JP2005311736A - Solid-state imaging apparatus and drive method of the solid-state imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法に関し、特に光電変換素子を含む画素の行列状配列に対して、列ごとに配置されてなる信号処理回路を通して画素の信号を出力する固体撮像装置および当該固体撮像装置の駆動方法に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device and a driving method of the solid-state imaging device, and in particular, solid-state imaging that outputs a pixel signal through a signal processing circuit arranged for each column with respect to a matrix-like array of pixels including photoelectric conversion elements. The present invention relates to a device and a driving method of the solid-state imaging device.
電荷転送型固体撮像装置、例えばCCD(Charge Coupled Device)イメージセンサや、MOS型イメージセンサ、例えばCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサに代表される固体撮像装置は、動画を撮影するビデオカメラや、静止画を撮影する電子スチルカメラ等、各種の映像機器においてその撮像デバイスとして利用されている。 Solid-state imaging devices represented by charge transfer type solid-state imaging devices such as CCD (Charge Coupled Device) image sensors and MOS-type image sensors such as CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensors, video cameras for capturing moving images, It is used as an imaging device in various video equipment such as an electronic still camera that captures still images.
近年、半導体技術の進歩により数百万画素の固体撮像装置が開発され、高解像度が要求されるデジタルスチルカメラや映画用のビデオカメラなどのカメラ装置(撮像装置)においてその撮像デバイスとして利用されている。その中でもCMOSイメージセンサは、各画素に光電変換素子と読出し回路が設けられた固体撮像装置であり、各画素をランダムにアクセスすることや、高速に読み出すことが可能であることから、将来を有望視されているセンサである。 In recent years, solid-state imaging devices with millions of pixels have been developed due to advances in semiconductor technology and used as imaging devices in camera devices (imaging devices) such as digital still cameras and movie video cameras that require high resolution. Yes. Among them, the CMOS image sensor is a solid-state imaging device in which each pixel is provided with a photoelectric conversion element and a readout circuit. Each pixel can be accessed randomly and read out at high speed, so it has a promising future. It is a sensor being viewed.
しかし、代表的なカラム型のCMOSイメージセンサ、即ち画素の行列状配列の列(カラム)ごとに配置されてなる信号処理回路(カラム信号処理回路)を通して画素の信号を出力するCMOSイメージセンサでは、各列ごとに、プロセスばらつき(垂直信号線ごとに配されたCDS回路のキャパシタ、画素アレイ部の各画素トランジスタのしきい値電圧のばらつき、配線幅のばらつきなど)に起因する縦筋状の固定パターンノイズを持ち、画像特性を劣化させることが懸念されてきた。 However, in a typical column-type CMOS image sensor, that is, a CMOS image sensor that outputs a pixel signal through a signal processing circuit (column signal processing circuit) arranged for each column (column) of a matrix of pixels, For each column, vertical streaks are fixed due to process variations (CDS circuit capacitors arranged for each vertical signal line, variation in threshold voltage of each pixel transistor in the pixel array section, variation in wiring width, etc.) There has been concern about having pattern noise and degrading image characteristics.
この縦筋状の固定パターンノイズに起因する画質不良を改善するために、従来は、画素をリセットしてから画素信号を読み出し、列ごとのカラム信号処理回路を通して出力した後の画素信号を、固定パターンノイズを補正するための基準信号とし、通常の撮像モード時に当該基準信号を用いてCMOSイメージセンサの出力信号に対して補正処理(減算処理)を行うことによって固定パターンノイズ成分(縦筋状のノイズ成分)を抑制するようにしていた(例えば、特許文献1参照)。 In order to improve the image quality defect due to this vertical streak-like fixed pattern noise, conventionally, the pixel signal is read after resetting the pixel, and the pixel signal after being output through the column signal processing circuit for each column is fixed. As a reference signal for correcting pattern noise, a fixed pattern noise component (longitudinal streaks) is obtained by performing correction processing (subtraction processing) on the output signal of the CMOS image sensor using the reference signal in the normal imaging mode. Noise component) is suppressed (for example, see Patent Document 1).
また、感光部の一部に感光画素が接続されていないダミー信号線を設けるとともに、ノイズ成分データを記憶するためのラインバッファを設け、ダミー信号線から出力される信号をラインバッファに取り込み、これをノイズ成分データとして用いて固定パターンノイズの補正を行うようにしていた(例えば、特許文献2参照)。 In addition, a dummy signal line to which no photosensitive pixel is connected is provided in a part of the photosensitive portion, and a line buffer for storing noise component data is provided, and a signal output from the dummy signal line is taken into the line buffer. Is used as noise component data to correct fixed pattern noise (see, for example, Patent Document 2).
特許文献1に係る従来技術では、画素の各々からカラム信号処理回路を通して出力される信号そのものを、固定パターンノイズを補正するための基準信号として用いていることから、当該基準信号には画素トランジスタのリセットばらつきなども含まれており、当該リセットばらつきなどの影響を受けて基準信号を精度良く得ることが難しいという課題がある。また、デジタルスチルカメラなど、電源投入時にしか縦筋状の固定パターンノイズを補正するための基準信号を得ることができない固体撮像装置では、温度変化によって特性が変化することがあるため補正能力に限界がある。 In the conventional technique according to Patent Document 1, since the signal itself output from each pixel through the column signal processing circuit is used as a reference signal for correcting fixed pattern noise, the reference signal includes the pixel transistor. Reset variation and the like are also included, and there is a problem that it is difficult to obtain a reference signal with high accuracy under the influence of the reset variation. In addition, in solid-state imaging devices such as digital still cameras that can obtain a reference signal for correcting vertical streak fixed pattern noise only when the power is turned on, the characteristics may change due to temperature changes, so the correction capability is limited. There is.
特許文献2に係る従来技術では、ダミー信号線には感光画素が接続されていないことから、当該ダミー信号線から信号を読み出すときの負荷が、感光画素が接続されている有効画素アレイ部の各画素から垂直信号線を通して信号を読み出すときの負荷と異なることになるため、縦筋状の固定パターンノイズを補正するための基準信号として十分な精度が得られないという課題がある。
In the prior art according to
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、暗電流の影響の少ない状態で基準信号を収得することで、縦筋状の固定パターンノイズを効果的に、非常に高いレベルで低減可能とした固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and its object is to effectively acquire vertical streaky fixed pattern noise by acquiring a reference signal in a state where there is little influence of dark current. Another object of the present invention is to provide a solid-state imaging device and a driving method of the solid-state imaging device that can be reduced at a very high level.
上記目的を達成するために、本発明では、光電変換素子を含む画素が行列状に2次元配置され、各画素ごとに光電変換して得られる信号を出力する有効画素アレイ部と、前記有効画素アレイ部の各画素と同じ画素構造を持つ画素が、遮光された状態で前記画素アレイ部の列ごとに少なくとも1行分だけ配置されてなる遮光画素アレイ部とを備えた固体撮像装置において、前記遮光画素アレイ部の各画素に電荷が蓄積されていない状態で当該各画素から信号を読み出し、当該信号を基準信号として保持しておき、この保持した基準信号を用いて、前記有効画素アレイ部の各画素から出力される信号の補正処理を行う構成を採っている。 In order to achieve the above object, in the present invention, pixels including photoelectric conversion elements are two-dimensionally arranged in a matrix, and an effective pixel array unit that outputs a signal obtained by photoelectric conversion for each pixel; and the effective pixels In a solid-state imaging device comprising: a light-shielding pixel array unit in which pixels having the same pixel structure as each pixel of the array unit are arranged in at least one row for each column of the pixel array unit in a light-shielded state. A signal is read from each pixel in a state where no charge is accumulated in each pixel of the light-shielding pixel array unit, the signal is held as a reference signal, and the effective reference signal is stored in the effective pixel array unit using the held reference signal. A configuration for correcting a signal output from each pixel is adopted.
上記構成の固体撮像装置において、遮光画素アレイ部の各画素に電荷が蓄積されていない状態で、例えば、遮光画素アレイ部の各画素の光電変換素子に溜まっている電荷を掃き出した後に、あるいは遮光画素アレイ部の各画素をリセットした状態で、遮光画素アレイ部の各画素から信号を読み出すことで、遮光画素アレイ部の各画素からは、光電変換素子やフローティングディフュージョンに発生する暗電流の影響が少なく、しかも垂直信号線の負荷が有効画素アレイ部の各画素から信号を読み出すときとほぼ同じ状態の下で、各画素の信号が得られる。そして、遮光画素アレイ部の各画素の信号を基準信号として保持しておき、当該基準信号を用いて有効画素アレイ部の各画素の信号に対して縦筋状の固定パターンノイズを低減するための補正処理を行う。 In the solid-state imaging device having the above-described configuration, for example, after the charges accumulated in the photoelectric conversion elements of the respective pixels of the light-shielding pixel array unit are swept out in a state where charges are not accumulated in the respective pixels of the light-shielding pixel array unit, By reading out signals from each pixel in the light-shielded pixel array section with each pixel in the pixel array section reset, each pixel in the light-shielded pixel array section is affected by the dark current generated in the photoelectric conversion element and the floating diffusion. The signal of each pixel is obtained under the same condition as when the load of the vertical signal line is small and the signal is read from each pixel of the effective pixel array section. Then, the signal of each pixel in the light-shielding pixel array unit is held as a reference signal, and the fixed pattern noise for reducing vertical streaks to the signal of each pixel in the effective pixel array unit is reduced using the reference signal. Perform correction processing.
本発明によれば、固定パターンノイズを補正するための基準信号を、光電変換素子やフローティングディフュージョンに発生する暗電流の影響が少なく、しかも垂直信号線の負荷が有効画素アレイ部の各画素から信号を読み出すときとほぼ同じ状態で収得することができるため、縦筋状の固定パターンノイズを効果的に、非常に高いレベルで低減することができる。 According to the present invention, the reference signal for correcting the fixed pattern noise is less affected by the dark current generated in the photoelectric conversion element and the floating diffusion, and the load of the vertical signal line is a signal from each pixel of the effective pixel array unit. Can be acquired in substantially the same state as when reading out, so that vertical streak-like fixed pattern noise can be effectively reduced at a very high level.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係るMOS型固体撮像装置、例えばCMOSイメージセンサの構成を示すブロック図である。図1に示すように、本実施形態に係るCMOSイメージセンサ10Aは、画素アレイ部11、垂直駆動回路12、シャッタ駆動回路13、カラム信号処理回路14、水平駆動回路15、水平信号線16、アナログアンプ17、タイミングジェネレータ18、ADC(アナログ−デジタル変換)回路19、DSP(Digital Signal Processor;デジタル信号処理)回路20、メモリ装置21およびデジタルアンプ22を有する構成となっている。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a MOS solid-state imaging device, for example, a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
画素アレイ部11は、光電変換素子を含む画素111が行列状に2次元配置されるとともに、当該行列状の配列に対して列ごとに垂直信号線112が配線された構成となっている。この画素アレイ部11は、画素111の入射面が開口し、当該開口を通して入射する光を光電変換素子にてその光量に応じた信号電荷に光電変換する開口領域(有効画素アレイ部)11Aと、画素111の入射面が遮蔽(遮光)され、光電変換素子による光電変換を行わない遮光領域(遮光画素アレイ部)11Bとを有している。 The pixel array unit 11 has a configuration in which pixels 111 including photoelectric conversion elements are two-dimensionally arranged in a matrix and vertical signal lines 112 are wired for each column in the matrix arrangement. The pixel array unit 11 has an opening area (effective pixel array unit) 11A in which an incident surface of the pixel 111 is opened, and light incident through the opening is photoelectrically converted into a signal charge corresponding to the amount of light by a photoelectric conversion element; The incident surface of the pixel 111 is shielded (light-shielded), and has a light-shielding region (light-shielded pixel array portion) 11B that does not perform photoelectric conversion by the photoelectric conversion element.
開口領域11Aおよび遮光領域11Bの各画素111としては全く同じ画素構造のものが用いられる。遮光領域11Bには、画素111が数十行程度配置される。ただし、図1には、図面の簡略化のために、開口領域11Aおよび遮光領域11B共に、画素111が2行ずつ配置された構成を示している。
The pixels 111 of the
画素111は、例えば図2に示すように、光電変換素子、例えばフォトダイオードPDに加えて、当該画素111の駆動トランジスタ、例えば、フォトダイオードPDで光電変換して得られる信号電荷をフローティングディフュージョンFDに転送する転送トランジスタQ1と、当該フローティングディフュージョンFDの電位を制御するリセットトランジスタQ2と、フローティングディフュージョンFDの電位に応じた信号を出力する増幅トランジスタQ3との3つのトランジスタを有する構成となっている。 For example, as illustrated in FIG. 2, the pixel 111 includes, in addition to a photoelectric conversion element, for example, a photodiode PD, a signal charge obtained by photoelectric conversion by the driving transistor of the pixel 111, for example, the photodiode PD, in a floating diffusion FD. The transfer transistor Q1 is configured to have three transistors: a transfer transistor Q1, a reset transistor Q2 that controls the potential of the floating diffusion FD, and an amplification transistor Q3 that outputs a signal corresponding to the potential of the floating diffusion FD.
図2において、リセットトランジスタQ2および増幅トランジスタQ3の各ドレインには、選択パルスSELが共通に与えられる。これにより、画素111が行単位で選択される。リセットトランジスタQ2のゲートには、リセットパルスRSTが与えられる。これにより、フローティングディフュージョンFDがリセットされる。転送トランジスタQ1のゲートには、転送パルスTRGが与えられる。これにより、フォトダイオードPDの電荷がフローティングディフュージョンFDに転送される。 In FIG. 2, a selection pulse SEL is commonly applied to the drains of the reset transistor Q2 and the amplification transistor Q3. Thereby, the pixels 111 are selected in units of rows. A reset pulse RST is applied to the gate of the reset transistor Q2. As a result, the floating diffusion FD is reset. A transfer pulse TRG is applied to the gate of the transfer transistor Q1. Thereby, the charge of the photodiode PD is transferred to the floating diffusion FD.
ここでは、転送トランジスタQ1、リセットトランジスタQ2および増幅トランジスタQ3としてNchのMOSトランジスタを用いているが、PchのMOSトランジスタを用いることも可能である。また、画素111としては、上記3トランジスタ構成のものに限られるものではなく、画素選択を行うための専用の選択トランジスタを、増幅トランジスタQ3と垂直信号線112との間に接続してなる4トランジスタ構成のものなどであっても良い。 Here, N-channel MOS transistors are used as the transfer transistor Q1, the reset transistor Q2, and the amplification transistor Q3, but P-channel MOS transistors can also be used. Further, the pixel 111 is not limited to the above-described three-transistor configuration, and a four-transistor formed by connecting a dedicated selection transistor for performing pixel selection between the amplification transistor Q3 and the vertical signal line 112. The thing of a structure etc. may be sufficient.
垂直駆動回路12は、シフトレジスタなどによって構成されており、画素111の各々を行単位で選択し、当該選択行の画素111をリセットしたり、画素111から信号を読み出したりする動作などを行う。この垂直駆動回路12による駆動時には、選択行の画素111の各々からは、リセットトランジスタQ2によってリセットされたときのフローティングディフュージョンFDの電位がリセットレベルとして増幅トランジスタQ3を通して垂直信号線112に出力され、また転送トランジスタQ1によってフォトダイオードPDからフローティングディフュージョンFDに信号電荷が転送されたときの当該フローティングディフュージョンFDの電位が信号レベルとして増幅トランジスタQ3を通して垂直信号線112に出力される。
The
シャッタ駆動回路13は、基本的に垂直駆動回路12と同様に、シフトレジスタなどによって構成されており、電子シャッタ行を選択して、当該選択行の画素111に対して電子シャッタ動作、即ち画素111のフォトダイオードPDに溜まっている電荷を掃き出す動作を行うことにより、各行(ライン)ごとに画素111の露光時間(信号電荷の蓄積時間)を制御する。すなわち、このシャッタ駆動回路13において、同じ画素行について垂直駆動回路12との駆動間隔を制御することにより、所望の露光時間を設定することができる。
The
カラム信号処理回路14は、CDS(Correlated Double Sampling;相関二重サンプリング)回路141およびラインメモリ142を、例えば画素アレイ部11の画素列ごとに有する構成となっている。CDS回路141は、垂直駆動回路12によって選択された行の画素111から出力される信号に対してノイズ除去のためのCDS処理を行う。具体的には、先述したように、選択行の画素111から順に出力されるリセットレベルと信号レベルを順に受け取り、両者の差をとることにより、画素ごとの固定パターンノイズを除去する。このCDS回路141としては、キャパシタを含むサンプルホールド回路と差動アンプからなる周知の回路構成のものが用いられる。ラインメモリ142は、例えばサンプルホールドキャパシタによって構成され、CDS処理後の信号を1行(ライン)分だけ保持する。
The column
水平駆動回路15は、シフトレジスタなどによって構成されており、ラインメモリ142を画素列ごとに順に選択し、当該ラインメモリ142に保持されている1ライン分の信号を水平信号線16に順次出力させる。アナログアンプ17は、ラインメモリ142から水平信号線16を通して供給される各画素の信号を適当なゲインで増幅(減衰を含む)する。タイミングジェネレータ18は、上記各回路部分で用いる各種のタイミングパルスを生成し、各回路部分に対して供給する。
The
ここまでに説明した各回路部分、即ち垂直駆動回路12、シャッタ駆動回路13、カラム信号処理回路14、水平駆動回路15、水平信号線16、アナログアンプ17およびタイミングジェネレータ18は、画素111が行列状に配置されてなる画素アレイ部11と同じチップ(半導体基板)23上に集積され、以下に説明する回路部分、即ちADC回路19、DSP回路20、メモリ装置21およびデジタルアンプ22は、チップ23の外部に設けられている。
In each circuit portion described so far, that is, the
ADC回路19は、チップ23内のアナログアンプ17からチップ23外に出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する。DSP回路20は、画素アレイ部11の遮光領域11Bの各画素から出力される信号について例えば複数行分の平均値をとり、当該平均値を縦筋状の固定パターンノイズを補正するための基準信号としてメモリ装置21に記憶する平均値演算手段としての機能を持っている。
The
ここで、縦筋状の固定パターンノイズとは、各列ごとに、プロセスばらつき、具体的にはCDS回路141のキャパシタ、画素アレイ部11の各画素トランジスタのしきい値電圧のばらつき、配線幅のばらつきなどに起因するノイズ成分のことを言う。
Here, the vertical streak fixed pattern noise is a process variation for each column, specifically, a capacitor of the
DSP回路20はさらに、メモリ装置21に記憶されている各画素の信号(平均値)を、縦筋状の固定パターンノイズを補正するための各列ごとの基準信号として用い、画素アレイ部11の有効領域11Aの各画素から出力される信号メモリ装置21に記憶されている各列ごとの基準信号との差分をとる処理(減算処理)を行うことにより、縦筋状の固定パターンノイズを低減するための補正処理を行う補正手段としての機能を持っている。デジタルアンプ22は、DSP回路20から出力されるデジタル信号を適当なゲインで増幅(減衰を含む)する。
The
次に、上記構成の本実施形態に係るCMOSイメージセンサ10Aの回路動作について説明する。
Next, the circuit operation of the
垂直駆動回路12による垂直走査により、画素アレイ部11の各画素111が行単位で順に選択される。すると、その選択行(信号出力行)の各画素111において、フォトダイオードPDに蓄積された信号電荷(例えば、電子)に応じた信号レベルと、フォトダイオードPDをリセットした後のリセットレベル(例えば、0レベル)が、垂直信号線112を通して各列のカラム信号処理回路14に出力される。
By the vertical scanning by the
一方、シャッタ駆動回路13による走査により、画素アレイ部11の各画素111が行単位で順に選択されると、その選択行(電子シャッタ行)の各画素111のフォトダイオードPDがリセットされる。信号出力行を駆動した直後に、同様の駆動パルスで電子シャッタ行の各画素111が動作する。電子シャッタ行と信号出力行が一定の間隔で進んで行くとき、信号出力行から出力される信号は、電子シャッタ行から信号出力行まで進んで行く期間に光電変換された光の信号となる。
On the other hand, when each pixel 111 of the pixel array unit 11 is sequentially selected in units of rows by scanning by the
電子シャッタ行と信号出力行の間隔を調節することにより、フォトダイオードPDへの照射時間(信号電荷の蓄積時間)を変えることができる。垂直駆動回路12およびシャッタ駆動回路13の駆動パルス、即ちスタートパルスおよびクロックパルスは、タイミングジェネレータ18で生成される。上記照射時間(信号電荷の蓄積時間)の調整は、タイミングジェネレータ18で生成する駆動パルスのタイミングを調節することによって実行される。
By adjusting the interval between the electronic shutter row and the signal output row, the irradiation time (signal charge accumulation time) to the photodiode PD can be changed. Drive pulses for the
画素111の全てから信号を読み出す全画素読出し時には、シャッタ動作および読み出し動作は、画素アレイ部11の第一行から最終行までを順に選択され、全ての行に対して行われる。ここまでの動作は、従来と同じ、周知の動作である。 At the time of all pixel readout for reading out signals from all of the pixels 111, the shutter operation and readout operation are sequentially selected from the first row to the last row of the pixel array unit 11, and are performed on all rows. The operation up to this point is a known operation that is the same as the conventional one.
続いて、本発明の特徴部分である、縦筋状の固定パターンノイズを補正するための基準信号を収得する2つの実施例について以下に説明する。いずれの実施例の場合にも、光の影響を排除するために、画素アレイ部11の遮光領域(遮光画素アレイ部)11Bの各画素の信号を、縦筋状の固定パターンノイズを補正するための基準信号として収得する。 Next, two embodiments for acquiring a reference signal for correcting vertical streak fixed pattern noise, which is a feature of the present invention, will be described below. In any of the embodiments, in order to eliminate the influence of light, the signal of each pixel in the light-shielding region (light-shielding pixel array unit) 11B of the pixel array unit 11 is corrected for vertical streak-like fixed pattern noise. As a reference signal.
(実施例1)
実施例1では、画素アレイ部11の遮光領域(遮光画素アレイ部)11Bの各画素111の光電変換素子(本例では、フォトダイオードPD)に溜まっている電荷を電子シャッタ動作によって掃き出した後に、当該各画素111から信号を読み出すようにする。
(Example 1)
In Example 1, after the electric charge accumulated in the photoelectric conversion element (in this example, the photodiode PD) of each pixel 111 of the light shielding region (light shielding pixel array unit) 11B of the pixel array unit 11 is swept out by the electronic shutter operation, A signal is read from each pixel 111.
図3に、実施例1の動作を実現するための画素111で用いる駆動パルスのタイミング関係を示す。画素111の駆動パルスとして、リセットトランジスタQ2および増幅トランジスタQ3の各ドレインに与えられる選択パルスSEL、リセットトランジスタQ2のゲートに与えられるリセットパルスRSTおよび転送トランジスタQ1のゲートに与えられる転送パルスTRGが用いられる。 FIG. 3 shows the timing relationship of drive pulses used in the pixel 111 for realizing the operation of the first embodiment. As a driving pulse for the pixel 111, a selection pulse SEL given to the drains of the reset transistor Q2 and the amplification transistor Q3, a reset pulse RST given to the gate of the reset transistor Q2, and a transfer pulse TRG given to the gate of the transfer transistor Q1 are used. .
垂直駆動回路12による垂直走査により、画素アレイ部11の遮光領域11Bにおけるある行の走査タイミングt1で選択パルスSELが“H”レベルになることで、当該行の各画素111が選択された状態となる。この選択状態において、転送パルスTRGが時刻t2で“H”レベルとなると、転送トランジスタQ1がオン状態となってフォトダイオードPDに蓄えられている電荷をフローティングディフュージョンFDで転送する。また、転送パルスTRGと同じタイミングt2でリセットパルスRSTが“H”レベルとなることで、リセットトランジスタQ2がオン状態となってフローティングディフュージョンFDをリセットする。
By the vertical scanning by the
その後、時刻t3で再びリセットパルスRSTが“H”レベルとなることによってリセット動作が行われ、このリセット状態でのフローティングディフュージョンFDの電位がリセットレベルとして増幅トランジスタQ3を通して垂直信号線112に出力される。続いて、時刻t4で転送パルスTRGが“H”レベルとなることによってフォトダイオードPDの電荷のフローティングディフュージョンFDへの転送動作が行われ、このときのフローティングディフュージョンFDの電位が信号レベルとして増幅トランジスタQ3を通して垂直信号線112に出力される。 Thereafter, the reset pulse RST becomes “H” level again at time t3, and the reset operation is performed. The potential of the floating diffusion FD in this reset state is output to the vertical signal line 112 through the amplification transistor Q3 as the reset level. . Subsequently, when the transfer pulse TRG becomes “H” level at time t4, the transfer operation of the charge of the photodiode PD to the floating diffusion FD is performed, and the potential of the floating diffusion FD at this time is used as the signal level to amplify the transistor Q3. To the vertical signal line 112.
このようにして、画素アレイ部11の遮光領域11Bにおけるある行の各画素111からは、リセットレベルと信号レベルとが垂直信号線112を通してCDS回路141へ順に供給される。ここで、画素アレイ部11の遮光領域11Bの各画素111が遮光された状態にあるため、これら画素111の信号は光の影響を全く受けることがなく、しかもリセットレベルと信号レベルが共にフォトダイオードPDに溜まっている電荷を掃き出した状態で読み出されるため、フォトダイオードPDに発生する暗電流の影響を受けることもなく、リセットレベルも、信号レベルも同じレベルである。
In this way, the reset level and the signal level are sequentially supplied to the
このとき、CDS回路141の各々から出力されるCDS処理後の信号については、リセットレベルも、信号レベルも、理想的には同じレベルであるため、CDS処理後の出力値として0レベルが出力される筈であるが、CDS回路141個々のプロセスばらつき、例えばCDS回路141を構成するキャパシタのばらつきの影響を受けて、列ごとに若干値がばらつく。
At this time, the reset level and the signal level of the signal after the CDS process output from each of the
このCDS処理後の信号は、ラインメモリ(例えば、サンプルホールドキャパシタ)142に格納された後、水平駆動回路15による水平走査によって順次水平信号線16に読み出される。この読み出された信号は、アナログアンプ17で適当なゲインに増幅されてチップ23外に出力され、ADC回路19によってデジタル変換された後、DSP回路20を経由してメモリ装置21に、縦筋状の固定パターンノイズを補正するための基準信号として格納される。
The signal after the CDS processing is stored in a line memory (for example, a sample hold capacitor) 142 and then sequentially read out to the
ここで、ADC回路19から出力される各画素の信号と、メモリ装置21に記憶されている各画素の信号との平均値を求め、当該平均値を縦筋状の固定パターンノイズを補正するための基準信号としてメモリ装置21に記憶するDSP回路20の機能(平均値演算機能)についてより具体的に説明する。
Here, an average value of the signal of each pixel output from the
縦筋状の固定パターンノイズを補正するための基準信号としてメモリ装置21に格納される一行分(一回分)の各列ごとの信号は、ある無視できないランダムノイズ(例えば、熱雑音や電源の揺れ等に起因するノイズ)を持っていることが多い。このランダムノイズを持つ基準信号をそのまま用いて縦筋状の固定パターンノイズの補正処理を行った場合、それ相応の固定パターンノイズの低減効果が得られるものの、当該ランダムノイズに起因する画質低下を招く懸念もある。
The signal for each column of one row (for one time) stored in the
そこで、ランダムノイズを抑制するために、DSP回路20においては、遮光領域11Bの複数行(複数回)の各列ごとの信号について加算平均化し、その平均値を縦筋状の固定パターンノイズを補正するための基準信号としてメモリ装置21に記憶するようにしている。具体的には、ADC回路19の今回の出力値と、メモリ装置21の記憶値(前回の平均値)との平均値を算出して、今回の平均値としてメモリ装置21に格納する処理を、複数行(ライン)に亘って複数回実行する。
Therefore, in order to suppress random noise, the
なお、ここでは、各行ごとに毎回平均値を求めるとしたが、複数行分の出力値を順に加算していき、最後にその加算値を加算した行数で割ることによって平均値を求め、当該平均値を縦筋状の固定パターンノイズを補正するための基準信号としてメモリ装置21に記憶するようにすることも可能である。
Here, the average value is obtained every time for each row, but the output values for a plurality of rows are sequentially added, and finally the average value is obtained by dividing the added value by the number of added rows. It is also possible to store the average value in the
図1から明らかなように、画素アレイ部11において、開口領域11Aの上側に遮光領域11Bが設けられており、垂直駆動回路12による垂直走査の際には、先に遮光領域11Bの走査が行われ、それに続いて開口領域11Aの走査が行われることになる。したがって、遮光領域11Bの各画素から出力される信号を、縦筋状の固定パターンノイズを補正するための基準信号として収得する一連の動作が終了すると、引き続いて、開口領域11Aの走査、即ち通常の撮像動作に入る。
As is clear from FIG. 1, in the pixel array unit 11, a
この通常の撮像動作では、垂直駆動回路12による垂直走査により、画素アレイ部11の開口領域11Aの各画素111が行単位で順次選択される。そして、選択行の各画素111からリセットレベルおよび信号レベルが順に垂直信号線112に出力され、CDS回路141においてCDS処理が行われる。
In this normal imaging operation, each pixel 111 in the
このCDS処理後の信号は、ラインメモリ(例えば、サンプルホールドキャパシタ)142に格納された後、水平駆動回路15による水平走査によって順次水平信号線16に読み出される。この読み出された信号は、アナログアンプ17で適当なゲインに増幅されてチップ23外に出力され、ADC回路19によってデジタル変換された後、DSP回路20に入力される。そして、このDSP回路20において、メモリ装置21に格納されている基準信号との差分がとられることにより、縦筋状の固定パターンノイズを除去する補正処理が施され、デジタルアンプ22で適当なゲインに増幅されて出力される。
The signal after the CDS processing is stored in a line memory (for example, a sample hold capacitor) 142 and then sequentially read out to the
図4に、実施例1に係る基準信号の収得方法を用いて縦筋状の固定パターンノイズを除去するための補正処理を行ったときの実験結果を示す。この実験では、遮光領域11Bの行数を47行に設定し、この47行分の各画素の信号の列ごとの平均値をとり、当該平均値を各列の基準信号としている。
FIG. 4 shows experimental results when correction processing for removing vertical streak fixed pattern noise is performed using the reference signal acquisition method according to the first embodiment. In this experiment, the number of rows in the light-shielding
図4において、加算平均化枚数は、47行の出力値を1フレームとしたときに、ランダムノイズを抑制するために何回か撮像を繰り返し、加算平均化したときのフレーム数を表している。また、縦軸に補正後の縦筋ノイズ(縦筋状の固定パターンノイズ)を、横軸に加算平均化枚数を示している。 In FIG. 4, the number of added and averaged images represents the number of frames when the number of images is repeated and averaged several times in order to suppress random noise when the output value of 47 rows is one frame. In addition, the vertical axis represents the corrected vertical streak noise (vertical streak-like fixed pattern noise), and the horizontal axis represents the addition averaged number.
図4からも明らかなように、100枚加算平均化し、補正を行った場合、基準信号のランダムノイズが抑制されることによって縦筋状の固定パターンノイズを精度良く抽出できるため、補正を行う前の約1/4程度の値まで縦筋ノイズを補正できることが解る。しかも、この値は画素間固定パターンノイズとほぼ同程度であることから、非常に効果的な補正方法である。 As is apparent from FIG. 4, when 100 sheets are added and averaged and correction is performed, the fixed pattern noise in the form of vertical stripes can be accurately extracted by suppressing the random noise of the reference signal. It can be seen that the vertical streak noise can be corrected to a value of about 1/4 of. In addition, since this value is almost the same as the inter-pixel fixed pattern noise, it is a very effective correction method.
上述したように、画素アレイ部11の遮光領域(遮光画素アレイ部)11Bの各画素111のフォトダイオードPDに溜まっている電荷を掃き出した後に、当該各画素111から信号を読み出して縦筋状の固定パターンノイズを補正するための基準信号として用いることにより、フォトダイオードPDに発生する暗電流の影響を抑え、しかも垂直信号線112の負荷が開口領域11Aの各画素111から信号を読み出すときとほぼ同じ状態で基準信号を収得することができるため、縦筋状の固定パターンノイズを効果的に、非常に高いレベルで低減することができる。
As described above, after sweeping out the electric charge accumulated in the photodiode PD of each pixel 111 in the light-shielding region (light-shielding pixel array unit) 11B of the pixel array unit 11, a signal is read from each pixel 111 and the vertical streak-like shape is read out. By using it as a reference signal for correcting fixed pattern noise, the influence of the dark current generated in the photodiode PD is suppressed, and the load of the vertical signal line 112 is almost the same as when a signal is read from each pixel 111 in the
(実施例2)
実施例2では、画素アレイ部11の遮光領域(遮光画素アレイ部)11Bの各画素111、具体的にはフローティングディフュージョンFDをリセットした状態で当該各画素111から信号を読み出すようにする。
(Example 2)
In Example 2, a signal is read from each pixel 111 in a state where each pixel 111 of the light-shielding region (light-shielding pixel array unit) 11B of the pixel array unit 11, specifically, the floating diffusion FD is reset.
図5に、実施例2の動作を実現するための画素111で用いる駆動パルスのタイミング関係を示す。画素111の駆動パルスとして、リセットトランジスタQ2および増幅トランジスタQ3の各ドレインに与えられる選択パルスSEL、リセットトランジスタQ2のゲートに与えられるリセットパルスRSTおよび転送トランジスタQ1のゲートに与えられる転送パルスTRGが用いられる。 FIG. 5 shows a timing relationship of drive pulses used in the pixel 111 for realizing the operation of the second embodiment. As a driving pulse for the pixel 111, a selection pulse SEL given to the drains of the reset transistor Q2 and the amplification transistor Q3, a reset pulse RST given to the gate of the reset transistor Q2, and a transfer pulse TRG given to the gate of the transfer transistor Q1 are used. .
垂直駆動回路12による垂直走査により、画素アレイ部11の遮光領域11Bにおけるある行の走査タイミングt1で選択パルスSELが“H”レベルになることで、当該行の各画素111が選択された状態となる。この選択状態において、時刻t2で転送パルスTRGが“H”レベルとなると、転送トランジスタQ1がオン状態となってフォトダイオードPDに蓄えられている電荷をフローティングディフュージョンFDで転送する。また、転送パルスTRGと同じタイミングt2でリセットパルスRSTが“H”レベルとなることで、リセットトランジスタQ2がオン状態となってフローティングディフュージョンFDをリセットする。
By the vertical scanning by the
その後、時刻t3で再びリセットパルスRSTが“H”レベルとなることにより、フローティングディフュージョンFDがリセット状態となる。そして、フローティングディフュージョンFDをリセットした状態において、リセットレベル(いわゆる、P相)と信号レベル(いわゆる、D相)の読み出しが行われ、リセットレベルと信号レベルが順に増幅トランジスタQ3を通して垂直信号線112に出力される。 Thereafter, the reset pulse RST again becomes “H” level at time t3, whereby the floating diffusion FD is reset. Then, in a state where the floating diffusion FD is reset, the reset level (so-called P phase) and the signal level (so-called D phase) are read, and the reset level and the signal level are sequentially transferred to the vertical signal line 112 through the amplification transistor Q3. Is output.
このようにして、画素アレイ部11の遮光領域11Bにおけるある行の各画素111からは、リセットレベルと信号レベルとが垂直信号線112を通してCDS回路141へ順に供給される。ここで、画素アレイ部11の遮光領域11Bの各画素111が遮光された状態にあるため、これら画素111の信号は光の影響を全く受けることがなく、しかもフローティングディフュージョンFDのリセット状態で読み出されるため、フローティングディフュージョンFDに発生する暗電流の影響を受けることもなく、リセットレベルも、信号レベルも同じレベルである。
In this way, the reset level and the signal level are sequentially supplied to the
このとき、CDS回路141の各々から出力されるCDS処理後の信号については、リセットレベルも、信号レベルも、理想的には同じレベルであるため、CDS処理後の出力値として0レベルが出力される筈であるが、CDS回路141個々のプロセスばらつき、例えばCDS回路141を構成するキャパシタのばらつきの影響を受けて、列ごとに若干値がばらつく。
At this time, the reset level and the signal level of the signal after the CDS process output from each of the
このCDS処理後の信号は、ラインメモリ(例えば、サンプルホールドキャパシタ)142に格納された後、水平駆動回路15による水平走査によって順次水平信号線16に読み出される。この読み出された信号は、アナログアンプ17で適当なゲインに増幅されてチップ23外に出力され、ADC回路19によってデジタル変換された後、DSP回路20を経由してメモリ装置21に、縦筋状の固定パターンノイズを補正するための基準信号として格納される。
The signal after the CDS processing is stored in a line memory (for example, a sample hold capacitor) 142 and then sequentially read out to the
ここで、ADC回路19から出力される各画素の信号と、メモリ装置21に記憶されている各画素の信号との平均値を求め、当該平均値を縦筋状の固定パターンノイズを補正するための基準信号としてメモリ装置21に記憶するDSP回路20の機能(平均値演算機能)は、実施例1の場合と同様である。
Here, an average value of the signal of each pixel output from the
遮光領域11Bの各画素から出力される信号を、縦筋状の固定パターンノイズを補正するための基準信号として収得する一連の動作が終了すると、引き続いて、開口領域11Aの走査、即ち通常の撮像動作に入り、実施例1の場合と同様にして、縦筋状の固定パターンノイズを除去する補正処理が実行される。
When a series of operations for acquiring signals output from the respective pixels in the light-shielding
図6に、実施例2に係る基準信号の収得方法を用いて縦筋状の固定パターンノイズを除去するための補正処理を行ったときの実験結果を示す。この実験では、実施例1の場合と同様に、遮光領域11Bの行数を47行に設定し、この47行分の各画素の信号の列ごとの平均値をとり、当該平均値を各列の基準信号としている。
FIG. 6 shows the experimental results when correction processing for removing vertical streak fixed pattern noise is performed using the reference signal acquisition method according to the second embodiment. In this experiment, as in the case of the first embodiment, the number of rows of the light-shielding
図6において、加算平均化枚数は、47行の出力値を1フレームとしたときに、ランダムノイズを抑制するために何回か撮像を繰り返し、加算平均化したときのフレーム数を表している。また、縦軸に補正後の縦筋ノイズ(縦筋状の固定パターンノイズ)を、横軸に加算平均化枚数を示している。図6からも明らかなように、9枚加算平均化し、補正を行った場合、基準信号のランダムノイズが抑制されることによって縦筋状の固定パターンノイズを精度良く抽出できるため、縦筋ノイズが補正を行う前の約1/2程度となり、十分に補正できることが解る。 In FIG. 6, the addition averaged number represents the number of frames when the number of images is repeated several times in order to suppress random noise when the output value of 47 rows is one frame, and the addition averaging is performed. In addition, the vertical axis represents the corrected vertical streak noise (vertical streak-like fixed pattern noise), and the horizontal axis represents the addition averaged number. As is apparent from FIG. 6, when nine sheets are averaged and corrected, the vertical streak-like fixed pattern noise can be accurately extracted by suppressing the random noise of the reference signal. It can be understood that it is about ½ before the correction, and can be corrected sufficiently.
上述したように、画素アレイ部11の遮光領域(遮光画素アレイ部)11Bの各画素111をリセットした状態で、当該各画素111から信号を読み出して縦筋状の固定パターンノイズを補正するための基準信号として用いることにより、フローティングディフュージョンFDに発生する暗電流の影響を抑え、しかも垂直信号線112の負荷が開口領域11Aの各画素111から信号を読み出すときとほぼ同じ状態で基準信号を収得することができるため、縦筋状の固定パターンノイズを効果的に、非常に高いレベルで低減することができる。
As described above, in a state where each pixel 111 of the light-shielding region (light-shielding pixel array unit) 11B of the pixel array unit 11 is reset, a signal is read from each pixel 111 to correct vertical streak-like fixed pattern noise. By using it as a reference signal, the influence of the dark current generated in the floating diffusion FD is suppressed, and the reference signal is acquired in almost the same state as when the load of the vertical signal line 112 reads a signal from each pixel 111 in the
なお、上記実施形態では、遮光領域11Bに画素111を配置する行数を複数行とし、これら複数行の各画素から出力される信号を加算平均化して列ごとの基準信号として用いるとしたが、遮光領域11Bに画素111を配置する行数は複数行に限られるものではなく、例えば1行であっても、当該1行の各画素から信号を繰り返して読み出するようにするとともに、各画素から繰り返して得られる信号を加算平均化して列ごとの基準信号として用いるようにしても、所期の目的を達成することができる。
In the above embodiment, the number of rows in which the pixels 111 are arranged in the
また、上記実施形態では、ADC回路19、DSP回路20、メモリ装置21およびデジタルアンプ22をチップ23の外部に配置した構成のCMOSイメージセンサ10Aに適用した場合を例に挙げて説明したが、図7に示すように、ADC回路19、DSP回路20、メモリ装置21およびデジタルアンプ22を、垂直駆動回路12、シャッタ駆動回路13、カラム信号処理回路14、水平駆動回路15、水平信号線16、アナログアンプ17およびタイミングジェネレータ18と共に、画素アレイ部11と同じチップ23上に集積してなるCMOSイメージセンサ10Bにも同様に適用可能である。
In the above-described embodiment, the case where the
さらに、上記実施形態では、CMOSイメージセンサに適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明はCMOSイメージセンサへの適用に限られるものではなく、MOS型イメージセンサに代表されるX−Yアドレス型固体撮像装置全般に適用可能である。 Furthermore, in the above-described embodiment, the case where the present invention is applied to a CMOS image sensor has been described as an example. However, the present invention is not limited to application to a CMOS image sensor, and XY represented by a MOS type image sensor. The present invention is applicable to all address type solid-state imaging devices.
本発明に係る固体撮像装置は、動画を撮影するビデオカメラや、静止画を撮影する電子スチルカメラ等、各種の映像機器の撮像デバイスとして用いることができる他、カメラ付き携帯電話などの携帯機器の撮像デバイスとしても用いることができる。 The solid-state imaging device according to the present invention can be used as an imaging device for various video devices such as a video camera that captures moving images and an electronic still camera that captures still images, and can also be used for mobile devices such as mobile phones with cameras. It can also be used as an imaging device.
10A,10B…CMOSイメージセンサ、11…画素アレイ部、11A…開口領域、11B…遮光領域、12…垂直駆動回路、13…シャッタ駆動回路、14…カラム信号処理回路、15…水平駆動回路、16…水平信号線、17…アナログアンプ、18…タイミングジェネレータ、19…ADC回路、20…DSP(デジタル信号処理)回路、21…メモリ装置、22…デジタルアンプ、23…チップ(半導体基板)、111…画素、112…垂直信号線、141……CDS回路、142…ラインメモリ
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記有効画素アレイ部の各画素と同じ画素構造を持つ画素が、遮光された状態で前記画素アレイ部の列ごとに少なくとも1行分だけ配置されてなる遮光画素アレイ部と、
前記遮光画素アレイ部の各画素に電荷が蓄積されていない状態で当該各画素から信号を読み出す駆動手段と、
前記駆動手段による駆動によって前記遮光画素アレイ部の各画素から出力される信号を基準信号として記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶されている前記基準信号を用いて、前記有効画素アレイ部の各画素から出力される信号の補正処理を行う補正手段と
を備えたことを特徴とする固体撮像装置。 Pixels including photoelectric conversion elements are two-dimensionally arranged in a matrix, and an effective pixel array unit that outputs a signal obtained by photoelectric conversion for each pixel;
A light-shielding pixel array unit in which pixels having the same pixel structure as each pixel of the effective pixel array unit are arranged in at least one row for each column of the pixel array unit in a light-shielded state;
Driving means for reading a signal from each pixel in a state in which no charge is accumulated in each pixel of the light-shielding pixel array unit;
Storage means for storing, as a reference signal, a signal output from each pixel of the light-shielding pixel array unit by driving by the driving means;
A solid-state imaging device comprising: a correction unit that performs a correction process on a signal output from each pixel of the effective pixel array unit using the reference signal stored in the storage unit.
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 2. The solid according to claim 1, wherein the driving unit reads out a signal from each pixel of the light-shielding pixel array unit after sweeping out charge accumulated in a photoelectric conversion element of each pixel of the light-shielding pixel array unit. Imaging device.
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the driving unit reads a signal from each pixel in a state where each pixel of the light-shielding pixel array unit is reset.
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 An average value calculating means for obtaining an average value of a signal obtained from each pixel of the light-shielding pixel array portion and a signal stored in the storage means and storing the average value in the storage means is provided. The solid-state imaging device according to claim 1.
前記平均値演算手段は、前記複数行分の各画素から得られる信号の平均値を列ごとに求める
ことを特徴とする請求項4記載の固体撮像装置。 In the shading pixel array portion, pixels are arranged for a plurality of rows,
The solid-state imaging device according to claim 4, wherein the average value calculation unit obtains an average value of signals obtained from the pixels of the plurality of rows for each column.
前記平均値演算手段は、前記1行分の各画素から繰り返し得られる信号の平均値を列ごとに求める
ことを特徴とする請求項4記載の固体撮像装置。 In the light-shielding pixel array portion, only one row of pixels is arranged,
The solid-state imaging device according to claim 4, wherein the average value calculation unit obtains an average value of signals repeatedly obtained from the pixels for one row for each column.
前記有効画素アレイ部の各画素と同じ画素構造を持つ画素が、遮光された状態で前記画素アレイ部の列ごとに少なくとも1行分だけ配置されてなる遮光画素アレイ部とを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
前記遮光画素アレイ部の各画素に電荷が蓄積されていない状態で当該各画素から信号を読み出す第1ステップと、
前記第1ステップでの駆動によって前記遮光画素アレイ部の各画素から出力される信号を基準信号として保持する第2ステップと、
前記第2ステップで保持した前記基準信号を用いて、前記有効画素アレイ部の各画素から出力される信号の補正処理を行う第3ステップと
を有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。 Pixels including photoelectric conversion elements are two-dimensionally arranged in a matrix, and an effective pixel array unit that outputs a signal obtained by photoelectric conversion for each pixel;
A solid-state imaging device comprising: a light-shielded pixel array unit in which pixels having the same pixel structure as each pixel of the effective pixel array unit are arranged in a state of being shielded from light by at least one row for each column of the pixel array unit Driving method,
A first step of reading a signal from each pixel in a state in which no charge is accumulated in each pixel of the light-shielding pixel array unit;
A second step of holding, as a reference signal, a signal output from each pixel of the light-shielding pixel array unit by driving in the first step;
And a third step of performing a correction process on a signal output from each pixel of the effective pixel array unit using the reference signal held in the second step.
ことを特徴とする請求項7記載の固体撮像装置の駆動方法。 8. The signal is read out from each pixel of the light-shielding pixel array unit after sweeping out charge accumulated in the photoelectric conversion elements of the pixels of the light-shielding pixel array unit in the first step. A driving method of a solid-state imaging device.
ことを特徴とする請求項7記載の固体撮像装置の駆動方法。 The solid-state imaging device driving method according to claim 7, wherein in the first step, a signal is read from each pixel in a state where each pixel of the light-shielding pixel array unit is reset.
ことを特徴とする請求項7記載の固体撮像装置の駆動方法。 A fourth step of obtaining an average value of a signal obtained from each pixel of the light-shielding pixel array unit and a signal held in the second step and setting the average value as a signal held in the second step; The method for driving a solid-state imaging device according to claim 7.
前記第4ステップでは、前記複数行分の各画素から得られる信号の平均値を列ごとに求める
ことを特徴とする請求項10記載の固体撮像装置の駆動方法。 In the shading pixel array portion, pixels are arranged for a plurality of rows,
The method of driving a solid-state imaging device according to claim 10, wherein in the fourth step, an average value of signals obtained from the pixels of the plurality of rows is obtained for each column.
前記第4ステップでは、前記1行分の各画素から繰り返し得られる信号の平均値を列ごとに求める
ことを特徴とする請求項10記載の固体撮像装置の駆動方法。
In the light-shielding pixel array portion, only one row of pixels is arranged,
The solid-state imaging device driving method according to claim 10, wherein, in the fourth step, an average value of signals repeatedly obtained from the pixels of the one row is obtained for each column.
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