JP2014175692A - 信号処理装置、固体撮像装置、電子機器、信号処理方法、およびプログラム - Google Patents

信号処理装置、固体撮像装置、電子機器、信号処理方法、およびプログラム Download PDF

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Abstract

【課題】ノイズを低減する処理に適した信号を取得する。
【解決手段】抽出部は、画素が有するフォトダイオードから転送される電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョンがリセットされた第１の状態（Ｐ相）と、フォトダイオードで発生した電荷がフローティングディフュージョンに蓄積されている第２の状態（Ｄ相）とのうちの、少なくとも一方の状態の信号レベルのサンプリングが複数回行われることにより得られる複数のサンプリング値の変化量を抽出するする。そして、比較部は、抽出部により抽出された変化量と所定の基準値とを比較し、その比較結果に基づいて、後段のCDS処理部に出力する信号を切り替える。本技術は、例えば、CMOSイメージセンサを有する撮像装置に適用できる。
【選択図】図４

Description

本開示は、信号処理装置、固体撮像装置、電子機器、信号処理方法、およびプログラムに関し、特に、ノイズを低減する処理に適した信号を取得することができるようにした信号処理装置、固体撮像装置、電子機器、信号処理方法、およびプログラムに関する。
従来、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像機能を備えた電子機器においては、例えば、CCD（Charge Coupled Device）やCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなどの固体撮像素子が使用されている。固体撮像素子は、光電変換を行うフォトダイオードと複数のトランジスタとが組み合わされた画素を有しており、画素から出力される信号に対して、アナログ回路やメモリLSI（Large Scale Integration）などにおいて信号処理が施される。
例えば、低雑音の信号を取得するための信号処理として、画素から出力される信号に対して、CDS(Correlated Double Sampling：相関二重サンプリング)処理が行われる。CDSの手法では、データ入力前（無信号）の状態（Ｐ相）の信号レベルと、データ入力後の状態（Ｄ相）の信号レベルとをサンプリングし、差動アンプやＡＤ変換後のデジタル演算などにより、それぞれのサンプリング値の差分を求めることでノイズが除去される。このようなCDS処理は、高感度のセンサを実現するために広く使用されている。
例えば、特許文献１には、Ｐ相およびＤ相においてそれぞれ２回ずつサンプリングすることで、ノイズを１／ルート２に低減する手法が開示されている。
特開平１０−１９１１６９号公報
ところで、上述した特許文献１における手法では、Ｐ相のサンプリング値の平均値と、Ｄ相のサンプリング値の平均値の差分を用いてCDS処理が行われている。しかしながら、比較的に信号周期が長い場合には、単純に平均値を用いてもノイズを最適に低減することができないことがあると想定される。即ち、複数回のサンプリングを行う手法では、サンプリングを行う期間が長くなることによって、CDS処理に適していない信号が取得される恐れがある。これにより、CDS処理において求められた画素値が真の値から離れるというデメリットが発生する。
本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、ノイズを低減する処理を行うのに、より適した信号を取得することができるようにするものである。
本開示の一側面の信号処理装置は、光電変換を行うフォトダイオードから転送される電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョンがリセットされた第１の状態と、前記フォトダイオードで発生した電荷が前記フローティングディフュージョンに蓄積されている第２の状態とのうちの、少なくとも一方の状態の信号レベルのサンプリングが複数回行われることにより得られる複数のサンプリング値の変化量を抽出する抽出部と、前記抽出部により抽出された変化量と所定の基準値とを比較し、その比較結果に基づいて、後段の処理部に出力する信号を切り替える比較部とを備える。
本開示の一側面の固体撮像装置は、光電変換を行うフォトダイオードと、前記フォトダイオードから転送される電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョンとを有する画素がアレイ状に配置された画素アレイと、前記フローティングディフュージョンがリセットされた第１の状態、および、前記フォトダイオードで発生した電荷が前記フローティングディフュージョンに蓄積されている第２の状態の信号レベルをサンプリングするサンプリング部と、前記第１の状態と、前記第２の状態とのうちの、少なくとも一方の状態の信号レベルのサンプリングが複数回行われることにより得られる複数のサンプリング値の変化量を抽出する抽出部と、前記抽出部により抽出された変化量と所定の基準値とを比較し、その比較結果に基づいて、後段の処理部に出力する信号を切り替える比較部とを備える。
本開示の一側面の電子機器は、光電変換を行うフォトダイオードと、前記フォトダイオードから転送される電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョンとを有する画素がアレイ状に配置された画素アレイと、前記フローティングディフュージョンがリセットされた第１の状態、および、前記フォトダイオードで発生した電荷が前記フローティングディフュージョンに蓄積されている第２の状態の信号レベルをサンプリングするサンプリング部と、前記第１の状態と、前記第２の状態とのうちの、少なくとも一方の状態の信号レベルのサンプリングが複数回行われることにより得られる複数のサンプリング値の変化量を抽出する抽出部と、前記抽出部により抽出された変化量と所定の基準値とを比較し、その比較結果に基づいて、後段の処理部に出力する信号を切り替える比較部とを有する固体撮像装置を備える。
本開示の一側面の信号処理方法およびプログラムは、光電変換を行うフォトダイオードから転送される電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョンがリセットされた第１の状態と、前記フォトダイオードで発生した電荷が前記フローティングディフュージョンに蓄積されている第２の状態とのうちの、少なくとも一方の状態の信号レベルのサンプリングが複数回行われることにより得られる複数のサンプリング値の変化量を抽出し、抽出された変化量と所定の基準値とを比較し、その比較結果に基づいて、後段の処理部に出力する信号を切り替えるステップを含む。
本開示の一側面においては、光電変換を行うフォトダイオードから転送される電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョンがリセットされた第１の状態と、フォトダイオードで発生した電荷がフローティングディフュージョンに蓄積されている第２の状態とのうちの、少なくとも一方の状態の信号レベルのサンプリングが複数回行われることにより得られる複数のサンプリング値の変化量が抽出され、抽出された変化量と所定の基準値とが比較されて、その比較結果に基づいて、後段の処理部に出力する信号が切り替えられる。
本開示の一側面によれば、ノイズを低減する処理を行うのに、より適した信号を取得することができる。
従来のCDS処理について説明する図である。 本技術を適用した固体撮像装置の一実施の形態の構成例を示すブロック図である。 サンプリング周期とノイズ周期との関係を示す図である。 データ処理部の第１の構成例を示すブロック図である。 データ処理を説明するフローチャートである。 データ処理を説明するフローチャートである。 ノイズの種類により分布や周期が異なることについて説明する図である。 サンプリング周期とノイズ周期との関係を示す図である。 データ処理部の第２の構成例を示すブロック図である。 データ処理を説明するフローチャートである。 撮像素子の第２の構成例を示すブロック図である。 撮像素子の第３の構成例を示すブロック図である。 電子機器に搭載される撮像装置の構成例を示すブロック図である。
まず、図１を参照して、従来のCDS処理について説明する。
図１Ａには、４個のトランジスタを有する画素の構成例が示されており、図１Ｂには、画素に入力される信号と画素から出力されるデータとが示されている。
図１Ａに示すように、画素１１は、フォトダイオード１２、転送トランジスタ１３、増幅トランジスタ１４、選択トランジスタ１５、およびリセットトランジスタ１６が組み合わされて構成される。また、画素１１では、転送トランジスタ１３と、増幅トランジスタ１４のゲート電極とが接続される接続部に、フォトダイオード１２で発生した電荷を一時的に蓄積するＦＤ（Floating Diffusion：フローティングディフュージョン）部１７が形成される。
CDS処理では、まず、リセットトランジスタ１６を駆動するリセット信号がパルス状にオンになることで、ＦＤ部１７に蓄積されていた電荷がリセットトランジスタ１６を介して排出され、Ｐ相の信号レベルがサンプリングされる。次に、転送トランジスタ１３を駆動する転送信号がパルス状にオンになることで、フォトダイオード１２で発生した電荷が転送トランジスタ１３を介してＦＤ部１７に転送され、Ｄ相の信号レベルがサンプリングされる。
この方式では、Ｐ相の信号レベルをサンプリングするタイミングと、Ｄ相の信号レベルをサンプリングするタイミングとの間隔であるサンプリング周期Ｔｓを短くすることにより、時間的に相関性の高いノイズをキャンセルすることができる。しかしながら、ランダムに発生するランダムノイズの周期Ｔｎが、サンプリング周期Ｔｓよりも高くなると、ノイズの相関性が低くなるため、ノイズを低減する効果が低下することになる。
そこで、Ｐ相およびＤ相の信号レベルについて、それぞれ複数回のサンプリングを行い、ノイズを平均化することによって、サンプリング値を真の値に近づける手法が提案されている。多重サンプリングによるノイズの重ね合わせは、二乗和で加算されため、例えば、サンプリングが２回行われたときに重ね合わされるノイズＶｎ（total）は、１回目のサンプリングのノイズをＶ１とし、２回目のサンプリングのノイズをＶ２とすると、次の式（１）で表される。
Figure 2014175692
そして、このときの出力レベルをｘとすると、多重サンプリングにおける出力は次の式（２）で表される。
Figure 2014175692
このように、各成分を２回ずつサンプリングして加算することにより、ノイズ成分の標準偏差はルート２倍に増加することになるが、信号成分の振幅が２倍になることより、結果的に、ＳＮ（Signal Noise）比はルート２倍に改善される。そして、その後段で減算を行うことで、ＳＮ比が約１／ルート２に悪化しても、結果的に、初期のＳＮ比が確保される。
ところで、このような多重サンプリングを行っても、上述したように、比較的に信号周期が長い場合には、単純に平均値を用いてもノイズを最適に低減することができないことがあると想定される。そこで、ノイズを低減する処理を行うのに、より適した信号を取得することが必要となる。
以下、本技術を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図２は、本技術を適用した固体撮像装置の一実施の形態の構成例を示すブロック図である。
図２において、固体撮像装置２１は、撮像素子２２、データ処理部２３、およびCDS処理部２４を備えおり、データ処理部２３およびCDS処理部２４は、例えば、DSP（Digital Signal Processor）により構成することができる。固体撮像装置２１では、撮像素子２２から出力されるサンプリング値に対してデータ処理部２３においてデータ処理が施され、CDS処理部２４においてCDS処理が行われる。
撮像素子２２は、画素アレイ３１、ランプ波発生回路３２、サンプルホールド回路３３、コンパレータ３４、カウンタ３５、および出力回路３６を備えて構成される。
画素アレイ３１は、複数の画素（例えば、図１Ａの画素１１）がアレイ状に配置されて構成されており、それぞれの画素が受光した光に応じた画素信号を出力する。
ランプ波発生回路３２は、コンパレータ３４において比較に用いられるランプ波の波形の信号、例えば、一定の勾配で電圧が降下する波形の信号を発生する。
サンプルホールド回路３３は、画素アレイ３１の各画素から出力される画素信号の信号レベルを保持する。例えば、図１の画素１１からは、ＦＤ部１７がリセットされた状態（Ｐ相）の画素信号と、フォトダイオード１２で発生した電荷がＦＤ部１７に蓄積されている状態（Ｄ相）の画素信号とが、それぞれ複数回ずつ出力され、サンプルホールド回路３３は、それぞれのタイミングで、Ｐ相の信号レベルおよびＤ相の信号レベルを保持する。
コンパレータ３４は、サンプルホールド回路３３に保持されている画素信号の信号レベルと、ランプ波発生回路３２から出力されるランプ波のレベルとを比較する。そして、コンパレータ３４は、比較結果が変化したタイミング、例えば、ランプ波のレベルが画素信号の信号レベル以下となったタイミングで、その旨を示す信号をカウンタ３５に出力する。
カウンタ３５は、ランプ波発生回路３２から出力されるランプ波の電圧が降下を開始したタイミングから、コンパレータ３４で比較結果が変化したタイミングまでの値をカウントし、その値を画素信号の信号レベルとして出力する。
出力回路３６は、カウンタ３５から出力される信号レベルを、所定の増幅率で増幅して出力する。例えば、上述したように、サンプルホールド回路３３においてＰ相およびＤ相の画素信号が複数回ずつ保持される場合、出力回路３６は、Ｐ相およびＤ相の信号レベルを、それぞれ複数回ずつ出力する。
データ処理部２３は、出力回路３６から出力されるＰ相およびＤ相の信号レベルに基づいてデータ処理を行い、CDS処理部２４がCDS処理を行うのに用いる信号を取得する。なお、データ処理部２３の構成については、図４を参照して後述する。
CDS処理部２４は、データ処理部２３において取得された信号を用いてCDS処理を行うことにより、画素信号に含まれているノイズを適切に低減して出力する。
このように、固体撮像装置２１では、Ｐ相およびＤ相の信号レベルが、それぞれ複数回ずつサンプリングされる。以下では、Ｐ相およびＤの信号レベルのサンプリングを２回ずつ行って得られるサンプリング値に基づいて行われる処理について説明する。
例えば、図３に示すように、固体撮像装置２１は、サンプリング周期Ｔｓの間隔でサンプリングを行う。これにより、Ｐ相の１回目のサンプリング値Ｐ１、Ｐ相の２回目のサンプリング値Ｐ２、Ｄ相の１回目のサンプリング値Ｄ１、および、Ｄ相の２回目のサンプリング値Ｄ２が、撮像素子２２からデータ処理部２３に出力される。また、サンプリング周期Ｔｓに対する平均ノイズ周期Ｔｎの比率を、周期比率ε（＝Ｔｓ／Ｔｎ）とする。
次に、図４は、データ処理部２３の第１の構成例を示すブロック図である。
図４に示すように、データ処理部２３は、保持部４１、判定部４２、抽出部４３、比較部４４、および演算部４５を備えて構成される。
保持部４１には、撮像素子２２から出力されるサンプリング値、即ち、サンプリング値Ｐ１、サンプリング値Ｐ２、サンプリング値Ｄ１、およびサンプリング値Ｄ２が順次供給され、保持部４１は、それらのサンプリング値を保持する。
判定部４２は、サンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２が同一の値であるか否かを判定する。また、判定部４２は、サンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２が同一の値であるか否かを判定する。
抽出部４３は、判定部４２においてサンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２が同一の値でないと判定された場合、サンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２の変化量ΔＰを抽出する。また、抽出部４３は、判定部４２においてサンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２が同一の値でないと判定された場合、サンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２の変化量ΔＤを抽出する。
比較部４４は、抽出部４３により抽出された変化量ΔＰと所定の基準値とを比較し、その結果、変化量ΔＰが基準値より大である場合には、サンプリング値Ｐ２をCDS処理部２４に出力する。また、比較部４４は、抽出部４３により抽出された変化量ΔＤと所定の基準値とを比較し、その結果、変化量ΔＤが基準値より大である場合には、サンプリング値Ｄ１をCDS処理部２４に出力する。なお、比較部４４が比較に用いる所定の基準値については、図７を参照して後述する。
演算部４５は、判定部４２における判定結果、および、比較部４４における比較結果に基づいて、サンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２の平均値を演算して、CDS処理部２４に出力する。即ち、演算部４５は、サンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２が同一の値であると判定された場合、または、変化量ΔＰが基準値未満である場合、サンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２の平均値を演算して、CDS処理部２４に出力する。
同様に、演算部４５は、判定部４２における判定結果、および、比較部４４における比較結果に基づいて、サンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２の平均値を演算して、CDS処理部２４に出力する。即ち、演算部４５は、サンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２が同一の値であると判定された場合、または、変化量ΔＤが基準値未満である場合、サンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２の平均値を演算して、CDS処理部２４に出力する。
次に、図５および図６は、データ処理部２３におけるデータ処理を説明するフローチャートである。
例えば、サンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２が保持部４１に保持されると、図５のフローチャートの処理が開始される。
ステップＳ１１において、判定部４２は、保持部４１に保持されているサンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２を読み出して、サンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２が同一の値であるか否かを判定する。
ステップＳ１１において、判定部４２がサンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２が同一の値でない（Ｐ１≠Ｐ２）と判定した場合、処理はステップＳ１２に進む。
ステップＳ１２において、判定部４２は抽出部４３に対してサンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２が同一の値でない旨を通知する。これに応じて、抽出部４３は、保持部４１に保持されているサンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２を読み出して、サンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２の変化量ΔＰを抽出し、比較部４４に供給する。
ステップＳ１３において、比較部４４は、ステップＳ１２で抽出部４３から供給された変化量ΔＰと所定の基準値とを比較し、変化量ΔＰが基準値より大きいか否かを判定する。
ステップＳ１３において、比較部４４が、変化量ΔＰが基準値より大きいと判定した場合、処理はステップＳ１４に進み、比較部４４は、保持部４１からサンプリング値Ｐ２を読み出してCDS処理部２４に出力する。
一方、ステップＳ１１において、判定部４２がサンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２が同一の値である（Ｐ１＝Ｐ２）と判定した場合、または、ステップＳ１３において、比較部４４が、変化量ΔＰが基準値より大きくない（基準値以下である）と判定した場合、処理はステップＳ１５に進む。
ステップＳ１５において、演算部４５は、サンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２の平均値（（Ｐ１＋Ｐ２）／２）を演算して、CDS処理部２４に出力する。
ステップＳ１４またはＳ１５の処理後、処理は終了される。
次に、例えば、サンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２が保持部４１に保持されると、図６のフローチャートの処理が開始される。
ステップＳ２１において、判定部４２は、保持部４１に保持されているサンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２を読み出して、サンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２が同一の値であるか否かを判定する。
ステップＳ２１において、判定部４２がサンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２が同一の値でない（Ｄ１≠Ｄ２）と判定した場合、処理はステップＳ２２に進む。
ステップＳ２２において、判定部４２は抽出部４３に対してサンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２が同一の値でない旨を通知する。これに応じて、抽出部４３は、保持部４１に保持されているサンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２を読み出して、サンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２の変化量ΔＤを抽出し、比較部４４に供給する。
ステップＳ２３において、比較部４４は、ステップＳ２２で抽出部４３から供給された変化量ΔＤと所定の基準値とを比較し、変化量ΔＤが基準値より大きいか否かを判定する。
ステップＳ２３において、比較部４４が、変化量ΔＤが基準値より大きいと判定した場合、処理はステップＳ２４に進み、比較部４４は、保持部４１からサンプリング値Ｄ１を読み出してCDS処理部２４に出力する。
一方、ステップＳ２１において、判定部４２がサンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２が同一の値である（Ｐ１＝Ｐ２）と判定した場合、または、ステップＳ２３において、比較部４４が、変化量ΔＤが基準値より大きくない（基準値以下である）と判定した場合、処理はステップＳ２５に進む。
ステップＳ２５において、演算部４５は、サンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２の平均値（（Ｄ１＋Ｄ２）／２）を演算して、CDS処理部２４に出力する。
ステップＳ２４またはＳ２５の処理後、処理は終了される。
以上のように、データ処理部２３では、サンプリング値Ｐ１、サンプリング値Ｐ２、サンプリング値Ｄ１、およびサンプリング値Ｄ２に基づいて、CDS処理に適した信号が出力されるように、データ処理部２３から出力される信号を切り替えることができる。これにより、CDS処理部２４において真の値に近い画素信号を得ることができる。
これは、サンプリング値が有る一定のレベルを超えて変化するランダムノイズは、界面トラップなどが原因である場合が多く、ノイズの時定数がある一定の範囲に分布しているためである。
ここで、図７を参照して、ノイズの種類により分布や周期が異なることについて説明する。
図７には、ノイズの振幅に対するノイズの累積頻度の分布が示されている。例えば、縦軸は、画素アレイ３１が有する画素の画素数が１メガピクセルである場合においてノイズが発生する累積頻度を対数で示しており、横軸は、ノイズの振幅（mV）の二乗平均平方根（rms：root mean square）を示している。
図７に示すように、ノイズ振幅が有る一定レベル（図７において破線で示されているレベル）以下である場合には、振幅が小さく短周期のノイズである熱雑音・１／ｆノイズが発生している。一方、ノイズ振幅が有る一定レベル以上である場合には、振幅が大きく長周期のノイズであるRTS（Random Telegraph Signal）ノイズが発生している。
図７には、CDS処理のサンプリング間隔をノイズ時定数より十分小さく設定すれば、最初のＰ相のサンプリングから最後のＤ相のサンプリングまでの期間に変化する確率が小さくなることが示されている。従って、仮に、Ｐ相中またはＤ相中で変化があれば、CDS処理に用いる信号を、平均値からＰ相またはＤ相のサンプリング値に置き換えることにより、平均値を用いる場合よりも、CDS処理において真の値に近い画素信号を得ることができる。
そこで、固体撮像装置２１では、比較部４４において比較に用いられる基準値として、ノイズの種類によりノイズ振幅が変化するレベル（図７において破線で示されているレベル）が設定される。例えば、基準値としては、1.0ｍＶや0.3ｍＶが設定される。
そして、データ処理部２３は、CDS処理部２４が用いる信号として、変化量ΔＰが基準値以下であれば、サンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２の平均値を出力し、変化量ΔＰが基準値より大であれば、サンプリング値Ｐ２を出力する。同様に、データ処理部２３は、CDS処理部２４が用いる信号として、変化量ΔＤが基準値以下であれば、サンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２の平均値を出力し、変化量ΔＤが基準値より大であれば、サンプリング値Ｄ１を出力する。
これにより、CDS処理部２４は、CDS処理を行うのに、より適した信号を用いてCDS処理を行うことができ、真の値に近い低ノイズの画素値を取得することができる。
例えば、従来のCDS処理では、サンプリング周期Ｔｓに対する平均ノイズ周期Ｔｎの比率である周期比率εが１より十分に小さい場合、ノイズσ２は、σ２＝εとなり、周期比率εが１より十分に大きい場合、ノイズσ２は、σ２＝１／２となる。つまり、多重ＣＤＳでは、周期比率εが１より十分に小さい長周期ノイズの場合、ノイズσ２は、従来のCDS処理の３／２となりノイズが増加するという問題点があった。なお、多重ＣＤＳでは、周期比率εが１より十分に大きい短周期ノイズの場合、ノイズσ２は、１／４となり従来のCDS処理の１／２に改善される。
そこで、データ処理部２３におけるデータ処理により、多重ＣＤＳの問題点である周期比率εが１より十分に小さい長周期ノイズに対するノイズ抑制効果が低減することを回避することができる。つまり、固体撮像装置２１では、短周期ノイズに対しては従来のCDS処理と同レベルのノイズ低減効果を確保しつつ、長周期ノイズに対してノイズ抑制効果を得ることがえることができる。
なお、固体撮像装置２１では、上述したように、Ｐ相およびＤの信号レベルのサンプリングを２回ずつ行う他、Ｐ相およびＤの信号レベルのサンプリングを２回以上の複数回ずつ行ってもよい。
例えば、図８には、サンプリング周期Ｔｓの間隔で、Ｄ相およびＰ相でそれぞれ４回ずつサンプリングを行う例が示されている。
これにより、Ｐ相の１回目のサンプリング値Ｐ１、Ｐ相の２回目のサンプリング値Ｐ２、Ｐ相の３回目のサンプリング値Ｐ３、Ｐ相の４回目のサンプリング値Ｐ４、Ｄ相の１回目のサンプリング値Ｄ１、Ｄ相の２回目のサンプリング値Ｄ２、Ｄ相の３回目のサンプリング値Ｄ３、Ｄ相の４回目のサンプリング値Ｄ４が、撮像素子２２からデータ処理部２３に出力される。
このように、複数回のサンプリングを行う場合には、サンプリングを行う期間が長くなるため、ランダムノイズの影響を受けることになる。図８の例では、サンプリング値Ｐ１とサンプリング値Ｐ２との間でランダムノイズが反転し、サンプリング値Ｄ２とサンプリング値Ｄ３との間でランダムノイズが反転している。
そこで、データ処理部２３では、各相のサンプリング値どうしの間に発生する状態変化の回数に応じて、CDS処理に用いる信号を切り替えるデータ処理を行うことができる。
次に、図９は、データ処理部２３の第２の構成例を示すブロック図である。
図９に示すように、データ処理部２３Ａは、保持部５１、状態変化判断部５２、変化回数比較部５３、および演算部５４を備えて構成される。
保持部５１は、撮像素子２２から出力されるサンプリング値を保持する。即ち、保持部５１には、サンプリング値Ｐ１、サンプリング値Ｐ２、サンプリング値Ｐ３、サンプリング値Ｐ４、サンプリング値Ｄ１、サンプリング値Ｄ２、サンプリング値Ｄ３、サンプリング値Ｄ４が、撮像素子２２から順次供給され、保持部５１は、それらのサンプリング値を保持する。
状態変化判断部５２は、同一の相内において連続するサンプリング値に基づいて、それぞれのサンプリング値の間で状態変化が発生したか否かを判断する。即ち、状態変化判断部５２は、サンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２の間で状態変化が発生したか否か、サンプリング値Ｐ２およびサンプリング値Ｐ３の間で状態変化が発生したか否か、サンプリング値Ｐ３およびサンプリング値Ｐ４の間で状態変化が発生したか否かを判断する。同様に、状態変化判断部５２は、サンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２の間で状態変化が発生したか否か、サンプリング値Ｄ２およびサンプリング値Ｄ３の間で状態変化が発生したか否か、サンプリング値Ｄ３およびサンプリング値Ｄ４の間で状態変化が発生したか否かを判断する。
そして、状態変化判断部５２は、状態変化が発生したと判断した回数である変化回数を変化回数比較部５３に通知する。
変化回数比較部５３は、状態変化判断部５２から通知された変化回数と所定の規定回数とを比較し、その結果、変化回数が規定回数未満である場合には、サンプリング値Ｐ４およびサンプリング値Ｄ１をCDS処理部２４に出力する。なお、変化回数比較部５３が比較に用いる所定の規定回数としては、撮像素子２２のノイズ特性（例えば、平均ノイズ周期Ｔｎ）に基づいて最適値が予め選択されている。
演算部５４は、変化回数比較部５３における比較結果に基づいて、変化回数が規定回数以上である場合には、サンプリング値Ｐ１乃至Ｐ４の平均値、および、サンプリング値Ｄ１乃至Ｄ４の平均値を演算して、CDS処理部２４に出力する。
即ち、データ処理部２３Ａは、同一の相内において連続するサンプリング値の間での状態変化の回数が規定回数以上でない場合、ノイズ周期は大きいと推定し、サンプリング値Ｐ４およびサンプリング値Ｄ１をCDS処理に用いる信号として出力する。一方、データ処理部２３Ａは、同一の相内において連続するサンプリング値の間での状態変化の回数が規定回数以上である場合、ノイズ周期は小さいと推定し、各相でのサンプリング値の平均値をCDS処理に用いる信号として出力する。
次に、図１０は、データ処理部２３Ａにおけるデータ処理を説明するフローチャートである。
例えば、少なくともサンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２が保持部４１に保持されると、図１０のフローチャートの処理が開始される。なお、サンプリング値Ｐ１乃至Ｐ４およびサンプリング値Ｄ１乃至Ｄ４の全てが保持部４１に保持されたタイミングで処理が開始されてもよい。
ステップＳ３１において、状態変化判断部５２は、同一の相内において連続するサンプリング値に基づいて、それぞれのサンプリング値の間で状態変化が発生したか否かを判断し、状態変化が発生したと判断した回数である変化回数をカウントする。そして、状態変化判断部５２は、サンプリング値Ｐ１からサンプリング値Ｄ４までの全てにおける判断を行って求められた最終的な変化回数を変化回数比較部５３に通知する。
ステップＳ３２において、変化回数比較部５３は、ステップＳ３１で状態変化判断部５２から通知された変化回数が規定回数以上であるか否かを判定する。
ステップＳ３２において、変化回数比較部５３が、変化回数が規定回数以上であると判定した場合、処理はステップＳ３３に進む。ステップＳ３３において、演算部５４は、サンプリング値Ｐ１乃至Ｐ４の平均値（（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３＋Ｐ４）／４）、および、サンプリング値Ｄ１乃至Ｄ４の平均値（（Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３＋Ｄ４）／４）を演算して、CDS処理部２４に出力する。
一方、ステップＳ３２において、変化回数比較部５３が、変化回数が規定回数以上でない（規定回数未満である）と判定した場合、処理はステップＳ３４に進む。ステップＳ３４において、変化回数比較部５３は、保持部５１からサンプリング値Ｄ４とサンプリング値Ｄ１とを読み出してCDS処理部２４に出力する。
ステップＳ３３またはＳ３４の処理後、処理は終了される。
以上のように、データ処理部２３Ａでは、サンプリング値の状態変化が多い（規定回数以上である）場合には短周期ノイズに相当し、従来の多重ＣＤＳと同様に各相のサンプリング値の平均値を出力し、ノイズに対する平均化による改善効果を優先させることができる。そして、データ処理部２３Ａでは、サンプリング値の状態変化が少ない（規定回数未満である）場合には長周期ノイズに相当し、従来のＣＤＳと同様、即ち、Ｐ相およびＤ相において各１回ずつのサンプリング値を用いて、サンプリング間隔を最小にすることによる改善効果を優先させることができる。即ち、データ処理部２３Ａによるデータ処理によって、短周期ノイズに対しても、長周期ノイズに対しても効果的にノイズを低減させることができ、特性を改善することができる。
なお、固体撮像装置２１において、データ処理部２３において行われるデータ処理を撮像素子２２内において行って、CDS処理部２４にサンプリング値を出力するように撮像素子２２を構成してもよい。
即ち、図１１は、撮像素子２２の第２の構成例を示すブロック図である。なお、図１１において、図２の撮像素子２２の構成と共通するブロックについては同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図１１に示すように、撮像素子２２Ａは、画素アレイ３１、ランプ波発生回路３２、サンプルホールド回路３３、コンパレータ３４、カウンタ３５、出力回路３６、比較回路６１、並びに、演算回路６２−１および６２−２を備えて構成される。
比較回路６１には、カウンタ３５からサンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２が供給され、比較回路６１では、図５のフローチャートと同様に判定処理および比較処理が行われる。即ち、比較回路６１は、サンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２が同一である場合には、サンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２を演算回路６２−１に供給する。また、比較回路６１は、サンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２が同一でない場合には、変化量ΔＰを抽出して、変化量ΔＰが基準値未満であれば、サンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２を演算回路６２−１に供給する。一方、比較回路６１は、変化量ΔＰが基準値より大であれば、サンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２を演算回路６２−２に供給する。
このように、撮像素子２２Ａでは、比較回路６１において、カウンタ３５から供給されるサンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２が、それらの値に応じて、演算回路６２−１または演算回路６２−２に分岐して供給される。
同様に、比較回路６１には、カウンタ３５からサンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２が供給され、比較回路６１では、図６のフローチャートと同様に判定処理および比較処理が行われる。即ち、比較回路６１は、サンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２が同一である場合には、サンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２を演算回路６２−１に供給する。また、比較回路６１は、サンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２が同一でない場合には、変化量ΔＤを抽出して、変化量ΔＤが基準値未満であれば、サンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２を演算回路６２−１に供給する。一方、比較回路６１は、変化量ΔＤが基準値より大であれば、サンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２を演算回路６２−２に供給する。
このように、撮像素子２２Ａでは、比較回路６１において、カウンタ３５から供給されるサンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２が、それらの値に応じて、演算回路６２−１または演算回路６２−２に分岐して供給される。
演算回路６２−１は、比較回路６１から供給されるサンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２の平均値を演算して、出力回路３６に出力する。同様に、演算回路６２−１は、比較回路６１から供給されるサンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２の平均値を演算して、出力回路３６に出力する。
演算回路６２−２は、比較回路６１から供給されるサンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２のうちの、サンプリング値Ｐ２を出力回路３６に出力する。同様に、演算回路６２−２は、比較回路６１から供給されるサンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２のうちの、サンプリング値Ｄ１を出力回路３６に出力する。
以上のように撮像素子２２Ａは構成されており、撮像素子２２Ａにおいても、撮像素子２２と同様に、ノイズを低減させることができる。
次に、図１２は、撮像素子２２の第３の構成例を示すブロック図である。なお、図１２において、図２の撮像素子２２の構成と共通するブロックについては同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図１２に示すように、撮像素子２２Ｂは、画素アレイ３１、ランプ波発生回路３２、サンプルホールド回路３３、コンパレータ３４、カウンタ３５、出力回路３６−１乃至３６−Ｎ、およびデータ処理回路７１を備えて構成される。
データ処理回路７１は、画素アレイ３１が有する画素の列ごとに、データ処理を行うための回路（例えば、図１１の比較回路６１、演算回路６２−１および６２−２）を有している。即ち、データ処理回路７１は、画素アレイ３１が有する画素の列ごとに並列的にデータ処理を行うことができ、それらの列ごとの信号をそれぞれ出力回路３６−１乃至３６−Ｎに出力する。また、例えば、画素アレイ３１が形成される基板に対して積層される基板に、データ処理回路７１および出力回路３６−１乃至３６−Ｎを形成することで、撮像素子２２Ｂとして積層構造を採用することができる。
データ処理回路７１には、カウンタ３５からサンプリング値Ｐ１およびサンプリング値Ｐ２が供給され、データ処理回路７１では、図５のフローチャートと同様に、判定処理、比較処理、および演算処理が行われる。また、データ処理回路７１には、カウンタ３５からサンプリング値Ｄ１およびサンプリング値Ｄ２が供給され、データ処理回路７１では、図６のフローチャートと同様に、判定処理、比較処理、および演算処理が行われる。
以上のように撮像素子２２Ｂは構成されており、撮像素子２２Ｂにおいても、撮像素子２２と同様に、ノイズを低減させることができる。
なお、上述した実施の形態では、Ｐ相およびＤ相の両方で複数回ずつサンプリングを行うとしたが、例えば、Ｐ相およびＤ相のうちの、少なくとも一方で複数回のサンプリングを行えばよい。これによっても、複数回のサンプリングを行った方に対して上述のデータ処理を行うことにより、ノイズ低減効果を得ることができる。
また、撮像素子２２において信号レベルのサンプリングを行うサンプリング周期Ｔｓは、例えば、画素１１を構成するトランジスタにより発生するRTSノイズの時定数よりも十分小さく設定される。これにより、サンプリングを行う回数を多くしても、サンプリングを行う期間が長くなることが回避され、RTSノイズによる影響を抑制することができる。
また、上述したような固体撮像装置２１は、例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像システム、撮像機能を備えた携帯電話機、または、撮像機能を備えた他の機器といった各種の電子機器に適用することができる。
図１３は、電子機器に搭載される撮像装置の構成例を示すブロック図である。
図１３に示すように、撮像装置１０１は、光学系１０２、撮像素子１０３、信号処理回路１０４、モニタ１０５、およびメモリ１０６を備えて構成され、静止画像および動画像を撮像可能である。
光学系１０２は、１枚または複数枚のレンズを有して構成され、被写体からの像光（入射光）を撮像素子１０３に導き、撮像素子１０３の受光面（センサ部）に結像させる。
撮像素子１０３としては、上述した構成の撮像素子２２が適用される。撮像素子１０３には、光学系１０２を介して受光面に結像される像に応じて、一定期間、電子が蓄積される。そして、撮像素子１０３に蓄積された電子に応じた信号が信号処理回路１０４に供給される。
信号処理回路１０４は、上述した構成のデータ処理部２３およびCDS処理部２４を含むように構成され、撮像素子１０３から出力された画素信号に対して各種の信号処理を施す。信号処理回路１０４が信号処理を施すことにより得られた画像（画像データ）は、モニタ１０５に供給されて表示されたり、メモリ１０６に供給されて記憶（記録）されたりする。
このように構成されている撮像装置１０１では、上述したような固体撮像装置２１の構成を適用することによって、CDS処理に適した信号を用いてCDS処理を行うことができ、真の値に近い低ノイズの画素値を得ることができる。これにより、撮像装置１０１は、より良好な画質の画像を取得することができる。
なお、信号処理回路１０４において実行される処理（プログラム）は、必要に応じて、例えば、撮像素子１０３の特性に応じて、ネットワークや記録媒体などを介して信号処理回路１０４にインストールすることができる。
さらに、上述のフローチャートを参照して説明した各処理は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいは個別に実行される処理（例えば、並列処理あるいはオブジェクトによる処理）も含むものである。また、プログラムは、１のCPUにより処理されるものであっても良いし、複数のCPUによって分散処理されるものであっても良い。
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
光電変換を行うフォトダイオードから転送される電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョンがリセットされた第１の状態と、前記フォトダイオードで発生した電荷が前記フローティングディフュージョンに蓄積されている第２の状態とのうちの、少なくとも一方の状態の信号レベルのサンプリングが複数回行われることにより得られる複数のサンプリング値の変化量を抽出する抽出部と、
前記抽出部により抽出された変化量と所定の基準値とを比較し、その比較結果に基づいて、後段の処理部に出力する信号を切り替える比較部と
を備える信号処理装置。
（２）
複数のサンプリング値の平均値を演算する演算部をさらに備え、
前記比較部は、前記変化量が前記所定の基準値未満である場合、前記後段の処理部に出力する信号として、前記演算部により求められた前記平均値を出力する
上記（１）に記載の信号処理装置。
（３）
前記比較部は、前記第１の状態の信号レベルのサンプリングが複数回行われ、前記第１の状態の信号レベルの複数のサンプリング値の変化量が前記所定の基準値より大きい場合、前記後段の処理部に出力する信号として、前記第１の状態の最後にサンプリングされた信号レベルのサンプリング値を出力する
上記（１）または（２）に記載の信号処理装置。
（４）
前記比較部は、前記第２の状態の信号レベルのサンプリングが複数回行われ、前記第２の状態の信号レベルの複数のサンプリング値の変化量が前記所定の基準値より大きい場合、前記後段の処理部に出力する信号として、前記第２の状態の最初にサンプリングされた信号レベルのサンプリング値を出力する
上記（１）から（３）までのいずれかに記載の信号処理装置。
（５）
前記抽出部は、複数のサンプリング値の変化量として、連続するサンプリング値の間での状態変化が発生した回数を求め、
前記比較部は、前記抽出部により求められた前記状態変化の回数と所定の規定回数とを比較し、その比較結果に基づいて、後段の処理部に出力する信号を切り替える
上記（１）から（４）までのいずれかに記載の信号処理装置。
（６）
複数のサンプリング値の平均値を演算する演算部をさらに備え、
前記比較部は、前記状態変化の回数が前記所定の規定回数以上である場合、前記後段の処理部に出力する信号として、前記演算部により求められた前記平均値を出力する
上記（１）から（５）までのいずれかに記載の信号処理装置。
（７）
前記比較部は、前記状態変化の回数が前記所定の規定回数未満である場合、前記後段の処理部に出力する信号として、前記第１の状態の最後にサンプリングされた信号レベルのサンプリング値、または、前記第２の状態の最初にサンプリングされた信号レベルのサンプリング値を出力する
上記（１）から（６）までのいずれかに記載の信号処理装置。
（８）
複数回行われる前記信号レベルのサンプリングのサンプリング周期は、前記フォトダイオードを有する画素を構成するトランジスタにより発生するRTS（Random Telegraph Signal）ノイズの時定数よりも十分小さく設定される
上記（１）から（７）までのいずれかに記載の信号処理装置。
なお、本実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
２１ 固体撮像装置， ２２ 撮像素子， ２３ データ処理部， ２４ CDS処理部， ３１ 画素アレイ， ３２ ランプ波発生回路， ３３ サンプルホールド回路， ３４ コンパレータ， ３５ カウンタ， ３６ 出力回路， ４１ 保持部， ４２ 判定部， ４３ 抽出部， ４４ 比較部， ４５ 演算部， ５１ 保持部， ５２ 状態変化判断部， ５３ 変化回数比較部， ５４ 演算部， ６１ 比較回路， ６２−１および６２−２ 演算回路， ７１ データ処理回路

Claims (12)

  1. 光電変換を行うフォトダイオードから転送される電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョンがリセットされた第１の状態と、前記フォトダイオードで発生した電荷が前記フローティングディフュージョンに蓄積されている第２の状態とのうちの、少なくとも一方の状態の信号レベルのサンプリングが複数回行われることにより得られる複数のサンプリング値の変化量を抽出する抽出部と、
    前記抽出部により抽出された変化量と所定の基準値とを比較し、その比較結果に基づいて、後段の処理部に出力する信号を切り替える比較部と
    を備える信号処理装置。
  2. 複数のサンプリング値の平均値を演算する演算部をさらに備え、
    前記比較部は、前記変化量が前記所定の基準値未満である場合、前記後段の処理部に出力する信号として、前記演算部により求められた前記平均値を出力する
    請求項１に記載の信号処理装置。
  3. 前記比較部は、前記第１の状態の信号レベルのサンプリングが複数回行われ、前記第１の状態の信号レベルの複数のサンプリング値の変化量が前記所定の基準値より大きい場合、前記後段の処理部に出力する信号として、前記第１の状態の最後にサンプリングされた信号レベルのサンプリング値を出力する
    請求項１に記載の信号処理装置。
  4. 前記比較部は、前記第２の状態の信号レベルのサンプリングが複数回行われ、前記第２の状態の信号レベルの複数のサンプリング値の変化量が前記所定の基準値より大きい場合、前記後段の処理部に出力する信号として、前記第２の状態の最初にサンプリングされた信号レベルのサンプリング値を出力する
    請求項１に記載の信号処理装置。
  5. 前記抽出部は、複数のサンプリング値の変化量として、連続するサンプリング値の間での状態変化が発生した回数を求め、
    前記比較部は、前記抽出部により求められた前記状態変化の回数と所定の規定回数とを比較し、その比較結果に基づいて、後段の処理部に出力する信号を切り替える
    請求項１に記載の信号処理装置。
  6. 複数のサンプリング値の平均値を演算する演算部をさらに備え、
    前記比較部は、前記状態変化の回数が前記所定の規定回数以上である場合、前記後段の処理部に出力する信号として、前記演算部により求められた前記平均値を出力する
    請求項５に記載の信号処理装置。
  7. 前記比較部は、前記状態変化の回数が前記所定の規定回数未満である場合、前記後段の処理部に出力する信号として、前記第１の状態の最後にサンプリングされた信号レベルのサンプリング値、または、前記第２の状態の最初にサンプリングされた信号レベルのサンプリング値を出力する
    請求項５に記載の信号処理装置。
  8. 複数回行われる前記信号レベルのサンプリングのサンプリング周期は、前記フォトダイオードを有する画素を構成するトランジスタにより発生するRTS（Random Telegraph Signal）ノイズの時定数よりも十分小さく設定される
    請求項１に記載の信号処理装置。
  9. 光電変換を行うフォトダイオードと、前記フォトダイオードから転送される電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョンとを有する画素がアレイ状に配置された画素アレイと、
    前記フローティングディフュージョンがリセットされた第１の状態、および、前記フォトダイオードで発生した電荷が前記フローティングディフュージョンに蓄積されている第２の状態の信号レベルをサンプリングするサンプリング部と、
    前記第１の状態と、前記第２の状態とのうちの、少なくとも一方の状態の信号レベルのサンプリングが複数回行われることにより得られる複数のサンプリング値の変化量を抽出する抽出部と、
    前記抽出部により抽出された変化量と所定の基準値とを比較し、その比較結果に基づいて、後段の処理部に出力する信号を切り替える比較部と
    を備える固体撮像装置。
  10. 光電変換を行うフォトダイオードと、前記フォトダイオードから転送される電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョンとを有する画素がアレイ状に配置された画素アレイと、
    前記フローティングディフュージョンがリセットされた第１の状態、および、前記フォトダイオードで発生した電荷が前記フローティングディフュージョンに蓄積されている第２の状態の信号レベルをサンプリングするサンプリング部と、
    前記第１の状態と、前記第２の状態とのうちの、少なくとも一方の状態の信号レベルのサンプリングが複数回行われることにより得られる複数のサンプリング値の変化量を抽出する抽出部と、
    前記抽出部により抽出された変化量と所定の基準値とを比較し、その比較結果に基づいて、後段の処理部に出力する信号を切り替える比較部と
    を有する固体撮像装置を備える電子機器。
  11. 光電変換を行うフォトダイオードから転送される電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョンがリセットされた第１の状態と、前記フォトダイオードで発生した電荷が前記フローティングディフュージョンに蓄積されている第２の状態とのうちの、少なくとも一方の状態の信号レベルのサンプリングが複数回行われることにより得られる複数のサンプリング値の変化量を抽出し、
    抽出された変化量と所定の基準値とを比較し、その比較結果に基づいて、後段の処理部に出力する信号を切り替える
    ステップを含む信号処理方法。
  12. 光電変換を行うフォトダイオードから転送される電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョンがリセットされた第１の状態と、前記フォトダイオードで発生した電荷が前記フローティングディフュージョンに蓄積されている第２の状態とのうちの、少なくとも一方の状態の信号レベルのサンプリングが複数回行われることにより得られる複数のサンプリング値の変化量を抽出し、
    抽出された変化量と所定の基準値とを比較し、その比較結果に基づいて、後段の処理部に出力する信号を切り替える
    ステップを含む信号処理をコンピュータに実行させるプログラム。
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