、出力アンプA3で電圧に変換され電圧信号として出力される。
ノイズ発生回路410は、出力ゲートOG、フローティング・ディフュージョン部FD、信号出力用コンデンサC5およびリセットスイッチRS3にそれぞれ等価な出力ゲートOG′、フローティング・ディフュージョン部FD′、信号出力用コンデンサC6およびリセットスイッチRS4を備えている。出力アンプA3には出力アンプA4が対応している。このノイズ発生回路410は、CCD型イメージセンサー400によるイメージセンサー出力信号S4に含まれる各種のノイズ成分と同じノイズを発生するものである。
出力アンプA3の出力端子が差動増幅器420の非反転入力端子(+)に接続され、ノイズ発生回路410の出力アンプA4の出力端子が差動増幅器420の反転入力端子(−)に接続されている。
この場合の動作は基本的に上記同様であり、リセットスイッチRS3,RS4の同期したスイッチングを繰り返すことにより、CCD型イメージセンサー400からイメージセンサー出力信号S4を出力させ、これに同期してノイズ発生回路410からノイズ基準信号S5を発生させ、差動増幅器420において、イメージセンサー出力信号S4からノイズ発生回路410のノイズ基準信号S5を減算した差動増幅出力信号S6を得ることができる。イメージセンサー出力信号S4に含まれている1/fノイズ、低周波ノイズ、高周波ノイズ、ショットノイズ及びビートノイズ等の各種ノイズ成分を、これと同相で同じ波形のノイズ基準信号S5によりキャンセルすることができ、差動増幅出力信号S6には1/fノイズ、低周波ノイズ、高周波ノイズ、ショットノイズ及びビートノイズ等のノイズ成分は含まれない。
(実施の形態2)
図5は本発明の実施の形態2におけるイメージセンサーノイズ除去装置の構成を示すブロック図である。このイメージセンサーノイズ除去装置500は、N個(Nは2以上の自然数)のイメージセンサー501のマルチ出力に対して、イメージセンサー501と同相のノイズを発生するノイズ発生器502を1個持つ装置である。ここで、503は差動増幅器である。ここでは、同一のマスク上に配置されたイメージセンサー501からのマルチ出力にのるノイズは、ほぼ等価であることを前提としている。
(実施の形態3)
図6は本発明の実施の形態3におけるイメージセンサーノイズ除去装置の構成を示すブロック図である。このイメージセンサーノイズ除去装置600は、N個のイメージセンサー501のマルチ出力に対して、イメージセンサー501と同相ノイズを発生するノイズ発生器602をN個持つ装置である。
(実施の形態4)
図7に、イメージセンサー702とノイズ発生器703から構成されるイメージセンサー部701と、ノイズ発生器703とイメージセンサー702の2系統の出力を入力とする外付け差動増幅器710と、従来と同様のAFE720を構成要素とするイメージセンサーノイズ除去装置700を示す。721は相関二重サンプリングCDS・自動利得制御AGC部、722はA/D変換部、723はシリアル通信部である。
(実施の形態5)
図8は、イメージセンサー702とノイズ発生器703に加えて差動増幅器811を有するイメージセンサー部801と、従来と同様のAFE720により構成されるイメージセンサーノイズ除去装置800である。差動増幅器811をイメージセンサー部801に内蔵する構成により、部品点数の削減や消費電力の低減効果も期待することができる。
(実施の形態6)
図9は、イメージセンサー702とノイズ発生器703から構成されるイメージセンサー部701と、差動増幅器911とAFE720で構成されたノイズ除去部902とを有するイメージセンサーノイズ除去装置900である。図8のものと同様に、この構成により部品点数の削減や消費電力の低減効果を期待することができる。
本発明のイメージセンサーノイズ除去装置は、デジタルカメラ等に搭載されるイメージセンサーにおいて、水平同期信号と非同期な1/fノイズ、低周波ノイズ、高周波ノイズ、ショットノイズ及びビートノイズ等を除去する装置等として有用である。
本発明の実施の形態のイメージセンサーノイズ除去装置の基本構成を示すブロック図 本発明の実施の形態1におけるMOS型イメージセンサーの場合のイメージセンサーノイズ除去装置の回路構成図 本発明の実施の形態1におけるセンサー出力の波形図 本発明の実施の形態1におけるCCD型イメージセンサーの場合のイメージセンサーノイズ除去装置の回路構成図 本発明の実施の形態2におけるイメージセンサーマルチ出力と1個のノイズ発生器を持つノイズ除去装置のブロック図 本発明の実施の形態3におけるイメージセンサーマルチ出力とN個のノイズ発生器を持つノイズ除去装置のブロック図 本発明の実施の形態4におけるイメージセンサーノイズ除去装置のブロック図 本発明の実施の形態5におけるイメージセンサーノイズ除去装置のブロック図 本発明の実施の形態6におけるイメージセンサーノイズ除去装置のブロック図 従来のイメージセンサーノイズ除去装置の基本構成を示すブロック図 イメージセンサーの出力波形図 従来のデジタルカメラの基本構成を示すブロック図
符号の説明
101 イメージセンサー
102 ノイズ発生器
103 差動増幅器
104 AFE
200MOS型イメージセンサー
201 光電変換素子アレイ
202 垂直シフトレジスタ
203 ノイズキャンセル・画素信号保持回路
210 ノイズ発生回路
220 差動増幅器
400 CCD型イメージセンサー
410 ノイズ発生回路
420 差動増幅器
500 イメージセンサーノイズ除去装置
501 イメージセンサー
502 ノイズ発生器
503 差動増幅器
600 イメージセンサーノイズ除去装置
602 ノイズ発生器
700 イメージセンサーノイズ除去装置
701 イメージセンサー部
702 イメージセンサー
703 ノイズ発生器
710 外付け差動増幅器
720 AFE
721 CDS/AGC回路
722 A/D変換器
723 シリアル通信回路
800 イメージセンサーノイズ除去装置
801 イメージセンサー部
902 AFE部
S1,S4 イメージセンサー出力信号
S2,S5 ノイズ基準信号
S3,S6 差動増幅出力信号

Claims (3)

  1. イメージセンサーの出力のノイズを低減するイメージセンサーノイズ除去装置であって、
    前記イメージセンサーの出力と同相のノイズを発生するノイズ発生器と、
    前記イメージセンサーの出力と前記ノイズ発生器の出力との差分を増幅する差動増幅器とを備えたことを特徴とするイメージセンサーノイズ除去装置。
  2. イメージセンサーの出力のノイズを低減するイメージセンサーノイズ除去装置であって、
    N個(Nは2以上の自然数)の前記イメージセンサーの出力に共通の同相のノイズを基準信号として発生するノイズ発生器と、
    前記N個のイメージセンサーの出力と前記基準信号との差分を増幅するN個の差動増幅器とを備えたことを特徴とするイメージセンサーノイズ除去装置。
  3. イメージセンサーの出力のノイズを低減するイメージセンサーノイズ除去装置であって、
    N個(Nは2以上の自然数)の前記イメージセンサーの出力の各々に対応して同相のノイズを各々基準信号として発生するN個のノイズ発生器と、
    前記N個のイメージセンサーの出力と前記N個の基準信号との差分を増幅するN個の差動増幅器とを備えたことを特徴とするイメージセンサーノイズ除去装置。

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