(57)【要約】【課題】小規模で簡易な回路構成により、固定パターン雑音を抑制して出力画像の画質を向上する。【解決手段】撮像部１０Ａに有効画素部１と無効画素部２〜５を有し、各画素の信号を画素列単位で読み出して信号処理を行うＣＭＯＳイメージセンサにおいて、無効画素部２〜４の一部に固定パターン雑音補正用のオプティカルブラック部（ＯＢ部）２を設ける。そして、ＯＢ部２から得られる各画素の信号量を測定し、有効画素部１の信号量からＯＢ部２の画素の信号量を引き算する。例えば所定の平均化処理によってＯＢ部の画素平均信号量を求めて有効画素部の各画素の信号量から引き算することで、フレームメモリを設けることなく、各種の雑音を除去した画像信号を得る。【選択図】図２
2008236787.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子を設けた複数の単位画素を２次元アレイ状に配置して構成され、前記光電変換素子に光が入射される有効画素部と、前記光電変換素子が遮光された無効画素部とを有する撮像部と、前記撮像部によって撮像した画像信号を読み出す読み出し回路部と、前記読み出し回路部によって読み出された撮像信号に対して所定の演算処理を行う信号処理回路とを有し、
前記無効画素部に含まれる複数の画素を暗信号検出用のオプティカルブラック部とし、前記信号処理回路は、前記オプティカルブラック部から得られる各画素の信号量に所定の平均化処理を施して平均値を算出し、前記有効画素部から得られる各画素の信号量と前記平均値との差分信号を前記有効画素部の各画素の画素信号として出力する、
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記読み出し回路部は、撮像部の各画素列毎に信号電荷を読み出すことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記オプティカルブラック部は、前記撮像部の各画素列に均等に配置されていることを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記オプティカルブラック部は、少なくとも撮像部の最初の画素行または最後の画素行に配置されていることを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記信号処理回路の所定の平均化処理は、前記オプティカルブラック部から得られる各画素の信号量を各画素列にわたって合計し、その合計値から平均値を求める処理であることを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記信号処理回路の所定の平均化処理は、前記オプティカルブラック部から得られる各画素の信号量を複数フレームにわたって合計し、その合計値から平均値を求める処理であることを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記信号処理回路の所定の平均化処理は、前記オプティカルブラック部から得られる各画素の信号量を各画素列及び複数フレームにわたって合計し、その合計値から平均値を求める処理であることを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記信号処理回路は、過去から直近までのｎフレーム分の撮像時に前記オプティカルブラック部から得られる各画素の信号量を順次メモリ部に格納し、前記ｎフレーム分のオプティカルブラック部の各画素の信号量を用いて平均化処理を行うとともに、新たな撮像動作毎に前記メモリ部に格納したｎフレーム分のオプティカルブラック部の各画素の信号量を順次更新することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記撮像部及び読み出し回路部が同一の半導体チップ上に形成され、前記信号処理回路が前記半導体チップの外部に設けられていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記撮像部、読み出し回路部、信号処理回路が同一の半導体チップ上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記信号処理回路は、デジタル領域で低域通過フィルタ処理を行うことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記信号処理回路は、前記オプティカルブラック部から得られたｎフレーム分の信号量を平均化する場合に、ｉ回目のフレームの情報ｙｉを前回のフレームの情報ｙi-1 にフィードバックをかけるように処理し、前記情報ｙｉに係数ａ（０＜ａ＜１）をかけた値をフィードバックすることを特徴とする請求項１１記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記読み出し回路部が撮像信号に対する複数種類の増幅率を有する場合、この複数種類の増幅率毎に得られるオプティカルブラック部の各画素の信号量を求め、メモリ部に格納して平均信号量の算出に用いることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
機能の異なる複数種類のオプティカルブラック部を有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記複数種類のオプティカルブラック部は、互いに異なる素子構造を有し、一方のオプティカルブラック部の各画素は光電変換素子をもち、他方のオプティカルブラック部の各画素は光電変換素子をもたないことを特徴とする請求項１４記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
前記複数種類のオプティカルブラック部は、互いに共通の素子構造を有し、一方のオプティカルブラック部は１水平同期期間毎に１回の読み出しを行い、他方のオプティカルブラック部は１水平同期期間に対して暗電流値を無視できる程度の速さで多数回の読み出しを行うことを特徴とする請求項１４記載の固体撮像装置。
【請求項１７】
光電変換素子を設けた複数の単位画素を２次元アレイ状に配置して構成され、前記光電変換素子に光が入射される有効画素部と、前記光電変換素子が遮光された無効画素部とを有する撮像部と、前記撮像部によって撮像した画像信号を読み出す読み出し回路部と、前記読み出し回路部によって読み出された撮像信号に対して所定の演算処理を行う信号処理回路とを有する固体撮像装置を搭載し、
前記固体撮像装置は、前記無効画素部に含まれる複数の画素を暗信号検出用のオプティカルブラック部とし、前記信号処理回路は、前記オプティカルブラック部から得られる各画素の信号量に所定の平均化処理を施して平均値を算出し、前記有効画素部から得られる各画素の信号量と前記平均値との差分信号を前記有効画素部の各画素の画素信号として出力する、
ことを特徴とするカメラ装置。
【請求項１８】
前記読み出し回路部は、撮像部の各画素列毎に信号電荷を読み出すことを特徴とする請求項１７記載のカメラ装置。
【請求項１９】
前記オプティカルブラック部は、前記撮像部の各画素列に均等に配置されていることを特徴とする請求項１８記載のカメラ装置。
【請求項２０】
前記オプティカルブラック部は、少なくとも撮像部の最初の画素行または最後の画素行に配置されていることを特徴とする請求項１９記載のカメラ装置。
【請求項２１】
前記信号処理回路の所定の平均化処理は、前記オプティカルブラック部から得られる各画素の信号量を各画素列にわたって合計し、その合計値から平均値を求める処理であることを特徴とする請求項１９記載のカメラ装置。
【請求項２２】
前記信号処理回路の所定の平均化処理は、前記オプティカルブラック部から得られる各画素の信号量を複数フレームにわたって合計し、その合計値から平均値を求める処理であることを特徴とする請求項１９記載のカメラ装置。
【請求項２３】
前記信号処理回路の所定の平均化処理は、前記オプティカルブラック部から得られる各画素の信号量を各画素列及び複数フレームにわたって合計し、その合計値から平均値を求める処理であることを特徴とする請求項１９記載のカメラ装置。
【請求項２４】
前記信号処理回路は、過去から直近までのｎフレーム分の撮像時に前記オプティカルブラック部から得られる各画素の信号量を順次メモリ部に格納し、前記ｎフレーム分のオプティカルブラック部の各画素の信号量を用いて平均化処理を行うとともに、新たな撮像動作毎にメモリ部に格納したｎフレーム分のオプティカルブラック部の各画素の信号量を順次更新することを特徴とする請求項１７記載のカメラ装置。
【請求項２５】
前記撮像部及び読み出し回路部が同一の半導体チップ上に形成され、前記信号処理回路が前記半導体チップの外部に設けられていることを特徴とする請求項１７記載のカメラ装置。
【請求項２６】
前記撮像部、読み出し回路部、信号処理回路が同一の半導体チップ上に形成されていることを特徴とする請求項１７記載のカメラ装置。
【請求項２７】
前記信号処理回路は、デジタル領域で低域通過フィルタ処理を行うことを特徴とする請求項１７記載のカメラ装置。
【請求項２８】
前記信号処理回路は、前記オプティカルブラック部から得られたｎフレーム分の信号量を平均化する場合に、ｉ回目のフレームの情報ｙｉを前回のフレームの情報ｙi-1 にフィードバックをかけるように処理し、前記情報ｙｉに係数ａ（０＜ａ＜１）をかけた値をフィードバックすることを特徴とする請求項２７記載のカメラ装置。
【請求項２９】
前記読み出し回路部が撮像信号に対する複数種類の増幅率を有する場合、この複数種類の増幅率毎に得られるオプティカルブラック部の各画素の信号量を求め、メモリ部に格納して平均信号量の算出に用いることを特徴とする請求項１７記載のカメラ装置。
【請求項３０】
機能の異なる複数種類のオプティカルブラック部を有することを特徴とする請求項１７記載のカメラ装置。
【請求項３１】
前記複数種類のオプティカルブラック部は、互いに異なる素子構造を有し、一方のオプティカルブラック部の各画素は光電変換素子をもち、他方のオプティカルブラック部の各画素は光電変換素子をもたないことを特徴とする請求項３０記載のカメラ装置。
【請求項３２】
前記複数種類のオプティカルブラック部は、互いに共通の素子構造を有し、一方のオプティカルブラック部は１水平同期期間毎に１回の読み出しを行い、他方のオプティカルブラック部は１水平同期期間に対して暗電流値を無視できる程度の速さで多数回の読み出しを行うことを特徴とする請求項３０記載のカメラ装置。
【請求項３３】
光電変換素子を設けた複数の単位画素を２次元アレイ状に配置して構成され、前記光電変換素子に光が入射される有効画素部と、前記光電変換素子が遮光された無効画素部とを有する撮像部と、前記撮像部によって撮像した画像信号を読み出す読み出し回路部と、前記読み出し回路部によって読み出された撮像信号に対して所定の演算処理を行う信号処理回路とを有する固体撮像装置の固定パターン雑音除去方法において、
前記無効画素部に含まれる複数の画素を暗信号検出用のオプティカルブラック部とし、前記信号処理回路において前記オプティカルブラック部から得られる各画素の信号量に所定の平均化処理を施して平均値を算出し、前記有効画素部から得られる各画素の信号量と前記平均値との差分信号を前記有効画素部の各画素の画素信号として出力する、
ことを特徴とする固体撮像装置の固定パターン雑音除去方法。
【請求項３４】
前記信号処理回路の所定の平均化処理は、前記オプティカルブラック部から得られる各画素の信号量を各画素列にわたって合計し、その合計値から平均値を求める処理であることを特徴とする請求項３３記載の固体撮像装置の固定パターン雑音除去方法。
【請求項３５】
前記信号処理回路の所定の平均化処理は、前記オプティカルブラック部から得られる各画素の信号量を複数フレームにわたって合計し、その合計値から平均値を求める処理であることを特徴とする請求項３３記載の固体撮像装置の固定パターン雑音除去方法。
【請求項３６】
前記信号処理回路の所定の平均化処理は、前記オプティカルブラック部から得られる各画素の信号量を各画素列及び複数フレームにわたって合計し、その合計値から平均値を求める処理であることを特徴とする請求項３３記載の固体撮像装置の固定パターン雑音除去方法。
【請求項３７】
前記信号処理回路において過去から直近までのｎフレーム分の撮像時に前記オプティカルブラック部から得られる各画素の信号量を順次メモリ部に格納し、前記ｎフレーム分のオプティカルブラック部の各画素の信号量を用いて平均化処理を行うとともに、新たな撮像動作毎にメモリ部に格納したｎフレーム分のオプティカルブラック部の各画素の信号量を順次更新することを特徴とする請求項３３記載の固体撮像装置の固定パターン雑音除去方法。
【請求項３８】
前記信号処理回路においてデジタル領域で低域通過フィルタ処理を行うことを特徴とする請求項３３記載の固体撮像装置の固定パターン雑音除去方法。
【請求項３９】
前記信号処理回路において前記オプティカルブラック部から得られたｎフレーム分の信号量を平均化する場合に、ｉ回目のフレームの情報ｙｉを前回のフレームの情報ｙi-1 にフィードバックをかけるように処理し、前記情報ｙｉに係数ａ（０＜ａ＜１）をかけた値をフィードバックすることを特徴とする請求項３８記載の固体撮像装置の固定パターン雑音除去方法。
【請求項４０】
前記読み出し回路部が撮像信号に対する複数種類の増幅率を有する場合、この複数種類の増幅率毎に得られるオプティカルブラック部の各画素の信号量を求め、メモリ部に格納して平均信号量の算出に用いることを特徴とする請求項３３記載の固体撮像装置の固定パターン雑音除去方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像装置及びその固定パターン雑音除去方法、並びにその固体撮像装置を用いたカメラ装置等の機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＣＭＯＳイメージセンサ（増幅型固体撮像装置）を用いたカメラ装置として、図１０に示すような構成のものが知られている。
このカメラ装置において、まず、ＣＭＯＳイメージセンサは、半導体チップ１０上に、光を信号電荷に変換する光電変換素子（フォトダイオード等）を含む単位画素を２次元アレイ状に配置した撮像部１０Ａを有するものであり、この撮像部１０Ａには、光を各光電変換素子に入射させて信号電荷の生成を行う有効画素部１と、遮光膜によって光を遮光した状態で光電変換素子を配置した無効画素部２、３、４、５とが設けられ、その外側に各光電変換素子の信号電荷をカラム（画素列）毎に読み出してノイズ除去、増幅、Ａ／Ｄ変換等の処理を行うカラム領域６と、このカラム領域６から出力される画像信号を増幅して半導体チップ１０の出力端子８より出力する出力アンプ７とを有する。
【０００３】
また、有効画素部１及び無効画素部２〜５は、基本的に共通の画素構造を有しており、それぞれの単位画素には、信号電荷を生成する光電変換素子と、この光電変換素子の信号電荷を電気信号に変換して読み出す各種ＭＯＳトランジスタ等で構成される読み出し回路が設けられている。
【０００４】
また、このようなＣＭＯＳイメージセンサの外部には、信号処理回路２４、及びフレームメモリ２５等が設けられている。
信号処理回路２４は、ＣＭＯＳイメージセンサから読み取った画像信号の各種補正等を行うものであり、フレームメモリ２５は、予め暗時状態でＣＭＯＳイメージセンサから読み出される画素信号をフレーム単位で格納したものである。
【０００５】
次に、このようなカメラ装置の機能及び動作について説明する。
まず、光を受光する有効画素部１は、各光電変換素子によって受光した光を電荷信号に変換し、１フレーム期間、その信号を保持する。
これに対して、無効画素部２〜５では、アルミ等の遮光膜で遮光されているため、暗電流による電荷だけを電気信号へ変換する。
カラム領域６では、このような有効画素部１及び無効画素部２〜５の各画素から読み出されたアナログ信号の増幅を行った後、これをＡ／Ｄによってデジタル信号に変換し、そのデジタル信号を出力アンプ７を通して半導体チップ１０の外部に出力する。
【０００６】
また、特にこの種の増幅型固体撮像装置では、各画素で発生する暗電流の大きさの違いにより、固定パターン雑音や縦筋が発生し易いという特性があり、特に高感度の固体撮像装置では、この固定パターン雑音が大きな問題となっている。
そこで、この固定パターン雑音等を抑圧することが必要であり、そのための手段として信号処理回路２４及びフレームメモリ２５が設けられている。
すなわち、図１０に示すカメラ装置では、予めフレームメモリ２５に暗時のフレーム信号を蓄積しておき、実際の撮像時には、信号処理部２４により、ＣＭＯＳイメージセンサから読み出された有効画素部の画素信号ｙ（ｉ、ｊ、ｔ）の信号量から暗時状態（光信号がない状態）の同じ番地の画素の信号量ＤＡＲＫ（ｙ（ｉ、ｊ、ｔ））を引き算し、その差分信号を撮像信号として算出する。
このような手法を用いることによって、各画素で発生する固定パターン雑音や縦筋と呼ばれる画素列間の固定パターン雑音を抑制する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述のような従来例によるノイズ除去の手法には以下のような限界がある。
まず、第１は、暗時の信号にはランダム雑音が含まれていることである。そのため、暗時の信号は、固定パターン雑音＋ランダム雑音からなり、完全に引き算して固定パターンのみを減算することができない。
また、第２は、全ての画素信号を蓄積しておく必要があるため、フレームメモリなどの大掛かりな装置が必要になることである。
【０００８】
そこで本発明の目的は、例えば画素列間で生じる縦筋状の固定パターン雑音を抑制して、画質の向上を図ることが可能な固体撮像装置及びその固定パターン雑音除去方法、並びにその固体撮像装置を用いたカメラ装置等の機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は前記目的を達成するため、光電変換素子を設けた複数の単位画素を２次元アレイ状に配置して構成され、前記光電変換素子に光が入射される有効画素部と、前記光電変換素子が遮光された無効画素部とを有する撮像部と、前記撮像部によって撮像した画像信号を読み出す読み出し回路部と、前記読み出し回路部によって読み出された撮像信号に対して所定の演算処理を行う信号処理回路とを有し、前記無効画素部に含まれる複数の画素を暗信号検出用のオプティカルブラック部とし、前記信号処理回路は、前記オプティカルブラック部から得られる各画素の信号量に所定の平均化処理を施して平均値を算出し、前記有効画素部から得られる各画素の信号量と前記平均値との差分信号を前記有効画素部の各画素の画素信号として出力することを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、光電変換素子を設けた複数の単位画素を２次元アレイ状に配置して構成され、前記光電変換素子に光が入射される有効画素部と、前記光電変換素子が遮光された無効画素部とを有する撮像部と、前記撮像部によって撮像した画像信号を読み出す読み出し回路部と、前記読み出し回路部によって読み出された撮像信号に対して所定の演算処理を行う信号処理回路とを有する固体撮像装置を搭載し、前記固体撮像装置は、前記無効画素部に含まれる複数の画素を暗信号検出用のオプティカルブラック部とし、前記信号処理回路は、前記オプティカルブラック部から得られる各画素の信号量に所定の平均化処理を施して平均値を算出し、前記有効画素部から得られる各画素の信号量と前記平均値との差分信号を前記有効画素部の各画素の画素信号として出力することを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、光電変換素子を設けた複数の単位画素を２次元アレイ状に配置して構成され、前記光電変換素子に光が入射される有効画素部と、前記光電変換素子が遮光された無効画素部とを有する撮像部と、前記撮像部によって撮像した画像信号を読み出す読み出し回路部と、前記読み出し回路部によって読み出された撮像信号に対して所定の演算処理を行う信号処理回路とを有する固体撮像装置の固定パターン雑音除去方法において、前記無効画素部に含まれる複数の画素を暗信号検出用のオプティカルブラック部とし、前記信号処理回路において前記オプティカルブラック部から得られる各画素の信号量に所定の平均化処理を施して平均値を算出し、前記有効画素部から得られる各画素の信号量と前記平均値との差分信号を前記有効画素部の各画素の画素信号として出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の固体撮像装置（カメラ装置）及びその固定パターン雑音除去方法では、撮像部の遮光した無効画素部に含まれる複数の画素を暗信号検出用のオプティカルブラック部とし、このオプティカルブラック部から得られる各画素の信号量に所定の平均化処理を施して平均値を算出し、撮像部の有効画素部から得られる各画素の信号量と平均化処理で得られた平均値との差分信号を有効画素部の各画素の画素信号として出力するようにしたことから、従来のようにフレームメモリを用いることなく、小さい容量のメモリで主に暗信号の信号量を検出し、これを用いて有効画素部の各画素の信号量を補正することができ、例えば画素列間で生じる縦筋状の固定パターン雑音を抑制して、小規模で簡易な回路構成により、出力画像の画質の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態例について図面を用いて詳細に説明する。
本実施の形態例は、例えば撮像部の信号を画素列単位で読み出して信号処理を行う方式（カラム方式）のＣＭＯＳイメージセンサにおいて、縦筋状の固定パターン雑音を抑制するための手法を提供するものであり、撮像部の一部に固定パターン補正用のオプティカルブラック部（ＯＢ部）を設け、有効画素部の信号量からＯＢ部の画素の信号量を引き算する。
なお、この場合の引き算の手法は、例えば（１）所定の平均化処理によってＯＢ部の画素平均信号量を求めて有効画素部の各画素の信号量から引き算する方法、（２）多フレームにわたるＯＢ部の画素平均信号量を求め、有効画素部の各画素の信号量から引き算する方法、（３）多フレームで平均信号量を求める場合、過去から直近までのｎフレーム（２のｑ乗、例えば６４フレーム、あるいは、２５６フレームなど）の平均値を用いる方法、（４）カラム領域（読み出し回路部）における増幅回路の増幅率が複数種類ある場合には、その複数種類の増幅率で増幅した信号からＯＢ部の画素平均信号量を求める方法などを採用できる。
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態例によるＣＭＯＳイメージセンサの基本形となる撮像部の構成例を示す平面図である。なお、以下の説明において、図１０に示す従来例と共通の要素については、同一符号を用いて説明する。
図示のように、このイメージセンサでは、図１０に示す従来例と同様に、撮像部の主要領域に有効画素部１が設けられ、この有効画素部１の上下左右４つの辺に無効画素部２、３、４、５が設けられており、この無効画素部２、３、４、５のいずれかを上述したＯＢ部として用いるものである。例えば、カラム領域が設けられる図中下辺側の無効画素部２をＯＢ部とすれば、信号処理の面で有利となる。
【００１５】
図２は、図１に示すＣＭＯＳイメージセンサを搭載したカメラ装置の第１の例を示す概略ブロック図である。
このカメラ装置において、ＣＭＯＳイメージセンサは、半導体チップ１０上に、有効画素部１及び無効画素部２、３、４、５で構成される撮像部１０Ａ、カラム領域６、出力アンプ７、出力端子８等を設けた点は図１０に示す従来例と共通である。
しかし、本例のカメラ装置では、本発明に係る演算処理を行う信号処理回路１１と、この演算処理で用いるメモリ２１とを有する。メモリ２１は、図１０に示したフレームメモリ２５より小さいメモリ容量のものである。
【００１６】
次に、本例におけるＯＢ部（例えば無効画素部２）を用いた演算処理について説明する。なお、以下の説明で、ｉは画素部の行、ｊは画素部の列、ｔは時刻を表している。
本例では、信号処理回路１１がイメージセンサの出力端子８から画像信号を入力し、各列のＯＢ部の信号量の平均値、すなわち、ＯＢ部（例えば無効画素部２）全体の信号量の平均値ｍ（ＯＢ（ｊ、ｔ））を算出する。
そして、ｉ行、Ｊ列の有効画素部の信号量ｘ（ｉ、ｊ、ｔ）に対し、ＯＢ部の信号量の平均ｍ（ＯＢ（ｊ、ｔ））を引き算し、Ｙ（ｉ、ｊ、ｔ）を求める。
Ｙ（ｉ、ｊ、ｔ）＝ｘ（ｉ、ｊ、ｔ）−ｍ（ＯＢ（ｊ、ｔ））  …（１）式
すなわち、Ｙ（ｉ、ｊ、ｔ）は時刻ｔにおける有効画素部のｉ行、ｊ列の画素の画素信号である。
【００１７】
本例ではＯＢ部の信号量の平均値をとることにより、各列毎のＯＢ（ｊ、ｔ）のランダム雑音の大きさを抑制することが可能である。つまり、ＯＢ（ｊ、ｔ）の信号に影響を与えるランダム雑音の影響を小さくすることができる。
また、本例では、１回の撮像動作（１フレーム）毎にＯＢ（ｊ、ｔ）を求め、固定パターン雑音を抑制することができる。この方法を用いることにより、特に、列間のばらつきで発生する縦筋と呼ばれる固定パターン雑音を抑制できる。
なお、本例ではＯＢ部の平均化処理が必要になるが、小さなメモリ領域で実現できるのでシステムの規模を小さくすることができる。
【００１８】
図３は、図１に示すＣＭＯＳイメージセンサを搭載したカメラ装置の第２の例を示す概略ブロック図である。
本例は、図２に示すカメラ装置とほぼ同様の構成を有しているが、信号処理回路２２で実行する演算処理が図２の例と異なるものである。
本例で異なるところは、ＯＢ部の信号を複数フレームにわたる信号量から求める点である。
すなわち、通常の使用時に撮像動作を繰り返すことにより、複数のフレームを走査することになるが、例えば直近のｎ個分のフレームについてＯＢ部の信号量ＯＢ（ｉ、ｊ）を取り込んで保存しておき、その合計値から平均値を求める。そして、このＯＢ（ｉ、ｊ）を用いて図２の例と同様に、各列間での平均ｍ（ＯＢ（ｊ））を算出する。そして、このｍ（ＯＢ（ｊ））を上述した有効画素部１の各画素信号ｘ（ｉ、ｊ、ｔ）から引き算し、Ｙ（ｉ、ｊ、ｔ）を求める。
Ｙ（ｉ、ｊ、ｔ）＝ｘ（ｉ、ｊ、ｔ）−ｍ（ＯＢ（ｊ））  …（２）式
【００１９】
このような方法においても、ランダム雑音を抑制することが可能であるので、固定パターン雑音を精度良く抑制できる。
なお、この場合のｎの決め方としては、２のｑ乗、例えば６４フレーム、あるいは、２５６フレームなどを用いることができる。また、新たな撮像動作によって新たなフレームが入力された場合、最も旧いフレームのデータを消去し、新たなフレームのデータを書き込み、メモリ部内を更新するような処理を行う。
【００２０】
図４は、図１に示すＣＭＯＳイメージセンサを搭載したカメラ装置の第３の例を示す概略ブロック図である。
本例は、回路構成上は図３に示すカメラ装置と同様であり、信号処理回路２２及びメモリ２１を用いた演算動作も共通であるが、異なる点は、ＣＭＯＳイメージセンサと信号処理回路２２及びメモリ２１とを同一チップ１２上に集積した点である。なお、半導体チップ１２には出力端子１３が設けられている。
このように、ＣＭＯＳイメージセンサと信号処理回路２２及びメモリ２１とを同一チップ１２上に集積することにより、より小さなカメラモジュールを作成することができる。
なお、本例では、図３に示すＣＭＯＳイメージセンサと信号処理回路２２及びメモリ２１とを同一チップ１２上に集積した例を挙げたが、同様に図２に示す構成についても、ＣＭＯＳイメージセンサと信号処理回路１１及びメモリ２１とを同一チップ上に集積し得るものである。
【００２１】
図５は、図１に示すＣＭＯＳイメージセンサを搭載したカメラ装置の第４の例を示す概略ブロック図である。
本例は、図２〜図４に示すカメラ装置とほぼ同様の構成を有しているが、信号処理回路２３で実行する演算処理が図２〜図４の例と異なるものである。
本例で異なるところは、ＯＢ部の信号を複数フレームにわたって平均化する場合に、デジタル領域で低域通過フィルタ処理を行い、少しずつフィードバックをかけるようにする点である。演算式は次のようになる。
ｙi ＝｛１／（１＋ａ））（ｙi-1 ＋ａｘi ）  …（３）式
ここで、ｙi は今回の撮像時の信号量、ｙi-1 は前回の撮像時の信号量、ｘi は変化量、ａは係数である。ａの値は０＜ａ＜１の間にある。
したがって、ａの値を調整し、例えばａ＝０．１程度に設定することにより、少しずつフィードバックをかけることができる。
図６は、（３）式の演算で用いる１次の低域通過フィルタの特性を示す説明図である。本図から分かるように、ａ＝０．１の小さな値に設定し、フィードバック量を小さくすることによって、精度のよいＯＢ信号の平均値ｍ（ＯＢ（ｉ、ｊ））信号やｍ（ＯＢ（ｊ））信号を得ることができる。
【００２２】
図７は、本発明の実施の形態例によるＣＭＯＳイメージセンサの撮像部の第２の例を示す平面図である。
このＣＭＯＳイメージセンサの撮像部１０Ａは、図１に示した基本形に対し、ＯＢ部の構造が異なるものであり、上述したＯＢ部となる無効画素部２または無効画素部４の外側に、第２のＯＢ部となる無効画素部１４を設けたものである。なお、図示の例では無効画素部２の外側に無効画素部１４を設けている。
この無効画素部１４は、他の無効画素部２〜５と同様に、アルミ膜等を設け遮光したものであるが、素子構造については無効画素部２と同様の光電変換素子を設ける場合（図９参照）と、設けない場合（図８参照）との２通りが可能である。
なお、本例は複数種類の無効画素部を有する点が特徴であり、さらに第３の無効画素部を設けるような構成も可能である。
【００２３】
次に、このような第２の無効画素部１４を設けたことによる作用について説明する。
図８は、第２の無効画素部１４の素子構造の第１の例を示す断面図であり、図８（Ａ）は有効画素部１の素子構造、図８（Ｂ）はＯＢ部（無効画素部）２の素子構造、図８（Ｃ）は第２のＯＢ部（無効画素部）１４の素子構造をそれぞれ示している。
有効画素部１は、半導体基板１０の上層の素子分離領域１８で区画された領域に、電荷を蓄積するＮ＋領域１６と、その表面を覆うＰ＋領域１７とを設けてフォトダイオードを形成し、その隣に電荷検出部としてのフローティングデフュージョン（ＦＤ）部１５を設けている。
また、半導体基板１０の上層に電荷読み出し用の転送電極１９を設け、その上層に絶縁層を介して遮光膜２０が配置され、この遮光膜２０にはフォトダイオードの光電変換部１６に対応する開口部２０Ａが形成されている。
ここでフォトダイオードは、半導体基板１０に形成されるので、半導体のｐｎ接合で発生する暗電流が発生し、それが光電変換領域１６に蓄積される。つまり、有効画素部１には、光信号＋暗電流信号の両方が蓄積される。
【００２４】
次に、ＯＢ部４の遮光膜２０には開口部２０Ａがなく、光電変換部１６が遮光膜２０によって覆われている。つまり、光信号が入射しない。従って、光電変換部１６には、暗電流の信号だけが蓄積される。
次に、第２のＯＢ部１４には、フォトダイオードが形成されていない。つまり、光信号も暗電流信号もともに蓄積できない。
なお、本例において、有効画素部１及び各ＯＢ部２、１４の各画素は、それぞれ１フレーム（例えば３０ｍｓｅｃ）に１回読み出される。
以上の３種類の画素を比較すると、有効画素部１とＯＢ部２の引き算で光信号のみを検出でき、ＯＢ部２とＯＢ部１４の引き算で暗電流信号のみを検出できる。
したがって、縦筋状の固定パターン雑音を抑制する場合は、ＯＢ部２の素子構造だけを設ければ十分である。
しかし、暗電流信号も引き算したい場合には、ＯＢ部１４の素子構造を形成し、このＯＢ部１４で得られた信号を有効画素部１やＯＢ部２の画素信号から引き算することにより、さらに高精度の演算機能を得ることが可能である。
【００２５】
図９は、第２の無効画素部１４の素子構造の第２の例を示す断面図であり、図９（Ａ）は有効画素部１の素子構造、図９（Ｂ）はＯＢ部（無効画素部）２の素子構造、図９（Ｃ）は第２のＯＢ部（無効画素部）１４の素子構造をそれぞれ示している。
本例では、第１のＯＢ部２と同一の素子構造で第２のＯＢ部１４を形成したものであるが、第１のＯＢ部２と第２のＯＢ部１４とで駆動方法を変えている。
すなわち、第２のＯＢ部１４では暗電流が発生するが、１水平同期期間（１フレーム期間を行の数で割ったもの）の短い時間（例えば６３．５秒）毎に、毎回信号電荷の読み出しを行う。これにより、ＯＢ部１４の暗電流量は非常に小さな値になるため、この値を無視してもよくなる。この結果、ＯＢ部１４の信号を光信号も暗電流信号もともに蓄積されない状態のものと疑似的にみなして図８に示す例と同様の方法で演算を行うことが可能となる。
【００２６】
なお、図８と図９の例では、ともにＯＢ部が２種類に分かれている場合を示した。しかし、図１に示すＯＢ部２に図８に示すような第２のＯＢ部構造を採用しても、また、図９に示すような第２のＯＢ部構造を採用してもよい。
このように、ＯＢ部の素子構造は、それを応用する目的に応じて、最適な画素構造を選択することができる。
【００２７】
以上のような実施の形態例によれば、主に次のような作用効果を得ることが可能である。
１．無効画素部のＯＢ部の信号を用いることにより、縦筋状の固定パターン雑音を抑制することが可能となる。特に１フレーム分や複数フレーム分のＯＢ信号の平均値を用いることで、画素列毎のばらつきを抑えることができる。
２．同一チップ上に信号処理回路を搭載し、本発明に係るアルゴリズムを用いることで効果的な縦筋補正を行うことができる。
３．上述のようなＯＢ部の素子構造を選択的に採用することにより、最適な縦筋補正やＯＢ部の目的に合わせて実施することができる。
【００２８】
なお、以上の実施の形態例では、本発明をカメラ装置として説明したが、固体撮像装置単体としても構成可能であり、上述のような構成を有する固体撮像装置も本発明の範囲に含まれるものである。
また、本発明は、他の構造の高感度ＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤイメージセンサと組み合せたＣＣＤ＆ＣＭＯＳ混載センサにも使用することができる。
また、本発明は、上述のようなイメージセンサやカメラ装置を搭載する各種の機器、例えば携帯型通信端末やパソコン等の撮像部に適用することが可能である。
【００２９】
さらに具体的構成としては、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えばカラム領域における増幅回路の増幅率が複数種類ある場合には、その複数種類の増幅率で増幅した信号をメモリ部に格納しておき、これをＯＢ部の画素平均信号量を求める際に利用するようにしてもよい。
また、上述の例では、全ての画素列におけるＯＢ部の信号量を合計して平均値を求めるようにしたが、多フレーム分のＯＢ部の信号量を用いる場合には、各画素列毎に信号量を合計し、各画素列毎に平均値を求め、各画素列毎の有効画素の信号量との差分を求めるような方法を採用することも可能である。
【００３０】
以上説明したように、本発明の固体撮像装置（カメラ装置）及びその固定パターン雑音除去方法によれば、撮像部の遮光した無効画素部に含まれる複数の画素を暗信号検出用のオプティカルブラック部とし、このオプティカルブラック部から得られる各画素の信号量に所定の平均化処理を施して平均値を算出し、撮像部の有効画素部から得られる各画素の信号量と平均化処理で得られた平均値との差分信号を有効画素部の各画素の画素信号として出力するようにしたことから、従来のようにフレームメモリを用いることなく、小さい容量のメモリで主に暗信号の信号量を検出し、これを用いて有効画素部の各画素の信号量を補正することができ、例えば画素列間で生じる縦筋状の固定パターン雑音を抑制して、小規模で簡易な回路構成により、出力画像の画質の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態例によるＣＭＯＳイメージセンサの基本形となる撮像部の第１の例を示す平面図である。
【図２】図１に示すＣＭＯＳイメージセンサを搭載したカメラ装置の第１の例を示す概略ブロック図である。
【図３】図１に示すＣＭＯＳイメージセンサを搭載したカメラ装置の第２の例を示す概略ブロック図である。
【図４】図１に示すＣＭＯＳイメージセンサを搭載したカメラ装置の第３の例を示す概略ブロック図である。
【図５】図１に示すＣＭＯＳイメージセンサを搭載したカメラ装置の第４の例を示す概略ブロック図である。
【図６】図５に示すカメラ装置で用いる１次の低域通過フィルタの特性を示す説明図である。
【図７】本発明の実施の形態例によるＣＭＯＳイメージセンサの撮像部の第２の例を示す平面図である。
【図８】図７に示す第２の無効画素部の素子構造の第１の例を示す断面図である。
【図９】図７に示す第２の無効画素部の素子構造の第１の例を示す断面図である。
【図１０】従来のＣＭＯＳイメージセンサを搭載したカメラ装置の例を示す概略ブロック図である。
【符号の説明】
【００３２】
１……有効画素部、２、３、４、５……無効画素部、６……カラム領域、７……出力アンプ、８、１３……出力端子、１０、１２……半導体チップ、１０Ａ……撮像部、１１、２２、２３……信号処理回路、２１……メモリ部。
【図１】
2008236787.tif 000003
【図２】
2008236787.tif 000004
【図３】
2008236787.tif 000005
【図４】
2008236787.tif 000006
【図５】
2008236787.tif 000007
【図６】
2008236787.tif 000008
【図７】
2008236787.tif 000009
【図８】
2008236787.tif 000010
【図９】
2008236787.tif 000011
【図１０】
2008236787.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成20年6月3日(2008.6.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子を設けた複数の単位画素を２次元アレイ状に配置して構成され、前記光電変換素子に光が入射される有効画素部と、前記光電変換素子が遮光された複数の無効画素部とを有する撮像部と、
前記撮像部によって撮像した画像信号を読み出す読み出し回路部と、
前記読み出し回路部によって読み出された撮像信号に対して所定の演算処理を行う信号処理回路とを有し、
前記複数の無効画素部に含まれる複数の画素を暗信号検出用のオプティカルブラック部とし、
前記信号処理回路は、前記オプティカルブラック部から得られる各画素の信号量に所定の平均化処理を施して平均値を算出し、前記有効画素部から得られる各画素の信号量と前記平均値との差分信号を前記有効画素部の各画素の画素信号として出力する、
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記オプティカルブラック部は、前記撮像部の各画素列に均等に配置されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記オプティカルブラック部は、少なくとも撮像部の最初の画素行または最後の画素行に配置されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記複数の無効画素部は、前記読み出し回路部が撮像信号に対する複数種類の増幅率を有する場合、この複数種類の増幅率毎に得られるオプティカルブラック部の各画素の信号量を求め、メモリ部に格納して平均信号量の算出に用いることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記複数の無効画素部は、機能の異なる複数種類のオプティカルブラック部を有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記複数種類のオプティカルブラック部は、互いに異なる素子構造を有し、一方のオプティカルブラック部の各画素は光電変換素子をもち、他方のオプティカルブラック部の各画素は光電変換素子をもたない特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記複数種類のオプティカルブラック部は、互いに共通の素子構造を有し、一方のオプティカルブラック部は１水平同期期間毎に１回の読み出しを行い、他方のオプティカルブラック部は１水平同期期間に対して暗電流値を無視できる程度の速さで多数回の読み出しを行うことを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
【請求項８】
光電変換素子を設けた複数の単位画素を２次元アレイ状に配置して構成され、前記光電変換素子に光が入射される有効画素部と、前記光電変換素子が遮光された複数の無効画素部とを有する撮像部と、
前記撮像部によって撮像した画像信号を読み出す読み出し回路部と、
前記読み出し回路部によって読み出された撮像信号に対して所定の演算処理を行う信号処理回路とを有する固体撮像装置を搭載し、
前記固体撮像装置は、前記複数の無効画素部に含まれる複数の画素を暗信号検出用のオプティカルブラック部とし、
前記信号処理回路は、前記オプティカルブラック部から得られる各画素の信号量に所定の平均化処理を施して平均値を算出し、前記有効画素部から得られる各画素の信号量と前記平均値との差分信号を前記有効画素部の各画素の画素信号として出力する、
ことを特徴とするカメラ装置。
【請求項９】
前記オプティカルブラック部は、前記撮像部の各画素列に均等に配置されていることを特徴とする請求項８記載のカメラ装置。
【請求項１０】
前記オプティカルブラック部は、少なくとも撮像部の最初の画素行または最後の画素行に配置されていることを特徴とする請求項８記載のカメラ装置。
【請求項１１】
前記複数の無効画素部は、機能の異なる複数種類のオプティカルブラック部を有することを特徴とする請求項８記載のカメラ装置。
【請求項１２】
前記複数種類のオプティカルブラック部は、互いに異なる素子構造を有し、一方のオプティカルブラック部の各画素は光電変換素子をもち、他方のオプティカルブラック部の各画素は光電変換素子をもたない特徴とする請求項１１記載のカメラ装置。
【請求項１３】
前記複数種類のオプティカルブラック部は、互いに共通の素子構造を有し、一方のオプティカルブラック部は１水平同期期間毎に１回の読み出しを行い、他方のオプティカルブラック部は１水平同期期間に対して暗電流値を無視できる程度の速さで多数回の読み出しを行うことを特徴とする請求項１１記載のカメラ装置。
【請求項１４】
光電変換素子を設けた複数の単位画素を２次元アレイ状に配置して構成され、前記光電変換素子に光が入射される有効画素部と、前記光電変換素子が遮光された複数の無効画素部とを有する撮像部と、
前記撮像部によって撮像した画像信号を読み出す読み出し回路部と、
前記読み出し回路部によって読み出された撮像信号に対して所定の演算処理を行う信号処理回路とを有する固体撮像装置の固定パターン雑音除去方法において、
前記複数の無効画素部に含まれる複数の画素を暗信号検出用のオプティカルブラック部とし、
前記信号処理回路において前記オプティカルブラック部から得られる各画素の信号量に所定の平均化処理を施して平均値を算出し、前記有効画素部から得られる各画素の信号量と前記平均値との差分信号を前記有効画素部の各画素の画素信号として出力する、
ことを特徴とする固体撮像装置の固定パターン雑音除去方法。
【請求項１５】
前記読み出し回路部が撮像信号に対する複数種類の増幅率を有する場合、この複数種類の増幅率毎に得られるオプティカルブラック部の各画素の信号量を求め、メモリ部に格納して平均信号量の算出に用いることを特徴とする請求項１４記載の固体撮像装置の固定パターン雑音除去方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像装置及びその固定パターン雑音除去方法、並びにその固体撮像装置を用いたカメラ装置等の機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＣＭＯＳイメージセンサ（増幅型固体撮像装置）を用いたカメラ装置として、図１０に示すような構成のものが知られている。
このカメラ装置において、まず、ＣＭＯＳイメージセンサは、半導体チップ１０上に、光を信号電荷に変換する光電変換素子（フォトダイオード等）を含む単位画素を２次元アレイ状に配置した撮像部１０Ａを有するものであり、この撮像部１０Ａには、光を各光電変換素子に入射させて信号電荷の生成を行う有効画素部１と、遮光膜によって光を遮光した状態で光電変換素子を配置した無効画素部２、３、４、５とが設けられ、その外側に各光電変換素子の信号電荷をカラム（画素列）毎に読み出してノイズ除去、増幅、Ａ／Ｄ変換等の処理を行うカラム領域６と、このカラム領域６から出力される画像信号を増幅して半導体チップ１０の出力端子８より出力する出力アンプ７とを有する。
【０００３】
また、有効画素部１及び無効画素部２〜５は、基本的に共通の画素構造を有しており、それぞれの単位画素には、信号電荷を生成する光電変換素子と、この光電変換素子の信号電荷を電気信号に変換して読み出す各種ＭＯＳトランジスタ等で構成される読み出し回路が設けられている。
【０００４】
また、このようなＣＭＯＳイメージセンサの外部には、信号処理回路２４、及びフレームメモリ２５等が設けられている。
信号処理回路２４は、ＣＭＯＳイメージセンサから読み取った画像信号の各種補正等を行うものであり、フレームメモリ２５は、予め暗時状態でＣＭＯＳイメージセンサから読み出される画素信号をフレーム単位で格納したものである。
【０００５】
次に、このようなカメラ装置の機能及び動作について説明する。
まず、光を受光する有効画素部１は、各光電変換素子によって受光した光を電荷信号に変換し、１フレーム期間、その信号を保持する。
これに対して、無効画素部２〜５では、アルミ等の遮光膜で遮光されているため、暗電流による電荷だけを電気信号へ変換する。
カラム領域６では、このような有効画素部１及び無効画素部２〜５の各画素から読み出されたアナログ信号の増幅を行った後、これをＡ／Ｄによってデジタル信号に変換し、そのデジタル信号を出力アンプ７を通して半導体チップ１０の外部に出力する。
【０００６】
また、特にこの種の増幅型固体撮像装置では、各画素で発生する暗電流の大きさの違いにより、固定パターン雑音や縦筋が発生し易いという特性があり、特に高感度の固体撮像装置では、この固定パターン雑音が大きな問題となっている。
そこで、この固定パターン雑音等を抑圧することが必要であり、そのための手段として信号処理回路２４及びフレームメモリ２５が設けられている。
すなわち、図１０に示すカメラ装置では、予めフレームメモリ２５に暗時のフレーム信号を蓄積しておき、実際の撮像時には、信号処理部２４により、ＣＭＯＳイメージセンサから読み出された有効画素部の画素信号ｙ（ｉ、ｊ、ｔ）の信号量から暗時状態（光信号がない状態）の同じ番地の画素の信号量ＤＡＲＫ（ｙ（ｉ、ｊ、ｔ））を引き算し、その差分信号を撮像信号として算出する。
このような手法を用いることによって、各画素で発生する固定パターン雑音や縦筋と呼ばれる画素列間の固定パターン雑音を抑制する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述のような従来例によるノイズ除去の手法には以下のような限界がある。
まず、第１は、暗時の信号にはランダム雑音が含まれていることである。そのため、暗時の信号は、固定パターン雑音＋ランダム雑音からなり、完全に引き算して固定パターンのみを減算することができない。
また、第２は、全ての画素信号を蓄積しておく必要があるため、フレームメモリなどの大掛かりな装置が必要になることである。
【０００８】
そこで本発明の目的は、例えば画素列間で生じる縦筋状の固定パターン雑音を抑制して、画質の向上を図ることが可能な固体撮像装置及びその固定パターン雑音除去方法、並びにその固体撮像装置を用いたカメラ装置等の機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は前記目的を達成するため、光電変換素子を設けた複数の単位画素を２次元アレイ状に配置して構成され、前記光電変換素子に光が入射される有効画素部と、前記光電変換素子が遮光された複数の無効画素部とを有する撮像部と、前記撮像部によって撮像した画像信号を読み出す読み出し回路部と、前記読み出し回路部によって読み出された撮像信号に対して所定の演算処理を行う信号処理回路とを有し、前記複数の無効画素部に含まれる複数の画素を暗信号検出用のオプティカルブラック部とし、前記信号処理回路は、前記オプティカルブラック部から得られる各画素の信号量に所定の平均化処理を施して平均値を算出し、前記有効画素部から得られる各画素の信号量と前記平均値との差分信号を前記有効画素部の各画素の画素信号として出力することを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、光電変換素子を設けた複数の単位画素を２次元アレイ状に配置して構成され、前記光電変換素子に光が入射される有効画素部と、前記光電変換素子が遮光された複数の無効画素部とを有する撮像部と、前記撮像部によって撮像した画像信号を読み出す読み出し回路部と、前記読み出し回路部によって読み出された撮像信号に対して所定の演算処理を行う信号処理回路とを有する固体撮像装置を搭載し、前記固体撮像装置は、前記複数の無効画素部に含まれる複数の画素を暗信号検出用のオプティカルブラック部とし、前記信号処理回路は、前記オプティカルブラック部から得られる各画素の信号量に所定の平均化処理を施して平均値を算出し、前記有効画素部から得られる各画素の信号量と前記平均値との差分信号を前記有効画素部の各画素の画素信号として出力することを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、光電変換素子を設けた複数の単位画素を２次元アレイ状に配置して構成され、前記光電変換素子に光が入射される有効画素部と、前記光電変換素子が遮光された複数の無効画素部とを有する撮像部と、前記撮像部によって撮像した画像信号を読み出す読み出し回路部と、前記読み出し回路部によって読み出された撮像信号に対して所定の演算処理を行う信号処理回路とを有する固体撮像装置の固定パターン雑音除去方法において、前記複数の無効画素部に含まれる複数の画素を暗信号検出用のオプティカルブラック部とし、前記信号処理回路において前記オプティカルブラック部から得られる各画素の信号量に所定の平均化処理を施して平均値を算出し、前記有効画素部から得られる各画素の信号量と前記平均値との差分信号を前記有効画素部の各画素の画素信号として出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の固体撮像装置（カメラ装置）及びその固定パターン雑音除去方法では、撮像部の遮光した複数の無効画素部に含まれる複数の画素を暗信号検出用のオプティカルブラック部とし、このオプティカルブラック部から得られる各画素の信号量に所定の平均化処理を施して平均値を算出し、撮像部の有効画素部から得られる各画素の信号量と平均化処理で得られた平均値との差分信号を有効画素部の各画素の画素信号として出力するようにしたことから、従来のようにフレームメモリを用いることなく、小さい容量のメモリで主に暗信号の信号量を検出し、これを用いて有効画素部の各画素の信号量を補正することができ、例えば画素列間で生じる縦筋状の固定パターン雑音を抑制して、小規模で簡易な回路構成により、出力画像の画質の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態例について図面を用いて詳細に説明する。
本実施の形態例は、例えば撮像部の信号を画素列単位で読み出して信号処理を行う方式（カラム方式）のＣＭＯＳイメージセンサにおいて、縦筋状の固定パターン雑音を抑制するための手法を提供するものであり、撮像部の一部に固定パターン補正用のオプティカルブラック部（ＯＢ部）を設け、有効画素部の信号量からＯＢ部の画素の信号量を引き算する。
なお、この場合の引き算の手法は、例えば（１）所定の平均化処理によってＯＢ部の画素平均信号量を求めて有効画素部の各画素の信号量から引き算する方法、（２）多フレームにわたるＯＢ部の画素平均信号量を求め、有効画素部の各画素の信号量から引き算する方法、（３）多フレームで平均信号量を求める場合、過去から直近までのｎフレーム（２のｑ乗、例えば６４フレーム、あるいは、２５６フレームなど）の平均値を用いる方法、（４）カラム領域（読み出し回路部）における増幅回路の増幅率が複数種類ある場合には、その複数種類の増幅率で増幅した信号からＯＢ部の画素平均信号量を求める方法などを採用できる。
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態例によるＣＭＯＳイメージセンサの基本形となる撮像部の構成例を示す平面図である。なお、以下の説明において、図１０に示す従来例と共通の要素については、同一符号を用いて説明する。
図示のように、このイメージセンサでは、図１０に示す従来例と同様に、撮像部の主要領域に有効画素部１が設けられ、この有効画素部１の上下左右４つの辺に無効画素部２、３、４、５が設けられており、この無効画素部２、３、４、５のいずれかを上述したＯＢ部として用いるものである。例えば、カラム領域が設けられる図中下辺側の無効画素部２をＯＢ部とすれば、信号処理の面で有利となる。
【００１５】
図２は、図１に示すＣＭＯＳイメージセンサを搭載したカメラ装置の第１の例を示す概略ブロック図である。
このカメラ装置において、ＣＭＯＳイメージセンサは、半導体チップ１０上に、有効画素部１及び無効画素部２、３、４、５で構成される撮像部１０Ａ、カラム領域６、出力アンプ７、出力端子８等を設けた点は図１０に示す従来例と共通である。
しかし、本例のカメラ装置では、本発明に係る演算処理を行う信号処理回路１１と、この演算処理で用いるメモリ２１とを有する。メモリ２１は、図１０に示したフレームメモリ２５より小さいメモリ容量のものである。
【００１６】
次に、本例におけるＯＢ部（例えば無効画素部２）を用いた演算処理について説明する。なお、以下の説明で、ｉは画素部の行、ｊは画素部の列、ｔは時刻を表している。
本例では、信号処理回路１１がイメージセンサの出力端子８から画像信号を入力し、各列のＯＢ部の信号量の平均値、すなわち、ＯＢ部（例えば無効画素部２）全体の信号量の平均値ｍ（ＯＢ（ｊ、ｔ））を算出する。
そして、ｉ行、Ｊ列の有効画素部の信号量ｘ（ｉ、ｊ、ｔ）に対し、ＯＢ部の信号量の平均ｍ（ＯＢ（ｊ、ｔ））を引き算し、Ｙ（ｉ、ｊ、ｔ）を求める。
Ｙ（ｉ、ｊ、ｔ）＝ｘ（ｉ、ｊ、ｔ）−ｍ（ＯＢ（ｊ、ｔ））  …（１）式
すなわち、Ｙ（ｉ、ｊ、ｔ）は時刻ｔにおける有効画素部のｉ行、ｊ列の画素の画素信号である。
【００１７】
本例ではＯＢ部の信号量の平均値をとることにより、各列毎のＯＢ（ｊ、ｔ）のランダム雑音の大きさを抑制することが可能である。つまり、ＯＢ（ｊ、ｔ）の信号に影響を与えるランダム雑音の影響を小さくすることができる。
また、本例では、１回の撮像動作（１フレーム）毎にＯＢ（ｊ、ｔ）を求め、固定パターン雑音を抑制することができる。この方法を用いることにより、特に、列間のばらつきで発生する縦筋と呼ばれる固定パターン雑音を抑制できる。
なお、本例ではＯＢ部の平均化処理が必要になるが、小さなメモリ領域で実現できるのでシステムの規模を小さくすることができる。
【００１８】
図３は、図１に示すＣＭＯＳイメージセンサを搭載したカメラ装置の第２の例を示す概略ブロック図である。
本例は、図２に示すカメラ装置とほぼ同様の構成を有しているが、信号処理回路２２で実行する演算処理が図２の例と異なるものである。
本例で異なるところは、ＯＢ部の信号を複数フレームにわたる信号量から求める点である。
すなわち、通常の使用時に撮像動作を繰り返すことにより、複数のフレームを走査することになるが、例えば直近のｎ個分のフレームについてＯＢ部の信号量ＯＢ（ｉ、ｊ）を取り込んで保存しておき、その合計値から平均値を求める。そして、このＯＢ（ｉ、ｊ）を用いて図２の例と同様に、各列間での平均ｍ（ＯＢ（ｊ））を算出する。そして、このｍ（ＯＢ（ｊ））を上述した有効画素部１の各画素信号ｘ（ｉ、ｊ、ｔ）から引き算し、Ｙ（ｉ、ｊ、ｔ）を求める。
Ｙ（ｉ、ｊ、ｔ）＝ｘ（ｉ、ｊ、ｔ）−ｍ（ＯＢ（ｊ））  …（２）式
【００１９】
このような方法においても、ランダム雑音を抑制することが可能であるので、固定パターン雑音を精度良く抑制できる。
なお、この場合のｎの決め方としては、２のｑ乗、例えば６４フレーム、あるいは、２５６フレームなどを用いることができる。また、新たな撮像動作によって新たなフレームが入力された場合、最も旧いフレームのデータを消去し、新たなフレームのデータを書き込み、メモリ部内を更新するような処理を行う。
【００２０】
図４は、図１に示すＣＭＯＳイメージセンサを搭載したカメラ装置の第３の例を示す概略ブロック図である。
本例は、回路構成上は図３に示すカメラ装置と同様であり、信号処理回路２２及びメモリ２１を用いた演算動作も共通であるが、異なる点は、ＣＭＯＳイメージセンサと信号処理回路２２及びメモリ２１とを同一チップ１２上に集積した点である。なお、半導体チップ１２には出力端子１３が設けられている。
このように、ＣＭＯＳイメージセンサと信号処理回路２２及びメモリ２１とを同一チップ１２上に集積することにより、より小さなカメラモジュールを作成することができる。
なお、本例では、図３に示すＣＭＯＳイメージセンサと信号処理回路２２及びメモリ２１とを同一チップ１２上に集積した例を挙げたが、同様に図２に示す構成についても、ＣＭＯＳイメージセンサと信号処理回路１１及びメモリ２１とを同一チップ上に集積し得るものである。
【００２１】
図５は、図１に示すＣＭＯＳイメージセンサを搭載したカメラ装置の第４の例を示す概略ブロック図である。
本例は、図２〜図４に示すカメラ装置とほぼ同様の構成を有しているが、信号処理回路２３で実行する演算処理が図２〜図４の例と異なるものである。
本例で異なるところは、ＯＢ部の信号を複数フレームにわたって平均化する場合に、デジタル領域で低域通過フィルタ処理を行い、少しずつフィードバックをかけるようにする点である。演算式は次のようになる。
ｙi ＝｛１／（１＋ａ））（ｙi-1 ＋ａｘi ）  …（３）式
ここで、ｙi は今回の撮像時の信号量、ｙi-1 は前回の撮像時の信号量、ｘi は変化量、ａは係数である。ａの値は０＜ａ＜１の間にある。
したがって、ａの値を調整し、例えばａ＝０．１程度に設定することにより、少しずつフィードバックをかけることができる。
図６は、（３）式の演算で用いる１次の低域通過フィルタの特性を示す説明図である。本図から分かるように、ａ＝０．１の小さな値に設定し、フィードバック量を小さくすることによって、精度のよいＯＢ信号の平均値ｍ（ＯＢ（ｉ、ｊ））信号やｍ（ＯＢ（ｊ））信号を得ることができる。
【００２２】
図７は、本発明の実施の形態例によるＣＭＯＳイメージセンサの撮像部の第２の例を示す平面図である。
このＣＭＯＳイメージセンサの撮像部１０Ａは、図１に示した基本形に対し、ＯＢ部の構造が異なるものであり、上述したＯＢ部となる無効画素部２または無効画素部４の外側に、第２のＯＢ部となる無効画素部１４を設けたものである。なお、図示の例では無効画素部２の外側に無効画素部１４を設けている。
この無効画素部１４は、他の無効画素部２〜５と同様に、アルミ膜等を設け遮光したものであるが、素子構造については無効画素部２と同様の光電変換素子を設ける場合（図９参照）と、設けない場合（図８参照）との２通りが可能である。
なお、本例は複数種類の無効画素部を有する点が特徴であり、さらに第３の無効画素部を設けるような構成も可能である。
【００２３】
次に、このような第２の無効画素部１４を設けたことによる作用について説明する。
図８は、第２の無効画素部１４の素子構造の第１の例を示す断面図であり、図８（Ａ）は有効画素部１の素子構造、図８（Ｂ）はＯＢ部（無効画素部）２の素子構造、図８（Ｃ）は第２のＯＢ部（無効画素部）１４の素子構造をそれぞれ示している。
有効画素部１は、半導体基板１０の上層の素子分離領域１８で区画された領域に、電荷を蓄積するＮ＋領域１６と、その表面を覆うＰ＋領域１７とを設けてフォトダイオードを形成し、その隣に電荷検出部としてのフローティングデフュージョン（ＦＤ）部１５を設けている。
また、半導体基板１０の上層に電荷読み出し用の転送電極１９を設け、その上層に絶縁層を介して遮光膜２０が配置され、この遮光膜２０にはフォトダイオードの光電変換部１６に対応する開口部２０Ａが形成されている。
ここでフォトダイオードは、半導体基板１０に形成されるので、半導体のｐｎ接合で発生する暗電流が発生し、それが光電変換領域１６に蓄積される。つまり、有効画素部１には、光信号＋暗電流信号の両方が蓄積される。
【００２４】
次に、ＯＢ部４の遮光膜２０には開口部２０Ａがなく、光電変換部１６が遮光膜２０によって覆われている。つまり、光信号が入射しない。従って、光電変換部１６には、暗電流の信号だけが蓄積される。
次に、第２のＯＢ部１４には、フォトダイオードが形成されていない。つまり、光信号も暗電流信号もともに蓄積できない。
なお、本例において、有効画素部１及び各ＯＢ部２、１４の各画素は、それぞれ１フレーム（例えば３０ｍｓｅｃ）に１回読み出される。
以上の３種類の画素を比較すると、有効画素部１とＯＢ部２の引き算で光信号のみを検出でき、ＯＢ部２とＯＢ部１４の引き算で暗電流信号のみを検出できる。
したがって、縦筋状の固定パターン雑音を抑制する場合は、ＯＢ部２の素子構造だけを設ければ十分である。
しかし、暗電流信号も引き算したい場合には、ＯＢ部１４の素子構造を形成し、このＯＢ部１４で得られた信号を有効画素部１やＯＢ部２の画素信号から引き算することにより、さらに高精度の演算機能を得ることが可能である。
【００２５】
図９は、第２の無効画素部１４の素子構造の第２の例を示す断面図であり、図９（Ａ）は有効画素部１の素子構造、図９（Ｂ）はＯＢ部（無効画素部）２の素子構造、図９（Ｃ）は第２のＯＢ部（無効画素部）１４の素子構造をそれぞれ示している。
本例では、第１のＯＢ部２と同一の素子構造で第２のＯＢ部１４を形成したものであるが、第１のＯＢ部２と第２のＯＢ部１４とで駆動方法を変えている。
すなわち、第２のＯＢ部１４では暗電流が発生するが、１水平同期期間（１フレーム期間を行の数で割ったもの）の短い時間（例えば６３．５秒）毎に、毎回信号電荷の読み出しを行う。これにより、ＯＢ部１４の暗電流量は非常に小さな値になるため、この値を無視してもよくなる。この結果、ＯＢ部１４の信号を光信号も暗電流信号もともに蓄積されない状態のものと疑似的にみなして図８に示す例と同様の方法で演算を行うことが可能となる。
【００２６】
なお、図８と図９の例では、ともにＯＢ部が２種類に分かれている場合を示した。しかし、図１に示すＯＢ部２に図８に示すような第２のＯＢ部構造を採用しても、また、図９に示すような第２のＯＢ部構造を採用してもよい。
このように、ＯＢ部の素子構造は、それを応用する目的に応じて、最適な画素構造を選択することができる。
【００２７】
以上のような実施の形態例によれば、主に次のような作用効果を得ることが可能である。
１．無効画素部のＯＢ部の信号を用いることにより、縦筋状の固定パターン雑音を抑制することが可能となる。特に１フレーム分や複数フレーム分のＯＢ信号の平均値を用いることで、画素列毎のばらつきを抑えることができる。
２．同一チップ上に信号処理回路を搭載し、本発明に係るアルゴリズムを用いることで効果的な縦筋補正を行うことができる。
３．上述のようなＯＢ部の素子構造を選択的に採用することにより、最適な縦筋補正やＯＢ部の目的に合わせて実施することができる。
【００２８】
なお、以上の実施の形態例では、本発明をカメラ装置として説明したが、固体撮像装置単体としても構成可能であり、上述のような構成を有する固体撮像装置も本発明の範囲に含まれるものである。
また、本発明は、他の構造の高感度ＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤイメージセンサと組み合せたＣＣＤ＆ＣＭＯＳ混載センサにも使用することができる。
また、本発明は、上述のようなイメージセンサやカメラ装置を搭載する各種の機器、例えば携帯型通信端末やパソコン等の撮像部に適用することが可能である。
【００２９】
さらに具体的構成としては、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えばカラム領域における増幅回路の増幅率が複数種類ある場合には、その複数種類の増幅率で増幅した信号をメモリ部に格納しておき、これをＯＢ部の画素平均信号量を求める際に利用するようにしてもよい。
また、上述の例では、全ての画素列におけるＯＢ部の信号量を合計して平均値を求めるようにしたが、多フレーム分のＯＢ部の信号量を用いる場合には、各画素列毎に信号量を合計し、各画素列毎に平均値を求め、各画素列毎の有効画素の信号量との差分を求めるような方法を採用することも可能である。
【００３０】
以上説明したように、本発明の固体撮像装置（カメラ装置）及びその固定パターン雑音除去方法によれば、撮像部の遮光した複数の無効画素部に含まれる複数の画素を暗信号検出用のオプティカルブラック部とし、このオプティカルブラック部から得られる各画素の信号量に所定の平均化処理を施して平均値を算出し、撮像部の有効画素部から得られる各画素の信号量と平均化処理で得られた平均値との差分信号を有効画素部の各画素の画素信号として出力するようにしたことから、従来のようにフレームメモリを用いることなく、小さい容量のメモリで主に暗信号の信号量を検出し、これを用いて有効画素部の各画素の信号量を補正することができ、例えば画素列間で生じる縦筋状の固定パターン雑音を抑制して、小規模で簡易な回路構成により、出力画像の画質の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態例によるＣＭＯＳイメージセンサの基本形となる撮像部の第１の例を示す平面図である。
【図２】図１に示すＣＭＯＳイメージセンサを搭載したカメラ装置の第１の例を示す概略ブロック図である。
【図３】図１に示すＣＭＯＳイメージセンサを搭載したカメラ装置の第２の例を示す概略ブロック図である。
【図４】図１に示すＣＭＯＳイメージセンサを搭載したカメラ装置の第３の例を示す概略ブロック図である。
【図５】図１に示すＣＭＯＳイメージセンサを搭載したカメラ装置の第４の例を示す概略ブロック図である。
【図６】図５に示すカメラ装置で用いる１次の低域通過フィルタの特性を示す説明図である。
【図７】本発明の実施の形態例によるＣＭＯＳイメージセンサの撮像部の第２の例を示す平面図である。
【図８】図７に示す第２の無効画素部の素子構造の第１の例を示す断面図である。
【図９】図７に示す第２の無効画素部の素子構造の第１の例を示す断面図である。
【図１０】従来のＣＭＯＳイメージセンサを搭載したカメラ装置の例を示す概略ブロック図である。
【符号の説明】
【００３２】
１……有効画素部、２、３、４、５……無効画素部、６……カラム領域、７……出力アンプ、８、１３……出力端子、１０、１２……半導体チップ、１０Ａ……撮像部、１１、２２、２３……信号処理回路、２１……メモリ部。