JP2011166234A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】連写撮影時において、電荷保持部の暗電流バラツキによる暗電流ノイズ成分を低減することができる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】連写撮影の最初のフレームの前の第１のフレーム及び連写撮影の最後のフレームの後の第２のフレームにおいて、蓄積期間外に光電変換部及び電荷保持部のリセットが行われ、当該リセットに基づく第１の信号が出力され、蓄積期間内に光電変換部のリセットが行われ、蓄積期間の終了時に第２の信号が出力される。画像処理回路7-5は、第１のフレームで出力された第１の信号と第２の信号との減算処理を行い、第２のフレームで出力された第１の信号と第２の信号との減算処理を行い、これらの減算処理の結果の少なくとも一方を用いて、電荷保持部の暗電流バラツキに起因するノイズ成分を低減する補正を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、画素が2次元状に配置された固体撮像装置に関する。

従来、固体撮像素子として、増幅読み出し機能を有する画素を用いたMOS型固体撮像素子が知られている。図8は、MOS型固体撮像素子の画素構成を示している。図8に示す画素100 は、フォトダイオード101、転送トランジスタ102、電荷保持部（FD：フローティングディフュージョン）103、フローティングディフュージョンリセットトランジスタ104、増幅トランジスタ105、選択トランジスタ106、フォトダイオードリセットトランジスタ107を有する。また、画素電源線110、フローティングディフュージョンリセット線111、転送線112、選択線113、垂直信号線114、フォトダイオードリセット線115は複数の画素間で共有される。

フォトダイオード101 は、蓄積される電荷量が入射される光に応じて変化する光電変換素子である。転送トランジスタ102 は、フォトダイオード101 で発生した信号電荷を電荷保持部103 に転送する（読み出す）ためのトランジスタである。電荷保持部103は、フォトダイオード101から転送された電荷を保持する電荷保持機能を有する。フローティングディフュージョンリセットトランジスタ104 は、電荷保持部103 をリセットするためのトランジスタである。増幅トランジスタ105 は、電荷保持部103 の電圧レベルを増幅して読み出すためのトランジスタである。選択トランジスタ106 は、増幅トランジスタ105の出力を出力信号として出力する特定の画素を選択し、垂直信号線114 に増幅トランジスタ105 の出力を伝えるためのトランジスタである。フォトダイオードリセットトランジスタ107は、フォトダイオード101をリセットするためのトランジスタである。ここで、フォトダイオード101 以外は遮光されている。

画素電源線110 は、電源電圧VDDを印加するための配線であり、フローティングディフュージョンリセットトランジスタ104 のドレイン側、増幅トランジスタ105 のドレイン側、及びフォトダイオードリセットトランジスタ107のドレイン側に電気的に接続されている。フローティングディフュージョンリセット線111 は、１行分の電荷保持部103をリセットするためのフローティングディフュージョンリセットパルスφRMiを印加するための配線であり、1行分のフローティングディフュージョンリセットトランジスタ104 のゲートに接続されている。

転送線112 は、1行分の画素の信号電荷をそれぞれの画素の電荷保持部103 に転送するための行転送パルスφTRiが印加される配線であり、1行分の画素の転送トランジスタ102 のゲートに電気的に接続されている。選択線113 は、1行分の画素を選択するための行選択パルスφSEiが印加される配線であり、1行分の画素の選択トランジスタ106 のゲートに電気的に接続されている。フォトダイオードリセット線115 は、1行分のフォトダイオード101をリセットするための行フォトダイオードリセットパルスφRPDiが印加される配線であり、1行分のフォトダイオードリセットトランジスタ107のゲートに接続されている。このように5個のトランジスタを用いた画素構成により、光電変換機能、フォトダイオードリセット機能、電化保持部リセット機能、増幅読み出し機能、一時メモリ機能、及び選択機能が実現される。

MOS型固体撮像素子は、このような構成の画素をm行×n列の2次元状に配列した画素アレイを有する。各行の画素の信号を1行目からm行目まで順次選択して読み出すことで全画素の信号を読み出す手法を通常のXYアドレス読み出し方式という。しかしながら、通常のXYアドレス読み出し方式においては、信号を蓄積する時刻が画素アレイの行毎に異なるため、最初に信号を読み出す第1行と、最後に信号を読み出す第m行とでは、信号を読み出す時刻が最大で1フレーム分異なる。そのため、高速に移動する物体を撮影したときに画像が歪むという問題が生じる。

上記の問題点を解決する手法として、グローバルシャッター読み出し方式（例えば、特許文献1，2参照）がある。特許文献1では、グローバルシャッター読み出し方式が採用されており、kTCノイズをキャンセルするためにリセットフレームとビデオフレームの2フレーム分の信号を取得し、各信号の差分をとる駆動が行われている。

以下、図9を参照しながら、グローバルシャッター読み出し方式の動作を説明する。図7は、所定の動作を連続して繰り返す連続駆動シーケンスのうちの一部の駆動シーケンスを取り出したタイミングチャートである。まず、全行のフォトダイオードリセットパルスφRPD1〜φRPDmに“Hi”レベルが印加される。これにより、全行のフォトダイオード101がリセットされている状態となる。

続いて、シグナルリセットフレームにおいて、行毎にフローティングディフュージョンリセットパルスφRMiに“Hi”レベルが印加され、電荷保持部103がリセットされる。続いて、行毎に行選択パルスφSEiに“Hi”レベルが印加され、リセット後の電荷保持部103の電位に基づくリセット信号が、増幅トランジスタ105及び選択トランジスタ106を通して垂直信号線114に出力される。

その後、露光期間（蓄積期間）において、フォトダイオードリセットパルスφRPD1〜φRPDmに“Lo”レベルが印加される。これにより、全行のフォトダイオード101のリセットが同時に解除され、全行の画素における蓄積が同時に開始される。一定期間が経過した後、全行の行転送パルスφTR1〜φTRmに“Hi”レベルが印加され、蓄積（露光）で生じた信号成分（光信号）が全行一括で電荷保持部103に転送される。この転送の終了後、全行のフォトダイオードリセットパルスφRPD1〜φRPDmに再び“Hi”レベルが印加される。これにより、全行の画素における蓄積が同時に終了し、露光期間が完了する。その後、シグナルビデオフレームにおいて、1行目から順に行選択パルスφSE1〜φSEmに“Hi”レベルが印加され、光信号が出力される。

以下、上記の概略タイミングを示した図10を参照しながら、シグナルリセットフレーム及びシグナルビデオフレームにおける読み出しについて説明する。図10において、φTR1〜mが図9の1行目からm行目の行転送パルスφTR1〜φTRmに対応する。φRPD1〜mが図9の1行目からm行目のフォトダイオードリセットパルスφRPD1〜φRPDmに対応する。破線20が、シグナルリセットフレームにおける電荷保持部103のリセット動作のタイミングを示している。実線21が、シグナルリセットフレームにおけるリセット信号の読み出しのタイミングを示している。実線22が、シグナルビデオフレームにおける光信号の読み出しのタイミングを示している。実線21が示すリセット信号の読み出しのタイミングから、実線22が示す光信号の読み出しタイミングまでの期間において、電荷保持部103に暗電流電荷が蓄積される。実線21，22に対応する直線の傾きが等しい、すなわちリセット信号及び光信号の読み出し速度が等しいため、電荷保持部103に蓄積される暗電流電荷は、全行で等しくなるはずである。

シグナルリセットフレームのリセット信号に含まれるノイズ成分（Noise[Reset_Frame]）は(1)式となり、シグナルビデオフレームの光信号に含まれるノイズ成分（Noise[Video_Frame]）は(2)式となる。なお、フィードスルーノイズは、電荷保持部103の容量ばらつきに依存して電荷保持部103の電位に発生するノイズ成分である。

リセット信号（Signal[Reset_Frame]）及び光信号（Signal[Video_Frame]）の取得後、(3)式に示すように各信号を減算処理することで、kTCノイズをキャンセルした画像信号が得られる。
減算処理結果：Signal[Reset_Frame] - Signal[Video_Frame] ・・・(3)

上記の減算処理結果に含まれるノイズ成分は、(4)式となる。

特開２００５−６５１８４号公報 特開２００６−２６２０７０号公報

上述した減算処理では、kTCノイズをキャンセルすることは可能だが、電荷保持部103の暗電流バラツキによる暗電流ノイズ成分は、処理後のノイズとして残ってしまう。特に、連写撮影時においては、連写撮影によるイメージセンサの温度上昇により、電荷保持部103の暗電流バラツキによる暗電流ノイズ成分が画質に悪影響を与える可能性が非常に高い。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、連写撮影時において、電荷保持部の暗電流バラツキによる暗電流ノイズ成分を低減することができる固体撮像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なされたもので、蓄積期間内に入射した光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換部と、前記光電変換部に蓄積された信号電荷をリセットする第１のリセット部と、前記光電変換部から前記信号電荷を読み出す読み出し部と、前記読み出し部を通して読み出された前記信号電荷を保持する電荷保持部と、前記電荷保持部に保持された前記信号電荷を増幅する増幅部と、前記電荷保持部に保持された前記信号電荷をリセットする第２のリセット部と、前記増幅部の出力を出力信号として出力する特定の画素を選択する選択部と、を備えた画素を２次元状に配列した画素部と、前記画素の動作を制御する制御部と、前記画素から出力されたリセット信号及び光信号の第１の減算処理を行う信号処理部と、を備え、前記制御部は、連写撮影時の各フレームにおいて、前記蓄積期間外に前記第１のリセット部及び前記第２のリセット部にリセットを行わせ、前記画素から前記リセット信号を出力させ、前記蓄積期間の開始時に所定領域の全画素の前記第１のリセット部によるリセットを同時に解除し、前記蓄積期間の終了時に前記所定領域の全画素の前記読み出し部に同時に前記信号電荷を読み出させ、前記画素から前記光信号を出力させ、連写撮影の最初のフレームの前の第１のフレーム及び連写撮影の最後のフレームの後の第２のフレームにおいて、前記蓄積期間外に前記第１のリセット部及び前記第２のリセット部にリセットを行わせ、前記画素から当該リセットに基づく第１の信号を出力させ、前記蓄積期間内に前記第１のリセット部にリセットを行わせ、前記蓄積期間の終了時に前記画素から第２の信号を出力させ、前記信号処理部は、前記第１のフレームで出力された前記第１の信号と前記第２の信号との第２の減算処理を行い、前記第２のフレームで出力された前記第１の信号と前記第２の信号との第３の減算処理を行い、前記第２の減算処理及び前記第３の減算処理の結果の少なくとも一方を用いて、前記第１の減算処理の結果に含まれる、前記電荷保持部の暗電流バラツキに起因するノイズ成分を低減する補正を行うことを特徴とする固体撮像装置である。

また、本発明の固体撮像装置において、前記信号処理部は、固体撮像装置に設けた温度センサが検出した温度に基づいて、連写撮影時の各フレームの温度変化を関数化し、連写撮影中の各フレームにおける前記ノイズ成分の変化分を前記温度変化の関数から求め、前記第２の減算処理の結果及び前記第３の減算処理の結果の少なくとも一方と前記ノイズ成分の変化分とを用いて、前記第１の減算処理の結果に含まれる前記ノイズ成分を低減する補正を行うことを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置において、前記信号処理部は、前記第２の減算処理の結果と前記第３の減算処理の結果との第４の減算処理の結果を連写撮影の総フレーム数に応じて等分することにより１フレーム当たりの前記ノイズ成分の変化分を求め、前記第２の減算処理の結果及び前記第３の減算処理の結果の少なくとも一方と前記ノイズ成分の変化分とを用いて、前記第１の減算処理の結果に含まれる前記ノイズ成分を低減する補正を行うことを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置において、前記信号処理部は、固体撮像装置に設けた温度センサが検出した温度を閾値と比較した結果に基づいて、前記第２の減算処理の結果及び前記第３の減算処理の結果のいずれかを選択し、選択した減算処理の結果を用いて、前記第１の減算処理の結果に含まれる前記ノイズ成分を低減する補正を行うことを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置において、前記信号処理部は、連写撮影中のフレーム数を閾値と比較した結果に基づいて、前記第２の減算処理の結果及び前記第３の減算処理の結果のいずれかを選択し、選択した減算処理の結果を用いて、前記第１の減算処理の結果に含まれる前記ノイズ成分を低減する補正を行うことを特徴とする。

本発明によれば、第１のフレーム及び第２のフレームでは蓄積期間外及び蓄積期間内の両方で第１のリセット部によるリセットが行われているため、第２の減算処理の結果及び第３の減算処理の結果には、電荷保持部の暗電流バラツキによる暗電流ノイズ成分が含まれているが、光電変換部に係るショットノイズ等のノイズ成分は低減されている。したがって、第２の減算処理及び第３の減算処理の結果の少なくとも一方を用いて第１の減算処理の結果を補正することによって、連写撮影時において、電荷保持部の暗電流バラツキによる暗電流ノイズ成分を低減することができる。

本発明の第1の実施形態によるカメラシステムの構成を示すブロック図である。 本発明の第1の実施形態による固体撮像素子の構成を示すブロック図である。 本発明の第1の実施形態による固体撮像素子の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。 本発明の第1の実施形態による固体撮像素子の信号読み出しタイミングを示すタイミングチャートである。 本発明の第1の実施形態におけるフレーム数とチップ温度の関係を示すグラフである。 本発明の第2の実施形態によるカメラシステムの構成を示すブロック図である。 本発明の第3の実施形態によるカメラシステムの構成を示すブロック図である。 画素の構成を示す回路図である。 固体撮像素子の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。 固体撮像素子の信号読み出しタイミングを示すタイミングチャートである。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。なお、固体撮像素子の構成として、単一の画素が4行4列に配列された構成を示しているが、行数及び列数に関わらず、下記の例を実施することは可能である。

（第1の実施形態）
まず、本発明の第1の実施形態を説明する。図1は、本実施形態による固体撮像素子を有するデジタルカメラ（カメラシステム）の構成を示している。図1に示すデジタルカメラ7-1aは、レンズ7-2、メカニカルシャッタ7-3、イメージセンサ7-4、画像処理回路7-5、メモリ7-6、記録装置7-7、レンズ制御装置7-8、シャッタ駆動装置7-9、イメージャ駆動装置7-10、カメラ制御装置7-11、表示装置7-12、及び温度センサ7-13から構成されている。

レンズ7-2は被写体像をイメージセンサ7-4に結像する。イメージセンサ7-4は固体撮像素子である。画像処理回路7-5は、イメージセンサ7-4から出力された画像信号に対して補正や圧縮等の各種処理を行う。また、画像処理回路7-5は、連写撮影におけるフレーム（シグナルフレーム）の数（連写枚数）をカウントするカウンタ7-5aを有している。

メモリ7-6は画像信号を一時的に記憶する。記録装置7-7は、画像処理回路7-5によって処理された画像信号を記録媒体に記録する。レンズ制御装置7-8は、レンズ7-2のズーム、フォーカス、絞り等を制御する。シャッタ駆動装置7-9は、メカニカルシャッタ7-3の駆動を制御する。イメージャ駆動装置7-10は、イメージセンサ7-4の駆動を制御する。カメラ制御装置7-11は、デジタルカメラ7-1の全体を制御する。表示装置7-12は、画像信号に基づく画像を表示する。温度センサ7-13は、例えばイメージセンサ7-4の表面あるいは内部に設けられており、イメージセンサ7-4のチップ温度を計測し、計測結果を示す信号を出力する。

図2は、本実施形態による固体撮像素子の構成を示している。図2に示す固体撮像素子は、画素部200、垂直走査回路300、水平信号読み出し回路400、電流源150、及び各種配線から構成されている。

画素部200は、図8に示す画素100を複数行及び複数列の2次元状に配列した構造を有している。垂直走査回路300は行単位で画素の駆動制御を行う。この駆動制御のために、垂直走査回路300は、フローティングディフュージョンリセットパルスφRMi、行転送パルスφTRi、フォトダイオードリセットパルスφRPDi、行選択パルスφSEiを行毎に独立して制御することのできる制御回路を備えている。これらの各パルスにより選択的に制御された行の画素の信号は、列毎に設けられている垂直信号線114へ出力されるようになっている。

水平信号読み出し回路400は、垂直信号線114に出力される1行分の画素の信号を、水平方向の並び順で時系列に出力端子410から出力する。電流源150は、垂直信号線114に接続されており、バイアス電流を供給する。フローティングディフュージョンリセット線111 は、フローティングディフュージョンリセットパルスφRMiが印加される配線である。転送線112 は、行転送パルスφTRiが印加される配線である。選択線113 は、行選択パルスφSEiが印加される配線である。フォトダイオードリセット線115 は、フォトダイオードリセットパルスφRPDiが印加される配線である。なお、画素電源を供給する画素電源線110は図示していない。

次に、本実施形態における駆動シーケンスを説明する。図3に示すように、連写撮影期間に相当するシグナルフレームの前後に、フローティングディフュージョン暗電流参照フレーム（フローティングディフュージョン暗電流参照フレームFirst、フローティングディフュージョン暗電流参照フレームLast）が設けられている。

図3において、φTR1〜mが1行目からm行目の行転送パルスφTR1〜φTRmに対応する。φRPD1〜mが1行目からm行目のフォトダイオードリセットパルスφRPD1〜φRPDmに対応する。フローティングディフュージョン暗電流参照フレームFirst及びフローティングディフュージョン暗電流参照フレームLastは、フローティングディフュージョンリセットフレームと、所定の長さの待機期間（蓄積期間）と、フローティングディフュージョンビデオフレームとで構成される。シグナルフレームは、シグナルリセットフレームと、所定の長さの露光期間（蓄積期間）と、シグナルビデオフレームとで構成される。

破線10が、フローティングディフュージョンリセットフレーム及びシグナルリセットフレームにおける電荷保持部103のリセット動作のタイミングを示している。実線11が、フローティングディフュージョンリセットフレーム及びシグナルリセットフレームにおけるリセット信号の読み出しのタイミングを示している。実線12が、フローティングディフュージョンビデオフレーム及びシグナルビデオフレームにおける暗電流信号及び光信号の読み出しのタイミングを示している。なお、フローティングディフュージョンビデオフレームで取得される信号を、他の信号と区別するために便宜的に暗電流信号と呼ぶ。実線11が示すリセット信号の読み出しのタイミングから、実線12が示す暗電流信号又は光信号の読み出しタイミングまでの期間において、電荷保持部103に暗電流電荷が蓄積される。

図4は、図3のフローティングディフュージョン暗電流参照フレームFirst及び最初のシグナルフレームにおける詳細な駆動シーケンスを示している。まず、垂直走査回路300は全行のフォトダイオードリセットパルスφRPD1〜φRPDmに“Hi”レベルを印加し、全行のフォトダイオード101をリセット状態とする。続いて、フローティングディフュージョンリセットフレームにおいて、垂直走査回路300は行毎にフローティングディフュージョンリセットパルスφRMiに“Hi”レベルを印加し、各行の電荷保持部103を順次リセットする。

さらに、垂直走査回路300は行毎に行選択パルスφSEiに“Hi”レベルを印加する。これにより、リセット後の電荷保持部103の電位に基づくリセット信号が、増幅トランジスタ105及び選択トランジスタ106を通して垂直信号線114に出力され、水平信号読み出し回路400を通して出力される。全行のリセット信号が出力された後、フローティングディフュージョン暗電流参照フレームとシグナルフレームで電荷保持部103に蓄積される暗電流ノイズ成分を同じにするために、露光期間と同じ時間だけの待機期間が設けられている。

待機期間の終了後、フローティングディフュージョンビデオフレームにおいて、垂直走査回路300は行毎に行選択パルスφSEiに“Hi”レベルを印加する。これにより、電荷保持部103に蓄積された暗電流信号が、増幅トランジスタ105及び選択トランジスタ106を通して垂直信号線114に出力され、水平信号読み出し回路400を通して出力される。全行の暗電流信号が出力されると、フローティングディフュージョン暗電流参照フレームFirstが終了する。

この後のシグナルフレームでの駆動タイミングについては、図9と同様のため、説明を省略する。なお、各シグナルフレームでは、温度センサ7-13がチップ温度を計測する。最後のシグナルフレームの終了後のフローティングディフュージョン暗電流参照フレームLastにおいても、上記と同様な駆動により暗電流信号が出力される。上記の駆動と並行して、カウンタ7-5aは各シグナルフレームで1ずつカウントアップする。

図4に示す駆動をまとめると以下のようになる。連写撮影時の各シグナルフレームにおいて、垂直走査回路300からの各種パルスにより、露光期間の開始前にフォトダイオード101及び電荷保持部103のリセットが行われ、画素100からリセット信号が出力される。また、垂直走査回路300からの各種パルスにより、露光期間の開始時に所定領域の全画素のフォトダイオードのリセットが同時に解除され、露光期間の終了時に所定領域の全画素の信号電荷がフォトダイオード101から同時に読み出され、信号電荷に基づく光信号が画素100から順次出力される。

また、フローティングディフュージョン暗電流参照フレームFirst及びフローティングディフュージョン暗電流参照フレームLastにおいて、垂直走査回路300からの各種パルスにより、待機期間の開始前にフォトダイオード101及び電荷保持部103のリセットが行われ、画素100からリセット信号が出力される。また、垂直走査回路300からの各種パルスにより、待機期間中はフォトダイオードのリセットが継続し、待機期間の終了時に暗電流信号が画素100から順次出力される。画素100から出力されたリセット信号、光信号、及び暗電流信号はメモリ7-6に一時記憶される。

フローティングディフュージョン暗電流参照フレームLastが終了すると、画像処理回路7-5は、連写撮影時の各シグナルフレームに対応するフレーム数と各シグナルフレームにおけるチップ温度とを関連付け、各シグナルフレームの温度変化を関数化する。図5は、フレーム数に対する温度変化を示している。図5のX軸はフレーム数であり、Y軸はチップ温度である。図5に示すように、連写撮影が進行してフレーム数が増加するに従ってチップ温度は増加しており、フレーム数と温度変化は、ある関数で規定できる。画像処理回路7-5は、図5の関係を近似する関数Y=f(X)を算出する。

近似関数を算出するため、画像処理回路7-5は、フローティングディフュージョン暗電流参照フレームFirst及びフローティングディフュージョン暗電流参照フレームLastのそれぞれに関して、リセット信号及び暗電流信号の差分を算出する。この算出結果は、リセット信号が読み出されてから暗電流信号が読み出されるまでに電荷保持部103に蓄積される暗電流ノイズ成分（暗電流増加分）を示す。画像処理回路7-5は、各フレームの暗電流増加分を示す関数を以下のようにして算出する。

暗電流増加分を示す関数は、図5に示す関数Y=f(X)を用いて、y=α×f(x)+βと表すことができる。フローティングディフュージョン暗電流参照フレームFirstの暗電流増加分をa、フローティングディフュージョン暗電流参照フレームLastの暗電流増加分をbとする。また、最初及び最後のシグナルフレームの暗電流増加分を近似的にa、bとすると以下の(5)式及び(6)式からα及びβを算出することができる。ただし、最後のシグナルフレームに対応するフレーム数をNとする。
a = α×1 + β ・・・(5)
b = α×N + β ・・・(6)

上記の関数を用いることにより、各シグナルフレームにおける暗電流増加分を求めることができる。画像処理回路7-5は、最初のシグナルフレームのリセット信号（Signal[Reset_Frame]）及び光信号（Signal[Video_Frame]）と、フローティングディフュージョン暗電流参照フレームFirstのリセット信号（Signal[FD_Reset_Frame_First]）及び暗電流信号（Signal[FD_Video_Frame_First]）とを用いて、以下の(7)式に示す減算処理を行う。
減算処理結果：（Signal[Reset_Frame] - Signal[Video_Frame]）
- （Signal[FD_Reset_Frame_First] - Signal[FD_Video_Frame_First]） ・・・(7)

最初のシグナルフレームのリセット信号に含まれるノイズ成分（Noise[Reset_Frame]）は(8)式となり、光信号に含まれるノイズ成分（Noise[Video_Frame]）は(9)式となる。また、フローティングディフュージョン暗電流参照フレームFirstのリセット信号に含まれるノイズ成分（Noise[FD_Reset_Frame_First]）は(10)式となり、フローティングディフュージョン暗電流参照フレームFirstの暗電流信号に含まれるノイズ成分（Noise[FD_Video_Frame_First]）は(11)式となる。

(8)式〜(11)式における記号は(1)式及び(2)式における記号と同様である。(7)式の減算処理結果に含まれるノイズ成分は、(12)式となる。

(12)式が示すように、電荷保持部103の暗電流バラツキによる暗電流ノイズ成分（Ｎ^２ _ＦＤｖ）をキャンセルすることができる。

画像処理回路7-5は、2フレーム目以降のシグナルフレームのリセット信号（Signal[Reset_Frame]）及び光信号（Signal[Video_Frame]）と、フローティングディフュージョン暗電流参照フレームFirstのリセット信号（Signal[FD_Reset_Frame_First]）及び暗電流信号（Signal[FD_Video_Frame_First]）と、各シグナルフレームにおける暗電流増加分とを用いて、以下の(13)式に示す減算処理を行う。
減算処理結果：（Signal[Reset_Frame] - Signal[Video_Frame]）
- （Signal[FD_Reset_Frame_First] - Signal[FD_Video_Frame_First] + 各シグナルフレームにおける暗電流増加分） ・・・(13)

(13)式が示すように、減算処理の際に、各シグナルフレームで増加する暗電流ノイズ成分（Signal[FD_Reset_Frame_First]- Signal[FD_Video_Frame_First]）に対して、チップ温度の上昇に応じた暗電流増加分を加算することによって、各シグナルフレームで増加する暗電流ノイズ成分をより正確に求めることができ、減算処理結果に含まれる暗電流ノイズ成分を低減することができる。また、本実施形態では、最初のシグナルフレームの前及び最後のシグナルフレームの後に1つずつフローティングディフュージョン暗電流参照フレームが用意されているため、余分にフローティングディフュージョン暗電流参照フレームを挿入することがなく、連写撮影のフレームレートの低下を防止することができる。

（第2の実施形態）
次に、本発明の第2の実施形態を説明する。図6は、本実施形態によるカメラシステムの構成を示している。図6に示すデジタルカメラ7-1bは、図1に示すデジタルカメラ7-1aから温度センサ7-13を除いたものである。他の構成については、デジタルカメラ7-1aの構成と同様である。

連写駆動シーケンスは図3及び図4に示すシーケンスと同様であるので、説明を省略する。第1の実施形態では、フレーム数とチップ温度の関係を求めて、各シグナルフレームにおける暗電流増加分を近似する関数を求めているが、第2の実施形態では、フレーム数と暗電流増加分の関係が線形であるものとして、各シグナルフレームにおける暗電流増加分を求める。

画像処理回路7-5は、フローティングディフュージョン暗電流参照フレームFirst及びフローティングディフュージョン暗電流参照フレームLastのそれぞれに関して、リセット信号及び暗電流信号の差分を算出することで、暗電流増加分を算出する。フローティングディフュージョン暗電流参照フレームFirstの暗電流増加分をa、フローティングディフュージョン暗電流参照フレームLastの暗電流増加分をbとする。また、最初及び最後のシグナルフレームの暗電流増加分を近似的にa、bとし、シグナルフレームの総数をNとすると、暗電流増加分は1フレーム毎に平均して（b - a）/N増加する。この増加分を暗電流平均増加分とする。

画像処理回路7-5は、最初のシグナルフレームのリセット信号（Signal[Reset_Frame]）及び光信号（Signal[Video_Frame]）と、フローティングディフュージョン暗電流参照フレームFirstのリセット信号（Signal[FD_Reset_Frame_First]）及び暗電流信号（Signal[FD_Video_Frame_First]）とを用いて、以下の(14)式に示す減算処理を行う。
減算処理結果：（Signal[Reset_Frame] - Signal[Video_Frame]）
- （Signal[FD_Reset_Frame_First] - Signal[FD_Video_Frame_First]） ・・・(14)

また、画像処理回路7-5は、2フレーム目以降のn（1＜n≦N）フレーム目のシグナルフレームのリセット信号（Signal[Reset_Frame]）及び光信号（Signal[Video_Frame]）と、フローティングディフュージョン暗電流参照フレームFirstのリセット信号（Signal[FD_Reset_Frame_First]）及び暗電流信号（Signal[FD_Video_Frame_First]）と、暗電流平均増加分とを用いて、以下の(15)式に示す減算処理を行う。
減算処理結果：（Signal[Reset_Frame] - Signal[Video_Frame]）
- （Signal[FD_Reset_Frame_First] - Signal[FD_Video_Frame_First] + 暗電流平均増加分×（n - 1）） ・・・(15)

上記により、減算処理結果に含まれる暗電流ノイズ成分を低減することができる。また、第1の実施形態と比較して、簡易な演算で暗電流増加分を算出することができる。

（第3の実施形態）
次に、本発明の第3の実施形態を説明する。図7は、本実施形態によるカメラシステムの構成を示している。図7に示すデジタルカメラ7-1cは、図1に示すデジタルカメラ7-1aからカウンタ7-5aを除いたものである。他の構成については、デジタルカメラ7-1aの構成と同様である。

連写駆動シーケンスは図3及び図4に示すシーケンスと同様であるので、説明を省略する。第1の実施形態では、フレーム数とチップ温度の関係を求めて、各シグナルフレームにおける暗電流増加分を近似する関数を求めているが、第3の実施形態では、各シグナルフレームのチップ温度に応じて、フローティングディフュージョン暗電流参照フレームFirst及びフローティングディフュージョン暗電流参照フレームLastのいずれかの暗電流増加分を減算処理に用いる。

画像処理回路7-5は、フローティングディフュージョン暗電流参照フレームFirst及びフローティングディフュージョン暗電流参照フレームLastのそれぞれに関して、リセット信号及び暗電流信号の差分を算出することで、暗電流増加分を算出する。

また、シグナルフレームの減算処理を行う際に画像処理回路7-5は各シグナルフレームのチップ温度を所定の閾値と比較し、その比較結果に応じて以下の減算処理を行う。チップ温度が閾値未満である場合、各シグナルフレームの暗電流増加分として、近似的にフローティングディフュージョン暗電流参照フレームFirstの暗電流増加分を用いる。すなわち、画像処理回路7-5は、シグナルフレームのリセット信号（Signal[Reset_Frame]）及び光信号（Signal[Video_Frame]）と、フローティングディフュージョン暗電流参照フレームFirstのリセット信号（Signal[FD_Reset_Frame_First]）及び暗電流信号（Signal[FD_Video_Frame_First]）とを用いて、以下の(16)式に示す減算処理を行う。
減算処理結果：（Signal[Reset_Frame] - Signal[Video_Frame]）
- （Signal[FD_Reset_Frame_First] - Signal[FD_Video_Frame_First]） ・・・(16)

チップ温度が閾値以上である場合、各シグナルフレームの暗電流増加分として、近似的にフローティングディフュージョン暗電流参照フレームLastの暗電流増加分を用いる。すなわち、画像処理回路7-5は、シグナルフレームのリセット信号（Signal[Reset_Frame]）及び光信号（Signal[Video_Frame]）と、フローティングディフュージョン暗電流参照フレームLastのリセット信号（Signal[FD_Reset_Frame_Last]）及び暗電流信号（Signal[FD_Video_Frame_Last]）とを用いて、以下の(17)式に示す減算処理を行う。
減算処理結果：（Signal[Reset_Frame] - Signal[Video_Frame]）
- （Signal[FD_Reset_Frame_Last] - Signal[FD_Video_Frame_Last]） ・・・(17)

上記により、減算処理結果に含まれる暗電流ノイズ成分を低減することができる。また、第1の実施形態と比較して、簡易な演算で暗電流増加分を算出することができる。なお、チップ温度の閾値は、任意に変更が可能である。

（第4の実施形態）
次に、本発明の第4の実施形態を説明する。本実施形態によるカメラシステムの構成は、図6に示すデジタルカメラ7-1bの構成と同様である。

連写駆動シーケンスは図3及び図4に示すシーケンスと同様であるので、説明を省略する。第1の実施形態では、フレーム数とチップ温度の関係を求めて、各シグナルフレームにおける暗電流増加分を近似する関数を求めているが、第3の実施形態では、各シグナルフレームのフレーム数に応じて、フローティングディフュージョン暗電流参照フレームFirst及びフローティングディフュージョン暗電流参照フレームLastのいずれかの暗電流増加分を減算処理に用いる。

画像処理回路7-5は、フローティングディフュージョン暗電流参照フレームFirst及びフローティングディフュージョン暗電流参照フレームLastのそれぞれに関して、リセット信号及び暗電流信号の差分を算出することで、暗電流増加分を算出する。

また、シグナルフレームの減算処理を行う際に画像処理回路7-5は、各シグナルフレームに対応するフレーム数を（最大フレーム数/2）と比較し、その比較結果に応じて以下の減算処理を行う。最大フレーム数は、最後のシグナルフレームに対応するフレーム数、すなわちシグナルフレームの総フレーム数である。

フレーム数が（最大フレーム数/2）未満である場合、各シグナルフレームの暗電流増加分として、近似的にフローティングディフュージョン暗電流参照フレームFirstの暗電流増加分を用いる。すなわち、画像処理回路7-5は、シグナルフレームのリセット信号（Signal[Reset_Frame]）及び光信号（Signal[Video_Frame]）と、フローティングディフュージョン暗電流参照フレームFirstのリセット信号（Signal[FD_Reset_Frame_First]）及び暗電流信号（Signal[FD_Video_Frame_First]）とを用いて、以下の(18)式に示す減算処理を行う。
減算処理結果：（Signal[Reset_Frame] - Signal[Video_Frame]）
- （Signal[FD_Reset_Frame_First] - Signal[FD_Video_Frame_First]） ・・・(18)

フレーム数が（最大フレーム数/2）以上である場合、各シグナルフレームの暗電流増加分として、近似的にフローティングディフュージョン暗電流参照フレームLastの暗電流増加分を用いる。すなわち、画像処理回路7-5は、シグナルフレームのリセット信号（Signal[Reset_Frame]）及び光信号（Signal[Video_Frame]）と、フローティングディフュージョン暗電流参照フレームLastのリセット信号（Signal[FD_Reset_Frame_Last]）及び暗電流信号（Signal[FD_Video_Frame_Last]）とを用いて、以下の(19)式に示す減算処理を行う。
減算処理結果：（Signal[Reset_Frame] - Signal[Video_Frame]）
- （Signal[FD_Reset_Frame_Last] - Signal[FD_Video_Frame_Last]） ・・・(19)

上記により、減算処理結果に含まれる暗電流ノイズ成分を低減することができる。また、第1の実施形態と比較して、簡易な演算で暗電流増加分を算出することができる。なお、フレーム数の閾値を（最大フレーム数/2）としているが、任意に変更が可能である。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

7-1a，7-1b，7-1c・・・デジタルカメラ（固体撮像装置）、7-4・・・イメージセンサ、7-5・・・画像処理回路（信号処理部）、7-5a・・・カウンタ、7-13・・・温度センサ、100・・・画素、101・・・フォトダイオード（光電変換部）、102・・・転送トランジスタ（読み出し部）、103・・・電荷保持部、104・・・フローティングディフュージョンリセットトランジスタ（第２のリセット部）、105・・・増幅トランジスタ（増幅部）、106・・・選択トランジスタ（選択部）、107・・・フォトダイオードリセットトランジスタ（第１のリセット部）、150・・・電流源、200・・・画素部、300・・・垂直走査回路（制御部）、400・・・水平信号読み出し回路

Claims (5)

1. 蓄積期間内に入射した光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換部と、
   前記光電変換部に蓄積された信号電荷をリセットする第１のリセット部と、
   前記光電変換部から前記信号電荷を読み出す読み出し部と、
   前記読み出し部を通して読み出された前記信号電荷を保持する電荷保持部と、
   前記電荷保持部に保持された前記信号電荷を増幅する増幅部と、
   前記電荷保持部に保持された前記信号電荷をリセットする第２のリセット部と、
   前記増幅部の出力を出力信号として出力する特定の画素を選択する選択部と、
   を備えた画素を２次元状に配列した画素部と、
   前記画素の動作を制御する制御部と、
   前記画素から出力されたリセット信号及び光信号の第１の減算処理を行う信号処理部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   連写撮影時の各フレームにおいて、前記蓄積期間外に前記第１のリセット部及び前記第２のリセット部にリセットを行わせ、前記画素から前記リセット信号を出力させ、前記蓄積期間の開始時に所定領域の全画素の前記第１のリセット部によるリセットを同時に解除し、前記蓄積期間の終了時に前記所定領域の全画素の前記読み出し部に同時に前記信号電荷を読み出させ、前記画素から前記光信号を出力させ、
   連写撮影の最初のフレームの前の第１のフレーム及び連写撮影の最後のフレームの後の第２のフレームにおいて、前記蓄積期間外に前記第１のリセット部及び前記第２のリセット部にリセットを行わせ、前記画素から当該リセットに基づく第１の信号を出力させ、前記蓄積期間内に前記第１のリセット部にリセットを行わせ、前記蓄積期間の終了時に前記画素から第２の信号を出力させ、
   前記信号処理部は、前記第１のフレームで出力された前記第１の信号と前記第２の信号との第２の減算処理を行い、前記第２のフレームで出力された前記第１の信号と前記第２の信号との第３の減算処理を行い、前記第２の減算処理及び前記第３の減算処理の結果の少なくとも一方を用いて、前記第１の減算処理の結果に含まれる、前記電荷保持部の暗電流バラツキに起因するノイズ成分を低減する補正を行う
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記信号処理部は、固体撮像装置に設けた温度センサが検出した温度に基づいて、連写撮影時の各フレームの温度変化を関数化し、連写撮影中の各フレームにおける前記ノイズ成分の変化分を前記温度変化の関数から求め、前記第２の減算処理の結果及び前記第３の減算処理の結果の少なくとも一方と前記ノイズ成分の変化分とを用いて、前記第１の減算処理の結果に含まれる前記ノイズ成分を低減する補正を行うことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記信号処理部は、前記第２の減算処理の結果と前記第３の減算処理の結果との第４の減算処理の結果を連写撮影の総フレーム数に応じて等分することにより１フレーム当たりの前記ノイズ成分の変化分を求め、前記第２の減算処理の結果及び前記第３の減算処理の結果の少なくとも一方と前記ノイズ成分の変化分とを用いて、前記第１の減算処理の結果に含まれる前記ノイズ成分を低減する補正を行うことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記信号処理部は、固体撮像装置に設けた温度センサが検出した温度を閾値と比較した結果に基づいて、前記第２の減算処理の結果及び前記第３の減算処理の結果のいずれかを選択し、選択した減算処理の結果を用いて、前記第１の減算処理の結果に含まれる前記ノイズ成分を低減する補正を行うことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
5. 前記信号処理部は、連写撮影中のフレーム数を閾値と比較した結果に基づいて、前記第２の減算処理の結果及び前記第３の減算処理の結果のいずれかを選択し、選択した減算処理の結果を用いて、前記第１の減算処理の結果に含まれる前記ノイズ成分を低減する補正を行うことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。

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