(57)【要約】【課題】  非破壊でフローティングディフュージョンアンプの変換効率を算出する。【解決手段】  ＣＣＤの光電変換素子の光ショットノイズに依存する因子を用いて、光電変換素子に光を照射したときに光電変換素子で光電変換される電子数Ｅの平均値Ｅaveを算出し、これを元にフローティングディフュージョンアンプの変換効率ｅを算出する。平均値Ｅaveは、フローティングディフュージョンアンプから出力される信号電圧をＡ／Ｄ変換して得られるデジタルデータＱＬの平均値ＱＬave、および光ショットノイズに依存する因子であるデジタルデータＱＬの二乗平均平方根ＱＬrmsを算出し、Ｅave＝（ＱＬave／ＱＬrms）2を計算することにより算出する。変換効率ｅは、算出した平均値Ｅave、平均値ＱＬave、および電子数ＥをデジタルデータＱＬに変換する関係式ＱＬ＝ＫＥを用いて算出する。【選択図】        図１
2007036460.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子に蓄積された信号電荷の量に応じたレベルをもつ信号電圧を出力するフローティングディフュージョンアンプの電荷電圧変換効率ｅを算出する方法であって、
前記光電変換素子の光ショットノイズに依存する因子を用いて、前記光電変換素子に光を照射したときに前記光電変換素子で光電変換される電子数Ｅの平均値Ｅaveを算出し、これを元に前記電荷電圧変換効率ｅを算出することを特徴とするフローティングディフュージョンアンプの電荷電圧変換効率算出方法。
【請求項２】
前記信号電圧をＡ／Ｄ変換して得られるデジタルデータＱＬの平均値ＱＬave、および前記光ショットノイズに依存する因子である前記デジタルデータＱＬの二乗平均平方根ＱＬrmsを算出し、
Ｅave＝（ＱＬave／ＱＬrms）2
を計算することにより、前記平均値Ｅaveを算出することを特徴とする請求項１に記載のフローティングディフュージョンアンプの電荷電圧変換効率算出方法。
【請求項３】
算出した前記平均値Ｅave、前記平均値ＱＬave、および前記電子数Ｅを前記デジタルデータＱＬに変換する関係式
ＱＬ＝ＫＥ（但し、Ｋは定数）
から、前記電荷電圧変換効率ｅを算出することを特徴とする請求項２に記載のフローティングディフュージョンアンプの電荷電圧変換効率算出方法。
【請求項４】
前記光電変換素子に明るさの異なる光を照射したときに得た複数のデジタルデータＱＬを元に、前記平均値ＱＬaveを算出することを特徴とする請求項２または３に記載のフローティングディフュージョンアンプの電荷電圧変換効率算出方法。
【請求項５】
前記光電変換素子に明るさの均一な光を照射したときに得た前記光電変換素子で発生する全ノイズに依存するデジタルデータをＱＬｔrms、固定パターンノイズに依存するデジタルデータをＱＬｆrms、および前記光電変換素子を遮光したときに得た全ノイズに依存するデジタルデータをＱＬｄｔrms、暗時の固定パターンノイズに依存するデジタルデータをＱＬｄｆrmsとして、
（ＱＬrms）2＝（ＱＬｔrms）2−（ＱＬｆrms）2−｛（ＱＬｄｔrms）2−（ＱＬｄｆrms）2｝
を計算することにより、前記二乗平均平方根ＱＬrmsを算出することを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載のフローティングディフュージョンアンプの電荷電圧変換効率算出方法。
【請求項６】
前記光電変換素子に入射される光量レベルに対するデジタルデータＱＬの関係におけるリニアリティ特性の影響を補正することを特徴とする請求項１ないし５に記載のフローティングディフュージョンアンプの電荷電圧変換効率算出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換素子に蓄積された信号電荷の量に応じたレベルをもつ信号電圧を出力するフローティングディフュージョンアンプの電荷電圧変換効率算出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラなどに搭載される固体撮像素子として、ＣＣＤイメージセンサ（ＣＣＤ）が知られている。このＣＣＤは、行列状に２次元配置され、入射光をその光量に応じた信号電荷に変換して蓄積する複数個の光電変換素子（画素）と、光電変換素子の垂直列毎に設けられ、各光電変換素子からの信号電荷を垂直転送する複数本の垂直ＣＣＤと、垂直ＣＣＤから転送される１ライン（行）分の信号電荷を水平転送する水平ＣＣＤと、水平ＣＣＤによって転送された信号電荷を信号電圧に変換して出力するフローティングディフュージョンアンプ（以下、ＦＤＡと略す）とを有している（特許文献１および２参照）。
【０００３】
図３に示すように、ＦＤＡ１００は、水平ＣＣＤ（ＨＣＣＤ）から順次転送された信号電荷を充電するフローティングディフュージョン（ＦＤ）部１０１と、出力の終了した画素の信号電荷を掃き捨てるためのリセットドレイン電圧が印加されるリセットドレイン（ＲＤ）部１０２と、リセットパルスが入力されるリセットゲート（ＲＧ）部１０３と、ＦＤ部１０１に充電された信号電荷による電圧に緩衝増幅を施して、これを信号電圧として出力するソースフォロア回路１０４とからなる。ＦＤＡ１００では、ＦＤ部１０１の信号電荷の変化量をΔＱ、電圧変化をΔＶ、静電容量をＣとして、ΔＱ＝ＣΔＶの関係式を用いて信号電荷から信号電圧への変換を行っている。
【０００４】
ここで、ＣＣＤの性能を知るためには、ＦＤＡ１００の信号電荷に対する信号電圧の電荷電圧変換効率ｅを求めておく必要がある。電荷電圧変換効率ｅは、電荷１個当たりの信号電圧を表す検出感度であり、ＦＤ部１０１の静電容量Ｃの逆数に比例し、単位は［μＶ／ｅ］で表される。
【０００５】
従来、電荷電圧変換効率ｅは、ＲＤ部１０２に直流電流計Ａ１０５を接続し、ＣＣＤに明るさの均一な光を照射して、直流電流計Ａ１０５の値Ｉ、およびソースフォロア回路１０４から出力される信号電圧Ｖを測定し、次式（１）を計算することで算出していた。
ｅ＝（ＶｑｆＢＬＫ）／Ｉ
（但し、ｑ；電子の電荷量＝１．６０２×１０-19［Ｃ］、ｆ；動作周波数［Ｈｚ］、ＢＬＫ；画素に電荷の蓄積がない比率（オプティカルブラックやブランキング期間の比率））
【特許文献１】特開２００２−７７７３４号公報
【特許文献２】特開２００３−１９７８９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図３において、ＲＤ電源に接続される端子１０６とＯＤ（アウトプットドレイン）電源に接続される端子１０７とは、印加する電圧の値が同じであるため、実際には共通端子として纏められている。このため、上記のように電荷電圧変換効率ｅを求めようとした場合、ＲＤ部１０２に直流電流計Ａ１０５を接続するために、端子１０６を分離する必要があった。
【０００７】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、非破壊でフローティングディフュージョンアンプの電荷電圧変換効率を算出することが可能なフローティングディフュージョンアンプの電荷電圧変換効率算出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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、光電変換素子に蓄積された信号電荷の量に応じたレベルをもつ信号電圧を出力するフローティングディフュージョンアンプの電荷電圧変換効率ｅを算出する方法であって、前記光電変換素子の光ショットノイズに依存する因子を用いて、前記光電変換素子に光を照射したときに前記光電変換素子で光電変換される電子数Ｅの平均値Ｅaveを算出し、これを元に前記電荷電圧変換効率ｅを算出することを特徴とする。
【０００９】
なお、前記信号電圧をＡ／Ｄ変換して得られるデジタルデータＱＬの平均値ＱＬave平均値Ｅaveを算出することが好ましい。
【００１０】
また、算出した前記平均値Ｅave、前記平均値ＱＬave、および前記電子数Ｅを前記デジタルデータＱＬに変換する関係式ＱＬ＝ＫＥ（但し、Ｋは定数）から、前記電荷電圧変換効率ｅを算出することが好ましい。
【００１１】
また、前記光電変換素子に明るさの異なる光を照射したときに得た複数のデジタルデータＱＬを元に、前記平均値ＱＬaveを算出することが好ましい。
【００１２】
また、前記光電変換素子に明るさの均一な光を照射したときに得た前記光電変換素子で発生する全ノイズに依存するデジタルデータをＱＬｔrms、固定パターンノイズに依存するデジタルデータをＱＬｆrms、および前記光電変換素子を遮光したときに得た全ノイズに依存するデジタルデータをＱＬｄｔrms、暗時の固定パターンノイズに依存するデジタルデータをＱＬｄｆrmsとして、（ＱＬrms）2＝（ＱＬｔrms）2−（ＱＬｆrms）2−｛（ＱＬｄｔrms）2−（ＱＬｄｆrms）2｝を計算することにより、前記二乗平均平方根ＱＬrmsを算出することが好ましい。
【００１３】
さらに、前記光電変換素子に入射される光量レベルに対するデジタルデータＱＬの関係におけるリニアリティ特性の影響を補正することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のフローティングディフュージョンアンプの電荷電圧変換効率算出方法によれば、光電変換素子の光ショットノイズに依存する因子を用いて、光電変換素子に光を照射したときに光電変換素子で光電変換される電子数Ｅの平均値Ｅaveを算出し、これを元に電荷電圧変換効率ｅを算出するので、非破壊でフローティングディフュージョンアンプの電荷電圧変換効率を算出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明のフローティングディフュージョンアンプ（以下、ＦＤＡと略す）の電荷電圧変換効率算出方法では、ＣＣＤの光電変換素子に光を照射したときに光電変換された電子数Ｅの平均値Ｅaveを算出し、これを元に電荷電圧変換効率を算出する。これは、ＦＤＡから出力される信号電圧は外部から測定可能で、且つ、電荷電圧変換効率は信号電圧／信号電荷の個数で表されるため、光電変換素子で発生する電子数が分かれば、信号電圧と電子数の比率を求めることで、電荷電圧変換効率ｅを算出することができるからである。このため、以下の説明では、まず、平均値Ｅaveの具体的な算出方法について述べる。
【００１６】
ＣＣＤの光電変換素子で発生するノイズには、固定パターンノイズとランダムノイズとがある。固定パターンノイズは、画素の開口率や色フィルタの厚み、リセットパルスによる飛び込みノイズなどに起因するもので、ある程度正確に値を推測することができる。一方、ランダムノイズには、遮光時（光電変換素子に光が入射していない状態）における半導体の熱励起に起因する暗電流ショットノイズと、光電変換素子に入射する光子の数の不均一性に起因する光ショットノイズとがある。
【００１７】
光電変換素子に入射する光子のうち、光電変換される光子の数と光ショットノイズに帰依する光子の数とは、平均回数λに対するバラツキはその平方根（λ）1/2で表すことができるというポアソン分布に帰結して考えることができる。すなわち、画素単位毎の光電変換に有効活用される光子数Ｐの平均値Ｐaveと、光子数Ｐの二乗平均平方根Ｐrmsとの間には、以下の関係式が成り立つ。
Ｐrms＝（Ｐave）1/2                                          ・・・式（１）
【００１８】
光電変換素子に入射した光子１個に対して電子が何個発生するかは、量子効率（通常１以下の値）によって決まるが、ここでは、１個の入射光子により１個の電子が発生するものとする。これにより、式（１）を電子数Ｅに置き換えると、光電変換素子で光電変換された電子数Ｅの平均値をＥave、電子数Ｅの二乗平均平方根をＥrmsとして、
Ｅrms＝（Ｅave）1/2                                          ・・・式（２）
となる。
【００１９】
ここで、ＣＣＤをデジタルカメラなどの実機に搭載して、実際に使用する際には、図１に模式的に示すように、ＦＤＡから出力される信号電圧に対して、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）、増幅（ＡＭＰ）、Ａ／Ｄ変換（Ａ／Ｄ）などの線形演算を施して、デジタルデータＱＬを出力している。実機における電子数ＥからデジタルデータＱＬへの変換式は、ＦＤＡの電荷電圧変換効率をｅ、増幅率をＡgain、Ａ／Ｄ変換時に低レベルの信号が黒ツブレしないように防止する重み付け電圧をＶsetup、Ａ／Ｄ変換間口電圧をＶA/D（例えば、２Ｖ）、デジタルデータＱＬで表すデータの個数をＮ（例えば、１２ビットであれば４０９５個）として、
ＱＬ＝（ｅＥＡgain＋Ｖsetup）×（Ｎ／ＶA/D）                ・・・式（３）
と表され、さらに電荷電圧変換効率ｅ、増幅率Ａgainなどの定数をＫとすると、
ＱＬ＝ＫＥ                                                     ・・・式（４）
と表される。
【００２０】
したがって、式（２）の電子数Ｅの平均値Ｅave、電子数Ｅの二乗平均平方根Ｅrmsは、これらを用いて実機にて線形演算した後のデジタルデータＱＬをそれぞれＱＬave（デジタルデータＱＬの平均値）、ＱＬrms（デジタルデータＱＬの二乗平均平方根、光電変換素子の光ショットノイズに依存する因子）として、式（４）より、
ＱＬave＝ＫＥave                                              ・・・式（５）
ＱＬrms＝ＫＥrms                                              ・・・式（６）
と表すことができる。
【００２１】
式（２）、（５）、（６）から、平均値Ｅaveは、以下の手順で求めることができる。すなわち、式（６）より、
Ｋ＝ＱＬrms／Ｅrms                                            ・・・式（７）
式（７）を式（５）に代入して、
ＱＬave＝ＫＥave＝（ＱＬrms／Ｅrms）Ｅave＝（Ｅave／Ｅrms）ＱＬrms
・・・式（８）
式（２）を式（８）に代入して、
ＱＬave＝（Ｅave／Ｅrms）ＱＬrms＝｛Ｅave／（Ｅave）1/2｝ＱＬrms＝（Ｅave）1/2ＱＬrms                                               ・・・式（９）
式（９）をＥaveについて解いて、
Ｅave＝（ＱＬave／ＱＬrms）2                                 ・・・式（１０）
【００２２】
式（１０）は、光電変換素子に入射される光量レベルが一定であるとき、デジタルデータＱＬの平均値ＱＬaveと、光電変換素子の光ショットノイズに依存するデジタルデータＱＬの二乗平均平方根ＱＬrmsとを求めれば、電子数Ｅの平均値Ｅaveを得ることができることを示している。そして、電子数Ｅの平均値Ｅaveが得られれば、式（３）より電荷電圧変換効率ｅを算出することができる。
【００２３】
デジタルデータＱＬの平均値ＱＬave、および二乗平均平方根ＱＬrmsを算出する具体例としては、ＣＣＤを実機に搭載し、光電変換素子に明るさの異なる光を照射した場合（明時）、および光電変換素子を遮光した場合（暗時）のそれぞれについて、ＣＣＤ中央部（例えば、２５６×２５６画素の領域）を用いて、連続したフレーム（例えば、１２８フレーム）でデジタルデータＱＬ、および光電変換素子で発生するノイズデータをサンプリングする。
【００２４】
そして、明時にサンプリングしたデジタルデータＱＬの積算値をサンプリング回数で割ってデジタルデータＱＬの平均値ＱＬaveを算出する。また、サンプリングしたノイズデータのうち、その中間値に位置する値を代表値として、明時、暗時それぞれの全ノイズデータとする。さらに、固定パターンノイズデータとして、１２８フレーム分の平均値を採用して、ＱＬrmsを次式により算出する。
（ＱＬrms）2＝（ＱＬｔrms）2−（ＱＬｆrms）2−｛（ＱＬｄｔrms）2−（ＱＬｄｆrms）2｝                                                        ・・・式（１１）
但し、ＱＬｔrms；明時の全ノイズ（光ショットノイズを含むランダムノイズ）に依存するデジタルデータ、ＱＬｆrms；明時の固定パターンノイズ（画素の開口率や色フィルタの厚みに起因するノイズなど）に依存するデジタルデータ、ＱＬｄｔrms；暗時の全ノイズ（暗電流ショットノイズを含むランダムノイズ）に依存するデジタルデータ、ＱＬｄｆrms；暗時の固定パターンノイズ（リセットパルスによる飛び込みノイズなど）に依存するデジタルデータをそれぞれ示す。なお、これら４種のノイズは独立して発生するものと想定している。
【００２５】
以上説明したように、デジタルデータＱＬの平均値ＱＬave、および二乗平均平方根ＱＬrmsから、式（１０）により電子数Ｅの平均値Ｅaveを算出することができ、電子数Ｅの平均値Ｅaveから、式（３）により電荷電圧変換効率ｅを算出することができた。
【００２６】
しかしながら、上記説明では、式（５）、（６）で表されるように、デジタルデータＱＬの平均値ＱＬave、および二乗平均平方根ＱＬrmsと、電子数Ｅの平均値Ｅave、および二乗平均平方根Ｅrmsとの関係が線形であるとしているが、実際には、図２に示すように、ある光量レベルＸｎ（電子数Ｅと同義）に対するデジタルデータＱＬ（ＦＤＡから出力される信号電圧と同義）の関係は、リニアリティ特性の影響を受けて理想直線（図中二点鎖線で示す）から外れて上に凸となる傾向にある。特に、デジタルデータＱＬの二乗平均平方根ＱＬrmsは、ノイズレベルでその変化分が微小な微分ゲインとして、リニアリティ特性の影響を強く受ける。
【００２７】
ある光量レベルＸｎにおけるデジタルデータＱＬの平均値ＱＬaveが、図２に示すようにリニアリティ特性によってＱＬave’となったと想定し、リニアリティ特性の影響を受けた電子数Ｅの平均値Ｅave’を求めると、以下の式で表される。
ＱＬave’＝ＫaveＱＬave                                      ・・・式（１２）
ＱＬrms’＝ＫrmsＱＬrms                                      ・・・式（１３）
および式（１０）より、
Ｅave’＝（ＱＬave’／ＱＬrms’）2＝（ＫaveＱＬave／ＫrmsＱＬrms）2＝（Ｋave／Ｋrms）2（ＱＬave／ＱＬrms）2＝（Ｋave／Ｋrms）2Ｅave    ・・・式（１４）
但し、ＱＬave’；リニアリティ特性の影響を受けたデジタルデータＱＬの平均値、ＱＬrms’；リニアリティ特性の影響を受けたデジタルデータＱＬの二乗平均平方根、Ｋave；リニアリティ特性の影響を受けた積分ゲイン、Ｋave＝ＱＬave／ＱＬave’、Ｋrms；リニアリティ特性の影響を受けた微分ゲイン、Ｋrms＝Δｙ／ΔＹ
【００２８】
図２にも示すように、積分ゲインＫave、および微分ゲインＫrmsは、ともに１以下の値となり、Ｋave≧Ｋrmsとなる。これは、微分ゲインＫrmsの減少率が大きいためで、その結果、リニアリティ特性の影響を受けた電子数Ｅの平均値Ｅave’は、電子数Ｅの平均値Ｅaveよりも大きい値となる。このため、リニアリティ特性の影響を考慮した何らかの補正が必要となる。以下に補正の具体例を述べる。
【００２９】
ＣＣＤの飽和出力まで、例えば１０段階の露光時間による光量Ｘ0（暗時）〜Ｘ9（飽和出力時）における電子数Ｅの平均値Ｅaveを算出する。そして、原点（光量０のとき）と原点に近い複数のプロット点を直線で結び、これを補正直線とする。補正直線の傾きを算出する際には、例えば、統計的に二乗平均誤差が最小となるようにプロット点を選定する。
【００３０】
以上詳細に説明したように、従来手法では、ＦＤＡの電荷電圧変換効率を得るために、ＲＤ部とＯＤ部とを分離する必要があったが、本発明によれば、非破壊でＦＤＡの電荷電圧変換効率を算出することができ、実機にＣＣＤを搭載して出荷する前に検査を行うことなども可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】デジタルカメラなどの実機にＣＣＤを搭載した際の信号の流れを説明するための模式図である。
【図２】光量に対するデジタルデータを表すグラフである。
【図３】フローティングディフュージョンアンプの構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【００３２】
１００  フローティングディフュージョンアンプ（ＦＤＡ）
１０１  フローティングディフュージョン（ＦＤ）部
１０２  リセットドレイン（ＲＤ）部
１０３  リセットゲート（ＲＧ）部
１０４  ソースフォロア回路
１０５  電流計
【図１】
2007036460.tif 000003
【図２】
2007036460.tif 000004
【図３】
2007036460.tif 000005