JPH0568210A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 固体撮像素子の出力アンプの高域ノイズのサ
ンプリングによる折り返しの影響を小さくする。 【構成】 固体撮像素子１０１の読みだしをテレビレー
トよりも低速にし、読み出された信号をローパスフィル
タ２により帯域制限し、この帯域制限した出力信号に対
してＣＤＳ回路３０１によりＣＤＳ処理を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は固体撮像装置に係り、特
に固体撮像素子の出力ノイズを低減させるＣＤＳ処理を
行なう固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】以下、電子スチルカメラ等の固体撮像装
置において、固体撮像素子の出力ノイズを低減させる従
来の手段について説明する。

【０００３】まず、固体撮像装置の一例となる電子スチ
ルカメラの構成及びその動作について説明する。図５
は、電子スチルカメラのブロック図であり、２０１はレ
ンズ、２０２は絞り、２０３はシャッター、２０４はシ
ャッター絞り駆動回路である。１０１は画像を電気信号
に変換する固体撮像素子、２０５は固体撮像素子駆動回
路、２０６はクロック発生回路である。２０７は固体撮
像素子１０１より得られた出力を信号処理して輝度信号
と色差線順次信号を得る信号処理回路である。２０８は
輝度信号と色差線順次信号をＦＭ変調するＦＭ変調回路
である。２０９はＦＭ変調された信号を磁気記録できる
ように増幅するＲＥＣアンプである。２１０は磁気ヘッ
ド、２１１は記録媒体である磁気シートである。２１２
は磁気シート２１１を回転させるモーター、２１３はモ
ーターサーボ回路、２１４はシステム全体の動作を制御
するシステム制御回路である。２１５はシャッターレリ
ーズスイッチであり、このスイッチをＯＮする動作に同
期して一連の静止画撮像シークエンスが行われる。

【０００４】図６は電子スチルカメラの撮像シークエン
スである。図６において時刻Ｔ１にシャッター２０３を
閉じた状態にしたまま、固体撮像素子１０１のＡフィー
ルドの不要電荷を転送除去する。同様に時刻Ｔ２よりＢ
フィールドの不要電荷を転送除去する。つぎに時刻Ｔ３
からＴ４の間にシャッター２０３を開き固体撮像素子１
０１を露光させ、信号電荷を蓄積する。次にシャッター
２０３を閉じ、時刻Ｔ４からＴ５の間にＡフィールドの
電荷を読みだし信号処理した信号を磁気シート２１１の
ｎトラック目に記録する。次に時刻Ｔ５からＴ６の間に
Ｂフィールドの電荷を読みだし信号処理した信号を磁気
シート２１１の（ｎ＋１）トラック目に記録する。

【０００５】次に、上記電子スチルカメラに用いられる
固体撮像素子の構成及びその動作について説明する。

【０００６】図７は、電子スチルカメラによく用いられ
る固体撮像素子の一例としてのインターライン型ＣＣＤ
の説明図である。図７において、１０１はインターライ
ン型ＣＣＤである固体撮像素子、１０２は光を電荷に変
えて蓄積するフォトダイオード、１０３はフォトダイオ
ード１０２から移された電荷を１Ｈに１段ずつ垂直に転
送する垂直ＣＣＤである。Ｖ１〜Ｖ４は垂直ＣＣＤ１０
３の転送電極であり、Ｖ１はフォトダイオードの奇数行
の電荷を垂直ＣＣＤ１０３に転送する転送ゲートをかね
ている。また、Ｖ３は同様に偶数行のフォトダイオード
に対応する転送ゲートとなっている。垂直ＣＣＤ１０３
は４相の転送パルスで駆動される。１０４は垂直ＣＣＤ
１０３より１Ｈに１段転送されてくる電荷を水平に転送
する水平ＣＣＤである。Ｈ１、Ｈ２は水平ＣＣＤ１０４
の転送電極であり、２相のパルスで駆動される。１０５
は電荷を電圧に変換し出力するＦＤＡ(Floating Diffus
ion Amplifier)である。水平ＣＣＤ１０４の最終段には
図示しない浮遊拡散層があり最終段の電位変化を出力ア
ンプ１０５で検出するようになっており、このような電
荷検出アンプをＦＤＡという。Ｖout は出力端子であ
る。Ｒは読みだしを終えた電荷を除去し出力電位を１ク
ロック周期毎に基準電位にリセットするためのリセット
ゲート電極である。

【０００７】図８は図７のインターライン型ＣＣＤの読
みだしタイミングを示した図である。時刻ｔ１に垂直ブ
ランキング期間になり、時刻ｔ２にＶ１がハイレベルに
なって転送ゲートが開くことによってフォトダイオード
１０２の奇数行の電荷が垂直ＣＣＤ１０３に転送され
る。時刻ｔ３から垂直ＣＣＤ１０３の電荷が１水平期間
に１段水平ＣＣＤ１０４の方向へ転送される。水平ＣＣ
Ｄ１０４に転送された電荷は高速転送されてＦＤＡ１０
５で電圧に変換されて出力される。全奇数ラインの電荷
の読みだしは時刻ｔ４に終了する。次に垂直ブランキン
グ期間のｔ５にＶ３がハイレベルになって偶数ラインの
フォトダイオード１０２の電荷が垂直ＣＣＤ１０３に転
送され、時刻ｔ６から１水平期間に１ライン水平ＣＣＤ
１０４に転送され同様に高速転送されて出力される。

【０００８】上述したような固体撮像素子の出力アンプ
はリセットノイズという特有のノイズを発生するため通
常ＣＤＳ(Corelated DoubleSampling) という手法を用
いてノイズを低減させている。

【０００９】図９は水平ＣＣＤ１０４からの電荷の読み
だしタイミングチャートである。図９（ｃ）に示すよう
に、リセットパルスＲによってＦＤＡ１０５の出力電位
が基準電位にリセットされる。リセットパルスＲがロウ
レベルになるとＦＤＡ１０５の浮遊拡散層はフローティ
ング状態になりＦＤＡ１０５の出力電位は浮遊拡散層の
浮遊容量による容量分割比で決る所定の電圧に保たれ
る。この期間をフィードスルー期間という。

【００１０】次に図９（ｂ）に示すように、水平転送パ
ルスＨ２がロウレベルになると、信号電荷が浮遊拡散層
を備えた最終段に転送され信号電荷を浮遊拡散層の容量
で除算した量の電圧変化がＦＤＡ１０５より出力され
る。ところがフィードスルー期間の電位は図９（ｄ）に
示すように、リセット期間中の熱雑音の影響を受けて１
画素周期毎にばらついてしまう。そしてその分信号期間
の電位もばらつく。このようなＦＤＡ特有のノイズをリ
セットノイズという。このノイズは信号期間とそれに先
行するフィードスルー期間の電位の差をとることによっ
て除去できる。このような手法をＣＤＳという。

【００１１】図１０はＣＤＳを行うＣＤＳ回路の構成を
説明する図である。図１０（ａ）のように固体撮像素子
１０１の出力信号はＣＤＳ回路３０１によってノイズ除
去を行ってから後段に送られる。ＣＤＳ回路３０１の構
成には図１０（ｂ）や図１０（ｃ）の構成がよく用いら
れる。図１０（ｂ）ではＣＤＳ回路３０１はクランプ回
路３０２とサンプルホールド回路３０３によって構成さ
れている。クランプはＰ１、サンプルホールドはＰ２と
いうパルスによって行うが、Ｐ１，Ｐ２のタイミングは
図９（ｅ），図９（ｆ）に示す。まず、フィードスルー
期間の電位をパルスＰ１によってクランプ回路３０２で
クランプし、電位を所定電位に固定しリセットノイズの
影響を除去した後、信号期間の電位をパルスＰ２によっ
てサンプルホールド回路３０３でサンプルホールドする
ことによってノイズのない信号を得る。

【００１２】図１０（ｃ）ではＣＳＤ回路３０１は第１
のサンプルホールド回路３０４、第２のサンプルホール
ド回路３０５、第３のサンプルホールド回路３０６、減
算回路３０７で構成される。第１のサンプルホールド回
路３０４と第３のサンプルホールド回路３０６にはＰ２
というパルスが加えられる。第２のサンプルホールド回
路３０５には、Ｐ１というパルスが加えられる。Ｐ１，
Ｐ２のタイミングは図９（ｅ），（ｆ）に示す。まずフ
ィードスルー期間の電位をパルスＰ１によって第２のサ
ンプルホールド回路３０５でサンプルホールドし、遅延
させる。次に、信号期間の電位および遅延されたフィー
ドスルー期間の電位をパルスＰ２のタイミングでそれぞ
れ第１のサンプルホールド回路３０４と第３のサンプル
ホールド回路３０６とでサンプルホールドし減算回路３
０７で減算することによってリセットノイズ成分を除去
する。

【００１３】

【発明が解決しようとしている課題】原理的にはＣＣＤ
のノイズを完全に除去できるはずのＣＤＳであるが、実
際には固体撮像素子のノイズを完全には除去できない。
第１の原因は昨今の固体撮像素子は画素数が多くなり読
み出し周波数が高くなったために、フィードスルー期間
や信号期間が非常に短くなりクランプやサンプルホール
ドを正確に行うことが困難になっていること、第２の原
因はリセットノイズ以外の高帯域のノイズがＦＤＡによ
って付加されるためにクランプ回路やサンプルホールド
回路が、リセットノイズと無相関に付加されたノイズを
クランプもしくはホールドしてしまい、ノイズを発生し
てしまうことにある。図１１はＦＤＡの高域ノイズがあ
った場合にＣＤＳによるノイズの低域への折返りによっ
てノイズ低減効果が損なわれる様子を説明する図であ
る。

【００１４】図１１ではＣＤＳのサンプリング周波数を
ｆ_s とし、出力アンプのノイズ帯域ｆ_Nmaxもｆ_s である
と仮定する。ＣＤＳによるサンプリングで折返ったノイ
ズによってフィードスルー期間と信号処理期間のノイズ
はそれぞれ√2 倍になる。さらに相関のないノイズを減
算することで更に√2 倍、すなわちリセットノイズが完
全にキャンセルされたとしても、出力アンプの高域ノイ
ズに関しては、元のノイズの２倍になってしまう。実際
にはｆ_s を越える帯域のノイズが固体撮像素子の出力ア
ンプには存在するためノイズは更に増えてしまう。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像装置
は、固体撮像素子の読みだしをテレビレートよりも低速
にし、読み出された信号をローパスフィルタにより帯域
制限し、この帯域制限した出力信号に対してＣＤＳ処理
を行うことを特徴とする。

【００１６】

【作 用】本発明は固体撮像素子の読みだしレートを低
速にし、ローパスフィルターによって出力アンプのノイ
ズを除去した後にＣＤＳを行うことによって固体撮像素
子のノイズをより低減させるものである。

【００１７】なお、本発明の固体撮像装置において、テ
レビレートで信号処理をすることが必要な場合は、ＣＤ
Ｓ処理後にＡ／Ｄ変換し、このＡ／Ｄ変換された信号を
メモリに記憶し、再度テレビレートに変換すればよい。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。

【００１９】図１は本発明の実施例のブロック図であ
る。図１においては、図５の電子スチルカメラのブロッ
ク図のうち変更もしくは追加になった部分及び説明に必
要な部分だけを記している。

【００２０】図１において、１は水平の読みだしクロッ
クを低速にする機能を備えたクロック発生回路である。
２は固体撮像素子１０１の出力アンプのノイズの高域成
分を除去するローパスフィルタ、３はＣＤＳ回路３０１
の出力をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換回路、４はフ
レームメモリである。５はフレームメモリ４のデータを
アナログ値に変換するＤ／Ａ変換回路である。Ｄ／Ａ変
換回路５の出力は図５の撮像信号処理回路２０７に接続
され信号処理される。

【００２１】図２は図１の実施例の動作シークエンス図
である。図３は図１の実施例における水平読み出しタイ
ミングの説明図である。なお、比較のため、図３（ａ）
〜（ｆ）に従来のタイミング例を示す。

【００２２】図１、図２、図３、及び図５を用いて本実
施例の動作を説明する。図２の時刻Ｔ１から時刻Ｔ２ま
でに固体撮像素子１０１のＡフィールドの不要電荷を掃
き出し、クリアする。次に時刻Ｔ２′から時刻Ｔ３まで
Ｂフィールドの不要電荷を掃き出し、クリアする。時刻
Ｔ３，Ｔ４間にシャッター２０３を開いて固体撮像素子
１０１を露光させる。シャッターを閉じて露光を終了し
た後、時刻Ｔ４からＴ５′の間に固体撮像素子１０１の
Ａフィールドの信号電荷の読み出しが行われる。次に時
刻Ｔ５′からＴ６′の間に固体撮像素子１０１のＢフィ
ールドの信号電荷の読み出しが行われる。Ａ，Ｂフィー
ルドの読み出しはテレビレートよりも低速で行う。な
お、ここで、Ａフィールドのクリア後の時刻Ｔ２からＢ
フィールドのクリア開始の時刻Ｔ２′までの間に一定の
間隔を開けたのは、本発明ではＡ，Ｂフィールドの読み
出しが低速で行なわれるので、図６の撮像シークエンス
では、フィールドクリア後からフィールド読み出し開始
までの時間がＡフィールドとＢフィールドとで異なって
しまい、発生するノイズに差を生じてしまうからであ
る。

【００２３】低速読み出しは図３（ｇ），（ｆ）のよう
に水平転送パルスとリセットパルス周期をＨ２’，Ｒ’
のように長くすることによって行う。低速で読みだした
信号をローパスフィルタ２で帯域制限することによっ
て、固体撮像素子１０１の出力アンプの高域ノイズを図
３（ｊ）のごとくカットした後に、ＣＤＳ回路３０１に
入力され、リセットノイズが除去される。リセットノイ
ズが除去された信号はＡ／Ｄ変換回路３によってデジタ
ル値に変換され、フレームメモリ４に記憶される。時刻
Ｔ６′からＡフィールドのデータをフレームメモリ４か
らテレビレートで読み出しＤ／Ａ変換回路５でアナログ
値に変換し撮像信号処理回路２０７で信号処理した後、
磁気ディスク２１１に記録する。時刻Ｔ７からＢフィー
ルドのデータをフレームメモリ４からテレビレートで読
み出しＤ／Ａ変換回路５でアナログ値に変換し撮像信号
処理回路２０７で信号処理した後、磁気ディスク２１１
に記録する。図４（ａ）は低速読み出しを行った後にロ
ーパスフィルタ処理によって高域ノイズをｆ’_Nmaxに帯
域制限した時の高域ノイズのおり返りを示している。こ
の信号をメモリから読み出す際に時間軸が復元され、ノ
イズエネルギは一定に保たれるためノイズの振幅スペク
トルはローパス処理をしないときのルート２分の１にな
る。

【００２４】なお、以上説明した実施例においては、ア
ナログ記録を行なっているため、一旦デジタル化した
後、再度アナログ情報に変換しているが、本発明はカー
ドカメラなどデジタル記録を行なう場合にも適用でき、
かかる場合は時間軸をテレビレートに戻す必要はなく、
Ａ／Ｄ変換処理後にデジタル信号処理を行ってデジタル
記録媒体に記録すれば良い。

【００２５】本発明は固体撮像素子の読みだしをテレビ
レートよりも低速にすることを特徴の一つとしている
が、ハイビジョン用では、更に固体撮像素子の画素数が
増大し、図５〜図１１に示した従来の固体撮像装置では
読み出し周波数が高くなってフィードスルー期間や信号
期間が更に短くなってしまうため、本発明が更に好適に
用いられる。

【００２６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば固体撮像素子の出力アンプの高域ノイズのサンプリ
ングによる折り返しの影響を小さくすることが可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例のブロック図である。

【図２】図１の実施例の動作シークエンス図である。

【図３】図１の実施例における水平読み出しタイミング
の説明図である。

【図４】ＦＤＡの高域ノイズがあった場合にＣＤＳによ
るノイズの低域への折返りの影響を説明する図である。

【図５】電子スチルカメラのブロック図である。

【図６】電子スチルカメラの撮像シークエンスである。

【図７】電子スチルカメラによく用いられる固体撮像素
子の一例としてのインターライン型ＣＣＤの説明図であ
る。

【図８】図７のインターライン型ＣＣＤの読みだしタイ
ミングを示した図である。

【図９】水平ＣＣＤ１０４からの電荷の読みだしタイミ
ング図である。

【図１０】ＣＤＳを行うＣＤＳ回路の構成を説明する図
である。

【図１１】ＦＤＡの高域ノイズがあった場合にＣＤＳに
よるノイズの低域への折返りの影響を説明する図であ
る。

【符号の説明】

１ 水平の読みだしクロックを低速にする機能を備えた
クロック発生回路 ２ ローパスフィルタ ３ ＣＤＳ回路の出力をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変
換回路 ４ フレームメモリ ５ フレームメモリのデータをアナログ値に変換するＤ
／Ａ変換回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体撮像素子の読みだしをテレビレート
   よりも低速にし、読み出された信号をローパスフィルタ
   により帯域制限し、この帯域制限した出力信号に対して
   ＣＤＳ処理を行う固体撮像装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の固体撮像装置において、
   ＣＤＳ処理後にＡ／Ｄ変換し、このＡ／Ｄ変換された信
   号をメモリに記憶し、再度テレビレートに変換する固体
   撮像装置。