JP2008028517A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 画素のメモリ手段で発生する暗電流及びそれに起因するショットノイズを最小限に抑え、画質を向上させた固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 光電変換手段１とメモリ手段２と転送手段３とリセット手段４と排出手段５と読み出し手段６とを有する画素７を２次元状に配列した画素部と、画素部の出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器32と、Ａ／Ｄ変換器からの信号を格納するフレームメモリ34とＡ／Ｄ変換器からの信号及びフレームメモリからの信号を加算する加算器35とを有するノイズ抑圧手段33と、同一画素からの信号読み出しに際し、光電変換信号がメモリ手段に転送された後の画素の第１の信号レベルが読み出されるタイミングと、メモリ手段をリセットしたときの画素の第２の信号レベルが読み出されるタイミングとが１フレーム期間分異なるように制御するコントローラ36とで固体撮像装置を構成する。
【選択図】 図４

Description

この発明は、固定パターンノイズを抑圧し高画質を可能にしたＭＯＳ型撮像素子を用いた固体撮像装置に関する。

一般に、ＭＯＳ型撮像素子においては、画素の暗電流成分あるいは画素を構成する増幅トランジスタのばらつきによる固定パターンノイズ（ＦＰＮ）が発生する。この固定パターンノイズを抑圧する手法としては、従来より種々の手法が提案されているが、例えば、ＣＱ出版社発行「ＣＣＤ／ＣＭＯＳイメージ・センサの基礎と応用」（第 193頁〜第 194頁）には、図16に示すように、遮光された状態のＣＭＯＳイメージセンサ101 からの信号をＡ／Ｄ変換器102 でＡ／Ｄ変換し、フレームバッファ103 に基準信号として記憶させておき、次に露光蓄積されたＣＭＯＳイメージセンサから出力される画像信号から、フレームバッファ103 に記憶されている基準信号を減算器104 で差し引くことで、固定パターンノイズを除去抑圧する手法が示されている。

また、ＭＯＳ型撮像素子の読み出し手法としては、通常のＸＹアドレス読み出し手法の他に、全画素の露光期間を揃える一括シャッター（グローバルシャッターとも称される）方式の読み出し手法が知られている。
「ＣＣＤ／ＣＭＯＳイメージ・センサの基礎と応用」ＣＱ出版社発行、第 193頁〜第 194頁

ところで、一括シャッター読み出し方式を用いているＭＯＳ型撮像素子において、上記文献開示のフレームバッファ方式のＦＰＮ抑圧手法を用いると、フレームバッファ方式における基準信号の単純な差し引きによっては、画質上に問題が生じ、画素構成をはじめ読み出し駆動手法やメモリ制御手法に工夫を施す必要がある。

本発明は、従来の一括シャッター読み出し方式を用いたＭＯＳ型撮像素子のＦＰＮ抑圧方式における上記問題点を解消するためになされたもので、高精度で効率的なＦＰＮの抑圧を可能とし高画質が得られる固体撮像装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、光電変換手段と、前記光電変換手段の光電変換信号を記憶するメモリ手段と、前記光電変換信号を前記メモリ手段に転送する転送手段と、前記メモリ手段をリセットするリセット手段と、前記光電変換手段に蓄積された光電変換信号を排出する排出手段と、前記メモリ手段の光電変換信号を読み出すための読み出し手段とを有する画素が２次元的に配列された画素部と、前記画素部から出力される画素に係る信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器からの信号を格納するフレームメモリと、前記フレームメモリからの出力と前記Ａ／Ｄ変換器からの信号を加算する加算器とを有し、前記Ａ／Ｄ変換器からの信号のノイズを抑圧するノイズ抑圧手段と、前記画素部の同一画素からの信号の読み出しに際し、前記転送手段により前記光電変換信号が前記メモリ手段に転送された後の前記画素の第１の信号レベルが読み出されるタイミングと、前記リセット手段により前記メモリ手段をリセットしたときの前記画素の第２の信号レベルの読み出されるタイミングとが１フレーム期間分異なるように制御するコントローラとを有して固体撮像装置を構成するものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る固体撮像装置において、前記コントローラは、前記光電変換手段に蓄積された光電変換信号を全画素一括で排出し次いで排出動作を停止して露光期間を開始する制御と、前記メモリ手段を１ライン又は複数ライン毎に順次リセットして１フレーム分のリセットレベルを読み出して前記ノイズ抑圧手段に入力する制御と、前記リセットレベルの読み出し終了後前記光電変換手段に蓄積された光電変換信号を前記メモリ手段に全画素一括で転送し露光を終了する制御と、前記メモリ手段から１ライン又は複数ライン毎に１フレーム分の信号レベルを順次読み出し前記ノイズ抑圧手段に入力する制御とを有していることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項２に係る固体撮像装置において、前記コントローラは、露光期間が１フレーム分のリセットレベルを読み出す期間より短い場合においては、リセットレベルの読み出し中に前記光電変換変換手段に蓄積された光電変換信号の排出動作を停止させて露光を開始し、露光期間が１フレーム分のリセットレベルを読み出す期間より長い場合においては、リセットレベルの読み出し前に前記光電変換手段に蓄積された光電変換信号の排出動作を停止させて露光を開始することを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項２又は３に係る固体撮像装置において、前記コントローラは、前記１フレーム分のリセットレベルの読み出しの開始を、前記光電変換手段に蓄積された光電変換信号を前記メモリ手段に全画素一括転送する時点の略１フレーム期間前に開始することを特徴とするものである。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか１項に係る固体撮像装置において、前記コントローラは、前記メモリ手段を１ライン又は複数ライン毎に順次リセットして１フレーム分のリセット直後のリセットレベルを読み出した後、前記メモリ手段を１ライン又は複数ライン毎にリセットしてから１フレーム期間経過後のリセットレベルを１フレーム分読み出す第１の読み出しモードと、前記メモリ手段を１ライン又は複数ライン毎に順次リセットして１フレーム分のリセット直後のリセットレベルを読み出した後、前記光電変換手段に蓄積された光電変換信号を前記メモリ手段に全画素一括転送を行い、１ライン又は複数ライン毎に１フレーム分の信号レベルを順次読み出す第２の読み出しモードとを切り換え可能に有していることを特徴とするものである。

請求項６に係る発明は、請求項５に係る固体撮像装置において、前記コントローラは、前記第１の読み出しモード動作を１回又は複数回行った後に前記第２の読み出しモード動作を行うことを特徴とするものである。

請求項７に係る発明は、請求項５に係る固体撮像装置において、前記コントローラは、前記第２の読み出しモード動作を行った後に前記第１の読み出しモード動作を１回又は複数回行うことを特徴とするものである。

請求項８に係る発明は、請求項５に係る固体撮像装置において、前記コントローラは、前記第１の読み出しモード動作を１回又は複数回行った後に前記第２の読み出しモード動作を行い、更に前記第１の読み出しモード動作を１回又は複数回行うことを特徴とするものである。

請求項９に係る発明は、請求項６〜８のいずれか１項に係る固体撮像装置において、前記ノイズ抑圧手段は、前記第１の読み出しモード動作により読み出された１フレーム期間経過後のリセットレベルからリセット直後のリセットレベルをディジタル領域で減算してノイズ信号を検出し、前記第２の読み出しモード動作により読み出された信号レベルからリセット直後のリセットレベルをディジタル領域で減算して光信号を検出し、前記第１の読み出しモード動作で得られる複数回のノイズ信号の平均化処理を行った後、前記第２の読み出しモード動作で得られる光信号から前記平均化処理を行ったノイズ信号をディジタル領域で減算することを特徴とするものである。

請求項10に係る発明は、請求項６〜８のいずれか１項に係る固体撮像装置において、前記第２の読み出しモード動作は複数回行うことを特徴とするものである。

請求項11に係る発明は、請求項５〜10のいずれか１項に係る固体撮像装置において、前記画素部と前記Ａ／Ｄ変換器の間にアナログ領域のゲイン可変手段を更に備え、前記第１の読み出しモード動作及び前記第２の読み出しモード動作により読み出されたリセットレベル又は信号レベルに対してアナログ領域のゲイン処理を行うことを特徴とするものである。

請求項12に係る発明は、請求項11に係る固体撮像装置において、前記ゲイン可変手段は、前記第１の読み出しモード動作により読み出されたリセットレベルに対するゲインを、前記第２の読み出しモード動作により読み出されたリセットレベル及び信号レベルに対するゲインより高く設定することを特徴とするものである。

請求項13に係る発明は、請求項11又は12に係る固体撮像装置において、前記ゲイン可変手段は、前記第１の読み出しモード動作により読み出されたリセットレベルに対するゲインと前記第２の読み出しモード動作により読み出されたリセットレベル及び信号レベルに対するゲインとを異ならせて設定したときは、前記ノイズ抑圧手段はディジタル領域での光信号とノイズ信号との減算処理の前に、ゲイン差を補正することを特徴とするものである。

請求項14に係る発明は、請求項５〜13のいずれか１項に係る固体撮像装置において、２段階のシャッターレリーズ手段を更に有し、前記コントローラは、前記シャッターレリーズ手段の１段目のシャッターレリーズ動作時に第１の読み出しモード動作を１回又は複数回行い、２段目のシャッターレリーズ動作時に排出動作を停止すると共に第２の読み出しモード動作を１回又は複数回行うことを特徴とするものである。

請求項15に係る発明は、請求項７又は８に係る固体撮像装置において、シャッターレリーズ手段を更に有し、前記コントローラは、前記第２の読み出しモード動作を行った後、前記第１の読み出しモード動作を１回又は複数回行っている最中にシャッターレリーズ動作が行われたときは、一旦前記第１の読み出しモード動作を中断して、排出動作を停止すると共に前記第２の読み出しモード動作を１回又は複数回行い、再び前記第１の読み出しモード動作を１回又は複数回行うことを特徴とするものである。

請求項16に係る発明は、請求項５〜15のいずれか１項に係る固体撮像装置において、前記ノイズ抑圧手段は、前記第１の読み出しモード動作により読み出された１フレーム期間経過後のリセットレベルからリセット直後のリセットレベルをディジタル領域で減算してノイズ信号を検出して、このノイズ信号をフレームメモリに記憶しておくと共に、その後に取得したノイズ信号と前記フレームメモリに記憶されているノイズ信号に各々重み付けを行い、その演算結果を新規にフレームメモリに記憶し、光信号を検出したときに、該光信号から前記フレームメモリに記憶されている信号をディジタル領域で減算することを特徴とするものである。

請求項17に係る発明は、請求項16に係る固体撮像装置において、前記ノイズ抑圧手段は、前記重み付けを、温度や経過時間により可変することを特徴とするものである。

請求項18に係る発明は、請求項５〜17のいずれか１項に係る固体撮像装置において、前記コントローラは、前記第１の読み出しモードの動作回数を、温度、連写モード、画質モード、ユーザの任意設定により可変することを特徴とするものである。

本発明によれば、全画素が同時に露光開始と露光終了をさせることができ、これにより画像歪みを発生させることなく、画素部のリセット雑音及び固定パターンノイズをディジタル領域で除去することができ、また画素部の同一画素からの信号読み出しに際し、転送手段により光電変換信号がメモリ手段に転送された後の画素の第１の信号レベルが読み出されるタイミングと、リセット手段によりメモリ手段をリセットしたときの画素の第２の信号レベルの読み出されるタイミングとが１フレーム期間分異なるように制御するようにしているので、メモリ手段のリセット動作から読み出しまでの時間を最短にすることができ、メモリ手段で発生する暗電流及びそれに起因するショットノイズを最小限に抑えることが可能となり、画質を向上させることができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

（実施例１）
まず、本発明に係る固体撮像装置の実施例１について説明する。図１は、実施例１に係る固体撮像装置の構成を示す概略ブロック図である。。図１において、１はフォトダイオード等の光電変換手段で、所定時間光を受けて光電荷を蓄積して光電変換する。２は光電変換手段１の光電荷を保持するためのメモリ手段、３は光電変換手段１の光電荷を転送する転送手段、４はメモリ手段２を電源電位にリセットするリセット手段、５は光電変換手段１を電源電位にリセットする排出手段、６はメモリ手段２の電荷を読み出すための読み出し手段、７は上記各手段で構成される単位画素で、２次元的に複数配列して画素部を構成している。なお、図示例では２×２の４画素部分のみを示している。

30は垂直回路であり、画素部の行毎に転送手段３，リセット手段４，排出手段５及び読み出し手段６のオン及びオフを制御する転送制御信号φＴＸ１，リセット制御信号φＲＥＳ(n) ，排出制御信号φＴＸ２及び読み出し制御信号φＳＥＬ(n) を各々出力する。なお、φＲＥＳ(n) 及びφＳＥＬ(n) の添え字ｎは、行位置を表す。

31は水平回路であり、信号を読み出す画素列を選択してその画素列に係る画素の信号を出力する。32は水平回路31を介して各画素の読み出し手段６から読み出された信号をＡ／Ｄ変換するためのＡ／Ｄ変換器、33はノイズ抑圧手段であり、水平回路31から出力された画素の信号のノイズを抑圧するもので、Ａ／Ｄ変換器32でＡ／Ｄ変換された信号を記憶するためのフレームメモリ34と減算を行うための加算器35とで構成されている。36は垂直回路30，水平回路31，ノイズ抑圧回路33，及びその他の回路に対して、その動作を制御する信号を印加するコントローラであり、外部から印加される外部設定信号に応じた制御を行うように構成されている。

次に、図２に示すタイミングチャートを参照して、図１に示した実施例１に係る固体撮像装置の動作について説明する。図２に示すように、まず１行目の画素のリセット手段４をリセット制御信号φＲＥＳ(1) によりオンにすることで、１行目のメモリ手段２を電源電位にリセットする。次に、リセット手段４をオフにした後、読み出し制御信号φＳＥＬ(1) により読み出し手段６を用いてリセット直後の電位を読み出す。読み出された１行分のリセットレベルは、Ａ／Ｄ変換器32によりＡ／Ｄ変換される。Ａ／Ｄ変換された１行分のリセットレベルは、フレームメモリ34に格納される。この動作は順次全行について行われ、最終行のリセット信号をフレームメモリ34に格納した時点で動作は終了する。なお、ここでは、６行目を最終行として示している。

この動作中と同時期に、排出制御信号φＴＸ２をＨレベルからＬレベルとすることにより排出手段５を全画素一括してオフにすることで、全画素の露光が開始される。所定の露光期間を得た後、全画素一括転送のタイミングにおいて、転送制御信号φＴＸ１により転送手段３を全画素同時にオンすることにより、光電変換手段１に蓄積された光電荷を一括してメモリ手段２に転送する。すなわち露光を終了させる。露光が終了すると、次いで、１行目から順に読み出し制御信号φＳＥＬ(n) による読み出し手段６を用いて信号レベルを読み出す。読み出された１行分の信号レベルは、Ａ／Ｄ変換器32によりＡ／Ｄ変換される。

次に、先に記憶したフレームメモリ34より１行目のリセットレベルを読み出しながら、加算器35で１行目の信号レベルより１行目のリセットレベルを減算する。この動作は時系列的に全画素について行われ、最終行の信号レベルから最終行のリセットレベルを減算した時点で終了する。このような実施例１の構成と動作により、全画素が同時に露光を開始し、露光を終了することで画像歪が発生することなく、画素部のリセット（ＫＴＣ）雑音及び固定パターン雑音をディジタル領域で除去することが可能となる。なお、図２のタイミングチャートに示した上記動作においては、メモリ手段のリセット動作、メモリ手段からの信号読み出し動作等は１ライン毎に行うようにしたものを示しているが、複数ライン毎に行うようにしてもよい。

次に、図３のタイミングチャートを用いて露光期間が１フレーム期間より長い場合の動作について説明する。図２に示したタイミングチャートにおいては、１行目から最終行までのリセットレベルの読み出し中と同時期に、排出手段５を全画素一括してオフにすることで全画素の露光を開始するようにした動作について説明したが、図３に示すタイミングチャートにおいては、まず排出手段５を全画素一括でオフにした後に、１行目から時系列的にリセットレベルを読み出すようにしている点が、図２のタイミングチャートに示した動作と異なる点である。その他の動作については、図２のタイミングチャートで示した動作と同一である。

このような動作により、図２のタイミングチャートで示した動作をさせた場合の効果に加え、露光期間をフレームレート期間以上に長くすることもでき、特に長時間露光などに適切である。

次に、図４のタイミングチャートを用いてリセットレベルの読み出し開始条件について説明する。図４に示すタイミングチャートにおいては、リセットレベルの読み出し開始を、全画素一括の転送動作の略１フレーム期間前に行うようにしている。これにより、図２及び図３のタイミングチャートで示した動作をさせた場合の効果に加え、メモリ手段２のリセット動作から読み出しまでの時間を最短にすることができ、当該部分で発生する暗電流及びそれに起因するショットノイズを最小限に抑えることが可能となり、画質が向上する。

（実施例２）
次に、本発明に係る固体撮像装置の実施例２について説明する。図５は、実施例２に係る固体撮像装置のノイズ抑圧手段の構成を示す概略ブロック図である。実施例１に係るノイズ抑圧手段との相違は、加算器35の出力に対して取得画像の平均化処理を行うための平均化処理部37，及び信号レベルから平均化処理を行った画像を減算するための加算器38を追加した点である。なお、その他の構成自体は実施例１と同じである。

次に、図６に示すタイミングチャートを参照して、実施例２において行われる動作について説明する。まず図６における、第１の読み出しモード動作について説明する。この第１の読み出しモードにおいては、まず１行目の画素のリセット手段４をオンにすることで１行目のメモリ手段２を電源電位にリセットする。次に、リセット手段４をオフにした後、読み出し手段６を用いてリセット直後の電位を読み出す。読み出された１行分のリセットレベルはＡ／Ｄ変換器32によりＡ／Ｄ変換される。Ａ／Ｄ変換された１行分のリセットレベルは、フレームメモリ34に格納される。この動作は全行について順次行われ、最終行のリセット信号をフレームメモリ34に格納した時点で、この動作は終了する。

その後、上記リセット動作から１フレーム期間経過後のリセットレベルを、１行目から順に読み出し手段６を用いて読み出す。読み出された１行分のリセットから1 フレーム期間経過後のリセットレベルは、Ａ／Ｄ変換器32によりＡ／Ｄ変換される。

次に、先に記憶したフレームメモリ34より１行目のリセット直後のリセットレベルを読み出しながら、１行目の１フレーム期間経過後のリセットレベルより上記１行目のリセット直後のリセットレベルを加算器35で減算する。この動作は時系列的に全画素について行われ、最終行の１フレーム期間経過後のリセットレベルから最終行のリセット直後のリセットレベルを減算した時点で終了し、第１の読み出しモードによる読み出し動作が終了する。

次に、図６における、第２の読み出しモード動作について説明する。この第２の読み出しモードにおいては、まず１行目の画素のリセット手段４をオンにすることで１行目のメモリ手段２を電源電位にリセットする。次に、リセット手段４をオフにした後、読み出し手段６を用いてリセット直後の電位を読み出す。読み出された１行分のリセットレベルは、Ａ／Ｄ変換器32によりＡ／Ｄ変換される。Ａ／Ｄ変換された１行分のリセットレベルはフレームメモリ34に格納される。この動作は全行について順次行われ、最終行のリセット信号をフレームメモリに格納した時点で、この動作は終了する。

次いで、所定の露光期間を得た後、全画素一括転送のタイミングにおいて、転送手段３を全画素同時にオンすることにより、光電変換手段１に蓄積された光電荷を一括してメモリ手段２に転送する。すなわち露光期間の終了となる。露光期間が終了すると、次は１行目から順に読み出し手段６を用いて信号レベルを読み出す。読み出された１行分の信号レベルは、Ａ／Ｄ変換器32によりＡ／Ｄ変換される。

次に、先に記憶したフレームメモリ34より１行目のリセット直後のリセットレベルを読み出しながら、加算器35で１行目の信号レベルより上記１行目のリセット直後のリセットレベルを減算する。この動作は時系列的に全画素について行われ、最終行の信号レベルから最終行のリセット直後のリセットレベルを減算した時点で終了し、第２の読み出しモードの動作が終了する。

図６に示したタイミングチャートにおいては、第１の読み出しモード動作を４回、第２の読み出しモード動作を１回行っている態様を示している。１回目の第１の読み出しモード動作により、
・図６の（１）に示す処理（メモリ手段の順次リセット及びリセットレベルの読み出し）による画像には、画素部のリセット（ＫＴＣ）雑音及び固定パターン雑音が含まれる。
・（２）の処理（１フレーム期間経過後のリセットレベルの読み出し）による画像には、画素部のリセット（ＫＴＣ）雑音及び固定パターン雑音に加え、メモリ手段２で発生する暗電流成分及びそれに起因するショットノイズ成分が含まれる。
・ここで、（１）と（２）の処理による画素部のリセット（ＫＴＣ）雑音及び固定パターン雑音には相関がある。
・（２）−（１）の減算処理により、画素部のリセット（ＫＴＣ）雑音及び固定パターン雑音がディジタル領域で除去され、固定パターン雑音成分であるメモリ手段２の暗電流成分及びランダムノイズ成分である暗電流に起因するショットノイズが残留するノイズ信号を取得できる。

２回目から３回目の第１の読み出しモードについても同様に駆動し、
・（４）−（３），（６）−（５），（８）−（７）の減算処理により、同様に画素部のリセット（ＫＴＣ）雑音及び固定パターン雑音がディジタル領域で除去され、固定パターン雑音成分であるメモリ部の暗電流成分及びランダムノイズ成分である暗電流に起因するショットノイズを取得できる。

次に、第２の読み出しモード動作により、
・図６の（９）に示す処理（メモリ手段の順次リセット及びリセットレベルの読み出し）による画像には、画素部のリセット（ＫＴＣ）雑音及び固定パターン雑音が含まれる。
・（10）に示す処理（信号レベルの順次読み出し）による画像には、画素部のリセット（ＫＴＣ）雑音及び固定パターン雑音に加え、メモリ手段２で発生する暗電流成分及びそれに起因するショットノイズ成分、所定の露光期間による光信号が含まれる。
・ここで、（９）と（10）の処理による画素部のリセット（ＫＴＣ）雑音及び固定パターン雑音には相関がある。
・（10）−（９）の減算処理により、画素部のリセット（ＫＴＣ）雑音及び固定パターン雑音がディジタル領域で除去され、固定パターン雑音成分であるメモリ部の暗電流成分及びランダムノイズ成分である暗電流に起因するショットノイズが残留する光信号を取得できる。

次いで、平均化処理部37において、
（２）−（１），（４）−（３），（６）−（５），（８）−（７）の各減算処理による４個のノイズ信号を、加算平均等の処理を行うことで、ノイズ信号のランダムノイズ成分であるメモリ手段２の暗電流に起因するショットノイズが抑圧されるた平均化ノイズ信号が得られる。

次いで、（10）−（９）の減算処理で得られた光信号から、上記平均化したノイズ信号を減算することで、光信号に残留するメモリ手段２の暗電流成分による固定パターン雑音が除去され、また減算によるノイズ信号のランダムノイズ成分の影響を小さくすることができるので、高画質な画像を得ることができる。また、実施例２における図６に示すこの動作例は、比較的露光時間が長い場合に非常に有効で、画素動作が露光期間中にメモリ手段２の暗電流成分を効率的に取得することができ、この固体撮像装置をカメラとした場合のトータルの撮影間隔を非常に短縮することができ適切である。また上記図６の動作例においては、第１の読み出しモード動作を４回としたものを示したが、この第１の読み出しモードの実行回数が何回でもかまわないのは言うまでもない。なお、この第１の読み出しモード動作の実行回数は、温度、連写モード、画質モードにより、更にはユーザの任意の設定により変えられるように構成するのが好適である。

次に、図７に示すタイミングチャートを用いて実施例２における他の動作例（駆動例）について説明する。図６に示した動作例との相違点は、図６に示した動作例においては先に第１の読み出しモードによる動作を複数回行い、その後第２の読み出しモードによる動作を１回行ったものを示したが、図７に示す動作例においては、第１の読み出しモードによる動作を複数回行い、その後第２の読み出しモードによる動作を１回行い、再び第１の読み出しモードによる動作を行っている点である。具体的には、露光期間が図６に示した動作例よりも短い場合（数フレーム分）に、第１の読み出しモード動作によるノイズ信号を、その露光期間内に取得できる数だけメモリ等に記憶しておき、第２の読み出しモードによる動作を１回行った後、所定回数に満たない不足している追加の第１の読み出しモードによる動作を行うようにしている。

これにより、高画質は維持したまま、シャッターレリーズラグを最小限にすると共に、トータルの撮影間隔を最短にできるように駆動することができる。この図７に示す動作例の場合は、中間で行われる第２の読み出しモード動作で得られる光信号を一時的に記憶しておくフレームメモリ等が必要になるが、本発明の骨子とは異なるためその説明を割愛する。

次に、図８に示すタイミングチャートを用いて実施例２における更に他の動作例について説明する。図６に示した動作例との相違点は、図６に示した動作例においては先に第１の読み出しモードによる動作を複数回行い、その後第２の読み出しモードによる動作を１回行ったものを示したが、図８に示す動作例においては、第２の読み出しモードによる動作を１回行い、その後第１の読み出しモードによる動作を複数回行っている点である。具体的には、露光期間が図６に示した動作例よりも非常に短い場合、第１の読み出しモード動作を先に行うと、シャッターレリーズラグが長くなってしまうので、まず第２の読み出しモード動作を先に行い、その後に第１の読み出しモード動作を必要な回数行うようにしている。

この動作例（駆動モード）の場合も、図７に示した動作例と同様に、高画質を維持したまま、シャッターレリーズラグを最小限にでき、トータルの撮影間隔を最短にした上で、高速シャッターにも対応できる。また、この動作例の場合も、同様に、第２の読み出しモード動作で得られる光信号を一時的に記憶しておくフレームメモリ等が必要になるが、本発明の骨子とは異なるためその説明を割愛する。

次に、図９に示すタイミングチャートを用いて実施例２の更に他の動作例について説明する。図６〜図８に示した動作例との相違は、第２の読み出しモード動作を複数回行うようにしている点である。この動作例の場合は、特に、高速連写モードのときに有効で、１回目の第２の読み出しモード動作から次の第２の読み出しモード動作までの時間を短くできるので、高画質を維持したまま高速連写に対応することができる。ここで、第２の読み出しモード動作の実行回数は２回に限られるわけではなく、何回でもかまわないのはいうまでもないし、第１の読み出しモード動作を、その前、前後、後ろのどこの時点で行ってもかまわない。

次に、図10に示すタイミングチャートを用いて実施例２の更に他の動作例について説明する。一般的に静止画カメラには、２段階のシャッターレリーズ機構を備えているものが多い。その場合、シャッター半押し（１段目のレリーズ）において、ＡＦ等の処理を行い、シャッター全押し（２段目のレリーズ）により本撮影に入る方式が一般的である。図10に示すタイミングチャートにおいて、外部トリガー１が１段目のレリーズ、外部トリガー２が２段目のレリーズに相当する。ここで示す動作例のタイミングでは、外部トリガー１を受けて第１の読み出しモード動作に入り、外部トリガー２を受けて第２の読み出しモード動作に入る。

これにより、露光期間が短い場合（高速シャッター）でも事前にノイズ信号を取得することができ、高速シャッター時においても高画質を維持したまま高速シャッターに対応することができる。更に、次の撮影動作にもすぐに入れるので撮影間隔を最短にすることができる。ここで、図10に示すタイミングチャートにおいては、第１の読み出しモード動作を第２の読み出しモード動作の前に行っている態様を示しているが、第２の読み出しモード動作の後に、不足分の第１の読み出しモード動作を行うようにしてもかまわないのは言うまでもない。

次に、図11に示すタイミングチャートを用いて実施例２の更に他の動作例について説明する。他のタイミングチャートに示した動作例との相違は、第２の読み出しモード動作の後に第１の読み出しモード動作を複数回行っている最中に、外部から本撮影の外部トリガーが来た場合の動作が異なる点である。必要な回数の第１の読み出しモード動作を行っていると、次の撮影チャンスを逃す場合がある。この図11に示す動作例のタイミングでは、本撮影の外部トリガーを検出すると、直ちに第１の読み出しモード動作を中止し、第２の読み出しモード動作を行った後、再び不足分の第１の読み出しモード動作を行うようにしている。

これにより、任意のタイミングでシャッターを切ることができ、高画質を維持したまま撮影チャンスを逃さないという利点が得られる。

（実施例３）
次に、本発明に係る固体撮像装置の実施例３について説明する。図12は、実施例３に係る固体撮像装置の構成を示す概略ブロック図である。図１に示した実施例１との相違は、単位画素７の読み出し手段６とＡ／Ｄ変換器32との間にアナログ領域でのゲイン可変手段40と、ノイズ抑圧手段33に乗算器41及び乗算器42を追加した点である。アナログ領域でのゲイン可変手段40の例としてはカラムアンプが挙げられるが、これに限られるものではない。

本実施例において、単位画素７の読み出し手段６から出力され、ゲイン可変手段40に入力される信号としては、以下の種類の信号がある。
・第１の読み出しモード動作におけるリセット直後のリセットレベル ・・・・（11）
・第１の読み出しモード動作におけるリセットから１フレーム期間経過後のリセットレベル ・・・・・・・（12）
・第２の読み出しモード動作におけるリセット直後のリセットレベル ・・・・（11）
・第２の読み出しモード動作における信号レベル ・・・・・・・（13）
（11）による画像には、画素部のリセット（ＫＴＣ）雑音及び固定パターン雑音が含まれる。
（12）による画像には、画素部のリセット（ＫＴＣ）雑音及び固定パターン雑音に加え、メモリ手段２で発生する暗電流成分及びそれに起因するショットノイズ成分が含まれる。（13）による画像には、画素部のリセット（ＫＴＣ）雑音及び固定パターン雑音に加え、メモリ手段２で発生する暗電流成分及びそれに起因するショットノイズ成分、並びに所定の露光期間による光信号が含まれる。これらの信号の振幅を比較すると、（11）＜（12）＜（13）となる。

一般的に、３Ｖ程度の電源電圧により装置の各回路を構成した場合は、各回路で扱える信号振幅は１Ｖ程度になる。（11）や（12）に係るリセットレベルは、非常に振幅が小さいので高いゲインをかけてもアンプの出力が飽和することはない。カラムアンプ等でゲインを上げると、それ以降のアンプ雑音やＡ／Ｄ変換器の量子化雑音が相対的に小さく見えるので、ＳＮＲを向上させることができる。

ここで、単位画素７の読み出し手段６により読み出される信号にはオフセット電圧がのっているので、そのまま高いゲインをかけることができない場合がある。一般的にはリファレンス電圧等で差分をとる手法もあるが、本発明の骨子とは異なるため、ここでは説明を割愛する。上記実施例３において、例えば第１の読み出しモード動作において、リセット直後のリセットレベルを、ゲイン可変手段40において係数αで増幅しフレームメモリ34に記憶し、リセットから１フレーム期間経過後のリセットレベルを、ゲイン可変手段40において係数βで増幅したと仮定する。

このままでは減算ができないので、乗算器41の係数ａと乗算器42の係数ｂを、ａ：ｂ＝β：αとすることで、ノイズ信号のＳＮＲを向上させることができる。また第２の読み出しモード動作においては、リセット直後のリセットレベルを、ゲイン可変手段40において係数γで増幅しフレームメモリ34に記憶し、信号レベルを、ゲイン可変手段40において係数δで増幅したと仮定する。このままでは減算ができないので、乗算器41の係数ａと乗算器42の係数ｂを、ａ：ｂ＝δ：γとすることで、光信号のＳＮＲを向上させることができる。ここで、信号振幅が小さいものに高いゲインをかけることで最大の効果を得ることができる。

（実施例４）
次に、実施例４について説明する。図13は、実施例４に係る固体撮像装置のノイズ抑圧手段の構成を示す概略ブロック図である。図12に示した実施例３のノイズ抑圧手段との相違は、乗算器43，乗算器44，加算器35の出力に取得画像の平均化処理を行うための平均化処理部37，及び信号レベルから平均化処理を行った画像を減算するための加算器38を追加した点であり、その他の構成は実施例３と同じである。図12に示した実施例３で述べたように、第１の読み出しモード動作において、リセット直後のリセットレベルを、ゲイン可変手段40において係数αで増幅しフレームメモリ34に記憶し、リセットから１フレーム期間経過後のリセットレベルを、ゲイン可変手段40において係数βで増幅し、乗算器41の係数ａと乗算器42の係数ｂを、ａ：ｂ＝β：αとして、ノイズ信号を検出し、第２の読み出しモード動作において、リセット直後のリセットレベルを、ゲイン可変手段40において係数γで増幅しフレームメモリ34に記憶し、信号レベルを、ゲイン可変手段40において係数δで増幅し、乗算器41の係数ａと乗算器42の係数ｂを、ａ：ｂ＝δ：γとして光信号を検出する。

このとき、ノイズ信号は次のように表される。
（12）×β×α−（11）×α×β
また、光信号は次のように表される。
（13）×δ×γ−（11）×γ×δ
その後、ノイズ信号は平均化処理部37において、ランダムノイズ成分が抑圧され、乗算器43の係数ｃと乗算器44の係数ｄを、ｃ：ｄ＝γ×δ：α×βとすることで、それ以降のアンプ雑音やＡ／Ｄ変換器の量子化雑音を最小限にすることができ、更なる高画質化を実現することができる。

（実施例５）
次に、実施例５について説明する。図14は、実施例５に係る固体撮像装置のノイズ抑圧手段の構成を示す概略ブロック図である。図５に示した実施例２のノイズ抑圧手段との相違は、平均化処理部37の代わりに、乗算器45，加算器46，乗算器47，フレームメモリ48を追加した点であり、その他の構成は実施例２あるいは実施例３と同様である。ここで、乗算器45，加算器46，乗算器47，フレームメモリ48は、ノイズ信号のランダムノイズ成分を抑圧しつつ、画素のメモリ手段２で発生する固定パターン雑音を検出する手段である。フレームメモリ48には、光信号に残留するメモリ手段２の暗電流成分による固定パターン雑音を抑圧するためのノイズ信号が格納される。

次に、このように構成されているノイズ抑圧手段33の動作について説明する。乗算器45は、ある時刻に得られる最新のノイズ成分に対する重み付けを行う乗算器である。その重み付け係数ｅ＝１／εで、ゲイン可変手段40における係数εが大きいほど重み付けが小さくなり、最新のノイズ成分の影響を受けにくくなる。これに合わせて乗算器47の係数ｆは、係数ｆ＝（ε−１）／εになる。ここで、（ｅ＋ｆ）は常に１になるように係数ｅ，ｆが設定される。また、重み付け係数は、温度や経過時間により可変させられるように構成する。例えば、電源投入時の最新のノイズ信号を読み出す際に、ε＝１とすると、ｅ＝１，ｆ＝０となり、最新のノイズ信号がそのままフレームメモリ48に格納される。

次に、重み付け係数ｅを変化させた場合について述べる。ε＝８とすると、ｅ＝１／８，ｆ＝７／８となる。最新のノイズ信号に対して係数ｅが乗算され、フレームメモリ48から同時期に読み出されるノイズ信号に係数ｆが乗算される。加算器46において、ｅ＋ｆ＝１になるように加算される。以上のように動作させることで、必要以上にノイズ信号を取得することなく、ノイズ信号のランダムノイズ成分を低減することができ、ノイズ信号に含まれる固定パターンノイズ成分を常に必要な時に読み出すことができる。よって、最小限のノイズ信号の取得で、温度変化等による画素のメモリ手段２の暗電流成分に常に追従し、常にランダムノイズ成分の少ないノイズ信号を読み出すことができる。

これにより、撮影間隔が最短になり、連写速度が向上し、先に述べた高画質化処理についても同等の効果が得られる。ここで、ディジタル回路で構成されるノイズ抑圧手段33のビット精度等は本発明の骨子と異なるので説明を割愛するが、実際の回路構成では、精度を確保するために種々の回路が追加される。

（実施例６）
次に、実施例６について説明する。図15は、実施例６に係る固体撮像装置におけるノイズ抑圧手段の構成を示す概略ブロック図である。本実施例６に係るノイズ抑圧手段は、図13に示した実施例４に係るノイズ抑圧手段と図14に示した実施例５に係るノイズ抑圧手段との組み合わせ構成のものである。この構成により、アンプ雑音やＡ／Ｄ変換器の量子化雑音が相対的に小さく見えるのでＳＮＲを向上させることができ、最小限のノイズ信号の取得で、温度変化等によるメモリ部の暗電流成分に常に追従し、常にランダムノイズ成分の少ないノイズ信号を読み出すことができ、撮影間隔が最短になり、連写速度が向上し、低消費電力化にも寄与し、先に述べた高画質化処理についても同等の効果が得られる。

なお、上記各実施例においては、水平回路31からの出力に対し、Ａ／Ｄ変換器32にてＡ／Ｄ変換するようにしているが、水平回路31内にカラム毎に対応させてＡ／Ｄ変換する構成としても同等の効果が得られることは言うまでもない。

本発明に係る固体撮像装置の実施例１の構成を示す概略ブロック図である。 図１に示した実施例１における動作を説明するためのタイミングチャートである。 図１に示した実施例１において、露光期間が１フレーム期間より長い場合の動作を説明するためのタイミングチャートである。 図１に示した実施例１において、リセットレベルの読み出し開始条件を説明するためのタイミングチャートである。 実施例２に係る固体撮像装置におけるノイズ抑圧手段の構成を示す概略ブロック図である。 図２に示した実施例２における動作例を説明するためのタイミングチャートである。 図２に示した実施例２における他の動作例を説明するためのタイミングチャートである。 図２に示した実施例２における更に他の動作例を説明するためのタイミングチャートである。 図２に示した実施例２における更に他の動作例を説明するためのタイミングチャートである。 図２に示した実施例２における更に他の動作例を説明するためのタイミングチャートである。 図２に示した実施例２における更に他の動作例を説明するためのタイミングチャートである。 実施例３に係る固体撮像装置の構成を示す概略ブロック図である。 実施例４に係る固体撮像装置におけるノイズ抑圧手段の構成を示す概略ブロック図である。 実施例５に係る固体撮像装置におけるノイズ抑圧手段の構成を示す概略ブロック図である。 実施例６に係る固体撮像装置におけるノイズ抑圧手段の構成を示す概略ブロック図である。 従来のＭＯＳ型撮像素子における固定パターンノイズを抑圧する手法を示すブロック図である。

符号の説明

１ 光電変換手段
２ メモリ手段
３ 転送手段
４ リセット手段
５ 排出手段
６ 読み出し手段
７ 単位画素
30 垂直回路
31 水平回路
33 ノイズ抑圧手段
34，48 フレームメモリ
35，38，46 加算器
36 コントローラ
37 平均化処理部
40 ゲイン可変手段
41，42，43，44，45，47 乗算器

Claims (18)

1. 光電変換手段と、前記光電変換手段の光電変換信号を記憶するメモリ手段と、前記光電変換信号を前記メモリ手段に転送する転送手段と、前記メモリ手段をリセットするリセット手段と、前記光電変換手段に蓄積された光電変換信号を排出する排出手段と、前記メモリ手段の光電変換信号を読み出すための読み出し手段とを有する画素が２次元的に配列された画素部と、
   前記画素部から出力される画素に係る信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、 前記Ａ／Ｄ変換器からの信号を格納するフレームメモリと、前記フレームメモリからの出力と前記Ａ／Ｄ変換器からの信号を加算する加算器とを有し、前記Ａ／Ｄ変換器からの信号のノイズを抑圧するノイズ抑圧手段と、
   前記画素部の同一画素からの信号の読み出しに際し、前記転送手段により前記光電変換信号が前記メモリ手段に転送された後の前記画素の第１の信号レベルが読み出されるタイミングと、前記リセット手段により前記メモリ手段をリセットしたときの前記画素の第２の信号レベルの読み出されるタイミングとが１フレーム期間分異なるように制御するコントローラとを有する固体撮像装置。
2. 前記コントローラは、前記光電変換手段に蓄積された光電変換信号を全画素一括で排出し次いで排出動作を停止して露光期間を開始する制御と、
   前記メモリ手段を１ライン又は複数ライン毎に順次リセットして１フレーム分のリセットレベルを読み出して前記ノイズ抑圧手段に入力する制御と、
   前記リセットレベルの読み出し終了後前記光電変換手段に蓄積された光電変換信号を前記メモリ手段に全画素一括で転送し露光を終了する制御と、
   前記メモリ手段から１ライン又は複数ライン毎に１フレーム分の信号レベルを順次読み出し前記ノイズ抑圧手段に入力する制御とを有していることを特徴とする請求項１に係る固体撮像装置。
3. 前記コントローラは、露光期間が１フレーム分のリセットレベルを読み出す期間より短い場合においては、リセットレベルの読み出し中に前記光電変換変換手段に蓄積された光電変換信号の排出動作を停止させて露光を開始し、露光期間が１フレーム分のリセットレベルを読み出す期間より長い場合においては、リセットレベルの読み出し前に前記光電変換手段に蓄積された光電変換信号の排出動作を停止させて露光を開始することを特徴とする請求項２に係る固体撮像装置。
4. 前記コントローラは、前記１フレーム分のリセットレベルの読み出しの開始を、前記光電変換手段に蓄積された光電変換信号を前記メモリ手段に全画素一括転送する時点の略１フレーム期間前に開始することを特徴とする請求項２又は３に係る固体撮像装置。
5. 前記コントローラは、前記メモリ手段を１ライン又は複数ライン毎に順次リセットして１フレーム分のリセット直後のリセットレベルを読み出した後、前記メモリ手段を１ライン又は複数ライン毎にリセットしてから１フレーム期間経過後のリセットレベルを１フレーム分読み出す第１の読み出しモードと、
   前記メモリ手段を１ライン又は複数ライン毎に順次リセットして１フレーム分のリセット直後のリセットレベルを読み出した後、前記光電変換手段に蓄積された光電変換信号を前記メモリ手段に全画素一括転送を行い、１ライン又は複数ライン毎に１フレーム分の信号レベルを順次読み出す第２の読み出しモードとを切り換え可能に有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に係る固体撮像装置。
6. 前記コントローラは、前記第１の読み出しモード動作を１回又は複数回行った後に前記第２の読み出しモード動作を行うことを特徴とする請求項５に係る固体撮像装置。
7. 前記コントローラは、前記第２の読み出しモード動作を行った後に前記第１の読み出しモード動作を１回又は複数回行うことを特徴とする請求項５に係る固体撮像装置。
8. 前記コントローラは、前記第１の読み出しモード動作を１回又は複数回行った後に前記第２の読み出しモード動作を行い、更に前記第１の読み出しモード動作を１回又は複数回行うことを特徴とする請求項５に係る固体撮像装置。
9. 前記ノイズ抑圧手段は、前記第１の読み出しモード動作により読み出された１フレーム期間経過後のリセットレベルからリセット直後のリセットレベルをディジタル領域で減算してノイズ信号を検出し、前記第２の読み出しモード動作により読み出された信号レベルからリセット直後のリセットレベルをディジタル領域で減算して光信号を検出し、前記第１の読み出しモード動作で得られる複数回のノイズ信号の平均化処理を行った後、前記第２の読み出しモード動作で得られる光信号から前記平均化処理を行ったノイズ信号をディジタル領域で減算することを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に係る固体撮像装置。
10. 前記第２の読み出しモード動作は複数回行うことを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に係る固体撮像装置。
11. 前記画素部と前記Ａ／Ｄ変換器の間にアナログ領域のゲイン可変手段を更に備え、前記第１の読み出しモード動作及び前記第２の読み出しモード動作により読み出されたリセットレベル又は信号レベルに対してアナログ領域のゲイン処理を行うことを特徴とする５〜10のいずれか１項に係る固体撮像装置。
12. 前記ゲイン可変手段は、前記第１の読み出しモード動作により読み出されたリセットレベルに対するゲインを、前記第２の読み出しモード動作により読み出されたリセットレベル及び信号レベルに対するゲインより高く設定することを特徴とする請求項11に係る固体撮像装置。
13. 前記ゲイン可変手段は、前記第１の読み出しモード動作により読み出されたリセットレベルに対するゲインと前記第２の読み出しモード動作により読み出されたリセットレベル及び信号レベルに対するゲインとを異ならせて設定したときは、前記ノイズ抑圧手段はディジタル領域での光信号とノイズ信号との減算処理の前に、ゲイン差を補正することを特徴とする請求項11又は12に係る固体撮像装置。
14. ２段階のシャッターレリーズ手段を更に有し、前記コントローラは、前記シャッターレリーズ手段の１段目のシャッターレリーズ動作時に第１の読み出しモード動作を１回又は複数回行い、２段目のシャッターレリーズ動作時に排出動作を停止すると共に第２の読み出しモード動作を１回又は複数回行うことを特徴とする請求項５〜13のいずれか１項に係る固体撮像装置。
15. シャッターレリーズ手段を更に有し、前記コントローラは、前記第２の読み出しモード動作を行った後、前記第１の読み出しモード動作を１回又は複数回行っている最中にシャッターレリーズ動作が行われたときは、一旦前記第１の読み出しモード動作を中断して、排出動作を停止すると共に前記第２の読み出しモード動作を１回又は複数回行い、再び前記第１の読み出しモード動作を１回又は複数回行うことを特徴とする請求項７又は８に係る固体撮像装置。
16. 前記ノイズ抑圧手段は、前記第１の読み出しモード動作により読み出された１フレーム期間経過後のリセットレベルからリセット直後のリセットレベルをディジタル領域で減算してノイズ信号を検出して、このノイズ信号をフレームメモリに記憶しておくと共に、その後に取得したノイズ信号と前記フレームメモリに記憶されているノイズ信号に各々重み付けを行い、その演算結果を新規にフレームメモリに記憶し、光信号を検出したときに、該光信号から前記フレームメモリに記憶されている信号をディジタル領域で減算することを特徴とする請求項５〜15のいずれか１項に係る固体撮像装置。
17. 前記ノイズ抑圧手段は、前記重み付けを、温度や経過時間により可変することを特徴とする請求項16に係る固体撮像装置。
18. 前記コントローラは、前記第１の読み出しモードの動作回数を、温度、連写モード、画質モード、ユーザの任意設定により可変することを特徴とする請求項５〜17のいずれか１項に係る固体撮像装置。

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