【イメージセンサ】CDS (相関2重サンプリング)の基本構造と動作

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CDS (相関2重サンプリング)はイメージセンサで相関のあるリセットレベルと信号レベルの差を取ることで,リセットノイズ (KTCノイズ)を抑えた信号を取り出す手法です.実際はCDSはより広い意味でも使われたりします.本記事ではCDSについて解説していきます.

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CDS (相関2重サンプリング)とは

図1 CDS ( 相関2重サンプリング )とは

まずイメージセンサでは図1のように画素からはリセットレベルと信号レベルの二つが画素から出力されます.この二つのレベルの差が信号に相当します.

この二つのレベルの差を出し,信号を取り出すのがCDS (Correlated Double Sampling: 相関2重サンプリング)です.CDSは広義の意味では:リセットレベルと信号レベルの差を取ることで信号を取り出す手法で,狭義の意味では:相関のあるリセットレベルと信号レベルの差を取ることで,リセットノイズ (KTCノイズ)を抑えた信号を取り出す手法のことです.

本来のCDSは名前にCorrelated (相関)とあるように上の狭義の意味が本来のCDSとなります.ただ実際には相関のないリセットレベルと信号レベルの差を取る回路を示す名前がないため広義のCDSとしても使われるため注意が必要です.

True CDSとは

CDSは上で説明したように本来は狭義の意味でのことを指しますが広義の意味でも使われるため,狭義の意味のCDSであることを示すために,True CDSということもあります.本記事ではこのTrue CDSについて説明していきます.

CDSの基本構造と動作

リセットノイズ (KTCノイズ)を低減する原理

図2 CDSによるリセットノイズの低減

CDS (True CDS)でリセットノイズ (KTCノイズ)を低減する原理を図2を用いて解説していきます.まずリセットノイズとはリセットするたびにリセットレベルが微妙に変動するために生じてしまうノイズのことです.つまり図2の上のようにリセットレベルを読みだした後に信号を転送して信号レベルを読みだして差を取ればリセットノイズを低減できることになります.

反対に図2の下のように信号レベルを読んでから画素をリセットしてから読み出すと別のリセットレベルでの差を取ることになるためリセットノイズが乗ってしまいます.そうなると先にリセットレベルを読むことでリセットノイズは低減できならば常にそうすればいいとなりますが,画素の構造によってはそれができない場合があります.

ここでは詳しくは解説しませんが,画素が4Tr型画素の場合は基本的にそれができますが,3Tr型画素ではそれが基本的にできません.実際には3Tr型画素でも先にリセットレベルを読んでから信号レベルを読みだすことはできますが,そうするとリセットレベルを読んでから露光して信号を読みだすことになるため,リセットレベルを読んでから信号レベルを読むまでに時間が長くなってしまいます.そうすると今度は1/fノイズが大きくなってしまうため,3Tr型画素では先にリセットレベルを先に読むことができません.また反対にリセットレベルと信号レベルの読み出すタイミングが短いほど1/fノイズを低減できるため,3Tr型画素でも4Tr型画素でも 1/fノイズ を抑えようとするため,3Tr型画素ではリセットレベルを先に読めないのです.

デジタルCDSの基本構造と動作

CDSは上で述べたような効果がありますが,これを実現する際にアナログの信号で動作させるアナログCDSとデジタルの信号で動作させるデジタルCDSがあります.現在ではデジタルCDSが標準であるためデジタルCDSの基本構造と動作について説明していきます.

図3 デジタルCDSの基本構造と動作

デジタルCDSの基本構造と動作について図3を用いて説明していきます.例ではADCがシングルスロープ型ADCです.画素の出力は既に述べたようにリセットレベルと信号レベルの二つが出力されます.

まずランプ信号が単調減少し始めるとアップダウンカウンタがカウントし始めて (例では511),ランプ信号が画素出力 (リセットレベル)より小さくなるとコンパレータの出力が反転してカウントが止まります.

次に同様にランプ信号を戻してから単調減少させるとともに先ほどのカウンタの続きから今度はカウントを増やしていき,ランプ信号が画素出力 (信号レベル)より小さくなるとコンパレータの出力が反転してカウントが終了します.これによってリセットレベルと信号レベルの差を取り,信号を取り出します.

まとめ

  • CDS (Correlated Double Sampling):リセットレベルと信号レベルの差を取ることで信号を取り出す手法
  • True CDS:相関のあるリセットレベルと信号レベルの差を取ることで,リセットノイズ (KTCノイズ)を抑えた信号を取り出す手法
  • アナログCDS:アナログ信号で信号を取り出すCDS
  • デジタルCDS:デジタル信号で信号を取り出すCDS

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