JP5153757B2

JP5153757B2 - 固体撮像装置

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Publication number: JP5153757B2
Application number: JP2009276812A
Authority: JP
Inventors: 真太郎竹中; 智之野田; 一博園田; 大藤村
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2027-12-28
Also published as: JP2010063156A

Description

本発明は、ビデオカメラ等に用いられる固体撮像装置に関する。

ビデオカメラ等で用いられている固体撮像装置の画素信号に重畳されるノイズは、時間的及び空間的にランダムに発生するランダムノイズと、出力画面の同じ場所に縦縞、横縞などの固定パタンとして発生する固定パタンノイズとに大別できる。ランダムノイズは、画面全体にすりガラスを通したときのようなムラ状のノイズとして現れ、光ショットノイズや熱雑音などを発生原因とし、環境温度などで容易に変化する。一方、固定パタンノイズは、固体撮像装置の画素を構成する回路や、読み出し回路などの電気特性上のアンバランスに起因して生じるものが多い。特に、画素列ごとに異なる固定パタンノイズが発生すると、出力画面には縦縞となって現れ、目につきやすい。

このような画素列ごとに異なる固定パタンノイズ成分を除去するために、以下のような技術が知られている。まず、光電変換可能な画素が接続されていないダミーラインからの信号（以下、ノイズ測定信号という）を出力させ、そのノイズ測定信号から固定パタンノイズ成分を検出して保持させておく。次に、撮像時の画素信号（以下、有効画素信号）が出力されたときに、この有効画素信号から、検出した固定パタンノイズ成分を減算してノイズ成分をキャンセルする。

さらに、暗電流の影響を受けることなく読み出し用トランジスタの行方向のばらつきを反映した固定パタンノイズ成分を検出する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１は、フォトダイオードが省略され増幅用トランジスタとリセット用トランジスタとで構成された非有効画素をダミーラインとして用い、固定パタンノイズ成分を精度よくキャンセルする。

特許文献１に記載された技術では、ノイズ測定信号を出力するダミーラインの行数をＭの２乗行以上とし、画素列ごとにノイズ測定信号を平均化することによって、ノイズ測定信号に重畳されるランダムノイズ成分を全ノイズ成分の１／Ｍ倍以下に抑制する。また、ランダムノイズ成分が全ノイズ成分の１／４以下であればランダムノイズは表示画面上で認識できないとしている。また、複数フレームのノイズ測定信号を平均化することによって、より少ない行数のダミーラインでも同様な効果が得られるとしている。
また、複数の駆動モードを備える固体撮像装置が知られている。

特開２００５−１７６０６１号公報

ところで、特許文献１においては駆動モードを切り換えた際に如何なるタイミングでノイズ測定信号を取得するのかが明らかにされていない。

また、近年の固体撮像装置における低ノイズ化への要求から、さらに多くのノイズ測定信号を平均化することが求められており、上述のＭが４、すなわち１６行分のダミーラインからのノイズ測定信号では十分ではないことがある。

本発明の目的は、駆動モードを切り換えた場合でも、ノイズ測定信号を取得する好適な動作を行う固体撮像装置を提供することである。

本発明の固体撮像装置は、入射光を電荷に変換する光電変換部を含む有効画素が行列配置された有効画素部と、光電変換部を含まない非有効画素が少なくとも１行配置された非有効画素部と、前記有効画素部及び前記非有効画素部の画素を行毎に選択する垂直走査部と、を有し、前記有効画素部に基づく第１の信号及び前記非有効画素部に基づく第２の信号を出力する固体撮像装置であって、前記固体撮像装置はさらに、該固体撮像装置の駆動モードを切り換えるための第３の信号を外部から受ける入力部を有し、前記垂直走査部は、前記有効画素部の読み出し走査中に前記入力部が前記第３の信号を受けると、前記第３の信号を受けた直後から前記第１の信号が出力されるまでの期間に、前記有効画素部の読み出し走査を停止して、前記非有効画素部の画素を選択して前記第２の信号を出力させ続けることを特徴とする。

本発明によれば、駆動モードを切り換えた場合でも、例えばノイズ測定信号等の第２の信号を取得する好適な動作を行う固体撮像装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態にかかる撮像システムの構成例を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。本発明の第３の実施形態にかかる固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。本発明の第４の実施形態にかかる固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。本発明の第４の実施形態にかかる固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。従来技術における固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。

以下に図面を用いながら本発明の好適な実施形態について説明を行う。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置の駆動方法に関し、図１に固体撮像装置の構成例を示し、図２に撮像システムの構成例を示す。そして図３に本実施形態にかかる固体撮像装置の駆動方法によるタイミングチャートを示す。

図１に示す固体撮像装置１は、画素部２と、垂直駆動部４と、ラインメモリ部３１と、水平走査部３２と、増幅器３３と、垂直駆動部４とラインメモリ３１と水平走査部３２とを制御するタイミング生成部５と、通信部６とを備える。画素部２は、２次元に配列された複数の画素で構成される。タイミング生成部は固体撮像装置を２以上の駆動モードで駆動させる駆動モード選択部であり、垂直同期信号や水平同期信号などを生成する。ラインメモリ部３１は、垂直駆動部４からの制御信号に基づいて選択された１行の複数の画素各々から読み出した画素信号を記憶する。水平走査部３２は、ラインメモリ部３１に記憶された画素信号を順次転送する。増幅器３３は、読み出された画素信号を増幅する。画素部２は、入射光を電荷に変換するフォトダイオードを有する有効画素２１１で構成される有効画素部２１と、フォトダイオードが省略された非有効画素２２１で構成される非有効画素部２２とで構成される。非有効画素部２２は複数の行で構成されていても、１行で構成されていても構わない。図１では、垂直駆動部４は、電子シャッタ走査部４１、読み出し行走査部４２及び非有効画素行選択部４３とで構成されているが、電子シャッタ走査と読み出し行走査が共通の走査部で構成されていても構わない。また、非有効画素行選択部４３は読み出し行走査と共通の走査部で構成されていても構わない。

また、固体撮像装置１は外部から第３の信号である駆動モードを切り換えるための信号を受ける不図示の端子（入力部）を備えている。第３の信号を受けると、例えばタイミング生成部５は、垂直駆動部４や水平走査部３２などを駆動するタイミングを変えたり、増幅器のゲインを変えたりする。

固体撮像装置１の動作について説明する。有効画素２１１の各々に光が入射されると、有効画素２１１のフォトダイオードは光電変換によって生成された電荷を蓄積する。まず読み出し動作に先立って、電子シャッタ動作を行う。電子シャッタ走査部４１により選択された１行の、画素２１１のフォトダイオードに蓄積された電荷がリセット電位にリセットされた後、再度電荷の蓄積を開始する。次に、光量に応じた蓄積時間の経過後、読み出し行走査部４２により再度選択された行の画素２１１に蓄積された電荷が読み出されラインメモリ部３１に格納される。次に水平走査部３２はタイミング生成部５からの水平転送パルスに基づいて、ラインメモリ部３１に読み出された画素信号を順次、選択して、増幅器３３へ出力する。増幅器３３は、入力された画素信号を増幅して出力する。

電子シャッタ走査部４１のリセット行選択と、読み出し行走査部４２の読み出し行選択とを、同じタイミングで順次行うことで画素部２の各行の蓄積時間は一定に制御される。そして、電子シャッタ走査及び読み出し走査と、水平走査を繰返し、１画面分の画素信号の読み出しが完了する。

有効画素部２１における垂直方向の画素加算は、以下のように行う。読み出し行走査部４２が選択した行を読み出してラインメモリ部３１に格納後、さらに読み出し行走査部４２が加算対象行を選択し、ラインメモリ部３１に加算対象行の画素信号を読み出し、ラインメモリ部３１で信号加算を行う。加算された画素信号は、水平走査部３２によって順次選択され、増幅器３３によって信号増幅された後出力される。

一方、非有効画素行選択部４３は、読み出し行走査部４２が有効画素部２１の行を選択していない期間に、電子シャッタ走査と同じタイミングで非有効画素２２１の行を選択し、非有効画素信号をラインメモリ部３１に格納する。ラインメモリ部３１に読み出された非有効画素信号は、水平走査部３２によって順次選択され、増幅器３３によって信号増幅された後、ノイズ測定信号として出力される。

次に、図２に示す撮像システムの構成例について説明する。７はＡＤ（アナログデジタル）変換器であり、固体撮像装置１から出力されたアナログ信号である第１の信号である画像信号を、公知のアナログ信号処理を施すことによりデジタル信号に変換する。８は信号処理部であり、ＡＤ変換器７でデジタル信号に変換された画像信号の、固定パタンノイズ成分を減算し、キャンセルする。８２は固定パタンノイズ成分検出部であり、ラインメモリ８２１と平均化手段８２２とを有し、入力された複数行の第２の信号であるノイズ測定信号を平均化し、ランダムノイズ成分を抑制した固定パタンノイズ成分をラインメモリ８２１に格納する。８１は演算器であり、有効画素部２１の画像信号から、ラインメモリ８２１に格納された固定パタンノイズ成分の減算を行う。また、９はＣＰＵであり、１０はスイッチユニットである。スイッチユニット１０は、撮像条件を設定するために操作されるスイッチや、撮像準備動作及び撮像動作を開始させるために操作されるスイッチを含む。１１はＥＶＦ（エレクトロニックビューファインダ）等の映像表示部であり、信号処理部８にて生成された表示用画像データを用いて表示を行う。１２は画像記録部であり、信号処理部８にて生成された記録用画像データをカメラ本体の内部メモリ、あるいは、カメラ本体に着脱可能な記録媒体に記録する。

次に図３に示すタイミングチャートを用いて、本実施形態の固体撮像装置の駆動方法について説明する。図３（ａ）は固体撮像装置１の駆動モードを示す。ここで駆動モードとは、固体撮像装置１の駆動方法のことを表し、この駆動モードは、画素加算の有無、画素加算有りの場合の加算する画素数などにより異なる。また図３（ｂ）はタイミング生成部５に入力される同期信号を示し、図３（ｃ）は図３（ａ）に示す駆動モードにおいて、図３（ｂ）に示す同期信号に対応した、固体撮像装置１の垂直駆動部４の動作を示す。図３（ｄ）は図３（ｃ）に示す垂直駆動部４の動作に対応して、画素部２が垂直方向に行毎に走査される様子を示す。読み出し行に対応する走査は、水平ブランキング期間と水平転送期間とで成る。水平ブランキング期間は、読み出し行走査部４２あるいは非有効画素行選択部４３によって選択された行の画素から画素信号をラインメモリ３１に読み出す期間を示す。水平転送期間は、水平走査部３２によってラインメモリ３１から読み出す期間を示す。駆動モードが垂直３画素加算モードの場合、１行目をラインメモリ３１に読み出す水平ブランキング期間と、２行目をラインメモリ３１に読み出す水平ブランキング期間と、３行目をラインメモリ３１に読み出す水平ブランキング期間と、水平転送期間とを繰返す。その水平転送期間では、ラインメモリ３１上で加算された３画素の信号を順次読み出す。また電子シャッタ行に対応する走査は、電子シャッタ走査部４１によって順次選択された行の、フォトダイオードがリセットされるタイミングを示す。図３（ｅ）は固体撮像装置１からの信号出力を示しており、図３（ｄ）に示す読み出し行走査及び水平走査に対応して出力される信号を示している。有効画素行走査が終了後、次のフレームの垂直同期信号ＶＤがタイミング生成部５に入力されるまでの期間は、非有効画素行が選択され続け、非有効画素信号すなわちノイズ測定信号が出力される。ここで、垂直同期信号ＶＤがタイミング生成部５に入力されてから次の垂直同期信号ＶＤが入力されるまでの期間を１フレーム期間と呼ぶ。したがって、駆動モードを変更した直後のフレーム期間では非有効画素行の画素からの信号のみが出力されるとも言える。また、駆動モードを変更した直後のフレーム期間におけるノイズ測定信号は、変更された駆動モードでの水平同期信号ＨＤに従って出力される。つまり、駆動モードを変更した直後のフレーム期間に出力されるノイズ測定信号の行数は、変更された駆動モードにおける１フレーム期間中に読み出（出力）される有効画素行の数に等しい。

ここで、時刻Ｔ０においてスイッチ操作などによって固体撮像装置の駆動モードの変更が必要となると、ＣＰＵ９は直ちに固体撮像装置１と通信を行い、固体撮像装置１の駆動モードの変更を行う。例えば、３画素加算読み出し駆動モード（画素加算モード）から全画素読み出し駆動モード（全画素読み出しモード）へ変更する。全画素読み出し駆動モードでは、画素加算を行わない。時刻Ｔ１において垂直同期信号ＶＤがタイミング生成部５に入力されると、固体撮像装置１は変更された駆動モード（ここでは全画素読み出し駆動モード）で動作を開始する。このとき、固体撮像装置１は、垂直駆動部４の非有効画素行選択部４３によって非有効画素行を選択し、非有効画素信号すなわちノイズ測定信号の出力を開始する。そして時刻Ｔ３において、次の垂直同期信号ＶＤがタイミング生成部５に入力されるまで、非有効画素行選択部４３は非有効画素行の選択を繰返し、１フレームの行数以上のノイズ測定信号を出力する。また時刻Ｔ２において、電子シャッタ走査部４１は、１フレーム目の電子シャッタ走査を開始する。次に時刻Ｔ３において、垂直同期信号ＶＤがタイミング生成部５に入力されると、固体撮像装置１は、垂直駆動部４の読み出し行走査部４２によって、有効画素行の走査を開始し、１フレーム目の撮像信号の出力を開始する。時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までが、１フレーム目の有効画素における蓄積時間となる。そして有効画素行の走査が完了した時刻Ｔ５から、固体撮像装置１は、垂直駆動部４の非有効画素行選択部４３によって非有効画素行を選択し、非有効画素信号すなわちノイズ測定信号の出力を開始する。そして時刻Ｔ６において、次の垂直同期信号ＶＤがタイミング生成部５に入力されるまで、非有効画素行選択部４３は非有効画素行の選択を複数回繰返し、ノイズ測定信号を出力する。また時刻Ｔ４において、電子シャッタ走査部４１は、２フレーム目の電子シャッタ走査を開始する。以降、Ｔ３〜Ｔ６までの固体撮像装置の駆動を繰り返すことによって、動画としての撮像信号を得る。

なお、図３（ｄ）では、非有効画素行は１行を繰り返し読み出す駆動方法を記載したが、非有効画素部２２が複数行で構成されている場合は、非有効画素部２２の読み出す行の走査を繰り返し行うようにしてもよい。

また、ノイズ測定信号を取得するダミーライン（非有効画素部の行）の数は、読み出し行（有効画素部の行）の総数に対して１／１０以下程度であればランダムノイズ成分を十分に低減することができる。１００行程度や１００行以下のダミーライン（非有効画素部の行）を設けて、非有効画素部２２の走査を繰り返し行うような動作を行っても良い。ダミーラインの数は１００以下が好ましい。これにより、ダミーラインを設けることによる固体撮像装置の面積の増大を抑制しつつ、ダミーライン間の特性差によるばらつきも平均化することができる。さらに、ダミーラインを配置する領域は、図１で示した領域に限定されず、読み出し行の上部に設けられてもよい。以上は、後述する他の実施形態においても同様である。

本実施形態において、駆動モードの変更とは加算を行うか否かの違いであるが、図３中のＨＤ、ＶＤの間隔で示される各期間で行われる動作が切り換えることも駆動モードの変更である。例えば図３においては時刻Ｔ０の以前では水平同期信号ＨＤの間隔には３行分の水平ブランキング期間と１行分の水平転送期間が設けられている。これに対して、駆動モードが切り換わった時刻Ｔ１以降では、水平同期信号ＨＤの間隔は狭まり、水平ブランキング期間及び水平転送期間はそれぞれ１行分ずつしか設けられていない。ＨＤの期間に行う動作が変わることに伴って、ＶＤの期間に行われる動作も変更される。また、有効画素部の全ての画素から信号を読み出す全画素読み出しモード以外にも、信号を読み出す画素を低い密度で選択する間引き読み出しモードや一部の領域のみから信号を読み出す切り出し読み出しモード等に切り換えることによっても駆動モードは変更される。

この他、画素部の列に対応して設けられたゲイン可変の増幅器（列増幅部）を有する固体撮像装置における増幅器のゲインの変更など、各列の特性に変更をもたらすことも駆動モードの変更に含まれる。

固体撮像装置１から出力されるノイズ測定信号は、信号処理部８の固定パタンノイズ成分検出部８２に入力される。平均化手段８２２にて、画素列ごとに、入力された非有効画素行分、平均化が行われ、ラインダムノイズ成分が抑制された固定パタンノイズ成分が検出される。その固定パタンノイズは、ラインメモリ８２１に格納される。演算器８１は、有効画素部２１の画像信号から、ラインメモリ８２１に格納された固定パタンノイズを減算し、固定パタンノイズを除去する。

先述の通り特許文献１には、固定パタンノイズ成分の検出を複数のフレームで行ってもよいことが記載されている。この動作を駆動モードの切り換えを行った場合に適用したタイミングチャートを図８に示し、本発明の本実施形態と異なる点を説明する。

駆動モード切り換わり後の１フレーム目の画像信号出力開始タイミングである時刻Ｔ１０６より前にノイズ測定信号を得るため、時刻Ｔ１０１からＴ１０２まで非有効画素行の走査を複数フレームにわたって行う。そして時刻Ｔ１０３から有効画素行の読み出し走査を開始するが、時刻Ｔ１０３以前に電子シャッタ走査が行われていないため、時刻Ｔ１０３から出力される画像信号は画素の蓄積時間の制御が行われていない。そのため、得られる画像は行によって明るさが異なったり、他のフレームの画像と比較して明るさが異なってしまう。このため、時刻Ｔ１０３から出力される画像信号は利用することができない。

さらに、先述したように１６行分のノイズ測定信号ではランダムノイズ成分が十分ではないことがある。そのような場合に図８に示した動作を行うと、ノイズ測定信号を取得し終えてから電子シャッタ走査を行う。そのため、低ノイズ化の要求が高い固体撮像装置においては駆動モードを切り換えてから、利用することのできる最初の画像信号が出力されるまでのタイムラグが顕著になる。

本発明の第１の実施形態によれば、固体撮像装置１の駆動モード変更後の１フレーム目の画像信号出力前に、非有効画素部２２の行数に依存することなく、ランダムノイズを十分平均化可能な行数のノイズ測定信号を出力することが可能である。このノイズ測定信号を信号処理部８の固定パタンノイズ成分検出部８２にて平均化することによって、十分にランダムノイズ成分が抑制された固定パタンノイズ成分が検出できる。そして、信号処理部８にて、１フレーム目の画像信号から、固定パタンノイズ成分を良好にキャンセルすることが可能となる。非有効画素部２２の行数を少なくし、ここからノイズ測定信号を繰り返し読み出す構成であれば、固体撮像装置の面積の増大を低減することができ、コストアップ要因とはならない。また、１フレーム目の電子シャッタ走査期間中にノイズ測定信号を出力しているため、図８に示す時刻Ｔ１００〜Ｔ１０３のようなノイズ測定信号を出力するための読み出しフレームは不要であり、１フレーム目の画像信号出力までにタイムラグが発生することもない。

さらに、図３の時刻Ｔ２から、駆動モード変更後の、非有効画素行の出力を開始すれば、１フレーム目の画像信号出力までの時間をより短くすることも可能である。

（第２の実施形態）
次に本発明を適用できる第２の実施形態について、第１の実施形態と異なる点を中心に説明を行う。

本実施形態の固体撮像装置１は、画素信号を出力する画素を指定し、有効画素部２１の画素を一様に間引いた画像を出力する機能と、有効画素部２１の一部を切り出した画像を出力する機能とを有する一部画素読み出しモード（画面切り出し駆動モード）を有する。一部画素読み出しモードでは、垂直行間引き、水平画素間引き及び画面切り出しが可能であり、画素加算を行わない。

図４に示すタイミングチャートを用いて、本実施形態にかかる固体撮像装置の駆動方法を説明する。時刻Ｔ１０においてスイッチ操作などによって固体撮像装置の駆動モードの変更が必要となると、ＣＰＵ９は固体撮像装置１と通信を行い、固体撮像装置１の駆動モードの変更を行う。例えば、画素加算モード（３画素加算読み出し駆動モード）から一部画素読み出しモード（画面切り出し駆動モード）へ変更する。時刻Ｔ１１において垂直同期信号ＶＤがタイミング生成部５に入力されると、固体撮像装置１は画面切り出し駆動モードで動作を開始する。このとき、固体撮像装置１は、垂直駆動部４の非有効画素行選択部４３によって非有効画素行を複数回選択し、非有効画素信号をラインメモリ部３１に読み出す。次に、水平走査部３２は読み出し開始を指定された列に接続される非有効画素の画素信号から順次選択し、非有効画素信号すなわちノイズ測定信号を出力する。そして時刻Ｔ１３において、次の垂直同期信号ＶＤがタイミング生成部５に入力されるまで、この動作を繰返し、１フレームの行数以上のノイズ測定信号を出力する。また時刻Ｔ１２において、電子シャッタ走査部４１は、画面の切り出し位置に応じた、１フレーム目の電子シャッタ走査を開始する。そして時刻Ｔ１３以降は、画面の切り出し位置に応じた読み出し走査と、電子シャッタ走査を繰返し、動画としての撮像信号を得る。

ここで、垂直同期信号ＶＤがタイミング生成部５に入力されてから次の垂直同期信号ＶＤが入力されるまでの期間を１フレーム期間と呼ぶ。したがって、駆動モードを変更した直後のフレーム期間では非有効画素行の画素からの信号のみが出力されるとも言える。また、駆動モードを変更した直後のフレーム期間におけるノイズ測定信号は、変更された駆動モードでの水平同期信号ＨＤに従って出力される。つまり、駆動モードを変更した直後のフレーム期間に出力されるノイズ測定信号の行数は、変更された駆動モードにおける１フレーム期間中に読み出（出力）される有効画素行の数に等しい。

本発明の第２の実施形態によれば、固体撮像装置１の駆動モード変更後の１フレーム目の画像信号出力前に、画面の切り出し位置、あるいは画素の間引きに応じたノイズ測定信号が、ランダムノイズを十分平均化可能な行数出力することが可能である。したがって、駆動モード変更後の１フレーム目の画像信号から、固定パタンノイズ成分を良好にキャンセルすることが可能となる。また、図３の駆動モードの変更及び図４の駆動モードの変更の両方を行うことができる。

（第３の実施形態）
次に本発明を適用できる第３の実施形態について、第１の実施形態と異なる点を中心に説明を行う。

図５に本実施形態にかかる固体撮像装置の駆動方法によるタイミングチャートを示す。図５（ｆ）は固体撮像装置１に供給する電源電圧の波形を示す。時刻Ｔ２０において、電源電圧が安定すると、ＣＰＵ９は固体撮像装置１と通信を行い、固体撮像装置１の初期設定を行う。そして固体撮像装置１の初期設定が完了した、時刻Ｔ２１において垂直同期信号ＶＤがタイミング生成部５に入力されると、固体撮像装置１は初期設定された駆動モードで動作を開始する。このとき、固体撮像装置１は、垂直駆動部４の非有効画素行選択部４３によって非有効画素行を選択し、非有効画素信号すなわちノイズ測定信号の出力を開始する。そして時刻Ｔ２３の垂直同期信号ＶＤがタイミング生成部５に入力されるまで、非有効画素行選択部４３は非有効画素行の選択を複数回繰返し、１フレームの行数以上のノイズ測定信号を出力する。また時刻Ｔ２２において、電子シャッタ走査部４１は、１フレーム目の電子シャッタ走査を開始する。そして時刻Ｔ２３以降は、読み出し走査と、電子シャッタ走査を繰返し、動画としての撮像信号を得る。

本発明の第３の実施形態によれば、固体撮像装置１の電源投入直後の１フレーム目の画像信号出力前に、ノイズ測定信号が、ランダムノイズを十分平均化可能な行数出力することが可能である。したがって、電源投入直後後の１フレーム目の画像信号から、固定パタンノイズ成分を良好にキャンセルすることが可能となる。

（第４の実施形態）
次に本発明を適用できる第４の実施形態について、第１の実施形態と異なる点を中心に説明を行う。

図６に本実施形態にかかる固体撮像装置の構成例を示す。本実施形態にかかる固体撮像装置１の垂直駆動部４は、有効画素行走査部４４を有する。有効画素行走査部４４は、電子シャッタ走査と、読み出し行走査を同時に行い、それぞれの走査を独立に制御することはできない。

図７に本実施形態にかかる固体撮像装置の駆動方法によるタイミングチャートを示す。まず３画素加算読み出し駆動モードのフレームの時刻Ｔ３０において、電子シャッタ走査を開始する。次に垂直同期信号ＶＤがタイミング生成部５に入力された時刻Ｔ３１において駆動モード切換を行う。図７では時刻Ｔ３１以降、全画素読み出し駆動モードに切り換える。つまり時刻Ｔ３１において、垂直駆動部４の走査タイミングが切り換わり、時刻Ｔ３０から開始した電子シャッタ走査のタイミングは全有効画素行を走査し終える前に切り換わる。

時刻Ｔ３１において、有効画素行の走査を行った場合、図７に示したとおり、各行で蓄積時間が一定にならないため、画像としては利用できない。

そこで時刻Ｔ３１からも、引き続き、非有効画素行の選択を複数回続け、非有効画素信号すなわちノイズ測定信号の出力を行う。

また時刻Ｔ３２からは駆動モード切換後の１フレーム目の電子シャッタ走査を開始する。そして時刻Ｔ３３において垂直同期信号ＶＤがタイミング生成部５に入力されると、有効画素行の読み出し走査を開始し、１フレーム目の画像信号を得る。

本発明の第４の実施形態によれば、利用することができない画像信号を出力する代わりに、ノイズ測定信号を１フレームの行数分出力することで、次のフレームの画像信号から固定パタンノイズ成分を良好にキャンセルすることが可能となる。また、電子シャッタ走査専用の垂直駆動部が無いため、固体撮像装置のチップサイズを小さくすることができ、よりコストを低くすることができる。

第１〜第４の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法によれば、固体撮像装置の駆動モード変更直後、あるいは撮像開始直後、最初の読み出しフレームに対応する電子シャッタ駆動中に、ダミーラインのノイズ測定信号を複数回出力する。これにより、ランダムノイズを十分平均化可能な行数のノイズ測定信号を１フレーム目の読み出し前に得ることができ、ランダムノイズ成分を十分抑制し、１フレーム目から精度よく固定パタンノイズ除去することが可能となる。またダミーラインの行数を増やす必要がないので、固体撮像装置の面積は増大せず、コストアップの要因となることはない。また電子シャッタ駆動中にノイズ測定信号出力を行っているため、有効画素信号出力までにタイムラグが発生することもない。

第１〜第４の実施形態の固体撮像装置は、２次元に行列配置された光電変換部を含む有効画素２１１を有する有効画素部２１と、少なくとも１行配置された光電変換部を含まない非有効画素２２１を有する非有効画素部２２とを有する。光電変換部は、例えばフォトダイオードである。図３等において、非有効画素行選択部４３は、駆動モードを変更した直後に、同一行の前記非有効画素２２１の信号を複数回選択して出力する。

図３等において、電子シャッタ操作部４１は、前記非有効画素行選択部４３が同一行の非有効画素の信号を複数回選択している期間に、前記有効画素２１１の光電変換部をリセットする。

図３等において、読み出し行走査部４２は、前記電子シャッタ操作部４１のリセット後に、行単位で前記有効画素２１１の信号を選択して出力する。

図３において、前記駆動モードは、画素加算モード（３画素加算読み出し駆動モード）及び全画素読み出しモード（全画素読み出し駆動モード）を有する。

ラインメモリ部３１は、前記画素加算モードでは前記読み出し行走査部４２により選択された複数の有効画素２１１の信号を加算して格納する。また、ラインメモリ部３１は、前記全画素読み出しモードでは前記読み出し行走査部４２により選択された複数の有効画素２１１の信号をそれぞれ加算せずに格納する。前記非有効画素行選択部４３は、前記画素加算モードから前記全画素読み出しモードに変更した直後に、同一行の前記非有効画素２２１の信号を複数回選択して出力する。

図４において、前記駆動モードは、一部画素読み出しモード（画面切り出し駆動モード）及び画素加算モード（３画素加算読み出し駆動モード）を有する。

前記読み出し行走査部４２は、前記一部画素読み出しモードでは一部の行の有効画素２１１の信号を選択し、前記画素加算モードではすべての行の有効画素２１１の信号を選択する。ラインメモリ部３１は、前記画素加算モードでは前記読み出し行走査部４２により選択された複数の有効画素２１１の信号を加算して格納する。また、ラインメモリ部３１は、前記一部画素読み出しモードでは前記読み出し行走査部４２により選択された複数の有効画素２１１の信号をそれぞれ加算せずに格納する。前記非有効画素行選択部４３は、前記画素加算モードから前記一部画素読み出しモードに変更した直後に、同一行の前記非有効画素２２１の信号を複数回選択して出力する。

図５において、前記非有効画素行選択部４３は、電源投入後、最初の有効フレーム（１フレーム目）の前フレームの期間中に、同一行の前記非有効画素２２１の信号を複数回選択して出力する。

非有効画素の信号を複数回選択することにより、非有効画素の行数を少なくすることができ、面積を小さくすることができる。また、１フレーム目が出力されるまでのタイムラグを防止することができる。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１固体撮像装置
２画素部
４垂直駆動部
５タイミング生成部
６通信部
７ＡＤコンバータ
８信号処理部
９ＣＰＵ
２１有効画素部
２２非有効画素部
３１ラインメモリ部
３２水平走査部
３３増幅器
４１電子シャッタ走査部
４２読み出し行走査部
４３非有効画素行選択部
８２固定パタンノイズ成分検出部

Claims

入射光を電荷に変換する光電変換部を含む有効画素が行列配置された有効画素部と、
光電変換部を含まない非有効画素が少なくとも１行配置された非有効画素部と、
前記有効画素部及び前記非有効画素部の画素を行毎に選択する垂直走査部と、
を有し、前記有効画素部に基づく第１の信号及び前記非有効画素部に基づく第２の信号を出力する固体撮像装置であって、
前記固体撮像装置はさらに、該固体撮像装置の駆動モードを切り換えるための第３の信号を外部から受ける入力部を有し、
前記垂直走査部は、前記有効画素部の読み出し走査中に前記入力部が前記第３の信号を受けると、前記第３の信号を受けた直後から前記第１の信号が出力されるまでの期間に、前記有効画素部の読み出し走査を停止して、前記非有効画素部の画素を選択して前記第２の信号を出力させ続けることを特徴とする固体撮像装置。
前記駆動モードは、前記有効画素部の複数の画素からの前記第１の信号を加算する加算モードと、前記有効画素部の全ての画素からの前記第１の信号を独立に読み出す全画素読み出しモードと、前記有効画素部の一部の画素のみから前記第１の信号を読み出す一部画素読み出しモードと、のいずれかを含むことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記有効画素部の列に対応して設けられたゲインが可変である列増幅部を有し、
前記駆動モードは前記ゲインの設定を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
前記入力部が前記第３の信号を受けた直後から前記第１の信号が出力されるまでの期間に前記垂直走査部が前記第２の信号を出力させる前記非有効画素部の行の数は、変更後の駆動モードにおける１つのフレーム期間中に前記第１の信号が出力される前記有効画素部の行の数に等しいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記非有効画素部の行の数は、前記有効画素部の行の数の１／１０以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記非有効画素部の行の数は１００以下であり、
前記垂直走査部は、前記駆動モードが変更された直後から前記第１の信号が出力されるまでの期間に、少なくとも１行の前記非有効画素部の画素から前記第２の信号を複数回出力させることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
前記垂直走査部は、
前記有効画素部の画素を行単位で選択して前記光電変換部をリセットする電子シャッタ走査部と、
前記有効画素部及び前記非有効画素部の画素を行単位で選択して第１の信号を出力させる読み出し走査部を有し、
前記電子シャッタ走査部は、前記読み出し走査部が前記非有効画素を選択して前記第２の信号を出力させている期間に前記有効画素部の前記光電変換部をリセットするとともに、
前記読み出し走査部は、前記電子シャッタ走査部による前記光電変換部のリセットが行われた後に前記有効画素部の画素を選択する動作を開始することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。