JP2016111445A

JP2016111445A - 撮像装置

Info

Publication number: JP2016111445A
Application number: JP2014245238A
Authority: JP
Inventors: 敏治上田; Toshiharu Ueda
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2014-12-03
Publication date: 2016-06-20

Abstract

【課題】消費電流の増大を抑えつつ、効果的に電流源トランジスタに起因するノイズの発生を抑える。【解決手段】列毎に電流を変更できる電流可変部を備え、電流可変部による電流設定は列毎のノイズ量に応じて変更する。【選択図】図４

Description

本発明は、撮像素子を用いた撮像装置に関するものである。

近年、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置には、ＣＭＯＳ型固体撮像素子が広く用いられている。ＣＭＯＳ撮像素子の画素部は、フォトダイオード、転送トランジスタ、フローティングディフュージョン、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、選択トランジスタから成る。また、垂直出力線と垂直出力線に接続された電流源トランジスタとを備え、画素部の増幅トランジスタと電流源トランジスタとが垂直出力線を介してソースフォロアを構成し、垂直出力線上の電位が外部に読み出される（特許文献１）。

電流源トランジスタのゲート絶縁膜中にトラップ順位が存在すると、ノイズのパワースペクトルが周波数ｆの逆数に比例する１／ｆノイズが発生することがある。特許文献１のような構成の撮像装置では、電流源トランジスタで１／ｆノイズが発生すると、垂直出力線を流れる電流に揺らぎが発生する。その結果、画素部の増幅トランジスタの出力信号にノイズが発生する。このようなノイズの発生量は、製造上の影響により垂直出力線毎に差が生じやすく、ノイズ量の多い垂直出力線の部分があった場合には、線状のノイズとして目立つ可能性がある。また、１／ｆノイズのノイズ量は以下の式で表わされる。
ｖ^２＝Ｋ／（ＬＷＩ）
ｖ：ノイズ量
Ｌ：トランジスタゲート長
Ｗ：トランジスタゲート幅
Ｉ：電流

したがって、垂直出力線の電流を増やすことにより、１／ｆノイズを低減させることが可能である。

特開２００３−５１９８９号

しかしながら、垂直出力線の電流を増やすとセンサ全体の消費電力が増加して電池の消耗が早くなり、或いは発熱による暗電流増加により撮影画質が劣化する。

本発明の目的は、消費電力の増大を抑制しつつ、効果的に電流源トランジスタの１／ｆノイズに起因する線状ノイズの発生を抑え、良好な画質を得ることが可能な撮像装置を提供することである。

本発明の撮像装置は、行列状に配置された複数の画素と、列毎に設けられ前記複数の画素から画素信号が出力される列出力線と、前記列出力線に電流を供給する電流源とを備えた撮像素子と、前記列出力線のノイズ量を列毎に検出する検出手段と、前記検出手段により検出されるノイズ量に応じて前記電流源が供給する電流を列毎に変更するように制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、消費電力の増加を抑制しながら、高画質を得ることが可能な撮像装置を提供することが出来る。

実施例における撮像装置の全体ブロック図。実施例における撮像素子の全体構成図。実施例における単位画素の回路図。実施例における電流源回路の詳細説明図。実施例における垂直出力線毎のノイズ量面内ばらつきを示す図。実施例における垂直出力線毎のノイズ量面内ばらつきを示す図。

以下、本発明の一実施例について説明する。図１は、本発明の一実施例における撮像装置の全体ブロック図である。

撮影レンズ１１１０は、被写体の光学像を撮像素子１１０１に結像させ、レンズ駆動回路１１０９によってズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などが行われる。撮像素子１１０１は、撮影レンズ１１１０で結像された被写体を画像信号として取り込む。撮像素子１１０１の詳細は後述する。タイミング発生回路１１０２は、撮像素子１１０１に駆動タイミング信号を出力する。

信号処理回路１１０３は、撮像素子１１０１より出力される画像信号に対して、アナログデジタル変換処理や各種の補正処理を施す。全体制御・演算回路１１０４は、各種演算と撮像装置全体を制御する。全体制御・演算回路１１０４は、不図示のホワイトバランス調整部を備え、撮影画像の各色画素信号にホワイトバランスを乗算しホワイトバランスを調整している。

メモリ１１０５は、画像データを一時的に記憶する。表示回路１１０６は、各種情報や撮影画像を表示する。半導体メモリ等の着脱可能な記録回路１１０７は、画像データの記録または読み出しを行う。操作回路１１０８は、デジタルカメラの操作部材のユーザによる操作を電気的に受け付けるものである。

図２は、撮像素子１１０１の全体構成を示す図である。撮像素子１１０１は、画素領域１、垂直走査回路２、電流源回路３、読み出し回路４、水平走査回路５、出力アンプ６から構成される。

画素領域１には、単位画素１００が行列状に配置されている。ここでは、説明を簡単にするために４×４の１６画素の配列を示してあるが、実用上はさらに多数の画素が配置される。各単位画素１００には、複数種類の色のカラーフィルタが設けられている。

垂直走査回路２は、画素領域１の画素を１行単位で選択し、選択行の画素に対して駆動信号を送出する。

電流源回路３は、各列に設けられ、単位画素１００と組になりソースフォロアを構成している。読み出し回路４は、各列に設けられ、単位画素１００と電流源回路３とで構成されるソースフォロアの出力信号を増幅し、その出力信号をサンプルホールドする。

水平走査回路５は、列読み出し回路４でサンプルホールドされた信号を列毎に順次出力アンプ６に出力するための信号を送出する。出力アンプ６は、水平走査回路の動作により、列読み出し回路から出力された信号を外部に出力する。

図３は、単位画素１００の回路図である。図３に示すように、単位画素１００は、フォトダイオード１０１、転送スイッチ１０２、フローティングディフュージョン１０３、リセットスイッチ１０４、増幅トランジスタ１０５、選択スイッチ１０６を含んでいる。

光電変換素子であるフォトダイオード１０１は、画素１０１へ入射した光を受光し、その受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換部として機能する。転送スイッチ１０２は、転送パルス信号ＰＴＸによって駆動され、フォトダイオード１０１で生成された信号電荷をフローティングディフュージョン１０３に転送する。

フローティングディフュージョン１０３は、フォトダイオード１０１から転送された電荷を一時的に保持するとともに、保持した電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部として機能する。増幅トランジスタ１０５は、ソースフォロアＭＯＳトランジスタであり、フローティングディフュージョン１０３に保持した電荷に基づく電圧信号を増幅して、画素信号として出力する。

リセットスイッチ１０４は、リセットパルス信号ＰＲＥＳによって駆動され、フローティングディフュージョン１０３の電位を基準電位ＶＤＤにリセットする。選択スイッチ１０６は、垂直選択パルス信号ＰＳＥＬによって駆動され、増幅トランジスタ１０５で増幅された画素信号を垂直出力線（列出力線）１０７に出力する。

次に、図４を用いて、電流源回路３の詳細を説明する。まず、全ての列の基準となる定電流源となる基準電流回路２０１は、後述する電流可変回路Ｒ１〜Ｒ４の基準電流を供給する。基準電流回路２０１は、垂直出力線に設置されるＭＯＳトランジスタや供給電流値を決定する抵抗などで構成されているものが一般的であるが、ここでの詳細説明は割愛する。

また、２次元行列状の各列の画素に共通に接続されている複数の垂直出力線１０７−１〜１０７−ｎ（本実施例では４列であるため、１０７−４）は、各列毎に供給する電流値を変更するための電流可変回路Ｒ１〜Ｒ４が接続される。

電流可変回路Ｒ１〜Ｒ４は、基準電流回路２０１から供給される基準電流に対して、垂直出力線１０７−１〜１０７−４の各列に供給する電流値を設定するものである。電流可変回路Ｒ１〜Ｒ４の電流設定値は、制御手段である制御ロジック回路２０２からの制御信号により列毎に制御されるものである。

なお、列毎の定電流量は、例えば、電流可変回路Ｒ１〜Ｒ４の内部にある複数のサイズの異なるトランジスタを選択的に切り替えるにより、複数段階の変更を可能とするものでよいが、それに限ったものではない。

また、制御ロジック回路２０２についても、例えば、シリアル通信で各列に対して数ビットの設定を送るなどの周知の制御により、電流可変回路Ｒ１〜Ｒ４の内部設定を変更可能なものなどであればよい。

図５は、垂直出力線毎のノイズ量の面内ばらつきを表した一例のグラフである。ここでは、一般的なデジタルカメラなどで使用しているような数千列分のデータを示す。図５は、列毎にノイズ量を検出するために、撮像素子の暗時の出力信号のばらつきσを列毎に算出し、算出した列毎のσの平均値σａｖｅとの比率σ／σａｖｅを求めたものである。

図５（ａ）は、垂直出力線の供給電流値として、全列の垂直出力線に対して第１の電流値の電流が供給されるように設定されている状態を示している。ノイズ検出手段によりノイズ量を列毎に検出した場合に、図５（ａ）のようにσ／σａｖｅが大きい列が検出される。この状態において、検出されたノイズ量が第１の閾値（ノイズ判定閾値１）よりも大きい列の垂直出力線（列出力線）を記憶し、記憶した列の垂直出力線に第１の電流値よりも大きい第２の電流値を供給するように制御ロジック回路５が制御する。このような制御により、図５（ｂ）のように、σ／σａｖｅが大きい列のノイズ量を抑制することが出来る。

なお、ノイズ量の大きい列の検出については、例えば、製造時に複数毎の画像データから各画素の最大値Ｍａｘと最小値Ｍｉｎの差分を求めてもよいし、カメラの起動時に暗画像を取得し、本撮影前に検出及び記憶を行う方式でも構わない。

上記実施例において、検出されたノイズ量の大きい列の垂直出力線の定電流量を第１の電流値よりも大きい第２の電流量にすることで、ノイズ量の大きな列のノイズ量を抑制することが出来るが、それにより消費電力が増大してしまう。そこで、定電流量を下げてもよい列を検出して、消費電流の増大を抑制してもよい。

図６は、図５と同様に、垂直出力線毎のノイズ量の面内ばらつきを表したグラフである。列毎にノイズ量を検出するために、撮像素子の暗時の出力信号のばらつきσを列毎に算出し、算出した列毎のσの平均値σａｖｅとの比率σ／σａｖｅを求めたものである。図６は、垂直出力線の供給電流値として、全列の垂直出力線に対して第１の電流値よりも小さい第３の電流値の電流が供給されるように設定されている状態を示している。すなわち、小さい電流値を供給するように駆動することにより、σ／σａｖｅが大きくなる状況を設定したものである。

この状況で、前記第１の閾値よりも小さい第２の閾値（ノイズ判定閾値２）を下回る列の垂直出力線（列出力線）を記憶する。そして、記憶した列の垂直出力線に第１の電流値よりも小さい第３の電流値を供給するように制御ロジック回路５が制御する。

このように制御することで、通常のノイズ量の列の垂直出力線には第１の電流値が供給される。また、検出されたノイズ量がノイズ判定閾値１を超えている列の垂直出力線には第２の電流値が供給される。さらに、検出されたノイズ量がノイズ判定閾値２を下回る列の垂直出力線には第３の電流値が供給されるように制御することで、トータル的な消費電流の増大を抑制しつつ、ノイズ量の大きな列のノイズ低減を図ることが出来る。

１画素領域
２垂直走査回路
３電流源回路
４読み出し回路
５水平走査回路
６出力アンプ
１００単位画素
１０１フォトダイオード
１０２転送スイッチ
１０３フローティングディフュージョン
１０４リセットスイッチ
１０５増幅トランジスタ
１０６選択スイッチ
１０７−１〜１０７−４垂直出力線
２０１基準電流回路
２０２制御ロジック回路
Ｒ１〜Ｒ４電流可変回路

Claims

行列状に配置された複数の画素と、列毎に設けられ前記複数の画素から画素信号が出力される列出力線と、前記列出力線に電流を供給する電流源とを備えた撮像素子と、
前記列出力線のノイズ量を列毎に検出する検出手段と、
前記検出手段により検出されるノイズ量に応じて前記電流源が供給する電流を列毎に変更するように制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする撮像装置。
前記制御手段は、前記検出手段により検出されたノイズ量が第１の閾値よりも小さく第２の閾値よりも大きい列の列出力線に第１の電流値の電流を供給し、前記検出手段により検出されたノイズ量が前記第１の閾値よりも大きい列の列出力線に前記第１の電流値よりも大きい第２の電流値の電流を供給するように前記電流源を制御することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記制御手段は、前記検出手段により検出されたノイズ量が第１の閾値よりも小さく第２の閾値よりも大きい列の列出力線に第１の電流値の電流を供給し、前記検出手段により検出されたノイズ量が前記第２の閾値よりも小さい列の列出力線に前記第１の電流値よりも小さい第３の電流値の電流を供給するように前記電流源を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
前記制御手段は、前記検出手段によりノイズ量が第１の閾値よりも大きい列を検出する際に、全列の列出力線に対して第１の電流値の電流が供給されるように制御し、前記検出手段によりノイズ量が前記第２の閾値よりも小さい列を検出する際には、全列の列出力線に対して第３の電流値の電流が供給されるように制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。