(57)【要約】【課題】秘匿性の高い固有鍵を生成することが可能で、また、固有ＩＤの再現性およびユニーク性の向上を図ることができ、固有鍵の高い耐タンパ性を確保することが可能で、ひいては画像の改ざん、ねつ造を確実に防止することが可能な固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器を提供する。【解決手段】固体撮像装置１０は、フォトダイオードを含む複数の画素が行列状に配列された画素部２０と、画素部２０から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、画素のばらつき情報および読み出し部のばらつき情報の少なくともいずれかを鍵生成用データとして用いて固有鍵を生成する鍵生成部８２と、を有し、鍵生成部８２は、鍵生成用データに対して、固有鍵の解析の困難さである耐タンパ性を強化する耐タンパ性強化処理を行う耐タンパ性強化処理部８２ａを含む。【選択図】図１２
2018117269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードを含む複数の画素が行列状に配列された画素部と、
前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、
前記画素のばらつき情報および前記読み出し部のばらつき情報の少なくともいずれかを鍵生成用データとして用いて固有鍵を生成する鍵生成部と、を有し、
前記鍵生成部は、
前記鍵生成用データに対して、固有鍵の解析の困難さである耐タンパ性を強化する耐タンパ性強化処理を行う耐タンパ性強化処理部を含む
固体撮像装置。
【請求項２】
前記鍵生成部の耐タンパ性強化処理部は、
前記鍵生成用データに対する非相関化処理により、当該鍵生成用データと相関のある傍受データから相関が弱くなる非相関化データを取得する非相関化処理部を含み、
取得した前記非相関化データを用いて固有鍵を生成する
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記非相関化処理部で前記傍受データを処理して得られるデータは前記非相関化データとは無相関である
請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記鍵生成用データは、前記読み出し部により読み出される画素信号に関連して生成され、相関性を示す値が第１範囲内の画素を抜き出したときには傍受データと無相関のデータであり、前記第１範囲外の第２範囲の画素を抜き出したときには傍受データと相関があるデータであり、
前記非相関化処理部は、
前記鍵生成用データのうち、相関性を示す値が第１範囲に収まっている画素データのみを前記非相関化データとして抜き出すフィルタを含む
請求項２または３記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記鍵生成部の耐タンパ性強化処理部は、
鍵生成用データの複数画素間で平均化処理を行う平均化処理部を含む
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記鍵生成部の耐タンパ性強化処理部は、
前記平均化処理部で平均化処理を受けたデータにおいて、隣接の２画素間で大小判定して２値化を行う判定部を含む
請求項１または５記載の固体撮像装置
【請求項７】
前記鍵生成部の耐タンパ性強化処理部は、
前記判定部の出力データを圧縮する圧縮部を含む
請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記鍵生成部の耐タンパ性強化処理部は、
前記判定部の出力データをソートするソート部を含む
請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記鍵生成部は、
前記画素のばらつき情報としてリーク電流と位置情報を用いる
請求項１から８のいずれか一に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた利得をもって電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
前記フローティングディフュージョンを所定電位にリセットするリセット素子と、を含む
請求項１から９のいずれか一に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記画素部は、
一つの前記フローティングディフュージョン、一つの前記ソースフォロワ素子、および一つのリセット素子を複数の前記光電変換素子および前記転送素子で共有する画素共有構造を有する
請求項５から８のいずれか一に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
画素アレイ端に画素出力電圧振幅を制限するクリップ回路が配置されている
請求項１１記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
フォトダイオードを含む複数の画素が行列状に配列された画素部と、
前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、
を含む固体撮像装置の駆動方法であって、
前記画素のばらつき情報および前記読み出し部のばらつき情報の少なくともいずれかの情報を取得する情報取得ステップと、
前記情報取得ステップで取得したばらつき情報を鍵生成用データとして用いて固有鍵を生成する鍵生成ステップと、を有し、
前記鍵生成ステップでは、
前記鍵生成用データに対して、固有鍵の解析の困難さである耐タンパ性を強化する耐タンパ性強化処理を行う
固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１４】
前記鍵生成ステップの耐タンパ性強化処理では、
前記鍵生成用データに対する非相関化処理により、当該鍵生成用データと相関のある傍受データから相関が弱くなる非相関化データを取得し、
取得した前記非相関化データを用いて固有鍵を生成する
請求項１３記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１５】
前記鍵生成ステップの耐タンパ性強化処理では、
鍵生成用データの読み出し方向に隣接する２画素間で平均化処理を行い、
平均化処理を受けたデータにおいて、隣接の２画素間で大小判定して２値化を行う
請求項１３記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１６】
固体撮像装置と、
前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、
前記固体撮像装置は、
フォトダイオードを含む複数の画素が行列状に配列された画素部と、
前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、
前記画素のばらつき情報および前記読み出し部のばらつき情報の少なくともいずれかを鍵生成用データとして用いて固有鍵を生成する鍵生成部と、を有し、
前記鍵生成部は、
前記鍵生成用データに対して、固有鍵の解析の困難さである耐タンパ性を強化する耐タンパ性強化処理を行う耐タンパ性強化処理部を含む
電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光を検出して電荷を発生させる光電変換素子を用いた固体撮像装置（イメージセンサ）として、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサが実用に供されている。
ＣＭＯＳイメージセンサは、デジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、医療用内視鏡、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、携帯電話等の携帯端末装置(モバイル機器)等の各種電子機器の一部として広く適用されている。
【０００３】
ＣＭＯＳイメージセンサは、画素毎にフォトダイオード（光電変換素子）および浮遊拡散層（ＦＤ：Floating Diffusion、フローティングディフュージョン)を有するＦＤアンプを持ち合わせており、その読み出しは、画素アレイの中のある一行を選択し、それらを同時に列（カラム）方向へと読み出すような列並列出力型が主流である。
【０００４】
ＣＭＯＳイメージセンサの各画素は、基本的に、たとえば１個のフォトダイオードに対して、転送ゲートとしての転送トランジスタ、リセットゲートとしてのリセットトランジスタ、ソースフォロワゲート（増幅ゲート）としてのソースフォロワトランジスタ、および選択ゲートとしての選択トランジスタの４素子を能動素子として含んで構成される。
また、各画素には、フォトダイオードの蓄積期間にフォトダイオードから溢れるオーバーフロー電荷を排出するためのオーバーフローゲート（オーバーフロートランジスタ）が設けられてもよい。
【０００５】
転送トランジスタは、フォトダイオードの電荷蓄積期間には非導通状態に保持され、フォトダイオードの蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する転送期間に、ゲートに駆動信号が印加されて導通状態に保持され、フォトダイオードで光電変換された電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。
【０００６】
リセットトランジスタは、そのゲートにリセット信号が与えられることで、フローティングディフュージョンＦＤの電位を電源ラインの電位にリセットする。
【０００７】
フローティングディフュージョンＦＤには、ソースフォロワトランジスタのゲートが接続されている。ソースフォロワトランジスタは、選択トランジスタを介して垂直信号線に接続され、画素部外の負荷回路の定電流源とソースフォロアを構成している。
そして、制御信号（アドレス信号またはセレクト信号)が選択トランジスタのゲートに与えられ、選択トランジスタがオンする。
選択トランジスタがオンすると、ソースフォロワトランジスタはフローティングディフュージョンＦＤの電位を増幅してその電位に応じた電圧を垂直信号線に出力する。垂直信号線を通じて、各画素から出力された電圧は、画素信号読み出し回路としての列並列処理部に出力される。
列並列処理において画像データはたとえばアナログ信号からデジタル信号に変換されて、後段の信号処理部に転送され、ここで所定の画像信号処理を受けて所望の画像が得られる。
【０００８】
上述したように、ＣＭＯＳイメージセンサでは、わずかな光で光電変換により発生した電子を、微小容量で電圧に変換し、さらに微小面積のソースフォロワトランジスタを用いて、出力している。そのため、容量をリセットする際に発生するノイズやトランジスタの素子ばらつきなどの微小なノイズを除去する必要があり、画素毎のリセットレベルと輝度レベル（信号レベル）の差分を出力している。
このように、ＣＭＯＳイメージセンサでは、画素毎のリセットレベルと輝度レベルの差分を出力することで、リセットノイズと閾値ばらつきを除去し、数電子の信号を検出することができる。この差分を検出する動作は、相関二重サンプリング(CDS: Correlated Double Sampling) と呼ばれ、広く用いられている技術である。アレイ状に配置された全て画素に対して、ＣＤＳ読出しを順次行い、１フレーム分の通常の画像データを出力する。
【０００９】
ところで、上述した固体撮像装置（イメージセンサ）においては、基本的に、各種電子機器の保有者や使用が許可された使用者が、撮像した画像データを簡単に再生してその画像を見ることができる。
しかし、現状の固体撮像装置は、撮像した画像データが個人の秘密にかかわるデータである場合であっても、簡単に再生することができることから、画像の無断使用や改ざん、ねつ造等が容易に行われてしまうという不利益がある。
固有鍵を使用した暗号化により一様の秘密性を確保することが可能であるが、現状では固有鍵の耐タンパ性（解析の困難さ）を確保することは困難である。
【００１０】
そこで、これらの課題を解決するために、固有鍵の耐タンパ性を確保することが可能で、ひいては画像の改ざん、ねつ造を防止することが可能な固体撮像装置（イメージセンサ）が提案されている（特許文献１参照）。
この特許文献１には、ＣＭＯＳイメージセンサのチップごとのいわゆる指紋情報を抽出する方法について記載されている。
【００１１】
特許文献１に記載された固体撮像装置（イメージセンサ）は、基本的に、フォトダイオードを含む複数の画素が行列状に配列された画素部と、画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、指紋情報としての画素のばらつき情報および読み出し部のばらつき情報の少なくともいずれかを用いて固有鍵を生成する鍵生成部とを有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】ＷＯ２０１６／１６７０７６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献１に記載された固体撮像装置では、指紋情報から固有鍵を作成する方法には課題が残っている。
【００１４】
第１に、鍵生成用と相関の強いデータが手にはいると、誤り訂正を用いることにより、鍵を再生できてしまう可能性が生じ、鍵の秘匿性は保たれない。
すなわち、特許文献１に記載された固体撮像装置では、秘匿性の高い固有鍵を生成することには課題がある。
【００１５】
第２に、特許文献１に記載された固体撮像装置では、固有ＩＤの再現性およびユニーク性に改善の余地がある。
具体的には、ノイズに対する再現性および空間周波数の低いパターンに対するユニーク性についてはいまだ改善の余地がある。
【００１６】
本発明は、秘匿性の高い固有鍵を生成することが可能で、また、固有ＩＤの再現性およびユニーク性の向上を図ることができ、固有鍵の高い耐タンパ性を確保することが可能で、ひいては画像の改ざん、ねつ造を確実に防止することが可能な固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の第１の観点の固体撮像装置は、フォトダイオードを含む複数の画素が行列状に配列された画素部と、前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、前記画素のばらつき情報および前記読み出し部のばらつき情報の少なくともいずれかを鍵生成用データとして用いて固有鍵を生成する鍵生成部と、を有し、前記鍵生成部は、前記鍵生成用データに対して、固有鍵の解析の困難さである耐タンパ性を強化する耐タンパ性強化処理を行う耐タンパ性強化処理部を含む。
【００１８】
本発明の第２の観点は、フォトダイオードを含む複数の画素が行列状に配列された画素部と、前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、を含む固体撮像装置の駆動方法であって、前記画素のばらつき情報および前記読み出し部のばらつき情報の少なくともいずれかの情報を取得する情報取得ステップと、前記情報取得ステップで取得したばらつき情報を鍵生成用データとして用いて固有鍵を生成する鍵生成ステップと、を有し、前記鍵生成ステップでは、前記鍵生成用データに対して、固有鍵の解析の困難さである耐タンパ性を強化する耐タンパ性強化処理を行う。
【００１９】
本発明の第３の観点の電子機器は、固体撮像装置と、前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、前記固体撮像装置は、フォトダイオードを含む複数の画素が行列状に配列された画素部と、前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、前記画素のばらつき情報および前記読み出し部のばらつき情報の少なくともいずれかを鍵生成用データとして用いて固有鍵を生成する鍵生成部と、を有し、前記鍵生成部は、前記鍵生成用データに対して、固有鍵の解析の困難さである耐タンパ性を強化する耐タンパ性強化処理を行う耐タンパ性強化処理部を含む。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、秘匿性の高い固有鍵を生成することが可能で、また、固有ＩＤの再現性およびユニーク性の向上を図ることができ、固有鍵の高い耐タンパ性を確保することが可能で、ひいては画像の改ざん、ねつ造を確実に防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】本第１の実施形態に係る画素の一例を示す回路図である。
【図３】本発明の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の列出力の読み出し系の構成例を説明するための図である。
【図４】本第１の実施形態に係る暗号化処理系の全体的な概要を示すブロック図である。
【図５】図４の暗号化処理系の処理を模式的に示す図である。
【図６】画素のばらつき情報としてリーク電流を採用した理由について説明するための図である。
【図７】１画素当たりの情報量についての一例を示す図である。
【図８】９つの要素の場合の出力と情報量について説明するための図である。
【図９】１６の要素の場合の偏った出力と情報量について説明するための図である。
【図１０】画素のリーク電流としてフォトダイオードのリーク電流を採用した場合の通常動作モードと鍵作成モードにおける要部の動作波形等を示す図である。
【図１１】画素のばらつき情報として、画素部の有効画素以外の無効画素領域の情報を採用することを説明するための図である。
【図１２】本第１の実施形態に係る鍵生成部の要部の構成例を示すブロック図である。
【図１３】固有鍵を生成する方法の課題を説明するための図である。
【図１４】本第１の実施形態に係るフィルタを通して固有鍵を生成する処理の流れを示す図である。
【図１５】本第１の実施形態に係るフィルタが持つべき特性について説明するための図である。
【図１６】本実施形態に係る鍵生成部の固有鍵出力部に適用可能なファジー抽出器の構成例を示す図である。
【図１７】本発明の第２の実施形態に係る鍵生成部の要部の構成例を示すブロック図である。
【図１８】本第２の実施形態に係る画素部および列毎に配置された列読出し回路の概要を示す図である。
【図１９】本第２の実施形態に係る固体撮像装置の通常動作モードにおける要部の動作波形を示す図である。
【図２０】本第２の実施形態に係る固体撮像装置の鍵作成モードにおける要部の動作波形を示す図である。
【図２１】本第２の実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイ全体と列の画素特性ばらつき分布を示す図である。
【図２２】本第２の実施形態に係る信号処理回路の鍵生成部において行われる列毎に固有なばらつき成分除去する信号処理の概要を示す図である。
【図２３】本第２の実施形態に係る信号処理回路の鍵生成部においてＦＨＤ（１９２０  ×  １０８０画素）の画素アレイに対して行われる列毎に固有なばらつき成分除去する信号処理の概要を示す図である。
【図２４】本第２の実施形態に係る信号処理回路の鍵生成部において行われる列毎に固有なばらつき成分除去する他の信号処理の概要を示す図である。
【図２５】モンテカルロシミュレーション結果を示す図である。
【図２６】所定の環境において取得した取得画像を示す図である。
【図２７】列毎に固有なばらつき成分の除去による特性を示す図である。
【図２８】通常動作モードと鍵作成モードのそれぞれ暗時での出力分布を示す図である。
【図２９】本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用される電子機器の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。
【００２３】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
本実施形態において、固体撮像装置１０は、たとえばＣＭＯＳイメージセンサにより構成される。
【００２４】
この固体撮像装置１０は、図１に示すように、撮像部としての画素部２０、垂直走査回路（行走査回路）３０、読み出し回路（列（カラム）読み出し回路）４０、水平走査回路（列走査回路）５０、タイミング制御回路６０、および信号処理回路７０を主構成要素として有している。
これらの構成要素のうち、たとえば垂直走査回路３０、読み出し回路４０、水平走査回路５０、およびタイミング制御回路６０により画素信号の読み出し部９０が構成される。
【００２５】
本実施形態において、固体撮像装置１０は、通常動作モードＭＤＵと鍵作成モードＭＤＫで動作可能に構成されている。
【００２６】
画素部２０は、フォトダイオード（光電変換素子）と画素内アンプとを含む複数の画素がｎ行×ｍ列の２次元の行列状（マトリクス状）に配列されている。
【００２７】
図２は、本第１の実施形態に係る画素の一例を示す回路図である。
【００２８】
この画素ＰＸＬは、たとえば光電変換素子であるフォトダイオード（ＰＤ）を有する。
そして、このフォトダイオードＰＤに対して、転送トランジスタＴＧ−Ｔｒ、リセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒ、ソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒ、および選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒをそれぞれ一つずつ有する。
【００２９】
フォトダイオードＰＤは、入射光量に応じた量の信号電荷（ここでは電子）を発生し、蓄積する。
以下、信号電荷は電子であり、各トランジスタがｎ型トランジスタである場合について説明するが、信号電荷がホールであったり、各トランジスタがｐ型トランジスタであっても構わない。
また、本実施形態は、複数のフォトダイオード間で、各トランジスタを共有している場合や、選択トランジスタを有していない３トランジスタ（３Ｔｒ）画素を採用している場合にも有効である。
【００３０】
転送トランジスタＴＧ−Ｔｒは、フォトダイオードＰＤとフローティングディフュージョンＦＤ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ；浮遊拡散層）の間に接続され、制御信号ＴＧを通じて制御される。
転送トランジスタＴＧ−Ｔｒは、制御信号ＴＧがハイレベル（Ｈ）の期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードＰＤで光電変換された電子をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。
【００３１】
リセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒは、電源線ＶＲｓｔとフローティングディフュージョンＦＤの間に接続され、制御信号ＲＳＴを通じて制御される。
なお、リセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒは、電源線ＶＤＤとフローティングディフュージョンＦＤの間に接続され、制御信号ＲＳＴを通じて制御されるように構成してもよい。
リセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒは、制御信号ＲＳＴがＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンＦＤを電源線ＶＲｓｔ（またはＶＤＤ）の電位にリセットする。
【００３２】
ソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒと選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒは、電源線ＶＤＤと垂直信号線ＬＳＧＮの間に直列に接続されている。
ソースフォロワトランジスタＳＦ−ＴｒのゲートにはフローティングディフュージョンＦＤが接続され、選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒは制御信号ＳＥＬを通じて制御される。
選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒは、制御信号ＳＥＬがＨの期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタＳＦ−ＴｒはフローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた列出力アナログ信号ＶＳＬを垂直信号線ＬＳＧＮに出力する。
これらの動作は、たとえば転送トランジスタＴＧ−Ｔｒ、リセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒ、および選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒの各ゲートが行単位で接続されていることから、１行分の各画素について同時並列的に行われる。
【００３３】
画素部２０には、画素ＰＸＬがｎ行×ｍ列配置されているので、各制御線ＬＳＥＬ、ＬＲＳＴ、ＬＴＧはそれぞれｎ本、垂直信号線ＬＳＧＮはｍ本ある。
図１においては、各制御線ＬＳＥＬ、ＬＲＳＴ、ＬＴＧを１本の行走査制御線として表している。
【００３４】
垂直走査回路３０は、タイミング制御回路６０の制御に応じてシャッター行および読み出し行において行走査制御線を通して画素の駆動を行う。
また、垂直走査回路３０は、アドレス信号に従い、信号の読み出しを行うリード行と、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷をリセットするシャッター行の行アドレスの行選択信号を出力する。
【００３５】
読み出し回路４０は、画素部２０の各列出力に対応して配置された複数の列（カラム）信号処理回路（図示せず）を含み、複数の列信号処理回路で列並列処理が可能に構成されてもよい。
【００３６】
読み出し回路４０は、相関二重サンプリング（ＣＤＳ：Correlated Double Sampling）回路やＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ；ＡＤ変換器）、アンプ（ＡＭＰ，増幅器）、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路等を含んで構成可能である。
【００３７】
このように、読み出し回路４０は、たとえば図３（Ａ）に示すように、画素部２０の各列出力アナログ信号ＶＳＬをデジタル信号に変換するＡＤＣ４１を含んで構成されてもよい。
あるいは、読み出し回路４０は、たとえば図３（Ｂ）に示すように、画素部２０の各列出力アナログ信号ＶＳＬを増幅するアンプ（ＡＭＰ）４２が配置されてもよい。
また、読み出し回路４０は、たとえば図３（Ｃ）に示すように、画素部２０の各列出力アナログ信号ＶＳＬをサンプル、ホールドするサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路４３が配置されてもよい。
また、読み出し回路４０は、画素部２０の各列から出力される画素信号に対して所定の処理が施された信号を記憶するカラムメモリとしてのＳＲＡＭが配置されてもよい。
【００３８】
水平走査回路５０は、読み出し回路４０のＡＤＣ等の複数の列信号処理回路で処理された信号を走査して水平方向に転送し、信号処理回路７０に出力する。
【００３９】
タイミング制御回路６０は、画素部２０、垂直走査回路３０、読み出し回路４０、水平走査回路５０等の信号処理に必要なタイミング信号を生成する。
【００４０】
信号処理回路７０は、読み出し回路４０により読み出され所定の処理が施された読み出し信号に対する所定の信号処理により２次元画像データを生成する。
【００４１】
上述したように、固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）では、わずかな光で光電変換により発生した電子を、微小容量で電圧に変換し、さらに微小面積のソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒを用いて、出力している。そのため、容量をリセットする際に発生するノイズやトランジスタの素子ばらつきなどの微小なノイズを除去する必要があり、画素毎のリセットレベル（ＶＲＳＴ）と輝度レベル（信号レベル：ＶＳＩＧ）の差分を出力している。
このように、ＣＭＯＳイメージセンサでは、画素毎のリセットレベルと輝度レベルの差分を出力することで、リセットノイズと閾値ばらつきを除去し、数電子の信号を検出することができる。この差分を検出する動作は、ＣＤＳ（相関二重サンプリング）と呼ばれ、広く用いられている技術であり、アレイ状に配置された全て画素に対して、ＣＤＳ読出しを順次行い、１フレーム分の通常の２次元画像データを出力する。
【００４２】
本実施形態の固体撮像装置１０では、この通常の２次元画像データを生成するための動作は、通常動作モードＭＤＵで動作可能に構成されている。
【００４３】
ただし、本実施形態における信号処理回路７０においては、画像の無断使用や改ざん、ねつ造等が行われてしまうことを防止するために、固体撮像装置１０の固有のばらつき情報（画素、読み出し回路のばらつき情報）から固有鍵を生成し、固有鍵と固体撮像装置１０から得られる取得データを組み合わせて識別データを生成し、この識別データを画像データに一体化して出力し、固有鍵に関する情報を認識していない場合には識別データを正しく作成できないように構成されている。
【００４４】
本実施形態の固体撮像装置１０では、この固有鍵の生成に関する動作は、鍵作成モードＭＤＫで動作可能に構成されている。
【００４５】
本実施形態の鍵作成モードＭＤＫにおいては、周辺輝度に依存しない、チップ毎に固有な画素ばらつきパターン（ばらつき情報）を固有ＩＤとして出力する。
このように、本実施形態の鍵作成モードＭＤＫにおいては、画素毎のばらつきパターンのみを出力する。輝度レベルを出力しないため、イメージセンサの露光条件に依存しないパターン画像を出力することができる。また、各画素の出力には、ＦＰＮとフレーム毎にランダムに変動する熱雑音が含まれるが、鍵生成モードＭＤＫにおけるＦＰＮは熱雑音に対して１０倍以上大きいため、安定した固定ばらつきパターンを出力することができる。
【００４６】
本実施形態の鍵作成モードＭＤＫにおいては、固有鍵の生成に際し、画素のばらつき情報および読み出し部のばらつき情報の少なくともいずれかを鍵生成用データとして用いて固有鍵を生成する。そして、本第１の実施形態においては、固有鍵の生成に際し、鍵生成用データに対して、固有鍵の解析の困難さである耐タンパ性を強化する耐タンパ性強化処理を行う。
後述するように、本第１の実施形態においては、鍵生成用データに対する非相関化処理部での非相関化処理により、鍵生成用データと相関のある傍受データ（たとえばＣＤＳ処理を施した画像データ）から相関が弱くなる非相関化データを取得し、取得した非相関化データを用いて固有鍵を生成する。
本第１の実施形態において、非相関化処理部で傍受データを処理して得られるデータは非相関化データとは無相関である。
【００４７】
これにより、本第１の実施形態の固体撮像装置１０は、秘匿性の高い固有鍵を生成することができ、固有鍵の高い耐タンパ性を確保することが可能となり、ひいては画像の改ざん、ねつ造を確実に防止することが可能となっている。
【００４８】
以下、本実施形態の固体撮像装置１０の特徴的な構成、機能について、固有鍵の生成、並びに固有鍵を含む識別データと画像データの一体化を行う、いわゆる暗号化処理を中心に説明する。
【００４９】
図４は、本第１の実施形態に係る暗号化処理系の全体的な概要を示すブロック図である。
図５は、図４の暗号化処理系の処理を模式的に示す図である。
【００５０】
図４の暗号化処理系８０は、情報取得部８１、鍵生成部８２、画像データ生成部８３、識別データ生成部８４、一体化部８５、およびメモリ８６を主構成要素として有している。
なお、図４の例では情報取得部８１と鍵生成部８２が別の機能ブロックとして構成されているが、情報取得部８１と鍵生成部８２を一つの機能ブロックとして構成することも可能である。
【００５１】
情報取得部８１は、画素ＰＸＬのばらつき情報ＰＦＬＣおよび読み出し回路４０の構成回路のばらつき情報ＣＦＬＣの少なくともいずれかを取得し、取得したばらつき情報を鍵生成部８２に供給する。
【００５２】
ここで、一例として画素ＰＸＬのばらつき情報ＰＦＬＣについての概略を説明する。
【００５３】
（画素ＰＸＬのばらつき情報ＰＦＬＣについて）
まず、画素ＰＸＬのばらつき情報ＰＦＬＣについて説明する。
本実施形態においては、画素ＰＸＬのばらつき情報ＰＦＬＣとして、基本的に、リーク電流と位置情報を用いる。
ここで、リーク電流を採用した理由について述べる。
【００５４】
図６は、画素のばらつき情報としてリーク電流を採用した理由について説明するための図である。図６（Ａ）は画素リーク電流の強度分布を示し、図６（Ｂ）は白キズの場所分布の一例を示している。
【００５５】
固体撮像装置１０のセンサ画素には、図６に示すように、１００％抑制することのできないリーク電流が存在する。これの特に極端なもの(暗視野露光でも一瞬で白とびする)を白キズ、または白点という。以下では白キズという。
固体撮像装置１０は、出荷前に極力この白キズを減らす努力がはらわれるが、また抑えきれない白キズは後段の画像処理で回りの画素デ−タから白キズ画素を補完し画像出力している。
この白キズは画素アレイのどこに出現するかは作製してみなければわからず、しかも再現性がある。そのため個体固有の情報と見なせる。
そこで、本実施形態では、画素ＰＸＬのばらつき情報ＰＦＬＣとして、リーク電流と位置情報を用い固有鍵ＫＹを生成する。たとえば図６に示すように、白キズの発生場所（発生位置）と個数を固有情報として固有鍵ＫＹを生成することが可能である。
本実施形態においては、この情報を固有鍵として、セキュリティ分野で用いられるＰＵＦ(Physically Unclonable Function;物理複製困難関数)技術を応用して暗号化処理を行う。
【００５６】
図７は、１画素当たりの情報量についての一例を示す図である。
１画素あたりの情報量Ｈは次式で与えられる。
【００５７】
Ｈ = -P0・log2(P0) -P1・log2(P1)
ここで、P0 : 白キズの出る確率、P1 : 白キズが出ない確率1 - P0
【００５８】
たとえば、１００万画素(1E6)の場合、白キズ１００ｐｐｍは１００個に相当し、情報量として次のようになる。
【００５９】
1.47E-3×1E6 = 1.47E3 bit= 1,470bit
【００６０】
ちなみに、鍵生成に必要な要件(セキュリティ側から)は１画素あたりの白キズ発生確率は次のように与えられる。
【００６１】
100〜3,000ppm = 0.01%〜0.3%
【００６２】
次に、出力と情報量について図８および図９に関連付けて考察する。
図８は、９つの要素の場合の出力と情報量について説明するための図である。
図９は、１６の要素の場合の偏った出力と情報量について説明するための図である。
【００６３】
９つ（３×３）の要素の場合、図８（Ａ）に示すように、各要素に1/2の確率で１または０が出る場合、この出力はそのまま鍵として用いることができ、９bit分の鍵情報として有効である。
もしノイズにより、エラー訂正に５bit必要であるとすると、図８（Ｂ）に示すように、有効な鍵情報は４bit分となり、鍵としては４bit分の情報として出力する。
【００６４】
次に、１６（４×４）の要素で、偏った出力の場合について説明する。
１６（４×４）の要素の場合、図９に示すように、各要素に１の出る確率が1/16で、１要素のどこかに必ず１が出るサンプル群の場合、これは全部で１６通りしかなく、４bitの情報しかない。
白キズの情報量もこれと同じ考え方で、１００万画素中の各画素に1/2の確率で１または０が出る場合の情報量は１００万bitであるが、１００万画素中に１００ppm存在する白キズの情報量は１,４００bit程度となる。
これだけの情報量であれば、鍵としては有効活用可能である。
【００６５】
画素のばらつき情報ＰＦＬＣを取得する情報取得部８１は、図６（Ａ）に示すように、画素のリーク情報を、しきい値ＶＴＨに関連付けて取得する。
図６の例の場合、リーク電流Ｉleakがしきい値ＶＴＨ１より大きいときに、白キズであると判別できる。
また、情報取得部８１は、しきい値が複数設定されてもよく（図６の例ではＶＨ１、ＶＴＨ２）、複数のしきい値ＶＴＨ１、ＶＴＨ２との関連で情報を区別することも可能である。
なお、しきい値ＶＴＨを温度等の環境に応じて変化させることも可能である。
【００６６】
また、情報取得部８１は、画素のばらつき情報ＰＦＬＣとして、一定以上のリーク電流を示す画素の位置情報を採用することができる。
また、情報取得部８１は、画素のばらつき情報ＰＦＬＣとして、リーク電流順の上位の画素の集合を採用することができる。
また、情報取得部８１は、画素のばらつき情報ＰＦＬＣとして、集合の列方向および行方向アドレスを採用することができる。
【００６７】
（フォトダイオードのリーク電流）
情報取得部８１は、たとえば画素のリーク電流ＩleakとしてフォトダイオードＰＤのリーク電流を採用することができる。
【００６８】
図１０は、画素のリーク電流ＩleakとしてフォトダイオードＰＤのリーク電流を採用した場合の通常動作モードと鍵作成モードにおける要部の動作波形等を示す図である。
図１０（Ａ）が通常動作モードＭＤＵ時の動作波形を、図１０（Ｂ）が鍵作成モードＭＤＫの動作波形を、図１０（Ｃ）がばらつき情報を二値化した鍵パターンイメージを示し、図１０（Ｄ）が出力信号と画素数としきい値ＶＴＨとの関係を示している。
なお、前述したように、本実施形態において、固体撮像装置１０は、通常動作モードＭＤＵと鍵作成モードＭＤＫで動作可能に構成されている。
【００６９】
通常動作モードＭＤＵにおいては、図１０（Ａ）に示すように、シャッターを閉じた状態で画素ＰＸＬをリセットし、シャッター開放中に露光する。
また、シャッターを閉じた状態で信号を読み出す。
【００７０】
鍵作成モードＭＤＫにおいては、図１０（Ｂ）に示すように、シャッターを閉じた状態で画素をリセットし、一定時間後に画素信号を読み出す。
この場合、露光されないため、フォトダイオードＰＤに生じるリーク電流のみが固有の鍵パターンとして出力される。
この固有の鍵パターンは、図１０（Ｄ）に示すように、重金属汚染等により極大値をもつため、再現性が高い。
【００７１】
また、情報取得部８１は、画素のばらつき情報ＰＦＬＣとして、画素部２０の有効画素以外の無効画素領域のフォトダイオードの情報を採用することができる。
図１１は、画素のばらつき情報ＰＦＬＣとして、画素部２０の有効画素以外の無効画素領域の情報を採用することを説明するための図である。
【００７２】
通常、画素部２０は、図１１（Ａ）に示すように、有効画素領域２１と有効画素領域２１の周辺の無効画素領域（ＯＢ；Optical Black領域等）２２を含んで構成されている。
また、無効画素領域（ＯＢ；Optical Black領域）２２は、図１１（Ｂ）に示すように、遮光膜２３により遮光されている。
本実施形態においては、ＯＢ画素領域２２の画素等、有効画素以外の画素領域の白キズや暗電流の情報を採用して鍵とすることで、鍵の検出を困難にすることが可能である（鍵検出には専用の読み出しタイミングを必要とする）。
【００７３】
また、フォトダイオード（ＰＤ）としては、埋め込みフォトダイオード（Ｂｕｒｉｅｄ  Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ；ＢＰＤ）が広く用いられている。
フォトダイオード（ＰＤ）を形成する基板表面にはダングリングボンドなどの欠陥による表面準位が存在するため、熱エネルギーによって多くの電荷（暗電流）が発生し、正しい信号が読み出せなくなってしまう。埋め込みフォトダイオード（ＢＰＤ）では、フォトダイオード（ＰＤ）の電荷蓄積部を基板内に埋め込むことで、暗電流の信号への混入を低減する。
埋め込みフォトダイオードＢＰＤは、有効画素領域２１においては、表面側から第１導電型のｐ＋層２０１、第２導電型のｎ＋層２０２が形成されている。
本実施形態においては、ＯＢ領域２２において、図１１（Ｂ）に示すように、フォトダイオードＰＤ表面のｐ＋層のｐシールドを除去し、暗電流・白キズ（＝鍵、Key）が発生しやすくすることも可能である。
【００７４】
また、本実施形態では、フォトダイオードＰＤのリーク電流が変動し、この変動を考慮して鍵作成の情報に付加することも可能である。
鍵とする白キズ等のディフェクト（ｄｅｆｅｃｔ、欠陥）の個数について考察すると、たとえば白キズの場合、後発白キズ（後から増える白キズ）や消滅する白キズがある。
後発キズ対策としては、一定数の白キズをチップ内の座標指定で鍵として指定する。
消滅白キズ対策としては、白キズは必要な最低の白キズ個数よりあらかじめ多くのキズを鍵として設定する。
後発傷対策としては、特定の出力レンジに収まる傷を鍵として使用する。
【００７５】
（鍵生成部８２の構成）
鍵生成部８２（図４、図５、図１２）は、情報取得部８１により取得され供給される画素のばらつき情報および読み出し回路４０のばらつき情報の少なくともいずれかを鍵生成用データＫＹＧＤとして用いて固有鍵を生成する。
鍵生成部８２は、生成した固有鍵ＫＹを識別データ生成部８４に供給する。
鍵生成部８２は、たとえば画素部２０の有効画素の読み出し時以外の期間（たとえばブランキング期間）に固有鍵ＫＹの生成を行う。
【００７６】
そして、本第１の実施形態に係る鍵生成部８２は、固有鍵ＫＹを生成するに際し、鍵生成用データに対して、固有鍵の解析の困難さである耐タンパ性を強化する耐タンパ性強化処理を行う。
【００７７】
図１２は、本第１の実施形態に係る鍵生成部の要部の構成例を示すブロック図である。
本実施形態の鍵作成モードＭＤＫにおいて、鍵生成部８２は、固有鍵の生成に際し、画素のばらつき情報ＰＦＬＣおよび読み出し部のばらつき情報ＣＦＬＣの少なくともいずれかを鍵生成用データＫＹＧＤとして用いて固有鍵を生成する。図１２では、一例として画素のばらつき情報を鍵生成用データＫＹＧＤとして用いる例を示している。
【００７８】
なお、本実施形態の鍵作成モードＭＤＫにおいては、周辺輝度に依存しない、チップ毎に固有な画素ばらつきパターン（ばらつき情報）を固有ＩＤとして出力する。
このように、本実施形態の鍵作成モードＭＤＫにおいては、画素ばらつきパターンのみを出力する。輝度レベルを出力しないため、イメージセンサの露光条件に依存しないパターン画像を出力することができる。また、各画素の出力には、ＦＰＮとフレーム毎にランダムに変動する熱雑音が含まれるが、鍵生成モードＭＤＫにおけるＦＰＮは熱雑音に対して１０倍以上大きいため、安定した固定ばらつきパターンを出力することができる。
【００７９】
そして、本第１の実施形態においては、固有鍵の生成に際し、鍵生成用データＫＹＧＤに対して、固有鍵の解析の困難さである耐タンパ性を強化する耐タンパ性強化処理を行う耐タンパ性強化処理部８２ａを含む。
耐タンパ性強化処理部８２ａは、鍵生成用データＫＹＧＤに対する非相関化処理により、鍵生成用データＫＹＧＤと相関のある傍受データＩＴＣＤから相関が弱くなる非相関化データである第１データＤＴ１を取得する非相関化処理部８２ｂを含む。
本第１の実施形態において、非相関化処理部８２ｂで傍受データＩＴＣＤを処理して得られる第２データＤＴ２は非相関化データである第１データＤＴ１とは無相関である。
【００８０】
本第１の実施形態において、鍵生成用データＫＹＧＤは、読み出し部９０により読み出される画素信号に関連して生成され、相関性を示す値（たとえばコード値）が第１範囲ＲＧ１内の画素を抜き出したときには傍受データＩＴＣＤと無相関のデータであり、第１範囲ＲＧ１外の第２範囲ＲＧ２の画素を抜き出したときには傍受データＩＴＣＤと相関があるデータである。
そして、非相関化処理部８２ｂは、鍵生成用データＫＹＧＤのうち、相関性を示す値が第１範囲ＲＧ１に収まっている画素データのみを非相関化データである第１データＤＴ１として抜き出すフィルタＦＬＴ１を含む。
【００８１】
鍵生成部８２は、フィルタＦＬＴ１から出力される非相関化データである第１データＤＴ１に対して誤り訂正やハッシュ等の情報処理を施して最終的な固有鍵を生成して出力する固有鍵出力部８２ｃを有している。
【００８２】
以上の構成を有する鍵生成部８２を備えることにより、本第１の実施形態の固体撮像装置１０は、秘匿性の高い固有鍵を生成することができ、固有鍵の高い耐タンパ性を確保することが可能となり、ひいては画像の改ざん、ねつ造を確実に防止することが可能となっている。
【００８３】
ここで、鍵生成用データＫＹＧＤのうち、相関性を示す値が第１範囲ＲＧ１に収まっている画素データのみを非相関化データである第１データＤＴ１として抜き出すフィルタＦＬＴ１を設けた理由およびその特性の一例について説明する。
【００８４】
図１３（Ａ）および（Ｂ）は、固有鍵を生成する方法の課題を説明するための図である。
図１４は、本第１の実施形態に係るフィルタを通して固有鍵を生成する処理の流れを示す図である。
図１５（Ａ）および（Ｂ）は、本第１の実施形態に係るフィルタが持つべき特性について説明するための図である。
【００８５】
図１３（Ａ）に示すように、固有鍵ＫＹを生成する方法として、たとえばＣＤＳ処理を施していない画像データである鍵生成用データＫＹＧＤに対してある情報処理を施す例について考察する。
このとき、誤り訂正やハッシュ等の情報処理を施すと、図１３（Ｂ）に示すように、鍵生成用データＫＹＧＤと相関の強いデータである傍受データＩＴＣＤが手に入ると簡単に鍵を再生できてしまう可能性が生じる。これでは、鍵の秘匿性は保たれない。
そこで、本第１の実施形態において、図１４に示すように、非相関化処理部８２ｂとしてある特性を持たせたフィルタＦＬＴ１を設け、このフィルタＦＬＴ１に鍵生成用データを入力し、得られた出力である非相関化データである第１データＤＴ１に対して、固有鍵出力部８２ｃで誤り訂正やハッシュ処理等の情報処理を施して固有鍵ＫＹを生成する。
この場合、フィルタの特性を適切に選定することにより、傍受データＩＴＣＤが手に入ったとしても鍵の復元を防ぐことが可能となる。
【００８６】
フィルタＦＬＴ１の持つべき特性について考察する。
図１５（Ｂ）に示すように、鍵生成用データＫＹＧＤと相関のある傍受データＩＴＣＤをフィルタＦＬＴ１に入力して得られた第２データＤＴ２は、鍵生成用データＫＹＧＤをフィルタＦＬＴ１に入力して得られた第１データＤＴ１と無相関であればフィルタの要件は満たす。
その理由は、第１データＤＴ１からは正しく鍵を再生することはでき、かつ、第２データＤＴ２からは鍵を復元することは不可能であるからである。
【００８７】
図１５に示すように、鍵生成用データＫＹＧＤと相関のある傍受データＩＴＣＤをフィルタＦＬＴ１に入力して得られた第２データＤＴ
２が第１データＤＴ１と無相関であればフィルタＦＬＴ１の要件は満たす。
ただし、このようなフィルタを実現するためには、鍵生成用データＫＹＧＤと傍受データＩＴＣＤとの間にどのような相関があるかということを実機評価などから事前に知っておく必要がある。
【００８８】
以下に、フィルタＦＬＴ１を実現する具体的な例について説明する。
ここでは、鍵生成用データＫＹＧＤと傍受データＩＴＣＤとの間の相関特性が実機評価で分かっていることを前提とする。
【００８９】
まず、鍵生成用データＫＹＧＤと傍受データＩＴＣＤとの間の相関特性が以下の通りであることが分かっているとする。
（１）鍵生成用データＫＹＧＤのコード値が第１範囲ＲＧ１のａ〜ｂまでの画素を抜き出した時には、傍受データＩＴＣＤとの相関が“０．００”である。
（２）鍵生成用データＫＹＧＤのコード値が第１範囲ＲＧ１のａ〜ｂの範囲外の第２範囲ＲＧ２の画素を抜き出した時には、傍受データＩＴＣＤとの相関が“０．０２”である。
【００９０】
このとき、フィルタ１の実施例としては以下のものを挙げることができる。
鍵生成用データＫＹＧＤのうち、コード値が第１範囲ＲＧ１のａ〜ｂに収まっている画素データのみを抜き出したものをフィルタ出力（第１データＤＴ１）とする。
【００９１】
なお、鍵生成用データＫＹＧＤと傍受データＩＴＣＤとの間の相関特性を調査する際のパラメータとしては、コード値だけでなく、他にも以下のようなパラメータ： 
Ａ．空間周波数（離散コサイン変換後の成分）
Ｂ．特定のビット列（例えば、３連続以上０もしくは３連続以上１を除くなど）
Ｃ．移動平均やFIRフィルタの係数など
を例示することができる。
【００９２】
鍵生成部８２は、鍵の再現性を強くするためにファジー抽出器（Fuzzy Extractor）により鍵の生成を行う。
ファジー抽出器は、ある程度安定した入力に対して同じ出力を出すことを目的とする演算器である。
【００９３】
図１６は、本実施形態に係る鍵生成部の固有鍵出力部に適用可能なファジー抽出器の構成例を示す図である。
図１６のファジー抽出器８２０は、図１６（Ａ）に示す初期鍵生成部８２１および図１６（Ｂ）に示す鍵再生成部８２２を有する。
【００９４】
初期鍵生成部８２１は、図１６（Ａ）に示すように、リングオシレータ（ＲＮＧ）８２１１、暗号化部（ＥＮＣ）８２１２、排他的論理和回路（ＸＯＲ）８２１３、およびハッシュ（Ｈａｓｈ）部８２１４を含んで構成されている。
【００９５】
初期鍵生成部８２１においては、情報取得部８１により取得されたたとえば白キズ出力に関連する画素のばらつき情報が入力データＷ（たとえば第１データＤＴ１）としてＸＯＲ８２１３およびハッシュ部８２１４に入力される。
ハッシュ部８２１４において、入力データＷに基づいて初期鍵ＫＹＩが生成される。この初期鍵ＫＹＩは識別データ生成部８４に供給される。この初期鍵ＫＹＩは、たとえば出荷時の鍵データとしてメモリ８６に書き込まれる。たとえば初期鍵データをチップ出荷時に、たとえばソフトウェアによって切断することができる電子フューズ（ｅｆｕｓｅ）などのメモリに書き込み、鍵データの再現性を保証するように構成することも可能である。
【００９６】
また、初期鍵生成部８２１においては、リングオシレータ８２１１による発振出力信号Ｒが暗号化部８２１２により暗号化され、その暗号化データＣがＸＯＲ８２１３に供給される。
ＸＯＲ８２１３においては、入力データＷと暗号化データＣとの排他的論理和がとられ、これにより、ヘルパーデータＳＨＤ（ＷｘｏｒＣ）が生成される。
このヘルパーデータＳＨＤ（ＷｘｏｒＣ）は、鍵データとは違って秘匿の必要はなく、メモリ８６に格納される。メモリ８６に格納されたヘルパーデータＳＨＤは、鍵再生成部８２２における鍵再生成のベースデータとして用いられる。
【００９７】
鍵再生成部８２２は、図１６（Ｂ）に示すように、排他的論理和回路（ＸＯＲ）８２２１、復号部（ＤＥＣ）８２２２、暗号化部（ＥＮＣ）８２２３、排他的論理和回路（ＸＯＲ）８２２４、およびハッシュ（Ｈａｓｈ）部８２２５を含んで構成されている。
なお、復号部（ＤＥＣ）８２２２および暗号化部（ＥＮＣ）８２２３は誤り訂正部として機能する。
【００９８】
鍵再生成部８２２においては、情報取得部８１により取得されたたとえば白キズ出力に関連する画素のばらつき情報を含む入力データＷ’（第１データＤＴ１）、並びに、メモリ８６に格納されたヘルパーデータＳＨＤ（ＷｘｏｒＣ）がＸＯＲ８２２１に入力される。ヘルパーデータＳＨＤ（ＷｘｏｒＣ）はＸＯＲ８２２４にも入力される。
ＸＯＲ８２２１においては、入力データＷ’とヘルパーデータＷｘｏｒＣとの排他的論理和がとられ、データＣ’として復号部８２２２に供給される。
復号部８２２２においては、データＣ’に対する復号処理が行われて、復号データ／Ｒが生成され、復号データ／Ｒは暗号化部８２２３に供給される。
暗号化部８２１２により復号データ／Ｒが暗号化され、その暗号化データ／Ｃ｛＝（ＷｘｏｒＣ）ｘｏｒＷ’｝がＸＯＲ８２２４に供給される。
ＸＯＲ８２２４においては、暗号化データ／ＣとヘルパーデータＷｘｏｒＣの排他的論理和がとられ、その結果がデータ／Ｗ｛＝（ＷｘｏｒＣ）ｘｏｒ／Ｃ｝としてハッシュ部８２２５に入力される。
そして、ハッシュ部８２２５において、入力データ／Ｗ｛＝（ＷｘｏｒＣ）ｘｏｒ／Ｃ｝に基づいて再生成鍵ＫＹが生成される。この再生成鍵ＫＹは識別データ生成部８４に供給される。
もし、入力データＷ’のノイズが少なく、データＣ’が訂正可能である場合には、／Ｃ＝Ｃとなり、／Ｗ＝Ｗとなり鍵が再生成される。
【００９９】
なお、上記の鍵生成部８２は、画素または読み出し回路４０のばらつき情報に基づいて固有鍵を生成する例について説明したが、異なるばらつき情報により生成した固有鍵同士の演算を行って最終的な固有鍵を得るように構成することも可能である。
たとえば、次のように構成することも可能である。
【０１００】
すなわち、鍵生成部８２は、たとえば、読み出し回路４０のＡＤＣ４１、アンプ（ＡＭＰ）４２、またはＳ／Ｈ回路４３のばらつき情報を用いて第１固有鍵を生成する第１機能と、読み出し回路４０のカラムメモリ４５のＳＲＡＭの出力を用いて第２固有鍵を生成する第２機能と、を含み、第１機能により生成された第１固有鍵と、第２機能により生成された第２固有鍵とを演算することにより最終的な固有鍵を生成するように構成することも可能である。
【０１０１】
この構成は、画素のばらつき情報に関しても同様に適用可能である。
【０１０２】
画像データ生成部８３は、通常読み出しモードで読み出し回路４０を通して読み出され所定の処理が施された読み出し信号に対する所定の信号処理により、たとえば図５に示すような２次元画像データＩＭＧを生成する。
画像データ生成部８３は、生成した画像データＩＭＧを一体化部８５に供給する。
【０１０３】
画像データ生成部８３は、固体撮像装置１０から取得した取得データＡＱＤを識別データ生成部８４に供給する。
ここで、取得データＡＱＤは、少なくとも画素、日付、温度、ＧＰＳ（Global Positioning System）に関するデータのうちの少なくともいずれかのデータである。
【０１０４】
識別データ生成部８４は、鍵生成部８２で生成された固有鍵ＫＹと、本固体撮像装置１０で取得した取得データＡＱＤを組み合わせて識別データＤＳＣＤを生成する。
識別データ生成部８４は、生成した識別データＤＳＣＤを一体化部８５に供給する。
【０１０５】
一体化部８５は、図５に示すように、識別データ生成部８４で生成された識別データＤＳＣＤと画像データ生成部８３による読み出しデータに基づく画像データＩＭＧを一体化して、センサチップの最終出力として出力する。
一体化部８５は、たとえば図５に示すように、一体化データが、ヘッダＨＤ、識別データＤＳＣＤ、画像データＩＭＧの順となるように一体化する。
【０１０６】
上述したように、暗号化処理系８０においては、固体撮像装置１０の固有のばらつき情報（画素、読み出し回路のばらつき情報）から固有鍵ＫＹを生成し、固有鍵ＫＹと固体撮像装置１０から得られる取得データＡＱＤを組み合わせて識別データＤＳＣＤを生成し、この識別データＤＳＣＤを画像データＩＭＧに一体化して出力することから、固有鍵に関する情報を認識していない場合には、正しい識別データを作成できず、画像が改変等された場合に、改変された等がわかり、ねつ造することが困難となっている。
【０１０７】
なお、一体化部８５は、一体化する鍵情報を用いて階層的に画像部分にマスクをする機能を含むように構成してもよい。
また、一体化部８５は、一体化する鍵情報を用いて画像に電子透かしを入れる機能を含むように構成してもよい。
【０１０８】
上記構成を有する固体撮像装置１０において、暗号化処理系８０の鍵作成モード時の動作は概略次のように行われる。ここでは、一例として、図１０に関連付けて説明した、画素のリーク電流ＩleakとしてフォトダイオードＰＤのリーク電流を採用した場合の動作を説明する。
【０１０９】
鍵作成モードＭＤＫにおいては、図１０（Ｂ）に示すように、シャッターを閉じた状態で画素をリセットし、一定時間後に画素信号を読み出す。
この場合、露光されないため、フォトダイオードＰＤに生じるリーク電流のみが固有の鍵パターンとして出力される。
【０１１０】
この固有の情報がばらつき情報ＰＦＬＣとして情報取得部８１で取得され、鍵生成部８２に供給される。
鍵生成部８２においては、情報取得部８１により取得され供給される画素のばらつき情報を用いて固有鍵ＫＹが生成される。
具体的には、鍵生成部８２においては、固有鍵の生成に際し、耐タンパ性強化処理部８２ａで、鍵生成用データＫＹＧＤに対して、固有鍵の解析の困難さである耐タンパ性を強化する耐タンパ性強化処理が行われる。
耐タンパ性強化処理部８２ａでは、非相関化処理部８２ｂにおける鍵生成用データＫＹＧＤに対する非相関化処理により、鍵生成用データＫＹＧＤと相関のある傍受データＩＴＣＤから相関が弱くなる非相関化データである第１データＤＴ１が取得される。
【０１１１】
ここで、鍵生成用データＫＹＧＤは、読み出し部９０により読み出される画素信号に関連して生成され、相関性を示す値（たとえばコード値）が第１範囲ＲＧ１内の画素を抜き出したときには傍受データＩＴＣＤと無相関のデータであり、第１範囲ＲＧ１外の第２範囲ＲＧ２の画素を抜き出したときには傍受データＩＴＣＤと相関があるデータである。
そして、非相関化処理部８２ｂのフィルタＦＬＴ１により、鍵生成用データＫＹＧＤのうち、相関性を示す値が第１範囲ＲＧ１に収まっている画素データのみが非相関化データである第１データＤＴ１として抜き出される。
次いで、固有鍵出力部８２ｃにおいて、フィルタＦＬＴ１から出力される非相関化データである第１データＤＴ１に対して誤り訂正やハッシュ等の情報処理が施されて最終的な固有鍵が生成されて出力される。
そして、鍵生成部８２では、生成した固有鍵ＫＹが識別データ生成部８４に供給される。
なお、鍵生成部８２においては、たとえば画素部２０の有効画素の読み出し時以外の期間に固有鍵ＫＹの生成が行われる。
【０１１２】
識別データ生成部８４においては、鍵生成部８２で生成された固有鍵ＫＹと、固体撮像装置１０で取得した取得データＡＱＤを組み合わせて識別データＤＳＣＤが生成される。
識別データ生成部８４においては、生成した識別データＤＳＣＤが一体化部８５に供給される。
【０１１３】
一体化部８５では、識別データ生成部８４で生成された識別データＤＳＣＤと画像データ生成部８３による読み出しデータに基づく画像データＩＭＧが一体化されて、センサチップの最終出力として出力される。
【０１１４】
以上説明したように、本実施形態においては、信号処理回路７０は、読み出し回路４０により読み出され所定の処理が施された読み出し信号に対する所定の信号処理により２次元画像データを生成する。
ただし、本実施形態においては、暗号化処理系８０が、画像の無断使用や改ざん、ねつ造等が行われてしまうことを防止するために、固体撮像装置１０の固有のばらつき情報（画素、読み出し回路のばらつき情報）から固有鍵ＫＹを生成し、固有鍵ＫＹと固体撮像装置１０から得られる取得データＡＱＤを組み合わせて識別データＤＳＣＤを生成し、この識別データＤＳＣＤを画像データＩＭＧに一体化して出力し、固有鍵ＫＹに関する情報を認識していない場合には識別データを正しく作成できないように構成されている。
【０１１５】
本実施形態の鍵作成モードＭＤＫにおいては、画素毎の周辺輝度に依存しない、チップ毎に固有な画素ばらつきパターン（ばらつき情報）を固有ＩＤとして出力する。
このように、本実施形態の鍵作成モードＭＤＫにおいては、画素ばらつきパターンのみを出力する。輝度レベルを出力しないため、イメージセンサの露光条件に依存しないパターン画像を出力することができる。また、各画素の出力には、ＦＰＮとフレーム毎にランダムに変動する熱雑音が含まれるが、鍵生成モードＭＤＫにおけるＦＰＮは熱雑音に対して１０倍以上大きいため、安定した固定ばらつきパターンを出力することができる。
【０１１６】
本実施形態の鍵作成モードＭＤＫにおいては、固有鍵の生成に際し、画素のばらつき情報および読み出し部のばらつき情報の少なくともいずれかを鍵生成用データとして用いて固有鍵を生成する。
そして、本第１の実施形態においては、固有鍵の生成に際し、鍵生成用データに対して、固有鍵の解析の困難さである耐タンパ性を強化する耐タンパ性強化処理を行う。
後述するように、本第１の実施形態においては、鍵生成用データに対する非相関化処理部での非相関化処理により、鍵生成用データと相関のある傍受データから相関が弱くなる非相関化データを取得し、取得した非相関化データを用いて固有鍵を生成する。
本第１の実施形態において、非相関化処理部で傍受データを処理して得られるデータは非相関化データとは無相関である。
【０１１７】
これにより、本第１の実施形態の固体撮像装置１０は、秘匿性の高い固有鍵を生成することができ、固有鍵の高い耐タンパ性を確保することが可能となり、ひいては画像の改ざん、ねつ造を確実に防止することが可能となっている。
【０１１８】
なお、本実施形態において、固体撮像装置１０の各構成要素が同一パッケージ内に搭載されている構成を採用可能である。
【０１１９】
固体撮像装置（ＣＩＳ）１０とＩＳＰ(Image Signal Processor)を同一パッケージに封止したＳｉＰ (Silicon in Package)にて、鍵および識別データを生成する信号処理をパッケージ内部にて完結し、パッケージ外部に固有鍵データを出力することなく、識別データを生成可能な構成を採用可能である。
【０１２０】
また、イメージセンサと信号処理回路とを備えたＳｏＣ (System on Chip)において、鍵および識別データを生成する信号処理をチップ内部にて完結し、チップ外部に固有鍵データを出力することなく、識別データを生成可能な構成を採用可能である。
【０１２１】
また、本実施形態の固体撮像装置１０は、前述したように、通常の読出し駆動タイミングとは別に、リーク電流などを長時間蓄積するための駆動タイミングを備えるように構成可能である。また、アナログアンプ、デジタルアンプ、または、ＡＤＣのフルスケール電圧を縮小し、リーク電圧の蓄積電圧を強調して出力しても良い。また、複数行あるいは複数フレームのデータを平均化、または加算することで、ランダムノイズ成分を低減しても良い。
【０１２２】
なお、上述した実施形態では、情報取得部８１が採用する画素のばらつき情報としてフォトダイオードＰＤのリーク電流を一例として説明したが、以下に示すように、フォトダイオードＰＤのリーク電流以外のリーク電流やしきい値電圧等を採用することが可能である。
たとえば、情報取得部８１は、画素のリーク電流ＩleakとしてフローティングディフュージョンＦＤのリーク電流を採用することができる。
また、情報取得部８１は、画素のばらつき情報としてソースフォロワトランジスタＳＦのしきい値Ｖｔｈのばらつき情報を採用することができる。
【０１２３】
また、読み出し回路４０の構成回路のばらつき情報ＣＦＬＣについて、情報取得部８１は、読み出し回路４０の構成回路のばらつき情報ＣＦＬＣとして、ＡＤＣのばらつき情報を採用することができる。
また、情報取得部８１は、読み出し回路４０の構成回路のばらつき情報ＣＦＬＣとして、アンプ（ＡＭＰ、増幅器）のばらつき情報を採用することができる。
また、情報取得部８１は、読み出し回路４０の構成回路のばらつき情報ＣＦＬＣとして、Ｓ／Ｈ回路のばらつき情報を採用することができる。
また、情報取得部８１は、読み出し回路４０の構成回路のばらつき情報ＣＦＬＣとして、カラムメモリのＳＲＡＭの出力（ばらつき）情報を採用することができる。
【０１２４】
（第２の実施形態）
図１７は、本発明の第２の実施形態に係る鍵生成部の要部の構成例を示すブロック図である。
【０１２５】
本第２の実施形態に係る鍵生成部８２Ａが第１の実施形態の鍵生成部８２と異なる点は、耐タンパ性強化処理部の構成にある。
本第２の実施形態に係る鍵生成部８２Ａの耐タンパ性強化処理部８２ａＡでは、非相関化処理を行うフィルタＦＬＴ１を配置する代わりに、ばらつき信号の再現性およびユニーク性を高めるための信号処理を行うように構成されている。
【０１２６】
本実施形態の鍵作成モードＭＤＫでは、画素毎のリセットレベルのみを出力する。輝度レベルを出力しないため、イメージセンサの露光条件に依存しないパターン画像を出力することができる。また、各画素の出力には、ＦＰＮとフレーム毎にランダムに変動する熱雑音が含まれるが、鍵生成モードＭＤＫにおけるＦＰＮは熱雑音に対して１０倍以上大きいため、安定した固定ばらつきパターンを出力することができる。
【０１２７】
信号処理回路７０に配置される暗号化処理系８０では、固定ばらつきパターンからランダムノイズや空間的に周波数の低い固定パターンばらつきを低減または除去してから、固有ＩＤを作成する。ランダムノイズは固有ＩＤの再現性を低下させ、空間的に周波数の低い固定パターンばらつきは固有ＩＤのユニーク性を劣化させる。
このため、本第２の実施形態に係る鍵生成部８２Ａでは、それぞれ信号処理によって改善を図る構成が採用されている。
本第２の実施形態において、たとえば２００万画素のイメージセンサの場合、１フレームのばらつきパターン信号には、およそ１００万個のＳＦトランジスタばらつきが含まれ、およそ５０万bitの1/0列を作成することができる。
【０１２８】
図１７の鍵生成部８２Ａの耐タンパ性強化処理部８２ａＡは、ばらつき信号の再現性を高めるために、鍵生成用データＫＹＧＤの垂直２画素間で平均化処理を行う平均化処理部８２ｄ，ばらつきパターンのユニーク性を改善するために、垂直の２画素間で大小判定（引き算等）して２値化を行う判定部８２ｅ、およびデータを圧縮するデータ圧縮部８２ｆを有する。
【０１２９】
図１８は、本第２の実施形態に係る画素部および列毎に配置された列読出し回路の概要を示す図である。
【０１３０】
図１８の画素部２０Ａは、一つのフローティングディフュージョンＦＤ、一つのソースフォロワ素子でフォースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒ、一つのリセット素子としてのリセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒ、および一つの選択素子とての選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒを，複数（本例では２）の光電変換素子であるフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２２および転送素子としての転送トランジスタＴＧ−Ｔｒ１，ＴＧ−Ｔｒ２で共有する画素共有構造を有する。
【０１３１】
すなわち、第２の実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの画素ＰＸＬＡは、フォトダイオードＰＤ１およびＰＤ２、転送クロックである制御信号ＴＧ１およびＴＧ２で駆動する転送トランジスタＴＧ−Ｔｒ１，ＴＧ−Ｔｒ２、リセットクロックである制御信号ＲＳＴで駆動するリセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒ、ソースフォロワ（ＳＦ）トランジスタＳＦ−Ｔｒ、選択クロックである制御信号ＳＥＬで駆動する選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒにより構成されている。
ここで、２個のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２がリセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒ、ソースフォロワ（ＳＦ）トランジスタＳＦ−Ｔｒ、選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒを共有している。
これは、近年の微細な画素に対して広く用いられる方式であり、各トランジスタをＰＤ間で共有することにより、ＰＤの面積を所定の素サイズに対して大きくとり、光電変換可能な領域を広げることで、入射光に対する検出感度を高めている。
【０１３２】
選択トランジスタＳＥＬ−Ｔｒがオンした画素では、電源電圧Ｖｄｄの電源線ＶＤＤ、ソースフォロワ（ＳＦ）トランジスタＳＦ−Ｔｒ、電流源Ｉｄが直列となり、ソースフォロワ回路を構成する。
このソースフォロワ回路により、フローティングディフュージョンＦＤの電圧が読み出し回路４０のＡＭＰ４２を介してＡＤＣ４１に入力されて、デジタル変換され、制御信号ＣＬＫＨにより駆動するスイッチＳＷ４１を介してインターフェス回路に出力される。
また、クリップ回路４４が画素アレイ端に配置され、クリップクロックである制御信号ＣＬＩＰによって駆動するクリップゲートＣＧおよびダイオード接続トランジスタＭ０は、画素アレイ端に配置され、画素出力電圧振幅を制限することで、安定的に動作させるために用いられる。
【０１３３】
ここで、本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの通常動作モードＭＤＵおよび鍵作成モードＭＤＫにおける動作の概要を図１９および図２０に関連付けて説明する。
図１９は、本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの通常動作モードＭＤＵにおける要部の動作波形を示す図である。
図２０は、本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの鍵作成モードＭＤＫにおける要部の動作波形を示す図である。
【０１３４】
（通常動作モードＭＤＵにおける動作）
通常動作モードＭＤＵにおいて、ｎ行目の制御信号ＳＥＬがＨレベルに遷移し、行の選択が行われる。
次に、選択行の制御信号ＲＳＴがＨレベルのとき、フローティングディフュージョンＦＤはリセットされ、リセット電圧ＶＲＳＴ（Ｖｒｓｔ）がソースフォロワから垂直信号線ＬＳＧＮを介して出力され、時刻ｔ１で後段ＡＤＣ４１に保持され、デジタル変換される。
フォトダイオードＰＤ１で光電変換され蓄積された電子は、制御信号ＴＧ１がＨレベルのとき転送トランジスタＴＧ−Ｔｒトを通って、フローティングディフュージョンＦＤに転送され、電圧に変換される。ソースフォロワによってこのときの信号電圧ＶＳＩＧ（Ｖｓｉｇ）が出力され、時刻ｔ２で後段のＡＤＣ４１に保持され、デジタル変換される。
フォトダイオードＰＤ２についても同様に読み出される。
ここで、ソースフォロワ回路の入出力特性は次式で表される。
【０１３５】
【数１】
2018117269.tif 000003
【０１３６】
ここで、Ｖｇｓ、Ｖｔｈ，ΔＶｔｈ、β、Ｉｄはそれぞれゲート・ソース間電圧、ソースフォロワ（ＳＦ）トランジスタＳＦ−Ｔｒのしきい値（閾値）電圧、基板バイアス電圧、トランジスタサイズに比例する係数、バイアス電流をそれぞれ示している。
これらは製造ばらつきによってそれぞれトランジスタ毎に異なるため、画素出力電圧は画素毎にばらつきを生じてしまう．
しかし、ＣＤＳ処理によって、リセット信号（リセットレベル）と輝度信号（信号レベル）の差分を取ることで、これらのバラツキのうち、オフセット成分を除去することができる。ＣＤＳ出力は下記の式で表される。
【０１３７】
【数２】
2018117269.tif 000004
【０１３８】
ここで、Ａはソースフォロワ回路のゲインを示している。画素毎のゲインばらつきが残るが、リセットレベルＶＲＳＴと輝度レベル（信号レベル）ＶＳＩＧの差分、つまり輝度に比例する係数となるため、暗時の微小な信号も検出が可能となる。
【０１３９】
（鍵作成モードＭＤＫの動作）
鍵作成モードＭＤＫでは、上記ＣＤＳを省略することで、画素毎のばらつきを出力する。ここでは、クリップ画素出力を基準レベルとして、各画素を読み出すことで、ＡＭＰ４２以降の回路動作を変更することなく、ばらつきパターンを出力することができる。
【０１４０】
鍵作成モードＭＤＫにおいて、図２０に示すように、最初に制御信号ＣＬＩＰをＨレベルに遷移させ、クリップ回路４４を選択する。クリップ回路４４のソースフォロワ（ＳＦ）トランジスタＭ０は電源電圧Ｖｄｄの電源線ＶＤＤに短絡されているため、電源電圧Ｖｄｄがソースフォロワを介して出力され、時刻ｔ１１で後段のＡＤＣ４１に保持され、デジタル変換される。
次に、ｎ行目の制御信号ＳＥＬがＨレベルに遷移され、行の選択が行われる。
同時に、選択行の制御信号ＲＳＴとＴＧ１もＨレベルに遷移させ、フォトダイオードＰＤ１およびフローティングディフュージョンＦＤをリセットする。これは、高輝度時にフォトダイオードＰＤ１からフローティングディフュージョンＦＤに溢れ出た電子が検出されるのを防ぐためである。
ここで、フローティングディフュージョンＦＤはリセットトランジスタＲＳＴ−Ｔｒにより電源電圧Ｖｄｄの電源線ＶＤＤに短絡されているため、電源電圧Ｖｄｄがソースフォロワを介して出力され、時刻ｔ１２で後段のＡＤＣ４１に保持され、デジタル変換される。
【０１４１】
後段回路は、通常動作モードＭＤＵと同様に動作し、クリップ信号と画素リセット信号の差分を出力する。
ただし、鍵作成モードＭＤＫでは、無相関の信号の差分を出力するため、差分二重サンプリング(ＤＤＳ: Differential Double Sampling) と呼ぶ。ＤＤＳ出力は次式で表される。
【０１４２】
【数３】
2018117269.tif 000005
【０１４３】
ここで、Ｖｇｓ０、Ｖｔｈ０、ΔＶｔｈ０、β０は、それぞれクリップ回路４４、ソースフォロワ（ＳＦ）トランジスタのゲート・ソース間電圧、ＳＦトランジスタの閾値、基板バイアス電圧、トランジスタに比例する係数をそれぞれ示している。
以上より、クリップ回路４４を基準として画素のＶｔｈ，ΔＶｔｈおよびβばらつきのみを出力することができる。この動作を全画素に対して行うことで、２００万画素等の素子特性の製造ばらつきを抽出することができる。
【０１４４】
一方、Ｖｔｈ０、β０、Ｉｄはそれぞれ各列で共通のクリップ回路４４および電流源の成分であり、これらの製造ばらつきは、列毎に固有のばらつき成分となる。
したがって、ＤＤＳ出力は、列毎に固有なばらつき成分が、画素毎に固有なばらつきに重畳された信号となる。この列毎に固有なばらつき成分により、画素アレイにおけるばらつき信号パターンのランダム性が低下してしまう。
【０１４５】
図２１は、本第２の実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイ全体と列の画素特性ばらつき分布を示す図である。
【０１４６】
たとえば、図２１に示すように、Ｘｉ列目のクリップ回路４４が製造ばらつきにより平均値よりも大きな電圧を示すと仮定する。
Ｘ列目の画素群のＤＤＳ出力は、その列固有のばらつき電圧を中心値とした各画素のばらつき分布(b)を示し、Ｘ列内の多くの画素が、画素アレイ全体のばらつき分布(a)の中央値よりも大きな出力を示す。
したがって、各画素の固定パターンを、画素アレイ全体の中央値に対する大小で1/0判定する場合、Ｘ列内の多くの画素が“１”と判定され、固定パターンの多様性が失われてしまう。
たとえば、クリップ回路４４のばらつきが画素ばらつきよりも支配的な場合、たとえば２００万画素の画素アレイであっても、全ての行で 同じばらつきパターンが繰り返されるため、水平の画素数２０００によってばらつきパターン数が決まってしまう。
したがって、この列毎に固有なばらつき成分除去する必要があり、本第２の実施形態においては、信号処理回路７０の鍵生成部８２Ａにおいて列毎に固有なばらつき成分除去する信号処理を行う。次にその信号処理方法について述べる。
【０１４７】
図２２は、本第２の実施形態に係る信号処理回路の鍵生成部において行われる列毎に固有なばらつき成分除去する信号処理の概要を示す図である。
図２３は、本第２の実施形態に係る信号処理回路の鍵生成部においてＦＨＤ（１９２０  ×  １０８０画素）の画素アレイに対して行われる列毎に固有なばらつき成分除去する信号処理の概要を示す図である。
図２４は、本第２の実施形態に係る信号処理回路の鍵生成部において行われる列毎に固有なばらつき成分除去する他の信号処理の概要を示す図である。
【０１４８】
（信号処理の概要）
図２２および図２３に示すように、画素アレイ、たとえばＦＨＤ（１９２０  ×  １０８０画素）の画素アレイに対して、各画素のＤＤＳ出力は１２bit のデジタル信号に変換される。
最初に、平均化処理部８２でソースフォロワ（ＳＦ）トランジスタＳＦ−Ｔｒを共有する読み出し方向の垂直２画素間で平均化処理を行う（ＳＴ１）。ＳＦトランジスタＳＦ−Ｔｒおよびクリップ回路４４は垂直２画素間で共通のため、ばらつき信号成分は変化しないが、各トランジスタから発生するノイズを１／√２に低減することができ、ばらつき信号の再現性を高めることができる。
この結果、アレイデータサイズは（１９２０  ×  ５４０画素）となる。
【０１４９】
次に、判定部８２ｅにおいて、平均処理後の（１９２０  ×  ５４０画素）のアレイに対して、さらに垂直の２画素間で大小判定を行い、２値化を行う（ＳＴ２、ＳＴ３）。ｉ列ｊ行目の画素とｉ列 ( ｊ + 1) 行目の画素のＤＤＳ出力差分は次式で表される。
【０１５０】
【数４】
2018117269.tif 000006
【０１５１】
式(4)より、列毎に固有なバイアス電流成分Ｉｄ．ｉは残るものの、閾値電圧や基板バイアス電圧の列毎に固有な成分を除去することで、ばらつきパターンのユニーク性を改善することができる。
また、隣接するトランジスタのパラメータの差分を出力するため、製造時に広域的に発生するばらつきも除去することができ、局所的なばらつきが支配的となるため、ばらつきパターンのランダム性を同様に改善することができる。
以上の信号処理は、全画素アレイのデータを保持することなく、４行毎に順次処理することで、小さな回路規模で実現することができる。
【０１５２】
なお、ステップＳＴ３の処理後、図１７に示すように、圧縮部８２ｆで圧縮処理を行ってもよい（ＳＴ４）。
図２２の例では、行数を制限して１２８bitや２５６bitまでデータを減らしてもよい。
【０１５３】
あるいは、図２４のステップＳＴ５のように、ソート処理を行ってもよい。
たとえば、行の中の絶対値を大きい順にソートし、上位の決められたビットについて正負で１／０を判定する。ばらつきの差の大きい画素を用いるので再現性が向上する。
【０１５４】
なお、黒つぶれ対策画素（特許文献１参照）を用いてソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒのオフセットと、黒つぶれ対策画素のダミーソースフォロワトランジスタのオフセット差分を出力するように構成することも可能である。
黒つぶれ対策画素の制御電圧を、出力コード張り付きが発生しないように適切に設定する。
これにより、鍵のユニーク性を改善することが可能となる。
【０１５５】
また、他の共有構造画素に対して、同様の平均化処理部８２で平均化処理を行ってもよい。たとえば４画素共有構造に対しては、ソースフォロワトランジスタＳＦ−Ｔｒを共有する画素間で平均化処理を行う。
画素共有をしない構造に対しても、同様の信号処理を行ってもよい。この時は、平均化処理部８２ｄを省略し、判定部８２ｅ以降の処理を行う。
【０１５６】
なお、上述した第２の実施形態に係る耐タンパ性強化処理を行った後に、第１の実施形態に係る非相関化処理（フィルタをＦＬＴ１を通した非相関化処理）を行うように構成してもよい。
これにより、固有ＩＤの再現性およびユニーク性の向上を図ることができることはもとより、秘匿性の高い固有鍵を生成することが可能となり、固有鍵の高い耐タンパ性を確保することが可能で、ひいては画像の改ざん、ねつ造を確実に防止することが可能となる。
【０１５７】
（シミュレーション結果）
通常動作モードＭＤＵと鍵作成モードＭＤＫにおいて、それぞれ回路シミュレーションを実施した。図１８に示す列回路を用いてモンテカルロシミュレーションを行い、それぞれのばらつきを計算した。ここで、撮像モードは暗時を想定している。
【０１５８】
図２５は、モンテカルロシミュレーション結果を示す図である。
通常動作モードＭＤＵでは、ＣＤＳ出力のばらつきは０．５ＬＳＢであり画素毎のばらつき成分を除去できていることが分かる。
一方、鍵作成モードＭＤＫでは、ＤＤＳ出力のばらつきは５０．９ＬＳＢであり、画素毎のばらつき成分を検出できていることが分かる。
また、後段回路ノイズのシミュレーション結果は１．２ＬＳＢであった。したがって、ばらつき信号のＳＮ比は３２．６ｄＢとなり、ランダムノイズに対して十分に大きく、固有ＩＤ の高い再現性が期待できる。
【０１５９】
（測定結果）
ここで、測定結果の概要について簡単に説明する。
測定環境は、２００万画素のＣＭＯＳイメージセンサを用いて、通常動作モードＭＤＵと鍵作成モードＭＤＫの画像データをそれぞれパーソナルコンピュータ（ＰＣ）に取り込む。ＣＭＯＳイメージセンサは１２bit出力、６０ｆｐｓで動作させる。また、ＣＭＯＳイメージセンサは、カメラボードに実装されており、ＵＳＢを用いてＰＣに接続されている。イメージセンサの駆動タイミング制御レジスタをＰＣからＵＳＢを介してカメラボードに転送し、撮像モードおよびＰＵＦモードの動作タイミングを切り替える。イメージセンサ出力の画像データもＵＳＢを介してＰＣに取り込まれる。
上述した本第２の実施形態の特徴的な信号処理については、ＰＣ上で実行した。
【０１６０】
図２６は、所定の環境において取得した取得画像を示す図である。
図２６（Ａ）は通常動作モードＭＤＵの画像出力である。ＣＤＳ動作によりノイズを除去し、対象を撮影できている。
図２６（Ｂ）、同じ輝度環境下で、明時での鍵作成モードＭＤＫに切替えたときの画像出力である。ＣＭＯＳイメージセンサの駆動タイミングを変更することで、ばらつき信号のみを取得できている。
さらに、図２６（Ｃ）は、センサボードを遮光した、暗時での鍵作成モードＭＤＫの画像出力である。周辺輝度によらず図２６（Ｂ）と同様のばらつき信号を取得できていることが分かる。
【０１６１】
周辺輝度によるばらつき信号への影響を確認するため、図２６（Ｂ）および（Ｃ）の画像をそれぞれ１００枚取得し、それぞれの画像平均をとり、ランダムノイズの影響を低減した。
次に、それぞれの１００枚平均画像に対して、信号処理を実施し、1/0 のビット列に変換した。
これらの２個のビット列に対して、ビット反転率を計算し、反転率は０．０８６％と十分に小さいことを確認した。
この結果から、周辺輝度に依存しない画素ばらつきパターンを取得 できていることが確認できた。
【０１６２】
図２７は、列毎に固有なばらつき成分の除去による特性を示す図である。
図２７（Ａ）は、鍵作成モードＭＤＫの画像の一部を拡大および強調したものであり、画素毎のばらつき信号に、列毎のＦＰＮ成分が重畳していることがわかる。ここで、各列の中央値に対して標準偏差を計算した列ＦＰＮ、および各画 素の値に対して標準偏差を計算した画素ばらつきは、それぞれ、３５．９ＬＳＢ、６２．１ＬＳＢであった。
一方、図２７（Ｂ）は、図２７（Ａ９に示す画像に対して、図２２〜図２４に示す信号処理を実行した画像である。この結果、列ＦＰＮは１．２ＬＳＢ、画素ばらつきは３４．０ＬＳＢとなり、列ＦＰＮが９６．７％除去された。列ＦＰＮは画素ばらつきに対して1/28 以下であり、十分に低減されていることが確認できる。
【０１６３】
図２８は、通常動作モードと鍵作成モードのそれぞれ暗時での出力分布を示す図である。
ＣＤＳを行う通常動作モードＭＤＵでは、標準偏差０．８２ＬＳＢと十分に小さい。一方、鍵作成モードＭＤＫでは標準偏差は６２．１ＬＳＢと十分に大きく、さらに正規分布を示すことから、ランダムなばらつきを抽出できていることが確認できる。
【０１６４】
以上説明した固体撮像装置１０，１０Ａは、デジタルカメラやビデオカメラ、携帯端末、あるいは監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器に、撮像デバイスとして適用することができる。
【０１６５】
図２９は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用されるカメラシステムを搭載した電子機器の構成の一例を示す図である。
【０１６６】
本電子機器１００は、図２９に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置１０，１０Ａが適用可能なＣＭＯＳイメージセンサ（ＩＭＧＳＮＳ）１１０を有する。
さらに、電子機器１００は、このＣＭＯＳイメージセンサ１１０の画素領域に入射光を導く（被写体像を結像する）光学系（レンズ等）１２０を有する。
電子機器１００は、ＣＭＯＳイメージセンサ１１０の出力信号を処理する信号処理回路(ＰＲＣ)１３０を有する。
【０１６７】
信号処理回路１３０は、ＣＭＯＳイメージセンサ１１０の出力信号に対して所定の信号処理を施す。
信号処理回路１３０で処理された画像信号は、液晶ディスプレイ等からなるモニタに動画として映し出し、あるいはプリンタに出力することも可能であり、またメモリカード等の記録媒体に直接記録する等、種々の態様が可能である。
【０１６８】
上述したように、ＣＭＯＳイメージセンサ１１０として、前述した固体撮像装置１０，１０Ａを搭載することで、高性能、小型、低コストのカメラシステムを提供することが可能となる。
そして、カメラの設置の要件に実装サイズ、接続可能ケーブル本数、ケーブル長さ、設置高さなどの制約がある用途に使われる、たとえば、監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器を実現することができる。
【符号の説明】
【０１６９】
１０，１０Ａ・・・固体撮像装置、２０，２０Ａ・・・画素部、３０・・・垂直走査回路、４０・・・読み出し回路、４４・・・クリップ回路、５０・・・水平走査回路、６０・・・タイミング制御回路、７０・・・信号処理回路、８０・・・暗号化処理系、８１・・・情報取得部、８２，８２Ａ・・・鍵生成部、８２ａ，８２ａＡ・・・耐タンパ性強化処理部、８２ｂ・・・非相関化処理部、ＦＬＴ１・・・フィルタ、８２ｃ・・・固有鍵出力部、８２ｄ・・・平均化処理部、８２ｅ・・・判定部、８２・・・圧縮部、８３・・・画像データ生成部、８４・・・識別データ生成部、８５・・・一体化部、８６・・・メモリ、９０・・・読み出し部、１００・・・電子機器、１１０・・・ＣＭＯＳイメージセンサ（ＩＭＧＳＮＳ）、１２０・・・光学系、１３０・・・信号処理回路（ＰＲＣ）。
【図１】
2018117269.tif 000007
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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