(57)【要約】【課題】アンプノイズに起因するノイズの周波数０付近の大きさを十分低減でき、しかも明るい被写体でも電圧変換部が飽和することなく正しく画素信号を復調できる固体撮像装置の低雑音信号生成方法を提供する。【解決手段】固体撮像素子の出力信号が基準レベルを越えたときにリセットパルスを加えるよう制御する。これによって暗い被写体ではリセットパルスがオンとなる頻度は小さくなり、周波数０付近のアンプノイズが低減された画素信号の割合を大きくできる。また、明るい被写体のように各画素信号で発生する信号電荷が大きいときでも、出力信号が基準レベルを越えれば電圧変換部の信号電荷が掃き出されるようリセットパルスが加えられるので、信号電荷の増大による電圧変換部の飽和で画素信号の復調が可能でなくなることはない。【選択図】図１
2010252100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元状に配列された複数の画素と、上記複数の画素で発生した信号電荷を転送する転送手段と、上記転送手段から上記信号電荷を受け取って検出する検出手段と、上記検出手段の信号電荷を排出するリセット手段を備えた固体撮像素子を用いる固体撮像装置の低雑音信号生成方法において、
上記検出手段の出力信号と所定の基準信号の大きさの関係を示す比較信号を生成し、
上記比較信号によって上記リセット手段を制御し、
上記転送手段の動作によって上記検出手段が第１の画素の信号電荷を受け取った後であって次の上記転送手段の動作によって第２の画素の信号電荷を受け取る直前までの期間に上記リセット手段の動作によって上記検出手段からの信号電荷の排出が行われなかった場合は、上記第２の画素の信号電荷を受け取った後の上記検出手段の出力信号と上記第１の画素の信号電荷を受け取った後の上記検出手段の出力信号の差信号から上記第２の画素の信号電荷に対応した信号を得ることを特徴とした固体撮像装置の低雑音信号生成方法。
【請求項２】
上記基準信号の大きさは、上記検出手段の出力信号の大きさと上記比較信号の生成時までに連続して上記リセット手段を動作させていない期間の長さに対応して生成することを特徴とした請求項１記載の固体撮像装置の低雑音信号生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤ等の固体撮像素子を用いた固体撮像装置において、雑音の低減された画像信号を生成する方法に関する。さらに詳しくは、特に低周波数の雑音が低減された画像信号が得られる固体撮像装置の駆動方法および信号処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２次元状に画素を並べた固体撮像素子を用いて画像信号を得る固体撮像装置は、ビデオカメラやディジタルスチルカメラなど、広い分野で利用されている。こうした固体撮像装置では、特にディジタルスチルカメラにおいて撮像素子の多画素化にともなう画素の信号量の減少が著しく、高品位の画像を維持するには雑音の低減が課題となっている。雑音が大きいときには、低照度の撮像条件ではある程度の信号量を確保するために蓄積時間を大きくとらなければならず、手ぶれによる撮影ミスが問題となる。
【０００３】
固体撮像素子のひとつであるＣＣＤ撮像素子の雑音は、おもに信号電荷に含まれる電流のショットノイズ、信号電荷を掃き出す際に発生するリセットノイズ、信号を出力するアンプで発生するアンプノイズである。これらのうち、リセットノイズを低減する方法として非特許文献１等で提案されている相関二重サンプリングが知られている。また、アンプノイズの影響を低減する画素混合読み出しの方法が特開昭６２−２６５８、特開平５−２４４５１６などに提案されており、特に画素混合読み出しで各画素信号を分離して取り出す方法が特開２００８−０５３９０７に提案されている。以下、これらの方法を簡単に説明する。
【０００４】
図３に従来技術によるＣＣＤ撮像素子を用いた固体撮像装置の構成の一例を示す。図３は、相関二重サンプリングあるいは画素混合読みだしの動作説明に関わる部分を主体に示したものであり、一般的な動作を行う部分の詳細は示さない。
【０００５】
まず、従来技術の相関二重サンプリングの動作について説明する。図３に示す固体撮像装置におけるＣＣＤ撮像素子１では、一定の露光期間に発生して各画素１０１に蓄積した信号電荷は、図には示さない読み出しゲートの動作によって画像信号の垂直ブランキング期間にそれぞれに隣接する垂直ＣＣＤ１０２に一斉に読み出される。各垂直ＣＣＤ１０２に読み出された信号電荷は、画像信号の水平ブランキング期間ごとに１ライン分、図には示さない垂直転送パルスを加えることによって水平ＣＣＤ１０３の方向に一斉に転送される。このとき水平ＣＣＤ１０３に移された水平方向１ライン分の画素の信号電荷は、画像信号の水平走査期間に電圧変換部１０４に向かって転送される。ここで水平ＣＣＤ１０３での信号電荷の転送は、一般的には１段あたり２相の図には示さない転送電極Ｈ１、Ｈ２に、パルス発生器５で生成された２つの水平転送パルスPh1とPh2を端子１０６と端子１０７からそれぞれ加えることによって達成される。電圧変換部１０４では、たとえば水平ＣＣＤ１０３の最終段の転送電極がＨ１であるとき、水平転送パルスPh1がハイレベルからローレベルに変わるタイミングで１画素分の信号電荷が移されて電圧に変換される。変換された電圧信号は、アンプ１０５を経て出力端子１０９から出力信号Vout1となって出力される。電圧変換部１０４の信号電荷は、次に水平転送パルスPh1がハイレベルからローレベルに変わって次の信号電荷が移される前に、パルス発生器５からのリセットパルスPrst1を端子１０８から加えることによって掃き出される。
【０００６】
図４は上に述べたＣＣＤ撮像素子１の出力信号Vout1に関わる動作のタイミングチャートを示す図である。（ａ）は、水平転送パルスPh1の波形を示す。また（ｂ）はリセットパルスPrst1の波形を示す。（ｃ）は出力端子１０９から得られる出力信号Vout1の波形を示す。（ｃ）に示す出力信号Vout1では、（ｂ）に示すリセットパルスPrst1のオン期間が終了するたとえばT11に、リセット動作で発生したリセットノイズ２０１ａがあらわれる。これに（ａ）に示す水平転送パルスPh1がハイレベルからローレベルに変化したタイミングT13で、信号電荷による画素信号２０２ａが重畳してあらわれる。ここで、信号電荷による画素信号は、通常のＣＣＤ撮像素子の場合がそうであるように、負の方向に現れるものとして示した。
【０００７】
ＣＣＤ撮像素子１の出力信号Vout1は、アンプ２を経てサンプリング回路３およびサンプリング回路４に加えられる。サンプリング回路４には、出力信号Vout1にリセットノイズ２０１ａのみが現れるたとえばT12に信号を取り込むよう、図４（ｄ）に示すパルスPn1がパルス発生器５から加えられる。この結果、サンプリング回路４からは図４（ｅ）に示すリセットノイズのみの信号Vn1が得られる。一方、サンプリング回路３には、出力信号Vout1に画素信号２０２ａが重畳して現れるたとえばT14に信号を取り込むよう、図４（ｆ）に示すパルスPs1がパルス発生器５から加えられる。この結果、サンプリング回路３からは図４（ｇ）に示すリセットノイズと画素信号が加算された信号Vs1が得られる。サンプリング回路３の出力信号Vs1とサンプリング回路４の出力信号Vn1を減算回路６に加えて両者の差信号Vs1-Vn1を生成すると、減算回路６の出力信号Vdif1は図４（ｈ）に示すものとなる。（ｈ）からわかるようにVdif1は、たとえばパルスPs1がオフになるT15からパルスPn1がオンになるT17までの期間に画素信号２０２ａのみが現れるものとなる。そこでこれをサンプリング回路７に加え、図４（ｉ）に示すパルスPout1によってたとえばT16にVdif1を取り込めば、サンプリング回路７からは図４（ｊ）に示すようなリセットノイズ２０１ａが除去された画素信号２０２ａのみの信号Vcds1が得られる。こうした方法は相関二重サンプリングと呼ばれており、リセットノイズの除去に有効である。
【０００８】
一方、図３に示す固体撮像装置においてサンプリング回路７から得られたリセットノイズ除去後の画素信号は、画像処理回路８に加えられて画像信号に変換される。ここで用いる画像処理回路８の動作は、一般的なものと同様でよいので説明は省略する。
【０００９】
このときアンプ１０５で発生したアンプノイズが、相関二重サンプリング後の信号にどのような形で混入するかについて説明する。サンプリング回路３に加えるパルスPs1をあらわす関数をfps(t)、サンプリング回路４に加えるパルスPn1をあらわす関数をfpn(t)とすると、それぞれ次に示す（１）、（２）式となる。ここで、T0は水平転送パルスの周期をあらわし、Ps1、Pn1の周期に等しい。また、dt0はPn1とPs1の位相差をあらわし、たとえば図４（ｄ）におけるT12と（ｆ）におけるT14の時間差である。
【００１０】
【数１】
2010252100.tif 000003
【００１１】
ここでアンプノイズをfn(t)とし、図４（ｋ）に示すような波形であると仮定すると、サンプリング回路３から得られる信号Vs1に混入するアンプノイズをあらわす関数fns(t)、サンプリング回路４から得られる信号Vn1に混入するアンプノイズをあらわす関数fnn(t)はそれぞれ次に示す（３）、（４）式となる。
【００１２】
【数２】
2010252100.tif 000004
【００１３】
さらに、図４（ｉ）に示すPout1によって両者の差信号Vdif1をサンプリングすると、これに含まれるfns(t)、fnn(t)は次の（５）、（６）式であらわされるf'ns(t)、f'nn(t)となる。ここで、dt1はPs1とPout1の位相差である。
【００１４】
【数３】
2010252100.tif 000005
【００１５】
この結果、差信号Vdif1をPout1でサンプリングして得られる相関二重サンプリング後の信号Vcds1に含まれるアンプノイズをあらわす関数fn_cds(t)は次の（７）式となる。
【００１６】
【数４】
2010252100.tif 000006
【００１７】
（７）式において右辺の前半の部分は、アンプノイズfn(t)を時間差dt0だけはなれた２点でサンプリングして、その差を求めることを表している。ここで、fn(t)を次の（８）式のように置き換えると、fn(t)はすべての周波数fにおいて大きさが１である信号となる。この結果、（８）式を（７）式に当てはめて得られる次の（９）式は、右辺の前半の部分は時間差dt0だけ離れた２点でサンプリングした信号間の差信号を求める処理による周波数応答をあらわす関数となる。このとき、（９）式であらわすfn_cds(t)を周波数変換したFn_cds(f)は次の（１０）式であらわされるものであり、アンプノイズが平坦な周波数分布であるときに相関二重サンプリング後の信号に混入する雑音の周波数分布をあらわす関数となる。（１０）式において「Ｆ」は周波数変換をあらわし、「＊」は次の（１１）式に示す重畳積分をあらわすものとする。
【００１８】
【数５】
2010252100.tif 000007
【００１９】
（１０）式において右辺の前半の部分が周波数応答をあらわす項であり、dt0を相関二重サンプリングでの一般的な値であるT0の1/2倍とおくと図５（ａ）に示す特性となる。Fn_cds(f)は（１０）式があらわすように、図５（ａ）に示す周波数成分が周波数n/T0（ｎは整数）を中心にした高調波成分となって発生するものとなる。従って、たとえばアンプの周波数帯域が2/T0までであり、fn(t)の周波数成分は直流から2/T0まで周波数によらず大きさが１であると仮定したとき、Fn_cds(f)の周波数成分は、図５（ｂ）に示すものとなる。各周波数の雑音には相関がないので雑音のベースバンド成分と各高調波成分はパワー加算となることから、高調波成分を含めたFn_cds(f)の周波数成分は図５（ｂ）から（ｃ）に書き改められ、大きさが約2.8で周波数によらず平坦なものとなる。
【００２０】
一方、リセットノイズの低減に加えて、さらにアンプノイズの影響を軽減するため、画素混合読みだしを行う方法が特開昭６２−２６５８、特開平５−２４４５１６、特開２００８−０５３９０７などに提案されている。ここでは、特に各画素信号を分離して取り出すことが可能な特開２００８−０５３９０７の方法について以下に説明する。
【００２１】
図６は特開２００８−０５３９０７の方法による固体撮像装置の構成図であり、図７はＣＣＤ撮像素子１の出力信号に関わる動作のタイミングチャートを示す図である。図６において、ＣＣＤ撮像素子１が一定の露光期間に発生して画素１０１に蓄積した信号電荷を、図には示さない読み出しゲートの動作によって画像信号の垂直ブランキング期間にそれぞれに隣接する垂直ＣＣＤ１０２に一斉に読み出すこと、各垂直ＣＣＤ１０２に読み出された信号電荷が、画像信号の水平ブランキング期間ごとに１ライン分、図には示さない垂直転送パルスを加えることによって水平ＣＣＤ１０３の方向に一斉に転送されることは、図３に示した従来例の場合と同様である。また、水平ＣＣＤ１０３に移された水平方向１ライン分の画素の信号電荷が、画像信号の水平走査期間にパルス発生器５で生成した水平転送パルスPh1とPh2を端子１０６と端子１０７から加えることによって電圧変換部１０４に向かって転送されること、電圧変換部１０４で電圧に変換された信号がアンプ１０５を経て出力端子１０９から出力信号Vout2となって出力されること、電圧変換部１０４の信号電荷が端子１０８から加えたパルス発生器５からのリセットパルスPrst2によって掃き出されることも図３に示した従来技術の場合と同様である。
【００２２】
ここで図６に示す固体撮像装置では、水平転送パルスPh1が図７（ａ）に示すものであるとき、（ｂ）に示すように端子１０８に加えるリセットパルスPrst2の周期を水平転送パルスPh1の繰り返し周期の２倍とする。この結果、出力端子１０９から得られる出力信号Vout2は図７（ｃ）に示すものとなる。（ｃ）に示す出力信号Vout2では、（ｂ）に示すリセットパルスPrst2のオン期間が終了するたとえばT21に、リセット動作で発生したリセットノイズ２０１ａがあらわれ、これに（ａ）に示す水平転送パルスPh1が１番目にハイレベルからローレベルに変化するタイミングT23で信号電荷による画素信号２０２ａが重畳して現れる。さらに、水平転送パルスPh1が次にハイレベルからローレベルに変化するタイミングT25で、次の信号電荷による画素信号２０２ｂが重畳する。
【００２３】
ＣＣＤ撮像素子１の出力端子１０９から得られた出力信号Vout2は、アンプ２を経てサンプリング回路３およびサンプリング回路４に加えられる。サンプリング回路４には、出力信号Vout2にリセットノイズ２０１ａのみが現れるたとえばT22に信号を取り込むための図７（ｄ）に示すパルスPn2がパルス発生器５から加えられる。この結果、サンプリング回路４からは（ｅ）に示すリセットノイズ２０１のみの信号Vn2が得られる。
【００２４】
一方サンプリング回路３には、パルス発生器５から図７（ｆ）に示すPs2を加える。図７（ｆ）に示すPs2は、たとえば出力信号Vout2に画素信号２０２ａが重畳してあらわれるT24と、さらに画素信号２０２ｂが重畳してあらわれるT26に信号を取り込むようサンプリング回路３を動作させる。この結果、サンプリング回路３からは（ｇ）に示すように、T24からT26までの期間はリセットノイズ２０１ａと画素信号２０２ａが加算された信号が現れ、T26から次にPs2がオンとなるT28までの期間はリセットノイズ２０１ａと画素信号２０２ａおよび２０２ｂが加算された信号が現れる。ここでサンプリング回路３とサンプリング回路４の出力信号を減算回路６に加えて差信号Vdif2を生成すると、減算回路６からは図７（ｈ）に示すようにたとえばT24からT26までの期間にリセットノイズの除去された画素信号２０２ａが得られる。
【００２５】
また、図６に示す固体撮像装置においてサンプリング回路３の出力信号は、水平転送動作の周期に等しい遅延時間T0だけ入力信号を遅らせる遅延回路９に加えられる。さらに、サンプリング回路３の出力信号と遅延回路９の出力信号は減算回路１０に加えられる。この結果、減算回路１０の出力信号Vdif3は、図７（ｉ）に示すようにたとえばT26からT28までの期間にリセットノイズ２０１ａと画素信号２０２ａが除去された画素信号２０２ｂのみが現れるものとなる。そこで減算回路６の出力信号Vdif2と減算回路１０の出力信号Vdif3をゲート回路１１に加えて、たとえばT24からT26までの期間に減算器６からリセットノイズの除去された画素信号２０２ａが得られ、T26からT28までの期間に減算器１０からリセットノイズの除去された画素信号２０２ｂが得られるよう動作させる。このときゲート回路１１から得られた出力信号をサンプリング回路７に加え、図７（ｊ）に示すパルスPout2でサンプリングすれば、リセットノイズの除去された各画素信号が得られる。なお、図６に示す固体撮像装置における画像処理回路８以降の動作は、図３に示した従来例の場合と同様である。
【００２６】
このときゲート回路１１を経て減算回路６から得られる画素信号に混入するアンプノイズは、図３に示した一般的な相関二重サンプリング後の出力信号に混入するアンプノイズと同様である。これに対してゲート回路１１を経て減算回路１０から得られる画素信号に混入するアンプノイズはつぎのとおりである。
【００２７】
サンプリング回路３から直接減算回路１０に加える信号は、Ps2でサンプリングした信号であるから、これに混入するアンプノイズをあらわす関数は図３に示した従来技術の場合と同様、（３）式に示すfns(t)である。これに対して遅延回路９でT0だけ遅延させた信号に混入するアンプノイズをあらわす関数fnsd(t)は次の（１２）式となる。この結果、減算回路１０の出力信号に混入するアンプノイズをあらわす関数fn_cds2(t)は次の（１３）式となる。
【００２８】
【数６】
2010252100.tif 000008
【００２９】
ここで、（１３）式の右辺の前半の部分は、アンプノイズfn(t)を時間差T0だけはなれた２点でサンプリングしてその差を求めることを表している。（７）式において、アンプノイズの周波数成分が平坦な分布であると仮定してfn(t)を（８）式で置き換えたとき、置き換えて得られる（９）式を周波数変換した（１０）式は、時間差dt0だけはなれた２点でサンプリングした信号の差信号でのアンプノイズに起因するノイズの周波数成分をあらわしていた。これと同様に、（１３）式においてfn(t)を（８）式で置き換えてから周波数変換した次の（１４）に示すFn_cds2(f)は、時間差T0だけはなれた２点でサンプリングした信号の差信号でのアンプノイズに起因するノイズの周波数成分をあらわす。
【００３０】
【数７】
2010252100.tif 000009
【００３１】
ここで（１４）式において右辺の前半の部分が、時間差T0だけはなれた２点でサンプリングした信号間の差を求めたときの周波数応答をあらわす項であり、図８（ａ）に示す特性となる。このとき、アンプの周波数帯域が2/T0までであり、fn(t)の周波数成分が平坦な分布であって直流から2/T0までであるとしたとき、高調波成分を含めたアンプノイズの周波数成分は図８（ｂ）に示すものとなる。（ｂ）からわかるように、各周波数におけるベースバンド成分と各高調波成分は重なる波形となる。各周波数の雑音には相関がないので雑音のベースバンド成分と各高調波成分はパワー加算となることから、高調波成分を含めたFn_cds2(f)の周波数成分は図８（ｃ）に示すように、周波数０付近、N/T0付近（Ｎは整数）で０となり、1/2T0、3/2T0での大きさがfn(t)の4倍となる。
【００３２】
人間の視覚度特性は、高周波成分よりも低周波成分に対して感度が高く、細かいものより大まかなものの方が目立ちやすいことが知られている。したがって、高い周波数の雑音が多少増加しても周波数０の付近の雑音が低減すると視覚上の雑音低減に有利である。図７に示した動作例ではリセットパルスを２分周する場合を例にとって説明したが、このときアンプノイズに起因するノイズは、全体の半分の画素信号では一般的な相関二重サンプリングの場合と同様で、残りの半分の画素信号では周波数０付近で０となるものであるから、周波数０付近のノイズの低減量は十分ではない。リセットパルスをたとえば1/4に分周すれば、周波数０付近でアンプノイズに起因するノイズが０となる画素信号の割合を3/4と大きくできるが、ＣＣＤ撮像素子１の電圧変換部１０４には４画素分の信号電荷が加わるので、明るい被写体では飽和しやすい。電圧変換部が飽和した場合は加算された画素信号間の減算から正しく画素信号を復調することができなくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３３】
【特許文献１】特開昭６２−２６５８号公報
【特許文献２】特開平５−２４４５１６号公報
【特許文献３】特開２００８−０５３９０７号公報
【非特許文献】
【００３４】
【非特許文献１】IEEE Journal of SOLID-STATE CIRCUITS, Vol.sc-9, No.1, pp.1-12, 1974
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
以上述べたように、図３に示した従来技術による固体撮像装置ではＣＣＤ撮像素子のリセットノイズを除去できるが、アンプノイズに起因するノイズは周波数成分の分布が視覚上目に付きやすい低周波から目立ちにくい高周波まで周波数によらず一定であるので、特に暗い被写体では雑音の低減が十分でないという問題があった。また、図６に示した従来技術によるリセットパルスを分周する方法によれば、複数の画素信号が混合された信号間の減算で各画素信号を得ることで、アンプノイズに起因するノイズの周波数０付近の大きさを低減できるものの、明るい被写体では電圧変換部の飽和で正しく画素信号の復調ができないという問題があった。
【００３６】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、アンプノイズに起因するノイズの周波数０付近の大きさを十分低減でき、しかも明るい被写体でも電圧変換部が飽和することなく正しく画素信号を復調できる固体撮像装置の低雑音信号生成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
上記課題を解決するために本発明の固体撮像装置の低雑音信号生成方法は、二次元状に配列された複数の画素と、上記複数の画素で発生する信号電荷を転送する転送手段と、上記転送手段から上記信号電荷を受け取って検出する検出手段と、上記検出手段の信号電荷を排出するリセット手段を備えた固体撮像素子を用いる固体撮像装置の低雑音信号生成方法において、上記検出手段の出力信号と所定の基準信号の大きさの関係を示す比較信号を生成し、上記比較信号が上記検出手段の出力信号より上記所定の基準信号が小さいかあるいは等しいものであることを示すときに上記検出手段の信号電荷を排出し、上記比較信号が上記検出手段の出力信号より上記所定の基準信号が大きいものであることを示すときに上記検出手段の信号電荷を排出しないよう上記リセット手段を制御し、上記転送手段の動作によって上記検出手段が第１の画素の信号電荷を受け取った後であって次の上記転送手段の動作によって第２の画素の信号電荷を受け取る直前までの期間に上記リセット手段の動作によって上記検出手段からの信号電荷の排出が行われなかった場合は、上記第２の画素の信号電荷を受け取った後の上記検出手段の出力信号と上記第１の画素の信号電荷を受け取った後の上記検出手段の出力信号の差信号から上記第２の画素の信号電荷に対応した信号を得ることとした。
【００３８】
また本発明の固体撮像装置の低雑音信号生成方法は、上記検出手段の出力信号の大きさと上記比較信号の生成時までに連続して上記リセット手段を動作させていない期間の長さに対応して上記基準信号を生成するものとしてもよい。
【発明の効果】
【００３９】
本発明の固体撮像装置の低雑音信号生成方法によれば、画素の信号電荷が小さいときは電圧変換部からの信号電荷の掃き出しが実行される頻度を小さくして、水平転送パルスの１周期分の間隔でサンプリングした信号間の差から求める画素信号の割合を大きくでき、しかも、各画素で発生する信号電荷が大きいときでも電圧変換部が飽和することのない固体撮像装置を実現できる。この結果、通常の相関二重サンプリングによる場合よりも、視覚上目に付きやすい周波数０付近のアンプノイズに起因するノイズが低減された画素信号を得ることができ、低照度の撮像条件でも蓄積時間を大きくとらずにすむので、手ぶれによる撮影ミスの発生を防止できる固体撮像装置の実現が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は本発明の固体撮像装置の低雑音信号生成方法の実施の形態を示す図である。（実施例１）
【図２】図２は本発明の固体撮像装置の低雑音信号生成方法の動作を示す説明図である。
【図３】図３は従来技術による固体撮像装置の構成を示す図である。
【図４】図４は従来技術の相関二重サンプリングの動作を示す図である。
【図５】図５は相関二重サンプリングでのアンプノイズの周波数成分を示す図である。
【図６】図６は従来技術によるリセットパルスを分周する固体撮像装置の構成を示す図である。
【図７】図７は従来技術のリセットパルスを分周する固体撮像装置の動作を示す図である。
【図８】図８は混合された画素信号間の差から得た画素信号でのアンプノイズの周波数成分を示す図である。
【図９】図９は本発明の固体撮像装置の雑音低減方法の実施の形態を示す図である。（実施例２）
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００４２】
図１は本発明による固体撮像装置の低雑音信号生成方法の第１の実施の形態を示す構成図である。また図２は、本発明による固体撮像装置の低雑音信号生成方法の第１の実施の形態における、ＣＣＤ撮像素子１の出力信号に関わる動作のタイミングチャートを示す図である。図１において、ＣＣＤ撮像素子１が一定の露光期間に発生して画素１０１に蓄積した信号電荷を、図には示さない読み出しゲートの動作によって画像信号の垂直ブランキング期間にそれぞれに隣接する垂直ＣＣＤ１０２に一斉に読み出し、各垂直ＣＣＤ１０２に読み出された信号電荷が、画像信号の水平ブランキング期間ごとに１ライン分、図には示さない垂直転送パルスを加えることによって水平ＣＣＤ１０３の方向に一斉に転送されることは、図３あるいは図６に示した従来例の場合と同様である。また、水平ＣＣＤ１０３に移された水平方向１ライン分の画素の信号電荷が、画像信号の水平走査期間にパルス発生器５で生成した水平転送パルスPh1とPh2を端子１０６と端子１０７から加えることによって電圧変換部１０４に向かって転送されること、電圧変換部１０４で電圧に変換された信号がアンプ１０５を経て出力端子１０９から出力信号Vout0となって出力されることも図３あるいは図６に示した従来技術の場合と同様である。
【００４３】
ここで図１に示す本発明の固体撮像装置が図６に示した従来技術のものと異なる点の一つ目は、パルス発生器５と端子１０８の間にパルス制御器１２を挿入して、パルス発生器５から端子１０８へのリセットパルスの印加を制御する点である。この結果、電圧変換部１０４の信号電荷は、パルス制御器１２から出力される実効リセットパルスによって掃き出される。このときパルス制御器１２は、出力端子１０９から得られた出力信号Vout0と基準レベル発生器１４が発生する基準レベル信号Vx0を比較する比較器１３からの制御信号に応じて、パルス発生器５から加えられたリセットパルスを選択的に出力するものとする。たとえば比較器１３からパルス制御器１２に加えられる制御信号は、出力信号Vout0がVx0に等しいか大きいときはパルス制御器１２が入力されたリセットパルスをそのまま出力し、出力信号Vout0がVx0より小さいときはパルス制御器１２が入力されたリセットパルスを出力しないよう動作するものとすればよい。
【００４４】
なお、基準レベル発生器１４が発生する基準レベル信号Vx0は、たとえばＣＣＤ撮像素子１の各画素１０１で発生しうる最大信号電荷の1/2あるいは電圧変換部１０４が変換しうる最大信号電荷の1/2が電圧変換部１０４に加えられたときに出力端子１０９に発生する出力信号の大きさに設定すればよい。このとき比較器１３に加えられるVout0がVx0より小さいならば、少なくとも検出直前に電圧変換部１０４に転送された画素からの信号電荷は最大信号電荷の1/2より小さいことをあらわす。画像にはある程度周辺との相関があって、隣り合う画素間での急激な変化が少ないことを期待すると、次に得られる隣の画素からの信号電荷も最大信号電荷の1/2より小さい可能性が高い。このとき、電圧変換部１０４の信号電荷を掃き出さなくとも、次に転送される隣の画素の信号電荷を加算したときに電圧変換部１０４が飽和する可能性は低い。そこで、パルス制御器１２はパルス発生器５からのリセットパルスを出力しなよう動作する。一方、比較器１３に加えられるVout0がVx0より大きいならば、少なくとも検出直前までに電圧変換部１０４に転送された画素からの信号電荷は最大信号電荷の1/2より大きいことをあらわす。このとき、次に得られる隣の画素からの信号電荷が最大信号電荷の1/2より大きい可能性があるので、電圧変換部１０４の信号電荷を掃き出さないと、次に転送される隣の画素の信号電荷を加算して電圧変換部１０４が飽和する可能性が高い。そこで、パルス制御器１２はパルス発生器５からのリセットパルスを出力するよう動作する。
【００４５】
また、ＣＣＤ撮像素子１の出力信号Vout0をアンプ２を経てサンプリング回路３およびサンプリング回路４に加え、サンプリング回路３の出力信号およびサンプリング回路４の出力信号を減算回路６に加えて差信号を得ること、サンプリング回路３の出力信号とこれを遅延回路９で信号電荷の転送周期に等しい遅延時間だけ遅らせた信号を減算回路１０に加えることは図６に示した従来技術の場合と同様である。
【００４６】
図１に示す本発明の固体撮像装置が図６に示した従来技術の場合と異なる点の二つ目は、減算回路６の出力信号と減算回路１０の出力信号を、比較器１３の制御信号を遅延回路１５で遅延させた信号を用いて制御するゲート回路１６に加える点である。ここでゲート回路１６は、比較器１３から出力される制御信号がパルス制御器１２からリセットパルスを出力させるものであったときには、対応する画素信号を減算器６の出力信号とし、比較器１３から出力される制御信号がパルス制御器１２からリセットパルスを出力させるものでなかったときには対応する画素信号を減算器１０の出力信号とするよう動作させるものとする。なお、ゲート回路１６の出力信号をサンプリングするサンプリング回路７以降の動作は、図６に示した従来技術の場合と同様である。
【００４７】
ここで、たとえば水平転送パルスPh1が図２（ａ）に示すものであり、パルス発生器５からのリセットパルスPrst0が（ｂ）で示すものであるとする。また、パルス制御器１２から端子１０８に加えられる実効リセットパルスPjrs0は（ｃ）であり、まずT00からT01の期間にオンとなるリセットパルスがそのまま出力されるものとする。このとき出力端子１０９から得られる出力信号Vout0は、図２（ｄ）に示すようにT01でリセットノイズ２０１ａがあらわれ、水平転送パルスPh1がローレベルになるT03に画素信号２０２ａが重畳するものとなる。ここで図２（ｅ）に示す比較器１３の出力信号Vcon0は、画素信号２０２ａが重畳した段階で基準レベル発生器１４の出力信号Vx0より小さい場合を示した。このときパルス制御器１２の動作によってリセットパルスのT05からT06の期間にオンとなる部分は端子１０８には印加されない。この結果電圧変換部１０４には、次に水平転送パルスPh1がローレベルになるT07に、さらに画素信号２０２ｂが重畳する。ここで図２（ｅ）に示す比較器１３の出力信号Vcon0は、画素信号２０２ｂが重畳した段階でもまだ基準レベル発生器１４の出力より小さい場合を示した。このときパルス制御器１２の動作によってリセットパルスのT08からT09の期間にオンとなる部分もまた印加されない。この結果電圧変換部１０４には、次に水平転送パルスPh1がローレベルになるT010に、さらに画素信号２０２ｃが重畳する。ここで比較器１３の出力信号Vcon0が図２（ｅ）に示すように基準レベル発生器１４の出力より大きくなった場合、パルス制御器１２の動作によってリセットパルスのT011からT012の期間にオンとなる部分が端子１０８に印加される。この結果、出力端子１０９から得られる出力信号Vout0は、（ｄ）に示すようにT011で０にリセットされる。
【００４８】
（ｄ）に示す出力信号Vout0では、（ｃ）に示す実効リセットパルスPjrs0がローレベルになるT012にリセットノイズ２０１ｂが確定し、次に水平転送パルスPh1がオフになるT013に画素信号２０２ｄが重畳する。このとき、図２（ｅ）に示すように比較器１３の出力信号Vcon0が、画素信号２０２ｄが重畳した段階で基準レベル発生器１４の出力より大きい場合、パルス制御器１２の動作によって次のリセットパルスのT014からT015の期間にオンとなる部分も印加される。以下同様に、画素信号が重畳した結果の出力信号Vout0の大きさを比較器１３で基準レベルと比べ、基準レベルより大きくなったときに電圧変換部１０４の信号電荷を掃き出すよう動作する。これを実現するパルス制御器１２は、たとえば（ｅ）に示す比較器１３の出力信号Vcon0をリセットパルスの幅に等しい遅延時間だけ送らせた信号によって、リセットパルスPrst0をゲートする構成でよいことは図２から明らかである。
【００４９】
このとき図１に示す実施例では、サンプリング回路３に図２（ｆ）に示すサンプリングパルスPs0を加え、サンプリング回路４に（ｇ）に示すサンプリングパルスPn0を加える。この結果サンプリング回路３、サンプリング回路４から得られる出力信号Vs0、Vn0はそれぞれ（ｈ）、（ｉ）に示すものとなる。そこで、サンプリング回路３の出力信号とサンプリング回路４の出力信号を減算回路６に加えて差信号Vdif01を得れば、図２（ｊ）に示すようにたとえばT016からT017の期間はリセットノイズ２０１ａが除去された画素信号２０２ａのみの信号、T022からT023の期間はリセットノイズ２０１ｂが除去された画素信号２０２ｄのみの信号となる。
【００５０】
一方、サンプリング回路３の出力信号Vs0を遅延回路９で水平転送パルスPh1の１周期分遅延させた信号Vs0dは、図２（ｋ）に示すものとなる。これをサンプリング回路３の出力信号Vs0とともに減算回路１０に加えて差信号Vdif02を得れば、図２（ｌ）に示すようにたとえばT018からT020の期間は画素信号２０２ｂのみが得られ、T020からT022の期間は画素信号２０２ｃのみが得られる。
【００５１】
そこで減算回路６と減算回路１０の出力信号をゲート回路１６に加え、比較器１３から得られるVcon0を遅延回路１５で水平転送パルスPh1の１周期分遅延させた（ｍ）に示すVcon0dで制御する。このときゲート回路１６は、Vcon0dがハイレベルであるときは減算器６から加えられたVdif01を出力し、Vcon0dがローレベルであるときは減算器１０から加えられたVdif02を出力するよう動作するものとする。この結果、ゲート回路１６の出力信号をサンプリング回路７に加え、たとえば（ｎ）に示すPout0でサンプリングすると、（ｏ）に示すVcds0が得られる。こうして得られたVcds0は、リセットノイズが除去された画素信号のみの信号であり、しかも実効リセットパルスPjrs0がオンでなかったときには水平転送パルスPh1の１周期分離れた２点でサンプリングした信号間の差から得たものであるので、周波数０付近でアンプノイズに起因するノイズの低減されたものとなる。
【００５２】
このとき、各画素で発生する信号電荷が小さければ、ＣＣＤ撮像素子１の出力信号Vout0が基準レベル信号Vx0を越えるのは多くの画素の信号電荷を混合させたときであるので、実効リセットパルスがオンとなる頻度は小さくなる。この結果、周波数０付近のアンプノイズに起因するノイズが低減された画素信号の割合を大きくできる。また、各画素信号で発生する信号電荷が大きいときでも、出力信号Vout0が基準レベル信号Vx0を越えれば電圧変換部の信号電荷が掃き出されるよう実効リセットパルスがオンとなるので、信号電荷の増大で電圧変換部が飽和することはない。
【００５３】
なお、上記の説明は、サンプリング回路３、サンプリング回路４，遅延回路９、減算回路６、減算回路１０、ゲート回路１６およびサンプリング回路７を独立したものとして説明したが、各要素の機能が達成されれば他の形態でもよいことは明らかである。たとえばゲート回路１６にサンプリング回路７の機能を併せ持たせることが容易であることは明らかである。また、出力端子１０９から得られる出力信号をディジタル信号に変換すれば、アンプ２以降の動作はソフトウェア的手法で各要素を独立させることなく達成できることは明らかである。
【実施例２】
【００５４】
図９は本発明による固体撮像装置の低雑音信号生成方法の第２の実施の形態を示す構成図である。図９に示す固体撮像装置が図１に示した実施例１における固体撮像装置と異なる点は、基準レベル発生器１４の出力信号を演算器１７を経て比較器１３に加える点である。ここで演算器１７は、パルス制御器１２に入力されるリセットパルスと出力される実効リセットパルスから増幅度を決定し、基準レベル発生器１４の出力信号を増幅して出力するものとする。演算器１７における増幅度の決定方法は次に述べるとおりである。
【００５５】
画像にはある程度周辺との相関があることを期待し、各画素の信号電荷が周辺の画素のものとおおよそ大きさが近いとすると、たとえば２つの画素からの信号電荷を混合しても電圧変換部１０４が飽和しないためには、各画素の信号電荷が電圧変換部１０４が変換しうる最大信号電荷の1/2以下であればよい。また、３つの画素からの信号電荷を混合しても電圧変換部１０４が飽和しないためには、各画素の信号電荷が電圧変換部１０４が変換しうる最大信号電荷の1/3以下であればよい。同様に、Ｎ個の画素からの信号電荷を混合しても電圧変換部１０４が飽和しないためには、各画素の信号電荷が電圧変換部１０４が変換しうる最大信号電荷の1/N以下であればよい。この条件に適合するならば、電圧変換部１０４にＮ個の画素の信号電荷が混合されているとき、出力端子１０９から得られる出力信号が電圧変換部１０４が変換しうる最大信号電荷に対応する信号のN/(N+1)より小さいときに次の転送の前ではリセットパルスを休止し、大きいときは次の転送の前でリセットパルスをオンとするようパルス制御器１２を動作させればよい。これには演算器１７は、電圧変換部１０４に混合されている信号電荷の画素数に応じて比較器１３に加える出力信号を変えるよう、増幅度を制御すればよい。
【００５６】
たとえば図２（ｃ）におけるT01では、実効リセットパルスPjrs0がオンであった直後であるから、次の転送で電圧変換部１０４に加えられる信号電荷が１つ目の画素のものである。このとき、１つ目の画素の信号電荷が電圧変換部１０４に転送されたT03以降における出力端子１０９の出力信号Vout0が、電圧変換部１０４が変換しうる最大信号電荷が加えられたときに発生する出力信号の1/2より大きいかどうかを比較すれば、次の転送の前にリセットパルスをオンとするかどうかの判定ができる。これには、たとえば基準レベル発生器１４の出力信号を電圧変換部１０４が変換しうる最大信号電荷が電圧変換部１０４に加えられたときに出力端子１０９に発生する出力信号の大きさVx1に設定しておき、演算器１７の増幅度を1/2に設定すればよい。
【００５７】
また図２（ｃ）におけるT06では、実効リセットパルスが１水平転送パルス期間前にオンであったが当該位置ではオフであった直後であるから、次の転送で電圧変換部１０４に加えられる信号電荷が２つ目の画素のものである。このとき、２つ目の画素の信号電荷が電圧変換部１０４に転送されたT07以降における出力端子１０９の出力信号Vout0が、電圧変換部１０４が変換しうる最大信号電荷が加えられたときに出力端子１０９に発生する出力信号の2/3より大きいかどうかを比較すれば、次のリセットパルスを加えるかどうかの判定ができる。これには演算器１７の増幅度を2/3に設定すればよい。
【００５８】
以上述べたように演算器１７の増幅度は、パルス制御器１２に入力されるリセットパルスと出力される実効リセットパルスからリセットパルスが連続して休止している回数Ｎを求め、(N+1)/(N+2)に設定すればよい。
【００５９】
このように図９に示した本発明による固体撮像装置は、電圧変換部１０４に混合された信号電荷の大きさとその画素数から、次に転送されて混合される信号電荷の大きさを予想することで、電圧変換部１０４の飽和を防止しながら、混合された信号電荷を電圧変換部１０４が変換しうる最大信号電荷に近づけることができる。この結果、比較する信号レベルを固定した図１に示す実施例１の固体撮像装置に比べると、特に各画素の信号電荷が小さい場合にリセットパルスを休止して混合させる画素数をより大きくできるので、水平転送パルスの１周期分離れた２点でサンプリングした信号間の差から求めた周波数０付近のアンプノイズに起因するノイズが低減された画素信号の割合をより大きくできる。
【００６０】
なお、上述の本発明の第１の実施の形態では、リセットパルスを休止するかどうかの判定の基準を、出力信号が電圧変換部１０４が変換しうる最大信号電荷の1/2としたが、より確実に電圧変換部１０４の飽和を防止するには、さらに小さいレベルとすればよいことは明らかである。これは本発明の第２の実施の形態における、演算器１７の増幅度の決め方に関しても同様である。
【００６１】
また上述の本発明の第１の実施の形態あるいは第２の実施の形態は、固体撮像素子がＣＣＤである場合を例にとって説明したが、電圧検出部の信号電荷を掃き出す動作を、信号電荷の大きさに対応して制御できれば同様の効果が得られることから、ＣＭＯＳ撮像素子など他の固体撮像素子にも適用することが可能であることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
以上説明したように、本発明の固体撮像装置の雑音低減方法によれば、通常の相関二重サンプリングによる場合よりも、視覚上目に付きやすい周波数０付近のノイズが低減された画素信号を得ることができる。この結果、低照度の撮像条件でも蓄積時間を大きくとらずにすみ、手ぶれによる撮影ミスの発生を防止できる固体撮像装置の実現が可能になる。
【符号の説明】
【００６３】
１    ＣＣＤ撮像素子
２    アンプ
３    サンプリング回路
４    サンプリング回路
５   パルス発生器
６    減算回路
７    サンプリング回路
８    画像処理回路
９    遅延回路
１０  減算回路
１１  ゲート回路
１２  パルス制御器
１３  比較器
１４  基準レベル発生器
１５  遅延回路
１６  ゲート回路
１７  演算器
１０１  画素
１０２  垂直ＣＣＤ
１０３  水平ＣＣＤ
１０４  電圧変換部
１０５  アンプ
１０６、１０７、１０８  端子
１０９  出力端子
２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄ  リセットノイズ
２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄ  画素信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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