(57)【要約】【課題】  小規模な回路構成でＲＴＳノイズを低減し、画像の向上を図ることを課題とする。【解決手段】  本発明は、光電変換部と前記光電変換部の信号を増幅して出力する画素増幅部とを有する複数の画素と、前記画素増幅部を介して複数回読み出した信号を順次加算平均する順次加算平均手段と、前記順次加算平均信号を保存するメモリを有することを特徴とする。【選択図】  図１
2011009925.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素増幅部を有する一の画素から信号をｍ回（ｍ≧３の整数）読み出して平均することによりランダムノイズを低減する撮像装置の読み出し方法であって、
ｍ−２回目の読み出し信号を第１の容量にて保持するステップと、
ｍ−１回目の読み出し信号を第２の容量にて保持するステップと、
前記第１の容量にて保持したｍ−２回目の読み出し信号と、前記第２の容量にて保持したｍ−１回目の読み出し信号とを平均化するステップと、
前記第１もしくは第２の容量の一方にてｍ回目の読み出し信号を保持するステップと、
前記第１もしくは２の容量の他方にて保持された平均信号と、前記第１もしくは第２の容量の一方にて保持されたｍ回目の読み出し信号とを平均化するステップと、を有することを特徴とする撮像装置の読み出し方法。
【請求項２】
前記各ステップを、
前記同一の画素から前記増幅部の入力部をリセットすることにより得られる信号と、
前記同一の画素から光電変換により得られる信号とに対して行なうことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置の読み出し方法。
【請求項３】
前記各ステップを一水平ブランキング期間に行なうことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置の読み出し方法。
【請求項４】
画素増幅部を有する複数の画素と、
前記複数の画素からの信号を入力ノードへ受けて出力ノードヘ出力する第１のスイッチと、
前記第１のスイッチの出力ノードからの信号を保持する第１のメモリ及び第２のメモリと、
前記第１のスイッチの出力ノードと前記第１のメモリとの電気的導通を制御する第２のスイッチと、
前記第１のスイッチの出力ノードと前記第２のメモリとの電気的接続を制御する第３のスイッチとを有し、
前記第１、第２、第３のスイッチの導通を制御する制御部とを有し、
前記制御部は、
前記第１のスイッチを非導通状態とし、前記第１のメモリに保持された信号と前記第２のメモリに保持された信号とを平均化する状態と、
前記第１のスイッチを導通状態とし、前記第２もしくは第３のスイッチを導通状態として、前記第１もしくは第２のメモリへ前記画素からの信号を保持する状態とを切り替えることを特徴とする撮像装置。
【請求項５】
前記画素増幅部がＭＯＳトランジスタを用いたソースフォロワであり、前記ＭＯＳトランジスタのチャネル長Ｌ、チャネル幅Ｗの関係がＬＷ＜１μｍ２であることを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置に関するものであり、特に、ランダムノイズを低減可能な撮像装置とその読み出し方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年静止画像撮影を主用途とするデジタルスチルカメラに総画素数が１０００万画素を超える撮像装置が使用されるようになり、また動画像撮影を主用途とするムービーカメラでも数百万画素の撮像装置が使用されるようになった。このような撮像装置として光電変換装置が用いられる。
【０００３】
このような撮像装置の多画素化は画素サイズの縮小化による。しかし、その結果、画素の開口面積が小さくなり、低感度と光ショットノイズが問題点としてクローズアップされている。また、取り扱い電荷数の減少に伴って、撮像装置起因のノイズも目立つようになってきている。
【０００４】
画素に増幅部を有する増幅型撮像装置のノイズに関して、ノイズ低減を行なう構成が知られている。これらノイズ低減構成により画素の増幅部に起因する固定パターンノイズは問題ない画像レベルまで低減可能である。一方画素サイズの縮小化に伴い、画素の増幅部を構成するＭＯＳトランジスタのサイズも小さくなり、ここで発生するランダムノイズの一種である１／ｆノイズが課題となってきた。１／ｆノイズはＭＯＳトランジスタのサイズに反比例して増加する傾向がある。
【０００５】
最近さらに画素サイズが小さくなった増幅型撮像装置において、新たなノイズが問題になっている。つまりＭＯＳトランジスタのチャネル長Ｌ、チャネル幅Ｗの関係がＬＷ＜１μｍ２を満たすようになると、これもランダムノイズの一種であるＲＴＳ（Ｒａｎｄｏｍ  Ｔｅｌｅｇｒａｐｈ  Ｓｉｇｎａｌ）と呼ばれるノイズが支配的になる。そして、これにより画質が低下することがわかった。ＲＴＳノイズは、２値的あるいは場合によってはもっと多い値のノイズを特異的に有する画素が、ある確率で画面内に出現するものである。低照度で、これらの特異的な画素を一定期間観測すると、画素が瞬いているように見えるので、「瞬きノイズ」、「フリッカーノイズ」とも言われている。
【０００６】
この様なランダムノイズを低減する構成が特許文献１に開示されている。この回路を用いた方法では、画素からノイズと信号を複数回読み出し、加算平均化することにより画素増幅部に起因する１／ｆノイズを低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２１０７０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このようなランダムノイズを効果的に減らすには、読み出し回数ｎに対して、ノイズは１／√ｎになるので、読み出し回数を増やすのがよい。しかしながら従来の構成では、読み出し回数を増加させるには、読み出し回数に応じて加算平均用メモリを増加させる必要があった。これによりチップ面積が増加するという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題に鑑み本発明は、増幅部を有する一の画素から信号をｍ回（ｍ≧３の整数）読み出して平均することによりランダムノイズを低減する撮像装置の読み出し方法であって、ｍ−２回目の読み出し信号を第１の容量にて保持するステップと、ｍ−１回目の読み出し信号を第２の容量にて保持するステップと、前記第１の容量にて保持したｍ−２回目の読み出し信号と、前記第２の容量にて保持したｍ−１回目の読み出し信号とを平均化するステップと、前記第１もしくは第２の容量の一方にてｍ回目の読み出し信号を保持するステップと、前記第１もしくは２の容量の他方にて保持された平均信号と、前記第１もしくは第２の容量の一方にて保持されたｍ回目の読み出し信号とを平均化するステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、メモリ面積を増大させることなくランダムノイズを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１の撮像装置の一時蓄積メモリを利用した順次加算平均処理回路を含む回路あらわす図である。
【図２】実施例１のタイミング図である。
【図３】ＲＴＳノイズ低減効果を示す図である。
【図４】実施例２の撮像装置の一時蓄積メモリを利用した順次加算平均処理回路を含む回路あらわす図である。
【図５】実施例２のタイミング図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は本実施例における撮像装置中の画素ブロックと垂直信号線に接続されたノイズ低減回路を抜粋した概略図面である。図２は本実施例の駆動タイミングを示す図である。図３は本実施例によるランダムノイズの一種であるＲＴＳノイズ低減の効果を説明する図である。以下これらの図を用いて説明する。
【００１４】
図１において、１００は画素領域に配された単位セルである。複数の光電変換素子に対して画素増幅部が共有化された構成となっている。画素ピッチは垂直、水平方向ともに２μｍである。
【００１５】
２００は画素列ごとに設けられた定電流源回路である。定電流源回路３００は画素増幅部とともにソースフォロワ回路の一部を構成している。
【００１６】
３００は画素列ごとに設けられたクランプ回路と列増幅回路を含む列増幅部である。列増幅部３００により画素のリセットノイズ（ｋＴＣノイズ）と画素増幅部を構成するＭＯＳトランジスタの閾値電圧ばらつきによる固定パターンノイズΔＶｔｈを抑制可能である。さらに列増幅回路により後段の回路のノイズを無視できる程度の信号レベルを得ることができる。
【００１７】
４００はノイズ低減回路である。本実施例においては順次加算平均手段である蓄積メモリと加算スイッチから構成されている。この蓄積メモリとしては半導体基板のＰＮ接合容量、もしくはＭＯＳ容量などを用いることができる。単位セル１００が行列状に配されて画素領域を構成しており、ノイズ低減回路４００は画素列毎もしくは複数の画素列毎に設けられる。ノイズ低減回路４００の入力ノードが列増幅部３００の出力ノードに接続されている。
【００１８】
本実施例の特徴であるノイズ低減回路４００はノイズＮと光信号Ｓ’を順次加算して平均処理する回路を含んで構成される。
【００１９】
単位セル１００から一水平ブランキング期間内に複数回読み出されたノイズ信号Ｎと光信号Ｓ’とが各蓄積メモリに蓄積される。ここで、ノイズ信号Ｎには、リセットノイズｋＴＣ、固定パターンノイズΔＶｔｈ、ランダムノイズＲＮ、固定パターンノイズΔＶｏｆｆｓｅｔが含まれる。光信号Ｓ’には、前記ｋＴＣ、ΔＶｔｈ、ΔＶｏｆｆｓｅｔに新たなノイズＲＮ’と光電変換信号Ｓとが含まれる。ΔＶｏｆｆｓｅｔは各列増幅回路のオフセットによる固定パターンノイズである。ＲＮには、画素増幅部起因の成分（熱ノイズ成分、１／ｆノイズ成分、ＲＴＳノイズ成分）、暗電流ノイズ成分、列増幅回路の熱ノイズ成分などが含まれている。これらノイズＮと信号Ｓ´とは好ましくは水平信号線Ｌ１、Ｌ２に同時に転送される。
【００２０】
本実施例では同一画素からのノイズ信号と光信号とが、一水平ブランキング期間内にそれぞれ３回ずつ読み出される。１回目に読み出されたノイズ信号と２回目に読み出されたノイズ信号との加算平均を行なう。この加算平均を行なった後の信号と３回目に読み出されたノイズ信号との加算平均する場合を説明する。後述するように、読み出し回数は３回に限定されずそれ以上行なっても良い。ただし２回以下は除く。
【００２１】
図１において、ＰＤ１、ＰＤ２は光電変換素子として機能するフォトダイオードである。各フォトダイオードのそれぞれが一画素を構成する。
【００２２】
ＴＸ１、ＴＸ２はフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２で光電変換されて生じた電荷を画素増幅部ＳＦの入力部へ転送する転送ＭＯＳトランジスタである。
【００２３】
ＳＦは画素増幅部を構成する増幅ＭＯＳトランジスタである。ソースフォロワ回路の入力トランジスタとして機能する。
【００２４】
ＦＤはフォトダイオードの電荷が転送スイッチを介して転送されるフローティングディフュージョンである。フローティングディフュージョンは増幅ＭＯＳトランジスタのゲートと電気的に接続され画素増幅部の入力部を構成する。
【００２５】
ＲＥＳは画素増幅部の入力部の電圧を基準電圧に設定するリセットＭＯＳトランジスタである。
【００２６】
本実施例では２つのフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２で、一つの増幅ＭＯＳトランジスタＳＦを共有している。
【００２７】
画素行の選択は、リセットトランジスタにより選択画素行の増幅ＭＯＳトランジスタＳＦのゲート電位を選択電位に設定することにより行われる。非選択画素のソースフォロワＭＯＳトランジスタＳＦは非選択電位に設定されている。
【００２８】
画素サイズは２μｍ×２μｍであり、増幅ＭＯＳトランジスタＳＦのチャネル長Ｌ、チャネル幅Ｗの関係がＬＷ＜１μｍ２となっている。このようなサイズの場合にはＲＴＳノイズがとくに目立ち本実施例を適用した時の効果が大きい。
【００２９】
また、転送ＭＯＳトランジスタＴＸ１、ＴＸ２、リセットＭＯＳトランジスタＲＥＳは、それぞれのゲートに各パルス信号ΦＴＸ１、ΦＴＸ２、ΦＲＥＳが供給される。供給されたパルスによってリセット、電荷蓄積、電荷の転送、単位セルからの読み出し制御が行われる。
【００３０】
Ｖｎは増幅ＭＯＳトランジスタＳＦのソースに接続された垂直信号線である。
本実施例においてはリセットトランジスタにより増幅トランジスタのゲート電位を制御することにより画素行を選択する構成としたが、別途選択トランジスタを設け、増幅トランジスタへの電流供給を制御することにより選択を行なっても良い。
【００３１】
定電流源回路２００の、ＶＧＡＴＥ、ＶＩＣは画素増幅トランジスタに供給される定電流設定用ＭＯＳトランジスタである。ＶＬＯＮは信号線に供給される定電流をオンオフ制御するＭＯＳトランジスタである。これらのＭＯＳトランジスタはパルス信号ΦＶＬＯＮ、ΦＶＧＡＴＥ、ΦＶＩＣで制御される。
【００３２】
列増幅部３００において、ＡＭＰは画素の列ごとに設けられた列増幅回路である。ＣＣＬは列増幅回路の反転入力端子に設けられたクランプ容量である。Ｃ０Ｒは列増幅回路ＡＭＰをボルテージフォロワ動作させるために、反転入力端子と出力端子とを接続するスイッチである。またスイッチＣ０Ｒはクランプ容量ＣＣＬの列増幅回路の反転入力端子と接続される側のノードをリセットする機能も有している。スイッチＣ０Ｒはパルス信号ΦＣ０Ｒで制御される。
【００３３】
ＣＧＡＮは列増幅回路の反転入力端子と出力端子との間のフィードバック経路に設けられた容量である。容量ＣＧＡＩＮにより列増幅回路ＡＭＰのゲインを設定可能である。図では一つであるがさらに複数設けてゲイン可変の構成にしても良い。
【００３４】
次に本実施例の特徴であるノイズ低減回路４００について説明する。ここでは光信号系とノイズ信号系とで同様の回路構成を２系統設けている。しかし光信号系のみ設けてもよい。
【００３５】
ＳＷ１はノイズＮ信号の順次加算平均を行うための加算制御用スイッチである。ＳＷ２は光信号Ｓ´の順次加算平均を行うための加算制御用スイッチである。便宜上第１のスイッチとする。このスイッチとしてはＭＯＳトランジスタを用いることができる。これらはパルス信号ΦＳＷ１、ΦＳＷ２で制御する。
【００３６】
ＣＴＮ１、ＣＴＮ２はノイズ信号Ｎを蓄積するメモリとして機能する容量、ＣＴＳ１、ＣＴＳ２は光信号を蓄積するメモリとして機能する容量である。便宜上ＣＴＳ１，ＣＴＳ２を第１のメモリ、第２のメモリとする。
【００３７】
ＴＮ１、ＴＮ２、ＴＳ１、ＴＳ２はそれぞれが列増幅部３００からのノイズ信号と光信号との転送を制御するスイッチである。便宜上、ＴＳ１，ＴＳ２を第２のスイッチ、第３のスイッチとする。これらにはＭＯＳトランジスタを用いることができる。これらスイッチは各パルス信号ΦＴ１〜ΦＴ４により制御される。
【００３８】
ＨＳＲ１〜４は水平信号線Ｌ１、Ｌ２にノイズ信号と光信号とを転送するスイッチである。ＭＯＳトランジスタを用いることができる。ＣＨＲＥＳは水平出力線をＶＣＨＲの電位にリセットするスイッチである。ＭＯＳトランジスタを用いることができる。ＭＡＭＰは出力アンプである。ＨＳＲ１〜４にパルス信号ΦＨｎ供給することにより制御される。ここでΦＨｎは水平走査回路（図面上からは省略）からのパルス信号である。
【００３９】
ｃｏｎｔは制御部である。光信号系の回路に含まれるＳＷ２（第１のスイッチ）、ＴＳ１（第２のスイッチ）、ＴＳ２（第３のスイッチ）の導通を制御する。より好ましくはノイズ信号系に含まれる各スイッチの制御も行なう。もしくはノイズ回路系に含まれるスイッチに対してのみ制御を行なっても良い。また光信号系のみを設ける場合には、光信号系に対して制御を行なう。制御部ｃｏｎｔは、少なくとも以下の二つの状態を切り換え可能である。まず第１に、第１のスイッチを非導通状態とし、第１のメモリに保持された信号と前記第２のメモリに保持された信号とを平均化するである。第２に第１のスイッチを導通状態とし、第１もしくは第２のスイッチを導通状態として、第１もしくは第２のメモリへ画素からの信号を保持する状態である。以下この動作を用いたノイズ低減動作に関して説明する。
【００４０】
図２にある画素行からノイズ信号、光信号を読み出す際の主要動作タイミングを示す。
【００４１】
まずノイズ信号の読み出し動作に関して説明する。いずれもＨｉｇｈパルスが供給されることによりオンする。ΦＶＤＳＥＬはリセットトランジスタ及び増幅トランジスタのドレインに供給される電圧を選択電位、非選択電位に切り替えるパルスである。パルスがＨｉｇｈになることにより、各ドレインには選択電位が供給される。
【００４２】
時刻ｔ０において、パルス信号ΦＶＬＯＮをハイにすることで、垂直信号線Ｖｎの電流値を設定する定電流回路をオンさせる。
【００４３】
次に時刻ｔ１において、パルス信号ΦＲＥＳでリセットトランジスタのゲートにＨｉｇｈパルスを供給する。
【００４４】
時刻ｔ２においてパルスΦＶＤＳＥＬをオンし、リセットトランジスタを介して増幅トランジスタのゲート及びフローティングディフュージョンへリセット電圧を供給する。
【００４５】
時刻ｔ３においてパルスΦＣ０ＲにＨｉｇｈパルスを供給する。この動作によりスイッチＣ０Ｒがオンし、クランプ容量ＣＣＬと列増幅回路ＡＭＰを基準電位ＶＣ０Ｒによりリセットする。クランプ容量ＣＣＬの画素側のノードは画素からのノイズ（ｋＴＣ＋ΔＶｔｈ）信号が供給されており、列増幅回路側のノードには基準電位が供給された状態である。
【００４６】
次にパルス信号ｔｎ１期間にΦＳＷ１にＨｉｇｈパルスを供給することによりＳＷ１をオンする。そしてｔｎ３期間にΦＴＮ１にＨｉｇｈパルスを供給してＴＮ１をオンする。更にｔｎ６期間にΦＴＮ２にＨｉｇｈパルスを供給してＴＮ２をオンする。これらの動作により１回目のノイズＮ１信号（ΔＶｏｆｆｓｅｔ＋ＲＮ１）を容量ＣＴＮ１、ＣＴＮ２に保持する。
【００４７】
次にΦＴＮ１にＬｏｗパルスを供給してＴＮ１をオフする。この時、ＳＷ１、ＴＮ２はオンのままにしておき、２回目のノイズ信号Ｎ２（ΔＶｏｆｆｓｅｔ＋ＲＮ２）が容量ＣＴＮ２に保持される。ＣＴＮ１には１回目に読み出されたノイズ信号、ＣＴＮ２には２回目に読み出されたノイズ信号が保持されることになる。
【００４８】
次にｔｎ４期間にＳＷ１をオフし、ＴＮ１、ＴＮ２を同時にオンした状態にすることにより、ＣＴＮ１とＣＴＮ２に保持されたノイズ信号が容量上で加算平均される。このときΔＶｏｆｆｓｅｔは固定パターンノイズなので、加算平均後もΔＶｏｆｆｓｅｔとなる。一方ＲＮ１、ＲＮ２はランダムノイズなので順次加算平均によりＲＮ／√２となる。よってＣＴＮ１、ＣＴＮ２には１回目、２回目のノイズ信号の加算平均後のノイズ信号であるΔＶｏｆｆｓｅｔ＋ＲＮ／√２が保持されることになる。
【００４９】
次にｔｎ２期間にΦＳＷ１にＨｉｇｈパルスを供給してＳＷ１をオンする。そして、ｔｎ４期間にΦＴＮ１にＬｏｗパルスを供給してＴＮ１をオフすることより３回目のノイズ信号Ｎ３（ΔＶｏｆｆｓｅｔ＋ＲＮ３）を読み出して、容量ＣＴＮ２に保持する。
【００５０】
次にｔｎ５期間にＳＷ１をオフし、ＴＮ１、ＴＮ２を同時にオンした状態にすることにより、ＣＴＮ１とＣＴＮ２に保持されたノイズ信号が容量上で加算平均される。このときΔＶｏｆｆｓｅｔは固定パターンノイズなので、順次加算平均後もΔＶｏｆｆｓｅｔとなる。一方ＲＮ／√２、ＲＮ３はランダムノイズなので順次加算平均によりＲＮ・√（３／８）となる。結局ＣＴＮ１、ＣＴＮ２には１回目、２回目、３回目のノイズの順次加算平均後のノイズΔＶｏｆｆｓｅｔ＋ＲＮ・√（３／８）が保持されることになる。
【００５１】
これらの動作でＣＴＮ１は加算平均後のノイズを保持するメモリとして、ＣＴＮ２は毎回新しいノイズと、順次加算平均後のノイズを保持するメモリとして利用する。ただし平均化した後は両方の容量にほぼ同じ値の信号が保持されているため次回以降の信号保持のためにどちらの容量をつかってもよい。
【００５２】
次に光信号Ｓを読み出す動作を説明する。ノイズ信号Ｎの読み出し動作が終了したあと、ΦＴＸ１にＨｉｇｈパルスを供給することにより転送スイッチオンすることで、フォトダイオードＰＤ１で光電変換された光電荷Ｓが画素増幅部の入力部へ転送される。
【００５３】
ｔｓ１期間にΦＳＷ２にＨｉｇｈパルスを供給することによりＳＷ２をオンする。そしてｔｓ３期間にΦＴＳ１にＨｉｇｈパルスを供給することによりＴＳ１をオンし、ｔｓ６期間にΦＴＳ２にＨｉｇｈパルスを供給してＴＳ２をオンする。この一連の動作により１回目の光信号Ｓ’１（Ｓ＋ΔＶｏｆｆｓｅｔ＋ＲＮ４）を容量ＣＴＳ１、ＣＴＳ２に保持する。
【００５４】
次にΦＴＳ１にＬｏｗパルスを供給してＴＳ１をオフする。この時、ＳＷ２、ＴＳ２はオンのままなので、引き続き光信号が読み出されて、２回目の光信号Ｓ’２（Ｓ＋ΔＶｏｆｆｓｅｔ＋ＲＮ５）が読みだされて、容量ＣＴＳ２に保持される。ＣＴＳ１には１回目に読み出された光信号、ＣＴＳ２には２回目に読み出された光信号が保持される。
【００５５】
次にｔｓ４期間にＳＷ２をオフし、ＴＳ１、ＴＳ２をともにオンすることにより、ＣＴＳ１とＣＴＳ２に保持された信号が容量上で加算平均される。このときＳは光出力、ΔＶｏｆｆｓｅｔは固定パターンノイズなので、加算平均後もＳ、ΔＶｏｆｆｓｅｔとなる。一方ＲＮ４、ＲＮ５はランダムノイズなので加算平均によりＲＮ／√２となる。よってＣＴＳ１、ＣＴＳ２には１回目、２回目の光信号の加算平均後の信号Ｓ＋ΔＶｏｆｆｓｅｔ＋ＲＮ’／√２が保持されることになる。
【００５６】
そしてｔｓ２期間にΦＳＷ２にＨｉｇｈパルスを供給することによりＳＷ２をオンし、ｔｓ４期間にΦＴＳ１にＨｉｇｈパルスを供給してＴＳ１をオンすることより３回目の光信号Ｓ’３（Ｓ＋ΔＶｏｆｆｓｅｔ＋ＲＮ６）を読み出して、容量ＣＴＳ２に保持する。ＣＴＳ１には１回目と２回目の信号の加算平均後の信号、ＣＴＳ２には３回目の信号が保持されることになる。
【００５７】
次にｔｓ５期間にＳＷ２をオフし、ＴＳ１、ＴＳ２を同時にオンすることにより、ＣＴＳ１とＣＴＳ２に保持された信号が容量上で加算平均される。このときＳは光信号、ΔＶｏｆｆｓｅｔは固定パターンノイズなので、加算平均後もΔＶｏｆｆｓｅｔとなる。一方ＲＮ’／√２、ＲＮ６はランダムノイズなので順次加算平均によりＲＮ’・√（３／８）となる。結局ＣＴＳ１、ＣＴＳ２には１回目、２回目、３回目に読み出されたノイズ信号の加算平均後の信号Ｓ＋ΔＶｏｆｆｓｅｔ＋ＲＮ’・√（３／８）が保持されることになる。
【００５８】
これらの動作でＣＴＳ１は加算平均後の信号を保持するメモリとして、ＣＴＮ２は毎回新しい信号と、加算平均後の信号を保持するメモリとして利用する。ただし平均化した後は両方の容量にほぼ同じ値の信号が保持されているため次回以降の信号保持にどちらの容量をつかってもよい。
【００５９】
以上の一連の動作は画素行毎に並列に処理される。メモリに保持されたノイズ信号と光信号とは水平走査回路からのパルス信号ΦＨｎにより水平信号線Ｌ１、Ｌ２に転送される。この時読み出される信号は加算平均されたノイズ信号（ΔＶｏｆｆｓｅｔ＋ＲＮ・√（３／８））と光信号（Ｓ＋ΔＶｏｆｆｓｅｔ＋ＲＮ’・√（３／８））になる。これらのノイズ信号と光信号とはメインアンプＭＡＭＰを介して撮像装置の外部に出力される。
【００６０】
本実施例では撮像装置の外部の信号処理回路で差分処理を行って、固定パターンノイズΔＶｏｆｆｓｅｔを除去する。このとき光信号に含まれるランダムノイズとノイズ信号に含まれるランダムノイズは２乗和となる。
【００６１】
従来の加算平均を行わない場合には、最終的にはランダムノイズはＲＮ・√２となっていたが、本実施例の構成もしくは方法により、ＲＮ・√（３／８）・√２＝ＲＮ・√（３／４）に低減することができた。したがって本実施例によればノイズは、加算平均をしない場合に比べ√（３／８）倍に低減することが可能となった。
【００６２】
更に本実施例におけるランダムノイズＲＮの低減効果を以下に詳しく説明する。上記のように３回の読出しによる加算平均結果が初期のノイズの√（３／８）倍になるのは、以下の理由からである。
【００６３】
一般に容量上で電圧信号を電荷により加算すると電圧値は平均化される。またランダムノイズは互いに独立であるので、これらを加算するとランダムノイズは２乗和される。結局ランダムノイズを容量上で加算すると２乗和されたあと平均化されることになる。
【００６４】
１回目のノイズσ１、２回目のノイズσ２、３回目のノイズσ３は、同一画素から読み出されているため略同じ経路のノイズを読出していることになり同じ値を有する。
σ１＝σ２＝σ３＝σ
１回目のノイズσ１と２回目のノイズσ２を容量上で加算平均すると、互いに独立なノイズの加算なので１回目のノイズσ１と２回目のノイズσ２の２乗和となり、さらに容量上での電圧加算なので、２回分の平均化が行われる。１回目の順次加算平均による最終的なノイズσｒ１は以下のようになる。
σｒ１＝√（σ１２＋σ２２）／２＝√（２×σ２）／２
＝σ／√２
２回目の加算平均は、１回目の加算平均結果と３回目のノイズの加算平均となるので、最終的なノイズσｒ２は以下のようになる。
σｒ２＝√｛（σ／√２）２＋σ３２｝／２
＝√｛（σ／√２）２＋σ２｝／２
＝√｛３／２×σ２｝／２
＝√（３／８）×σ
ここでは３回の読み出しの場合で説明したが、２個のメモリを交互に利用することで、この操作を繰り返すことにより何回でも加算平均を行いノイズ低減できるのが、本実施例の特徴である。本実施例における加算は、前回の読み出しの結果に今回の読み出し結果を加算し、さらに次回の読み出し結果を加算するという一連の加算を、最低２個のメモリ（容量）を切り替えながら行う方法である。
【００６５】
全ランダムノイズの低減に関しては前述のような効果があるが、さらに本実施例によるＲＴＳノイズの低減効果を以下に説明する。
【００６６】
図３は暗時ランダムノイズの画素ごとの値σを累積ヒストグラムにしたものである。横軸がσ値、縦軸（対数軸）が規格化した累積画素数である。図中のＡは本実施例の加算平均をしない場合、Ｂは本実施例で説明したようにノイズ信号と光信号とを３回読み出して、順次加算平均した場合を示す。図中裾部分の指数関数的分布をしている部分（直線部分）がＲＴＳノイズである。一般にＲＴＳノイズのσは、瞬きの頻度とノイズの強度に比例する。またＲＴＳノイズの部分は、全て特定の画素である。
【００６７】
撮像装置の最終的な暗時ランダムノイズ成分には、画素増幅部のノイズ成分以外に、暗電流ノイズ成分、列増幅回路の熱ノイズ成分、メインアンプの熱ノイズ成分などが含まれている。本実施例においては、暗電流ノイズ成分、メインアンプの熱ノイズ成分には平均化の効果が働かない。暗時ランダムノイズの低減効果は画素増幅部の成分と列増幅回路成分のみとなる。
【００６８】
一方ＲＴＳノイズのσは、前述のように特定の画素でのノイズの頻度と強度によって決まる。そしてその分布が指数関数的になっているので、本実施例によりランダムノイズの強度を低減すると、画面全体での特異画素数を指数関数的に低減でき、特に有効であることが分った。ノイズ信号と光信号とを３回ずつ読み出して、順次加算平均することにより、瞬いている画素を大幅に減らすことができ、見た目の瞬き感を大幅に改善できることが分った。
【００６９】
ＲＴＳノイズは補正する場合、特異画素数が多いと補正のために必要なメモリも膨大になる。よって本実施例により、メモリを増加させることなく、ＲＴＳノイズを大幅に減らすことができる。
【００７０】
本実施例においては、水平ブランキング期間内に何度でも読出し、順次加算平均することができる。駆動の条件を変更することにより、許容できる範囲内で読み出し回数を増やせば、ＲＴＳノイズを更に大幅に低減できる。
【００７１】
本実施例では、ＴＮ１とＴＮ２をオフしている期間を重ねていないが、これを一部重ねるタイミングとすることができる。ＲＴＳノイズは画素読出し期間内の、ある時刻に発生していると考えられる。少しでも異なる期間に読み出せば、それぞれに含まれるＲＴＳノイズは相関のないランダムなものとなる可能性が出てくる。それらに対して本実施例を適用すれば、ＲＴＳノイズ低減の効果が得られる。
【実施例２】
【００７２】
図４に第２の実施例である加算平均回路部を含む回路図を示す。図４において、図１と同様の機能を有する部分には同様の番号を付し説明を省略する。本実施例は実施例１に対し、順次加算平均用のスイッチＳＷ１をＣＴＮの後段に、ＳＷ２をＣＴＳの後段に配置したことが異なる点である。
【００７３】
まずノイズ信号の読み出し動作を説明する。実施例１と共通する部分は省略する。
【００７４】
ｔｎ’１期間にΦＴＮ１にＨｉｇｈパルスを供給してＴＮ１をオンし、ｔｎ’２期間にΦＴＮ２にＨｉｇｈパルスを供給してＴＮ２をオンする。この動作により、１回目のノイズＮ１（ΔＶｏｆｆｓｅｔ＋ＲＮ１）を容量ＣＴＮ１、ＣＴＮ２に保持する。
【００７５】
次にパルス信号ΦＴＮ１にＬｏｗレベルを供給してＴＮ１をオフする。この時ＴＮ２はオンのままなので、引き続きノイズ信号が読み出されて２回目のノイズＮ２（ΔＶｏｆｆｓｅｔ＋ＲＮ２）が容量ＣＴＮ２に保持される。ＣＴＮ１には１回目に読み出されたノイズ信号、ＣＴＮ２には２回目に読み出されたノイズ信号が保持される。
【００７６】
次にｔｎ’３期間にΦＴＮ２にＬｏｗレベルを供給してＴＮ２をオフし、ΦＳＷ１にＨｉｇｈレベルを供給することによりＳＷ１をオンする。この期間中ＣＴＮ１、ＣＴＮ２がＳＷ１を介して接続された状態にすることにより、ＣＴＮ１とＣＴＮ２に保持されたノイズ信号が容量上で加算平均される。このときΔＶｏｆｆｓｅｔは固定パターンノイズなので、加算平均後もΔＶｏｆｆｓｅｔとなる。一方ＲＮ１、ＲＮ２はランダムノイズなので加算平均によりＲＮ／√２となる。よってＣＴＮ１、ＣＴＮ２には１回目、２回目のノイズ信号の加算平均後のノイズΔＶｏｆｆｓｅｔ＋ＲＮ／√２が保持される。
【００７７】
次にΦＳＷ１にＬｏｗレベルを供給してＳＷ１をオフして、ｔｎ’４期間にΦＴＮ２にＨｉｇｈレベルを供給してＴＮ２をオンすることより３回目のノイズ信号Ｎ３（ΔＶｏｆｆｓｅｔ＋ＲＮ３）を読み出して、容量ＣＴＮ２に保持する。
【００７８】
次にΦＴＮ２にＬｏｗレベルを供給してＴＮ２をオフし、ｔｎ’５期間にΦＳＷ１にＨｉｇｈレベルを供給してオン状態にすることにより、ＣＴＮ１とＣＴＮ２に保持されたノイズ信号が容量上で加算平均される。このときΔＶｏｆｆｓｅｔは固定パターンノイズなので、加算平均後もΔＶｏｆｆｓｅｔとなる。一方ＲＮ／√２、ＲＮ３はランダムノイズなので加算平均によりＲＮ・√（３／８）となる。結局ＣＴＮ１、ＣＴＮ２には１回目、２回目、３回目のノイズの加算平均後のノイズΔＶｏｆｆｓｅｔ＋ＲＮ・√（３／８）が保持される。
【００７９】
次に光信号読み出し動作を説明する。ノイズ信号読み出し動作が終了したあと、ΦＴＸ１にＨｉｇｈレベルを供給することにより転送スイッチをオンすることで、フォトダイオードＰＤ１で光電変換された光電荷Ｓが画素増幅部の入力部へ転送される。
【００８０】
ｔｓ’１期間にΦＴＳ１にＨｉｇｈレベルを供給してＴＳ１をオンし、ｔｓ’２期間にΦＴＳ２にＨｉｇｈレベルを供給してＴＳ２をオンする。この動作により、１回目の光信号Ｓ’１（Ｓ＋ΔＶｏｆｆｓｅｔ＋ＲＮ４）を容量ＣＴＳ１、ＣＴＳ２に保持する。
【００８１】
次にΦＴＳ１にＬｏｗレベルを供給してＴＳ１をオフし、この時ＴＳ２はオンのままなので、引き続き信号が読み出されて、２回目の光信号Ｓ’２（Ｓ＋ΔＶｏｆｆｓｅｔ＋ＲＮ５）が容量ＣＴＳ２に保持される。ＣＴＳ１には１回目の光信号、ＣＴＳ２には２回目の光信号が保持されることになる。
【００８２】
次にｔｓ’３期間にΦＴＳ２にＬｏｗレベルを供給してＴＳ２をオフして、ΦＳＷ２にＨｉｇｈレベルを供給してＳＷ２をオンする。この期間中ＣＴＳ１、ＣＴＳ２がＳＷ２を介して接続された状態となる。ＣＴＳ１とＣＴＳ２に保持された光信号が容量上で加算平均される。このときＳは光出力、ΔＶｏｆｆｓｅｔは固定パターンノイズなので、加算平均後もＳ、ΔＶｏｆｆｓｅｔとなる。一方ＲＮ４、ＲＮ５はランダムノイズなので加算平均によりＲＮ／√２となる。よってＣＴＳ１、ＣＴＳ２には１回目、２回目の光信号の加算平均後の信号Ｓ＋ΔＶｏｆｆｓｅｔ＋ＲＮ’／√２が保持される。
【００８３】
次にΦＳＷ２にＬｏｗレベルを供給してＳＷ２をオフして、ｔｓ’４期間にΦＴＳ２にＨｉｇｈレベルを供給してＴＳ２をオンする。この動作により３回目の光信号Ｓ’３（Ｓ＋ΔＶｏｆｆｓｅｔ＋ＲＮ６）を読み出して、容量ＣＴＳ２に保持する。ＣＴＳ１には１回目と２回目の光信号の加算平均後の信号、ＣＴＳ２には３回目の光信号が保持される。
【００８４】
次にΦＴＳ２にＬｏｗレベルを供給してＴＳ２をオフし、ｔｓ’５期間にΦＳＷ２にＨｉｇｈレベルを供給することによりオン状態とすることにより、ＣＴＳ１とＣＴＳ２に保持された信号が容量上で加算平均される。このときＳは光電荷、ΔＶｏｆｆｓｅｔは固定パターンノイズなので、加算平均後もΔＶｏｆｆｓｅｔとなる。一方ＲＮ’／√２、ＲＮ６はランダムノイズなので加算平均によりＲＮ’・√（３／８）となる。結局ＣＴＳ１、ＣＴＳ２には１回目、２回目、３回目のノイズ信号の順次加算平均後の信号Ｓ＋ΔＶｏｆｆｓｅｔ＋ＲＮ’・√（３／８）が保持されることになる。
【００８５】
これらの動作は画素行毎に並列に行なわれる。メモリに保持されたノイズ信号と光信号は水平走査回路からのパルス信号ΦＨｎにより水平信号線Ｌ１、Ｌ２に同時に転送される。このときの信号は、順次加算平均されたノイズ信号（ΔＶｏｆｆｓｅｔ＋ＲＮ・√（３／８））と光信号（Ｓ＋ΔＶｏｆｆｓｅｔ＋ＲＮ’・√（３／８））になる。これらのノイズ信号と光信号はメインアンプＭＡＭＰを介して撮像装置の外部に出力される。
【００８６】
本実施例では撮像装置の外部の信号処理回路で（Ｓ−Ｎ）処理を行って、固定パターンノイズΔＶｏｆｆｓｅｔを除去する。このとき光信号読み出し動作のときのランダムノイズとノイズ信号読み出し動作のランダムノイズは２乗和となる。
【００８７】
本実施例においても順次加算平均を行った場合のノイズ信号は、加算平均をしない場合に比べ√（３／８）倍と低減することができた。またランダムノイズの強度を低減すると、画面全体でのＲＴＳノイズの大きい特異画素数を指数関数的に低減できた。
【００８８】
以上本発明によれば、メモリを増やすことなく、同一画素からノイズ信号と光信号とを複数回読み出し、順次加算平均することにより画素増幅部起因のランダムノイズ、ＲＴＳノイズを大幅に低減できた。つまり加算回数によらず最低２個メモリがあればノイズ低減効果を実現できる。本発明によれば加算の回数よりメモリの数を減らせる。その結果回路構成を小さくできたので撮像装置を安価に供給できる。
【００８９】
本発明は発明の主旨を越えない限りにおいて上記実施例に限定されない。本発明を一般化すると、まず画素増幅部を有する一の画素から信号をｍ回（ｍ≧３の整数）読み出して平均することによりランダムノイズを低減する方法に関するものである。まず読み出しステップとしてｍ−２回目の読み出し信号を第１の容量にて保持する。次に、ｍ−１回目の読み出し信号を第２の容量にて保持する。そして第１の容量にて保持したｍ−２回目の読み出し信号と、第２の容量にて保持したｍ−１回目の読み出し信号とを平均化する。次に第１もしくは第２の容量の一方にてｍ回目の読み出し信号を保持する。第１もしくは２の容量の他方にて保持された平均信号と、第１もしくは第２の容量の一方にて保持されたｍ回目の読み出し信号とを平均化するものである。読み出し回数は３回以上であれば読み出し速度が許す限り何回行なっても良い。
【００９０】
また、画素のノイズもしくは列増幅器のノイズを抑制する構成としたが、光信号のみを読み出す場合においても本発明の順次加算平均方法を適用することが可能である。この場合の各構成に関して説明する。
【００９１】
このような構成は、図１のノイズ信号系の回路及び列増幅部がない場合を考えれば理解できる。まず上述したような画素増幅部を有する複数の画素からの信号を入力ノードへ受けて出力ノードヘ出力する第１のスイッチを有する。これは図１においてＳＷ２が該当する。この第１のスイッチの出力ノードからの信号を保持する第１のメモリ及び第２のメモリを有する。これがＣＴＳ１、ＣＴＳ２がそれぞれ対応する。次に第１のスイッチの出力ノードと第１のメモリとの電気的導通を制御する第２のスイッチと、第１のスイッチの出力ノードと第２のメモリとの電気的接続を制御する第３のスイッチとを有する。これはそれぞれ、ＴＳ１，ＴＳ２が該当する。そしてこれら第１、第２、第３のスイッチの導通を制御する制御部ｃｏｎｔとを有し、この制御部が上述の動作を行なう。
【００９２】
さらに列毎に増幅部を有する構成に関して説明したが複数列ごとであってもよいし、更に列増幅部を設けずに画素から読み出された信号に対して直接本発明を実施することも可能である。
【符号の説明】
【００９３】
１００  単位セル
４００  ノイズ低減回路
ＰＤ１  ＰＤ２  フォトダイオード
ＳＦ  増幅ＭＯＳトランジスタ
ＳＷ１、ＳＷ２  加算制御用スイッチ
ＣＴＮ１、ＣＴＮ２  ノイズ信号用メモリ容量
ＣＴＳ１、ＣＴＳ２  光信号用メモリ容量
ＴＮ１、ＴＮ２、ＴＳ１、ＴＳ２  スイッチ
【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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