(57)【要約】【課題】非破壊読み出し型の画素回路で複数回の高速読み出しを行うことなくランダムノイズを抑制し、動きのある被写体についても適正な画質を得る。【解決手段】１つの画素アレイ部１から異なる経路で信号を読み出す２つの出力回路４Ａ、４Ｂを設ける。そして、各出力回路４Ａ、４Ｂによって出力される２つの映像信号に加算平均等の処理を行うことにより、ランダムノイズの除去を行う。２つの出力回路４Ａ、４Ｂによって同一のタイミングで信号の読み出しを行うことにより、各出力系に含まれるランダムノイズを抑制できる。また、２つの出力回路４Ａ、４Ｂによる読み出しタイミングをずらすことにより、各出力回路４Ａ、４Ｂからは異なる時間での画素の信号が順次出力され、これを処理することで、各画素に含まれるランダムノイズを抑制することが可能となる。【選択図】        図１
2004165913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子と画素トランジスタとを含む複数の画素を２次元配列で設けた画素アレイ部と、
前記画素アレイ部で生成される同一の映像信号を異なる経路で読み出して出力する複数の出力回路と、
前記複数の出力回路によって出力される複数の映像信号を用いてランダムノイズ除去を含む信号処理を行う信号処理回路と、
を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記出力回路は、映像信号の固定パターンノイズを除去する固定パターンノイズ除去手段を含む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】
前記出力回路は、画素アレイ部から映像信号を読み出す際に、各出力回路毎に同一の読み出しタイミングで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４】
前記出力回路は、画素アレイ部から映像信号を読み出す際に、各出力回路毎に異なる読み出しタイミングで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５】
前記信号処理回路は、前記複数の出力回路によって出力される複数の映像信号の加算平均をとることにより、ランダムノイズの除去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６】
前記画素アレイ部の各画素は、前記光電変換素子によって生成された信号電荷を検出して画素信号を出力する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタの出力を出力信号線に接続する選択トランジスタと、前記光電変換素子から増幅トランジスタに出力される信号電荷をリセットするリセットトランジスタと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７】
前記画素アレイ部の各画素は、さらに前記光電変換素子によって生成された信号電荷を前記増幅トランジスタに供給する転送トランジスタを有することを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項８】
光電変換素子と画素トランジスタとを含む複数の画素を２次元配列で設けた画素アレイ部と、前記画素アレイ部から映像信号を読み出して出力する出力回路とを有する固体撮像装置の信号読み出し方法であって、
前記画素アレイ部で生成される同一の映像信号を異なる経路を通して読み出し、その読み出した複数の映像信号を用いてランダムノイズ除去を行う、
ことを特徴とする固体撮像装置の信号読み出し方法。
【請求項９】
前記画素アレイ部から複数の映像信号を読み出す際に、それぞれの映像信号の固定パターンノイズを除去することを特徴とする請求項８記載の固体撮像装置の信号読み出し方法。
【請求項１０】
前記画素アレイ部から映像信号を読み出す際に、各映像信号毎に同一の読み出しタイミングで読み出すことを特徴とする請求項８記載の固体撮像装置の信号読み出し方法。
【請求項１１】
前記画素アレイ部から映像信号を読み出す際に、各映像信号毎に異なる読み出しタイミングで読み出すことを特徴とする請求項８記載の固体撮像装置の信号読み出し方法。
【請求項１２】
前記複数の映像信号の加算平均をとることにより、ランダムノイズの除去を行うことを特徴とする請求項８記載の固体撮像装置の信号読み出し方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像装置及びその信号読み出し方法に関し、特に映像信号のランダムノイズ除去を行うための構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＣＭＯＳイメージセンサにおいて、各画素毎に電荷検出用増幅器を設けたいわゆるアクティブピクセル回路を適用し、その非破壊読み出しを可能とすることで、オーバーサンプリングを行うことにより画素信号のランダムノイズ抑制効果を得るようにしたものが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
電子情報通信学会  信学技法ＩＣＤ２００１−８８（２００１−０９）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように画素信号のオーバーサンプリングによってランダムノイズ抑制効果を得る方法では、画素信号の読み出しレートが高くなるため、読み出し回路の帯域を大きくしなければならず、かえって読み出し回路のランダムノイズが増大し、有効な効果が得られないという問題があった。
また、多数回の読み出しを行うため、感度を確保する観点から、現実的には非破壊読み出し画素が必要である。一般的に用いられている１フォトダイオードと４つのＭＯＳトランジスタで構成される破壊読み出し型の画素回路には適用できないという問題もある。
また、破壊読み出し型の画素回路に関し、高速（数十ｆｐｓ以上）に複数回の撮像と読み出しを行い、それらの出力を平均化してノイズ抑圧効果を得るようにしたものも知られている。
しかしながら、この場合には、時間的に異なる複数の画像を平均化することから、動きのある被写体を撮影するには不向きである。
【０００５】
そこで本発明の目的は、非破壊読み出し型の画素回路で複数回の高速読み出しを行うことなくランダムノイズの抑制効果を得ることができ、また、動きのある被写体についても適正な画質を得ることができる固体撮像装置及びその信号読み出し方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、光電変換素子と画素トランジスタとを含む複数の画素を２次元配列で設けた画素アレイ部と、前記画素アレイ部で生成される同一の映像信号を異なる経路で読み出して出力する複数の出力回路と、前記複数の出力回路によって出力される複数の映像信号を用いてランダムノイズ除去を含む信号処理を行う信号処理回路とを有することを特徴とする。
【０００７】
また本発明は、光電変換素子と画素トランジスタとを含む複数の画素を２次元配列で設けた画素アレイ部と、前記画素アレイ部から映像信号を読み出して出力する出力回路とを有する固体撮像装置の信号読み出し方法であって、前記画素アレイ部で生成される同一の映像信号を異なる経路を通して読み出し、その読み出した複数の映像信号を用いてランダムノイズ除去を行うことを特徴とする。
【０００８】
本発明の固体撮像装置及びその信号読み出し方法では、画素アレイ部で生成される同一の映像信号を異なる経路を通して読み出し、その読み出した複数の映像信号を用いてランダムノイズ除去を行うことから、非破壊読み出し型の画素回路で複数回の高速読み出しを行うことなくランダムノイズ除去を行うことが可能となる。
また、同一の映像信号を用いてランダムノイズ除去を行うことから、動きのある被写体についても適正な画質を得ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による固体撮像装置及びその信号読み出し方法の実施の形態例について説明する。
図１は、本発明の実施の形態例によるＣＭＯＳイメージセンサの構成例を示す回路図であり、図２は図１に示すＣＭＯＳイメージセンサの画素を示す回路図である。
本例のＣＭＯＳイメージセンサは、図１に示すように、多数の画素１Ａを２次元配列で配置した画素アレイ部１と、画素アレイ部１の各画素を垂直（画素行）方向に走査する垂直走査回路（図示せず）と、画素アレイ部１の各画素列毎に設けられた垂直信号線２と、各垂直信号線２に定電流を供給する定電流源３と、各垂直信号線２に出力される画素信号をサンプルホールドし、固定パターンノイズの除去等を行う２つの出力回路４Ａ、４Ｂと、各出力回路４Ａ、４Ｂを水平方向に走査して出力する水平走査回路５Ａ、５Ｂとを有する。
【００１０】
画素１Ａは、図２に示すように、光電変換素子であるフォトダイオード（ＰＤ）１０と転送、増幅、選択、リセットの４つの画素トランジスタ（Ｔｒ）１１、１２、１３、１４を設けた、アクティブピクセル回路を構成したものである。
ＰＤ１０は、光電変換によって生成された電子を蓄積する。転送Ｔｒ１１は、垂直走査回路からの転送パルスΦＴＸｍに基づいて、ＰＤ１０の電子をフローティングディフュージョン（ＦＤ）１５に転送する。
増幅Ｔｒ１２は、ゲートがＦＤ１５とつながっており、ＦＤ１５の電位変動を電気信号に変換する。選択Ｔｒ１３は、垂直走査回路からの行選択パルスΦＳＥＬｍに基づいて、信号を読み出す画素を行単位で選択するものである。
また、リセットＴｒ１４は、垂直走査回路からの転送パルスΦＲＳＴｍに基づいて、ＦＤ１５の電位をＶｄｄにリセットする。
なお、画素回路の構成は、図示のものに限らず、例えば３トランジスタ構成のものであってもよい。
【００１１】
出力回路４Ａ、４Ｂは、垂直信号線２の両側に設けられた同一の回路構成を有しており、画素アレイ部１によって撮影された同一の映像信号を読み出して出力するものであり、それぞれ垂直信号線２毎に画素信号のサンプルホールドを行う列信号処理部を設けたものである。なお、各出力回路４Ａ、４Ｂは共通の構成を有するものであるので、共通の構成要素については同一符号を用いて一括して説明する。
本例で用いる列信号処理部は、各画素のリセットレベルと信号レベルとの差分をとることによりノイズ除去を行うＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路を含むものであり、クランプ用キャパシタ６１、クランプスイッチ６２、サンプルホールドスイッチ６３、サンプルホールド用キャパシタ６４、出力アンプ部６５、及び出力選択スイッチ６６を有して構成される。
【００１２】
クランプ用キャパシタ６１は、垂直信号線２を通して各画素のリセットレベルのサンプル信号と信号レベルのサンプル信号を順次入力するものである。
クランプスイッチ６２は、図示しないタイミングジェネレータからのクランプパルスΦＣＬＰ１、ΦＣＬＰ２によって制御され、クランプ用キャパシタ６１にリセットレベルのサンプル信号が入力された時点でクランプ用キャパシタ６１の出力を所定のクランプ電圧レベルＶｃｌｐにクランプするものである。
【００１３】
すなわち、このクランプスイッチ６２によってクランプ用キャパシタ６１の出力側がクランプ電圧レベルＶｃｌｐにクランプされた状態では、クランプ用キャパシタ６１の入力側と出力側が異なる電位に保持され、次にクランプ用キャパシタ６１の入力側に信号レベルのサンプル信号が入力されることにより、入力側での電位変動が出力側の電位変動が生じ、この電位変動をサンプルホールドスイッチ６３及びサンプルホールド用キャパシタ６４によってサンプルホールドする構成となっている。
サンプルホールドスイッチ６３は、サンプルホールドパルスΦＳＨ１、ΦＳＨ２に基づいて、クランプスイッチ６２によるクランプ後にクランプ用キャパシタ６１に信号レベルのサンプル信号が入力された時点でクランプ用キャパシタ６１の出力値をサンプルホールド用キャパシタ６４に出力し、サンプルホールド用キャパシタ６４は、このクランプ用キャパシタ６１の出力値をホールドする。
【００１４】
出力選択スイッチ６６は、サンプルホールド用キャパシタ６４のサンプル信号値を水平信号線７を通して出力アンプ部６５に順次出力するものであり、水平走査回路５Ａ、５Ｂからの水平同期パルスΦＨＳＷｎによって制御される。
出力アンプ部６５は、演算増幅器６５Ａの負帰還ループにキャパシタ６５Ｂとリセットスイッチ６５Ｃの並列回路を挿入したものである。水平同期パルスに基づいて出力されるサンプルホールド用キャパシタ６４からの放電信号をキャパシタ６５Ｂで波形変換し、水平同期パルスΦＨＳＷｎに対応するリセットパルスΦＯＰＲＳＴｎによってリセットスイッチ６５Ｃで開閉制御しながら、映像信号を出力する。
【００１５】
以上のような構成のＣＭＯＳイメージセンサは、１つの画素アレイ部１から異なる経路で信号を読み出す２つの出力回路４Ａ、４Ｂによって出力される２つの映像信号を、後段の信号処理回路によってＡ／Ｄ変換してＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）に入力し、２つの映像信号の加算平均等の処理を行うことにより、ランダムノイズの除去を行うものである。なお、後段の信号処理回路は、イメージセンサと同一チップ上に設けられていても、チップ外に設けられていてもよい。
【００１６】
図３は図１に示すＣＭＯＳイメージセンサの第１の動作例を示すタイミングチャートであり、図４は第２の動作例を示すタイミングチャートである。
図３に示す例は、２つの出力回路４Ａ、４Ｂによって同一のタイミングで信号の読み出しを行うものであり、各出力回路４Ａ、４ＢのクランプパルスΦＣＬＰ１、ΦＣＬＰ２及びサンプルホールドパルスΦＳＨ１、ΦＳＨ２が同一のタイミングになっている。
これにより、各出力回路４Ａ、４Ｂからは同一画素の信号が順次出力されることになり、これを処理することで、各出力系に含まれるランダムノイズを抑制することが可能となる。
【００１７】
一方、図４に示す例は、２つの出力回路４Ａ、４Ｂによる読み出しのタイミングを少しずらしたものであり、各出力回路４Ａ、４ＢのクランプパルスΦＣＬＰ１、ΦＣＬＰ２及びサンプルホールドパルスΦＳＨ１、ΦＳＨ２が数画素分ずれたタイミングになっている。
このようにして、出力回路４Ａ、４Ｂに画素回路から異なったタイミングで信号をサンプリングすることにより、各出力回路４Ａ、４Ｂには、それぞれ異なった時間に無相関なノイズがサンプリングされる。これを処理することで、各出力系に含まれるランダムノイズに加えて各画素に含まれるランダムノイズを抑制することが可能となる。
【００１８】
なお、以上の例は２つの出力回路を設ける構成について説明したが、３つ以上の出力回路を設けて３つ以上の同一映像信号を得るようにすることも可能である。
また、上述した出力回路は、画素信号のクランプとホールドとを行う構成例について説明したが、本発明はこれに限定されず、種々の形態を選択することが可能であり、例えば信号レベルとノイズレベルとを並列に設けた２つのキャパシタに振り分けて差分をとるような回路であってもよい。
また、出力回路４Ａ、４Ｂから後段の信号処理については、適宜タイミングを選択して行えばよく、図３及び図４に示す読み出しタイミングに拘束されないものとする。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像装置及びその信号読み出し方法では、画素アレイ部で生成される同一の映像信号を異なる経路を通して読み出し、その読み出した複数の映像信号を用いてランダムノイズ除去を行うことから、非破壊読み出し型の画素回路で複数回の高速読み出しを行うことなくランダムノイズ除去を行うことができ、また、動きのある被写体についても適正な画質を得ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態例によるＣＭＯＳイメージセンサの構成例を示す回路図である。
【図２】図１に示すＣＭＯＳイメージセンサの画素を示す回路図である。
【図３】図１に示すＣＭＯＳイメージセンサの第１の動作例を示すタイミングチャートである。
【図４】図１に示すＣＭＯＳイメージセンサの第２の動作例を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１……画素アレイ部、１Ａ……画素、２……垂直信号線、３……定電流源、４Ａ、４Ｂ……出力回路、５Ａ、５Ｂ……水平走査回路、７……水平信号線、１０……フォトダイオード、１１……転送トランジスタ、１２……増幅トランジスタ、１３……選択トランジスタ、１４……リセットトランジスタ、１５……フローティングディフュージョン、６１……クランプ用キャパシタ、６２……クランプスイッチ、６３……サンプルホールドスイッチ、６４……サンプルホールド用キャパシタ、６５……出力アンプ部、６６……出力選択スイッチ。
【図１】
2004165913.tif 000003
【図２】
2004165913.tif 000004
【図３】
2004165913.tif 000005
【図４】
2004165913.tif 000006