TWI422020B - 固態成像裝置 - Google Patents

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Description

固態成像裝置
本發明係關於一種固態成像裝置、一種用於處理該固態成像裝置之信號的方法，及一種成像設備。
為了增加固態成像裝置之敏感性，已開發關於彩色濾光片陣列及彩色濾光片陣列之信號處理之複數個技術(參考(例如)日本未審查專利申請公開案第2007-287891號)。彩色濾光片陣列中之一者為使用充當亮度信號之主要分量的色彩(例如，白色(W))之彩色濾光片陣列。關於使用白色之色彩編碼，頻繁使用白色棋盤形色彩編碼，其中白色配置成棋盤形圖案。
使用白色之彩色濾光片陣列之輸出電壓高於已廣泛使用的具有RGB拜耳(Bayer)配置之彩色濾光片陣列之輸出電壓。因此，可增加固態成像裝置之敏感性。請注意，在RGB拜耳配置中，綠色(G)配置成棋盤形圖案。紅色(R)及藍色(B)亦以棋盤形圖案配置於棋盤形圖案之其他區域中。
在使用RGB拜耳配置之彩色濾光片之固態成像設備中，為了將RGB信號轉換為YUV信號(Y：亮度信號，U及V：色差信號)，用於產生Y信號之計算為必要的。在計算中，舉例而言，可使用以下等式：
Y=0.29891×R+0.58661×G+0.11448×B
大體而言，此計算係由提供於固態成像設備之基板(感應器晶片)外之數位信號處理器(DSP)執行。因此，即使在使用包括白色之彩色濾光片陣列之固態成像裝置中，用於產生亮度信號Y之計算亦由提供於感應器晶片外的DSP執行。
然而，在由一包括一包括白色之彩色濾光片陣列之固態成像裝置執行的信號處理中，難以使用針對RGB拜耳配置設計之現有DSP。因此，若改變色彩編碼，則開發新DSP為必要的。若將經設計用於RGB拜耳配置之DSP改變為用於白色棋盤形圖案之DSP，則巨大開發成本為必要的。因為此開發成本反映於包括DSP之照相機模組之價格中，所以難以降低照相機模組的成本。因此，妨礙了包括白色之色彩編碼之普遍使用。
因此，本發明提供一種固態成像裝置、一種用於處理該固態成像裝置之信號的方法，及一種能夠在使用一充當一亮度信號之一主要分量之色彩配置成一棋盤形圖案之色彩編碼時使用現有RGB拜耳配置DSP的成像設備。
另外，藉由將係一亮度信號之主要分量之白色的濾光片用於一彩色濾光片陣列，可增加一固態成像裝置的敏感性。此外，藉由改良色彩配置或信號處理方法，可藉由解析度之最小降低來增加使用白色濾光片之彩色濾光片陣列的敏感性。
因此，本發明提供一種可增加敏感性同時解析度之降低最小化之包括具有新穎色彩配置的彩色濾光片陣列之固態成像裝置、一種用於處理該固態成像裝置之一信號的方法，及一種包括該固態成像裝置之成像設備。
根據本發明之一實施例，一種固態成像裝置包括一彩色濾光片單元，該彩色濾光片單元安置於一包括二維配置成一矩陣之像素之像素陣列單元上，其中該彩色濾光片單元具有一色彩配置，其中一充當一亮度信號之一主要分量之色彩配置成一棋盤形圖案且充當色彩資訊分量的複數個色彩配置於該棋盤形圖案之其他區域中。該固態成像裝置具有一組態，其中自該像素陣列單元之該等像素輸出且對應於該彩色濾光片單元的該色彩配置之信號經轉換為對應於一上面具有該像素陣列單元之基板上的一拜耳配置之信號。
在上述組態中，因為充當一亮度信號之該主要分量之該色彩配置成一棋盤形圖案，所以可使用充當一亮度信號之該主要分量之色彩的該信號恢復在垂直方向及水平方向上鄰近該色彩之其他色彩之像素的信號。因此，可增加將對應於該彩色濾光片單元之該色彩配置之信號轉換為對應於拜耳配置的信號之效率。另外，藉由自上面具有該像素陣列單元之該基板(感應器晶片)輸出對應於該拜耳配置之信號，一用於拜耳配置之現有DSP可用作一下游信號處理單元。
根據本發明之另一實施例，一種固態成像裝置包括一彩色濾光片單元，該彩色濾光片單元安置於一包括二維配置成一矩陣之像素之像素陣列單元上，其中該彩色濾光片單元具有一色彩配置，其中一充當一亮度信號之一主要分量之第一色彩的濾光片配置成一棋盤形圖案，且用於一系列四個像素之充當之該亮度信號之一主要分量的第二色彩之濾光片形成一群組，且該等群組經配置以便在一對角方向、一垂直方向及一水平方向中之一者上形成一條形圖案。該固態成像裝置具有一組態以接收自該像素陣列單元之該等像素輸出且對應於該彩色濾光片單元之該色彩配置的信號，且將一鄰近具有該第一色彩之濾光片之像素的具有第二色彩之濾光片之像素的一信號與具有該第一色彩之該濾光片之該像素的一信號相加。
充當一亮度信號之主要分量之該第一色彩及該第二色彩的該等濾光片具有一高於其他色彩之濾光片的敏感性之敏感性。因此，在該第一色彩之該等濾光片配置成一棋盤形圖案之色彩配置中，該第二色彩的一系列四個濾光片形成一群組，且該等群組經配置以便在一對角方向、一垂直方向及一水平方向中之一者上形成一條形圖案，藉由將鄰近具有第一色彩之濾光片之像素的具有第二色彩之濾光片之像素之信號與具有該第一色彩的濾光片之像素之信號相加且使用該總和作為一亮度信號之一主要分量，可增加該亮度信號的強度。
根據本發明之實施例，即使改變該色彩編碼，仍可使用一用於RGB拜耳配置之現有DSP。因此，成本高昂的新DSP之開發為不必要的。
另外，根據本發明之實施例，將鄰近具有第一色彩之濾光片之像素的具有第二色彩之濾光片之像素的信號與具有第一色彩之濾光片之像素的信號相加，且將總和用作一亮度信號之一主要分量。因此，可增加該亮度信號之強度。結果，可藉由解析度之一最小降低來增加敏感性。
以下將參看隨附圖式詳細描述本發明之各種例示性實施例。按以下次序來進行描述：
1.　例示性實施例
1-1.　系統組態
1-2.　彩色濾光片陣列之色彩編碼
1-3.　色彩編碼之實例
1-4.　敏感性比W:G:R:B
1-5.　色彩轉換過程
2.　應用之實例(成像設備)
1.　第一例示性實施例 1-1.　系統組態
圖1為根據本發明之第一例示性實施例之固態成像裝置(例如，CMOS影像感應器，其為X-Y定址固態成像裝置之實例)的例示性系統組態之示意性說明。
根據第一實施例，CMOS影像感應器10包括半導體基板(下文中亦稱為「感應器晶片」)11。感應器晶片11包括形成於其上之像素陣列單元12及整合於其上之周邊電路單元。舉例而言，周邊電路單元包括垂直驅動單元13、行處理單元14、水平驅動單元15、轉換處理單元16及系統控制單元17。
像素陣列單元12包括二維配置於陣列中之複數個單位像素(未圖示)，每一者包括光電轉換元件。單位像素(下文中亦簡單地稱為「像素」)根據可見光之強度將入射於其上之可見光光電轉換為電荷。彩色濾光片陣列30提供於像素陣列單元12上，位於光接收表面(光入射表面)側上。本例示性實施例之重要特徵中之一者為彩色濾光片陣列30的色彩編碼。以下更詳細地描述彩色濾光片陣列30之色彩編碼。
此外，在像素陣列單元12中，對於像素陣列之列中之每一者，一像素驅動線18安置於圖1之左右方向上(配置像素列之像素之方向或水平方向)。類似地，對於像素陣列之行中之每一者，一垂直信號線19安置於圖1的上下方向上(配置像素行之像素之方向或垂直方向)。在圖1中，雖然僅說明一個像素驅動線18，但像素驅動線18之數目不限於一。像素驅動線18之一末端連接至對應於垂直驅動單元13之列中的一者之輸出端子。
舉例而言，垂直驅動單元13包括移位暫存器及位址解碼器。儘管其詳細組態在圖1中未展示，但垂直驅動單元13包括讀出掃描系統及掃除(sweeping)掃描系統。讀出掃描系統逐列地順序掃描單位像素，自該等單位像素讀取信號。
相比之下，在由讀出掃描系統執行之對讀出列之讀出掃描操作之前由快門速度判定的時間，掃除掃描系統執行掃除掃描以使得不必要電荷被從讀出列中之單位像素之光電轉換元件掃除(重設)。藉由使用掃除掃描系統掃除(重設)不必要電荷，執行所謂電子快門操作。亦即，在電子快門操作中，光電轉換元件之光電荷被丟棄，且開始新曝光操作(光電荷之累積)。
經由由讀出掃描系統執行之讀出操作所讀取之信號對應於在執行緊接於前之讀出操作或電子快門操作之後入射的光之量。另外，自緊接於前之讀出操作之讀出時間點或電子快門操作的掃除時間點至當前讀出操作之讀出時間點之時間週期對應於單位像素中的光電荷之累積時間(曝光時間)。
自由垂直驅動單元13選擇及掃描之像素列中之單位像素中的每一者輸出之信號被經由垂直信號線19中之相應者供應至行處理單元14。對於像素陣列單元12之像素行中之每一者，行處理單元14對自選定列中之像素輸出之類比像素信號執行預定信號處理。
由行處理單元14執行之信號處理之實例為相關二重取樣(CDS)過程。在CDS過程中，擷取重設位準及自選定列中之像素中之每一者輸出的信號位準，且計算位準之間的差。因此，獲得列中之一者中之像素的信號。另外，移除像素之固定樣式雜訊。行處理單元14可具有用於將類比像素信號轉換為數位格式之類比至數位(A/D)轉換功能。
舉例而言，水平驅動單元15包括移位暫存器及位址解碼器。水平驅動單元15順序選擇並掃描對應於行處理單元14之像素行之電路部分。經由由水平驅動單元15執行之選擇掃描操作，像素行中之每一者由行處理單元14順序處理，且經順序輸出。
轉換處理單元16執行計算且將對應於彩色濾光片陣列(彩色濾光片單元)30之色彩配置且自像素陣列單元12之像素輸出的信號轉換為對應於拜耳配置之信號。本實施例之重要特徵中之另一者為轉換處理單元16安裝於上面形成像素陣列單元12的基板(亦即，感應器晶片11)上，色彩轉換過程係在感應器晶片11中執行，且自感應器晶片11輸出對應於拜耳配置之信號。以下更詳細地描述由轉換處理單元16執行之色彩轉換過程。
當廣泛使用時，術語「拜耳配置」表示用於高解析度的充當亮度信號之主要色彩資訊分量之色彩配置成棋盤形圖案，且用於不高之解析度的充當亮度信號之色彩資訊分量的其他兩種色彩配置於棋盤形圖案之其他區域中的色彩配置。在拜耳配置之基礎色彩編碼形式中，具有亮度信號之高貢獻的綠色(G)配置成棋盤形圖案，且紅色(R)及藍色(B)配置於棋盤形圖案之其他區域中。
系統控制單元17接收自感應器晶片11外提供之時脈及用於指示操作模式之資料。另外，系統控制單元17輸出表示CMOS影像感應器10之內部資訊之資料。此外，系統控制單元17包括產生多種時序信號之時序產生器。系統控制單元17使用由時序產生器產生之多種時序信號來控制垂直驅動單元13、行處理單元14、水平驅動單元15及轉換處理單元16之驅動。
單位像素之電路組態
圖2為單位像素20之例示性電路圖。如圖2中所示，例示性電路圖中所說明之單位像素20包括光電轉換元件(例如，光電二極體21)及四個電晶體(例如，轉移電晶體22、重設電晶體23、放大電晶體24及選擇電晶體25)。
在此實例中，將N通道MOS電晶體用於轉移電晶體22、重設電晶體23、放大電晶體24及選擇電晶體25。然而，使用轉移電晶體22、重設電晶體23、放大電晶體24及選擇電晶體25之導電類型之組合僅為實例，且組合不限於此。
舉例而言，作為像素驅動線18，三個驅動線(亦即，轉移線181、重設線182及選擇線183)被提供至同一像素列中之單位像素20中之每一者。轉移線181之一末端、重設線182之一末端，及選擇線183的一末端連接至垂直驅動單元13之對應於像素列中之一者的輸出端子。
光電二極體21之陽極連接至負電源(例如，地面)。光電二極體21根據所接收光之量將所接收光光電轉換為光電荷(此例示性實施例中之光電子)。光電二極體21之陰極經由轉移電晶體22連接至放大電晶體24之閘電極。電連接至放大電晶體24之閘電極之節點26被稱為「浮動擴散(FD)單元」。
轉移電晶體22連接於光電二極體21之陰極與FD單元26之間。當具有有效高位準(例如，Vdd位準)之轉移脈衝ΦTRF(下文中被稱為「高有效轉移脈衝」)經由轉移線181供應至轉移電晶體22之閘電極時，轉移電晶體22接通。因此，轉移電晶體22將由光電二極體21光電轉換之光電荷轉移至FD單元26。
重設電晶體23之汲電極連接至像素電源Vdd。重設電晶體23之源電極連接至FD單元26。在信號電荷自光電二極體21轉移至FD單元26之前，將高有效重設脈衝ΦRST經由重設線182供應至重設電晶體23之閘電極。當重設脈衝ΦRST供應至重設電晶體23時，重設電晶體23接通。因此，重設電晶體23藉由將FD單元26之電荷丟棄至像素電源Vdd來重設FD單元26。
放大電晶體24之閘電極連接至FD單元26。放大電晶體24之汲電極連接至像素電源Vdd。在FD單元26由重設電晶體23重設之後，放大電晶體24以重設信號(重設位準)Vreset之形式輸出FD單元26之電位。另外，在信號電荷由轉移電晶體22轉移之後，放大電晶體24以光累積信號(信號位準)Vsig之形式輸出FD單元26之電位。
舉例而言，選擇電晶體25之汲電極連接至放大電晶體24之源電極。選擇電晶體25之源電極連接至垂直信號線17。當將高有效選擇脈衝ΦSEL經由選擇線163供應至選擇電晶體25之閘電極時，選擇電晶體25接通。因此，選擇電晶體25使單位像素20進入選定模式以使得自放大電晶體24輸出之信號經中繼至垂直信號線17。
請注意，可採用選擇電晶體25連接於像素電源Vdd與放大電晶體24之汲極之間的電路組態。
應注意，單位像素20之像素結構不限於上述四電晶體像素結構。舉例而言，單位像素20可具有三電晶體像素結構，其中放大電晶體24及選擇電晶體25之功能由一個電晶體執行。因此，可採用像素電路之任何組態。
大體而言，為增加當捕獲移動影像時的圖框速率，執行將自複數個相鄰像素輸出之信號求和並讀出之像素相加。像素相加係在像素、信號線、行處理單元14，或下游信號處理單元中執行。在本實施例中，舉例而言，描述了四個像素經配置以在垂直方向及水平方向上彼此鄰近之像素結構。
圖3為允許在像素中執行四個相鄰像素之像素相加之電路的例示性組態之電路圖。在恰當處，在描述圖3時將使用與在上文描述圖2時利用之編號相同的編號。
在圖3中，經配置以在垂直方向及水平方向上彼此鄰近之四個像素之光電二極體21表示為光電二極體21-1、21-2、21-3及21-4。四個轉移電晶體22-1、22-2、22-3及22-4分別提供至光電二極體21-1、21-2、21-3及21-4。另外，使用一重設電晶體23、一放大電晶體24及一選擇電晶體25。
亦即，轉移電晶體22-1之電極中之一者、轉移電晶體22-2之電極中之一者、轉移電晶體22-3之電極中之一者，及轉移電晶體22-4之電極中之一者分別連接至光電二極體21-1之陰極、光電二極體21-2之陰極、光電二極體21-2之陰極及光電二極體21-2之陰極。轉移電晶體22-1之另一電極、轉移電晶體22-2之另一電極、轉移電晶體22-3的另一電極，及轉移電晶體22-4之另一電極共同連接至放大電晶體24之閘電極。另外，由光電二極體21-1、21-2、21-3及21-4共用之FD單元26電連接至放大電晶體24之閘電極。重設電晶體23之汲電極連接至像素電源Vdd，且重設電晶體23之源電極連接至FD單元26。
在支援四個相鄰像素之像素相加之上述像素結構中，藉由同時將轉移脈衝ΦTRF提供至四個轉移電晶體22-1、22-2、22-3及22-4，可執行四個相鄰像素之像素相加。亦即，由四個轉移電晶體22-1、22-2、22-3及22-4自光電二極體21-1、21-2、21-3及21-4轉移至FD單元26之信號電荷由FD單元26求和。
相比之下，藉由在不同時間點將轉移脈衝ΦTRF提供至四個轉移電晶體22-1、22-2、22-3及22-4，可逐像素地執行信號輸出。亦即，當捕獲移動影像時，可藉由執行像素相加增加圖框速率。相比之下，當捕獲靜止影像時，可藉由獨立地讀取所有像素之信號來增加解析度。
1-2.　彩色濾光片陣列之色彩編碼
接下來描述係本例示性實施例之特徵中之一者的彩色濾光片陣列30之色彩編碼。
根據本例示性實施例，彩色濾光片陣列30採用其中充當亮度信號之主要色彩資訊分量之色彩配置成棋盤形圖案，且複數個其他色彩配置於棋盤形圖案之其他區域中的色彩編碼。在本實施例中，亮度信號之主要色彩為(例如)白色(W)、綠色(G)及亮度信號之另一光譜分量中的一者。
因為W濾光片具有約為G濾光片之敏感性之兩倍的敏感性(W濾光片之輸出位準高於G濾光片之輸出位準)，所以可獲得高S/N比。然而，因為W濾光片含有各種色彩資訊，所以不同於物體之原始色彩之假色彩傾向於顯現。相比之下，儘管G濾光片具有比W濾光片低的敏感性，但G濾光片產生極少假色彩。亦即，在敏感性與假色彩之產生之間存在取捨。
當充當主要色彩資訊分量之濾光片之W濾光片配置成棋盤形圖案時，R、G及B濾光片配置於棋盤形圖案之其他區域中作為其他色彩資訊分量之濾光片。相比之下，當充當主要色彩資訊分量之濾光片之G濾光片配置成棋盤形圖案時，R及B濾光片配置於棋盤形圖案之其他區域中作為其他色彩資訊分量之濾光片。
以此方式，對於彩色濾光片陣列30，藉由使用其中用於亮度信號之主要色彩之W濾光片配置成棋盤形圖案的色彩編碼，CMOS影像感應器10之敏感性可得以增加，此係因為W濾光片具有高於另一色彩之濾光片之敏感性的敏感性之故。相比之下，對於彩色濾光片陣列30，藉由使用其中用於亮度信號之主要色彩之G濾光片配置成棋盤形圖案的色彩編碼，CMOS影像感應器10之色彩再現性可得以增加，此係因為G濾光片產生極少假色彩之故。
另外，當使用使用色彩編碼方法中之任一者之彩色濾光片陣列30時，對應於色彩配置之信號由感應器晶片11轉換為對應於拜耳配置的信號。在彼時，因為充當亮度信號之主要分量之色彩配置成棋盤形圖案，所以可使用充當亮度信號之主要分量之色彩的信號恢復在垂直方向及水平方向上鄰近該色彩之像素的其他色彩之信號。因此，可增加由轉換處理單元16執行之色彩轉換之效率。
此外，藉由自感應器晶片11輸出對應於拜耳配置之信號，用於拜耳配置之現有DSP可用作下游信號處理單元。基本上，用於拜耳配置之DSP使用自感應器晶片11輸出且對應於拜耳配置之信號產生亮度信號Y及兩個色差信號U(B-Y)及V(R-Y)。
以此方式，因為可使用用於拜耳配置之現有DSP，所以即使彩色濾光片陣列30之色彩編碼改變時，顯著昂貴之新DSP開發亦並非必要的。因此，可以低成本製造包括DSP之照相機模組。結果，可預期使用(尤其)W濾光片之彩色濾光片陣列30之普遍使用。
1-3.　彩色濾光片陣列之色彩編碼之實例
以下詳細描述色彩編碼之實例，該等色彩編碼實例促進將對應於充當亮度信號之主要分量之色彩的濾光片配置成棋盤形圖案之色彩配置之信號轉換為對應於RGB拜耳配置的信號。
第一例示性實施例之第一實例
圖4為說明根據第一例示性實施例之第一實例之色彩編碼的色彩配置圖。如圖4中所示，在根據第一例示性實施例之第一實例之色彩編碼中，最大化輸出位準之W濾光片配置成棋盤形圖案。R濾光片在垂直方向及水平方向上以兩像素的間距配置成棋盤形圖案。類似地，B濾光片在垂直方向及水平方向上以兩像素的間距配置成棋盤形圖案。R濾光片中之每一者自B濾光片中之一者對角地偏移一個像素。另外，G濾光片配置於棋盤形圖案之其他區域中。
更具體言之，在4×4像素區塊中，W濾光片配置成棋盤形圖案。R濾光片配置於第二列及第一行中及第四列及第三行中。B濾光片配置於第一列及第二行中及第三列及第四行中。此陣列為具有兩像素的間距之棋盤形圖案。另外，G濾光片配置於棋盤形圖案之其他區域中。在彼時，G濾光片形成對角條形圖案。
第一例示性實施例之第二實例
圖5為說明根據第一例示性實施例之第二實例之色彩編碼的色彩配置圖。如圖5中所示，在根據第一例示性實施例之第二實例之色彩編碼中，W濾光片配置成棋盤形圖案。R濾光片在垂直方向及水平方向上以四像素的間距呈正方形配置於圖案中。類似地，B濾光片在垂直方向及水平方向上以四像素的間距呈正方形配置於圖案中。另外，R濾光片中之每一者自B濾光片中之一者對角地偏移一個像素。另外，G濾光片配置於棋盤形圖案之其他區域中。
更具體言之，在4×4像素區塊中，W濾光片配置成棋盤形圖案。R濾光片安置於第二列及第三行中。B濾光片安置於第三列及第二行中。此陣列為具有垂直方向及水平方向上之四像素間距之正方形陣列。另外，G濾光片配置於棋盤形圖案之其他區域中。在彼時，G濾光片形成對角條形圖案。
第一例示性實施例之第三實例
圖6為說明根據第一例示性實施例之第三實例之色彩編碼的色彩配置圖。如圖6中所示，在根據第一例示性實施例之第三實例之色彩編碼中，W濾光片配置成棋盤形圖案。R濾光片在垂直方向及水平方向上以四像素的間距呈正方形配置成棋盤形圖案。類似地，B濾光片在垂直方向及水平方向上以四像素的間距呈正方形配置成棋盤形圖案。另外，R濾光片中之每一者自B濾光片中之一者對角地偏移兩個像素。另外，G濾光片配置於棋盤形圖案之其他區域中。
更具體言之，在4×4像素區塊中，W濾光片配置成棋盤形圖案。R濾光片安置於第二列及第一行中。B濾光片安置於第四列及第三行中。此陣列為具有垂直方向及水平方向上之四像素間距之正方形陣列。另外，G濾光片配置於棋盤形圖案之其他區域中。在彼時，G濾光片形成對角條形圖案。
第一例示性實施例之第四實例
圖7為說明根據第一例示性實施例之第四實例之色彩編碼的色彩配置圖。如圖7中所示，在根據第一例示性實施例之第四實例之色彩編碼中，W濾光片配置成棋盤形圖案。R及B中之每一者之濾光片在垂直方向及水平方向上以兩像素的間距配置成棋盤形圖案。另外，R濾光片中之每一者自B濾光片中之一者對角地偏移一個像素。另外，G濾光片配置於棋盤形圖案之其他區域中。
更具體言之，在4×4像素區塊中，W濾光片配置成棋盤形圖案。R濾光片安置於第一列及第二行中及第三列及第四行中。B濾光片安置於第三列及第二行中及第一列及第四行中。此陣列為具有垂直方向及水平方向上之兩像素間距之棋盤形陣列。另外，G濾光片配置於棋盤形圖案之其他區域中。
第一例示性實施例之第五實例
圖8為說明根據第一例示性實施例之第五實例之色彩編碼的色彩配置圖。如圖8中所示，在根據第一例示性實施例之第五實例之色彩編碼中，W濾光片配置成棋盤形圖案。R濾光片在垂直方向及水平方向上以兩像素的間距呈正方形配置成棋盤形圖案。類似地，B濾光片在垂直方向及水平方向上以兩像素的間距呈正方形配置成棋盤形圖案。另外，R濾光片中之每一者自B濾光片中之一者對角地偏移一個像素。
更具體言之，在4×4像素區塊中，W濾光片配置成棋盤形圖案。R濾光片安置於第二列及第一行、第二列及第三行、第四列及第一行，及第四列及第三行中。B濾光片安置於第一列及第二行、第一列及第四行、第三列及第二行，及第三列及第四行中。此陣列為具有垂直方向及水平方向上之兩像素間距之正方形陣列。
第一例示性實施例之第六實例
圖9為說明根據第一例示性實施例之第六實例之色彩編碼的色彩配置圖。如圖9中所示，在根據第一例示性實施例之第六實例之色彩編碼中，W濾光片配置成棋盤形圖案。R濾光片在垂直方向及水平方向上以四像素的間距呈正方形配置成棋盤形圖案。類似地，B濾光片在垂直方向及水平方向上以四像素的間距呈正方形配置成棋盤形圖案。另外，R濾光片中之每一者自B濾光片中之一者對角地偏移兩個像素。此外，G濾光片配置於棋盤形圖案之其他區域中。
更具體言之，在4×4像素區塊中，W濾光片配置成棋盤形圖案。R濾光片安置於第三列及第四行中及第四列及第三行中。B濾光片安置於第一列及第二行中及第二列及第一行中。此陣列為具有垂直方向及水平方向上之四像素間距之正方形陣列。另外，G濾光片配置於棋盤形圖案之其他區域中。在彼時，G濾光片形成對角條形圖案。
根據第一例示性實施例之上述第一至第六實例之色彩編碼方法使用具有充當亮度信號之主要分量的色彩(其最大化輸出位準)之W濾光片配置成棋盤形圖案的色彩配置。因為包括R、G及B色彩分量之白色(W)之濾光片配置成棋盤形圖案，所以可增加轉換為對應於RGB拜耳配置之信號的精確度。
此等色彩編碼方法之關鍵特徵為，若在以下所述之色彩轉換過程期間W濾光片由G濾光片替換，則R及B濾光片之位置與拜耳配置之R及B濾光片位置重合。另外，對於色彩未重合之位置，可使用關於W濾光片之像素之資訊。因此，可恢復R及B像素資訊。結果，可顯著增加轉換效率。
根據第一例示性實施例之第一至第三實例及第六實例之色彩編碼方法的關鍵特徵中之另一者為，W濾光片配置成棋盤形圖案，且配置於對角方向上之一系列四個G濾光片反覆顯現以使得形成對角條形圖案。在此等色彩編碼方法中，藉由對鄰近具有W濾光片之像素之具有G濾光片的像素之信號及W濾光片之信號求和及使用總和作為亮度信號的主要分量，可增加亮度信號之強度。因此，可增加敏感性(S/N比)。
詳言之，在根據第一實施例之第一實例之色彩編碼方法中，R濾光片中之每一者自B濾光片中之一者對角地偏移一個像素。因此，可增加轉換為對應於拜耳配置之信號之效率。另外，在根據第一實施例之第二實例之色彩編碼方法中，R濾光片經配置以便形成具有垂直方向及水平方向上之四像素間距之正方形陣列，且B濾光片經配置以便形成具有垂直方向及水平方向上之四像素間距之正方形陣列。此外，R濾光片中之每一者自B濾光片中之一者對角地偏移兩個像素。因此，可增加轉換之效率。再者，在根據第一實施例之第二實例之色彩編碼方法中，G濾光片之數目可為大的。因此，可增加轉換為G色彩之效率。
在根據第一實施例之第一及第六實例之色彩編碼方法中，配置於對角方向上之一系列四個G濾光片反覆顯現以使得形成對角條形圖案。因此，在此等色彩編碼方法中，藉由將鄰近W像素之G像素之信號或兩個G像素的信號與W像素之信號相加，且使用總和信號作為亮度信號之主要分量，可在未降低解析度的情況下提供高敏感性(高S/N比率)。不僅在配置於對角方向上之一系列四個G濾光片反覆顯現以使得形成對角條形圖案時，而且在配置於垂直方向或水平方向上之一系列四個G濾光片反覆顯現以使得形成條形圖案時，可提供此優勢。
第一例示性實施例之第七實例
圖10為說明根據第一例示性實施例之第七實例之色彩編碼的色彩配置圖。如圖10中所示，在根據第一例示性實施例之第七實例之色彩編碼中，充當亮度信號之主要分量之彩色濾光片的G濾光片配置成棋盤形圖案。R濾光片及B濾光片在垂直方向及水平方向上以兩像素的間距配置成棋盤形圖案。R濾光片中之每一者自B濾光片中之一者對角地偏移兩個像素。另外，W濾光片配置於棋盤形圖案之其他區域中。
更具體言之，在包括位於垂直方向及水平方向中之每一者上之四個像素的陣列中，G濾光片配置成棋盤形圖案。R濾光片配置於第一列及第一行中及第三列及第三行中。B濾光片配置於第一列及第三行中及第三列及第一行中。此陣列為具有垂直方向及水平方向中之每一者上之兩像素間距之棋盤形圖案。另外，W濾光片配置於棋盤形圖案之其他區域中。
在根據第一實施例之第一至第七實例之色彩編碼方法中，充當亮度信號之主要分量之彩色濾光片的W或G濾光片配置成棋盤形圖案。然而，為了易於使用感應器晶片11上之轉換處理單元16轉換對應於RGB拜耳配置之信號，色彩編碼不限於W或G濾光片配置成棋盤形圖案之色彩編碼。以下參考第一例示性實施例之第八及第九實例描述W或G濾光片未配置成棋盤形圖案之色彩編碼。
第一例示性實施例之第八實例
圖11為說明根據第一例示性實施例之第八實例之色彩編碼的色彩配置圖。如圖11中所示，在根據第一例示性實施例之第八實例之色彩編碼中，2×2像素區塊中的每一者包括W、R、G及B濾光片，且形成具有垂直方向及水平方向上之兩像素間距之圖案。更具體言之，W濾光片中之每一者安置於偶數列及偶數行中，R濾光片中之每一者安置於偶數列及奇數行中，G濾光片中之每一者安置於奇數列及奇數行中，且B濾光片中之每一者安置於奇數列及偶數行中。
第一例示性實施例之第九實例
圖12為說明根據第一例示性實施例之第九實例之色彩編碼的色彩配置圖。如圖12中所示，在根據第一例示性實施例之第九實例之色彩編碼中，2×2像素區塊中的每一者包括R、G或B濾光片，且此等像素區塊形成拜耳配置。更具體言之，G濾光片安置於第一及第二列及第一及第二行中及第三及第四列及第三及第四行中，B濾光片安置於第一及第二列及第三及第四行中，且R濾光片安置於第三及第四列及第一及第二行中。
1-4.　敏感性比W:G:R:B
接下來描述敏感性比W:G:R:B。在包括W濾光片之色彩編碼中，具有高輸出信號位準之W濾光片像素比具有其他彩色濾光片的像素更早飽和。因此，有必要維持W、G、R及B像素間之敏感性平衡，亦即，藉由降低W濾光片像素之敏感性及相對W濾光片像素之敏感性增加其他彩色濾光片像素的敏感性來調整敏感性比W:G:R:B。
為了調整敏感性比，可使用廣泛使用之曝光控制技術。更具體言之，藉由針對彩色濾光片陣列30之像素中之每一者調整提供於彩色濾光片陣列30外的晶片上微透鏡之大小，入射於個別色彩像素上之光之量的平衡為可維持的(參考(例如)日本未審查專利申請公開案第9-116127號)。藉由使用此技術及將用於W色彩之晶片上微透鏡之大小減少至小於用於其他色彩中的每一者之大小的大小，可降低W濾光片像素之敏感性。以此方式，可相對增加其他彩色濾光片像素中之一者之敏感性。
或者，可使用曝光控制技術，其中，在包括W濾光片之色彩編碼中，可藉由移除用於W像素之晶片上微透鏡來減小敏感性之間的差，且可藉由增加色彩敏感性來改良色彩S/N(參考(例如)日本未審查專利申請公開案第2007-287891號)。藉由使用此技術，可降低W濾光片像素之敏感性。以此方式，可相對增加其他彩色濾光片像素中之一者之敏感性。
再或者，為了防止不當色彩平衡，可使用執行快門曝光控制之技術，其中與R或B濾光片像素之曝光時間相比降低G濾光片像素之曝光時間(參考(例如)日本未審查專利申請公開案第2003-60992號)。藉由將此快門曝光控制技術與對光接收區域之控制組合，可降低W濾光片像素之敏感性。以此方式，可相對增加其他彩色濾光片像素中之一者之敏感性。此外，詳言之，可消除移動物體之有色輪廓之發生。結果，由外部信號處理單元(DSP)執行之消色差過程為不必要的。
請注意，用於調整敏感性比之上述三種曝光控制技術僅為實例。曝光控制技術不限於此。
舉例而言，設定用於W像素之晶片上微透鏡之大小使得：W、G、B及R像素的輸出位準實質上成比例2:1:0.5:0.5。
對於1.1-μm像素，當用於W像素之晶片上微透鏡之大小變化±0.1μm時，面積加倍及減半。因此，敏感性加倍或減半。因此，可調整具有與G像素之面積相同之面積且具有G像素的輸出位準兩倍之輸出位準之W像素的輸出位準以使得輸出位準相同。即使當晶片上微透鏡之大小變化±0.05μm，面積為原始面積之±1.42倍，且因此，W像素之敏感性可減小至G像素之敏感性的1.42倍。在此狀況下，可藉由快門曝光控制來執行對敏感性之進一步調整。
1-5.色彩轉換過程
接下來更詳細地描述由轉換處理單元16執行之用於將信號轉換為對應於RGB拜耳配置之信號的過程(亦即，色彩轉換過程)。
提供以下兩種類型之色彩轉換過程：當捕獲靜止影像時(在掃描所有像素之全掃描時)執行之色彩轉換過程，及當捕獲移動影像時(在將特定像素之相鄰複數個像素之信號與特定像素之信號相加之像素相加時)執行之色彩轉換過程。在根據第一例示性實施例之第一及第六實例之色彩編碼的狀況下，可執行具有高敏感性之色彩轉換過程。因此，可使用低亮度模式且因此，在全掃描時執行之色彩轉換過程可劃分為兩個色彩轉換過程。
兩個色彩轉換過程中之一者係在入射光之亮度高於預定參考亮度時執行。此色彩轉換過程被稱為「色彩轉換過程1」。另一色彩轉換過程係在入射光之亮度低於或等於預定參考亮度時執行。此色彩轉換過程被稱為「色彩轉換過程2」。另外，在像素相加時執行之色彩轉換過程可根據待相加之像素的組合而劃分為複數個色彩轉換過程。
請注意，在根據不同於第一及第六實例之實例之在全掃描時的色彩編碼之狀況下，難以使用低亮度模式。因此，僅使用高亮度模式。亦即，在根據第二至第五實例及第七至第九實例之全掃描時的色彩編碼之狀況下，使用用於高亮度之第一及第六實例中所使用之色彩轉換過程1。
根據第一例示性實施例之第一實例之色彩編碼
接下來描述針對根據第一例示性實施例之第一實例之色彩編碼執行的色彩轉換過程。首先，參考圖13中所示之流程圖及圖14A至圖14D中所示之示意性說明描述在全掃描時以高亮度模式執行的色彩轉換過程1。
如由圖13中所示之流程圖所說明，高亮度模式中之色彩轉換過程1係藉由順序執行步驟S11、S12及S13中的處理來實現。圖14A說明根據第一實例之色彩編碼之4×4像素色彩配置。
在步驟S11中，如圖14B中所示，藉由判定解析之方向將配置成棋盤形圖案之白色(W)像素之分量擴展至所有色彩之像素中。當在本文中使用時，術語「解析之方向」指代像素信號存在於其上之方向。在圖14B中，由正方形框架圍繞之「W」表示在W像素之分量擴展至所有色彩中之每一者中之後的W像素之分量。
為了將W像素之分量擴展至其他色彩之像素中，可應用基於廣泛使用之方向相關性的信號處理。舉例而言，在基於方向相關性之信號處理中，獲得對應於特定像素之複數個色彩信號，且獲得垂直方向及/或水平方向上的相關性值(參考(例如)日本專利第2931520號)。
在步驟S12中，如圖14C中所示，使用W像素與G像素之間的相關性以G像素替換W像素。如自各種色彩編碼之上述色彩配置可見，W像素鄰近G像素。就特定區域中W像素與G像素之間的相關性而言，W像素與G像素具有強相關性，因為W像素及G像素中之任一者具有充當亮度信號之主要分量的色彩。因此，相關性值(相關性係數)幾乎為1。藉由使用色彩相關性判定解析之方向及將W像素之輸出位準改變為等效於G像素的輸出位準之位準，W像素由G像素替換。
在步驟S13中，使用W像素與R像素之間的相關性及W像素與B像素之間的相關性針對圖14D中所示之拜耳配置產生R像素及B像素。因為W像素包括R、G及B色彩分量，所以可獲得W像素與R像素之間的相關性及W像素與B像素之間的相關性。對於信號處理，可使用現有技術，其中藉由內插法針對每個像素產生在四色彩配置中將由G替換之亮度信號(參考(例如)日本未審查專利申請公開案第2005-160044號)。
隨後，參考圖15中所示之流程圖及圖16A至圖16D中所示之示意性說明描述在全掃描時以低亮度模式執行的色彩轉換過程2。
首先，如圖16A中所示，藉由使用基於上述廣泛使用之技術之信號處理來檢查解析的方向(步驟S21)。其後，判定是否可判定解析之方向(步驟S22)。若可判定解析之方向，則將配置成棋盤形圖案之W像素之分量擴展至所有色彩的像素中(步驟S23)。
隨後，如圖16B中所示，使用上述廣泛使用之技術、W像素與R像素之間的相關性，及W像素與B像素之間的相關性產生R像素及B像素(步驟S24)。其後，如圖16C中所示，將鄰近W像素之兩個R像素之信號與W像素的信號相加以使得W像素之信號由G(=W+2G)近似。以此方式，如圖16D中所示，產生用於拜耳配置的G像素中之每一者(步驟S25)。
然而，在步驟S22中，若未判定解析之方向，則藉由使用在垂直方向及水平方向上鄰近W像素之四個像素使用簡單四像素平均內插法產生用於拜耳配置的R像素及B像素中的每一者(步驟S26)。
如上述，藉由根據入射光之亮度使用色彩轉換過程1及色彩轉換過程2，可在感應器晶片11上將對應於W濾光片配置成棋盤形圖案之色彩配置之信號轉換為對應於RGB拜耳配置之信號，且可輸出信號。
接下來描述用於移動影像捕獲的在像素相加時執行之兩個色彩轉換過程。下文中，兩個色彩轉換過程中之一者被稱為「像素相加過程1」，且另一色彩轉換過程被稱為「像素相加過程2」。
首先，參考圖17中所示之流程圖及圖18A至圖18D中所示之示意性說明描述像素相加過程1。
對對角地鄰近彼此之兩個W像素執行相加(步驟S31)。更具體言之，如圖18A中所示，對所關注之像素及位於所關注之像素的右下方之像素(亦即，向右一行及向下一列之像素)執行相加。可藉由同時將轉移脈衝ΦTRF提供至係相加之目標之兩個像素的轉移電晶體22(此實例中之轉移電晶體22-1及22-4)來在圖3中所示之像素結構中執行此相加。以此方式，可在FD單元26中執行兩像素相加。下文中，此像素相加被稱為「FD相加」。
隨後，對於R、G及B像素中之每一者，對配置於相反對角方向上的其間有一像素的兩個像素執行相加(步驟S32)。更具體言之，如圖18B中所示，對所關注之像素及位於所關注之像素的左下方之像素(其間有一像素)(亦即，向右兩行及向下兩列之像素)執行相加。對於R、G及B像素中之每一者，當圖1中所示之行處理單元14具有A/D轉換功能時，可在A/D轉換期間執行此相加。
更具體言之，在圖19中所示之色彩配置中，獨立地讀取像素B1及G1之信號。在信號經A/D轉換之後，像素B2及G3之信號經連續讀取且經A/D轉換。以此方式，可執行兩像素相加。為了在由行處理單元14執行之A/D轉換期間執行像素相加，可使用用於使用計數器將類比像素信號轉換為數位像素信號之現有技術(參考(例如)日本未審查專利申請公開案第2006-033454號)。
下文中，使用A/D轉換器之計數器執行之此像素相加被稱為「計數器相加」。當執行計數器相加時且若逐線地改變增益，則相加比可變化。類似地，可對R像素執行計數器相加。請注意，在對於W像素之上述兩像素相加中，FD相加在像素W1與像素W2之間及像素W3與像素W4之間執行。
其後，如圖18C中所示，將W像素之分量配合至R、G及B像素中(步驟S33)。隨後，如圖18D中所示，產生用於RGB拜耳配置之四個像素(步驟S34)。
隨後，參考圖20中所示之流程圖及圖21A至圖21D中所示之示意性說明描述像素相加過程2。
首先，對於W像素及G像素，在分別配置於左上至右下對角方向及右上至左下對角方向上之兩個像素之間執行FD相加。因此，產生W、R、G及B像素(步驟S41)。更具體言之，對於W像素，如圖21A中所示，在所關注之像素與位於所關注之像素的右下方之像素(亦即，向右一行及向下一列之像素)之間執行FD相加。對於G像素，如圖21B中所示，在所關注之像素與位於所關注之像素的左下方之像素(亦即，向左一行及向下一列之像素)之間執行FD相加。
請注意，在4×4像素區塊之八個像素中，未使用R及B信號對。亦即，在未執行像素相加之情況下以稀疏(thinning-out)方式讀取R像素及B像素。因此，與像素相加過程1中之敏感性相比，R及B之敏感性降低。因此，色彩S/N比為低的。
其後，如圖21C中所示，將W像素之分量配合至R、G及B像素中(步驟S42)。隨後，如圖21D中所示，產生用於RGB拜耳配置之四個像素(步驟S43)。在像素相加過程2之狀況下，拜耳配置之形心位置自像素相加過程1中的形心位置略微偏移。
隨後，參考圖22中所示之流程圖及圖23A至圖23D中所示之示意性說明描述像素相加過程3。
首先，對於W、R、G及B像素中之每一者，在配置於對角方向上之其間有一像素的兩個像素之間執行相加(步驟S51)。因此，如圖23B中所示，在相加之後獲得包括R、W、G、W、…之列及W、G、W、R、…之下一列的色彩配置。其後，如圖23C中所示，以與在全掃描時之過程中之方式相同的方式，使用W像素與R像素之間的相關性及W像素與R像素之間的相關性產生用於拜耳配置之R及B像素(步驟S52)。
如上述，藉由在捕獲移動影像時使用像素相加過程1、像素相加過程2，及像素相加過程3中之一者，可在感應器晶片11上將對應於W濾光片配置成棋盤形圖案之色彩配置之信號轉換為對應於RGB拜耳配置之信號，且可輸出信號。
以下描述用於根據第二至第九實例之色彩編碼之色彩轉換過程。在許多狀況下，過程序列類似於第一實例之過程序列。
根據第一例示性實施例之第二實例之色彩編碼
參考圖24A至圖24D中所示之示意性說明描述全掃描時的色彩轉換過程。在圖24A中所示之根據第一例示性實施例之第二實例的4×4像素區塊之色彩配置中，使用解析之方向將配置成棋盤形圖案之W像素之分量擴展至所有色彩之像素中，如圖24B中所示。隨後，如圖24C中所示，使用W像素與G像素之間的相關性以G像素替換W像素。其後，如圖24D中所示，使用W像素與R像素之間的相關性及W像素與B像素之間的相關性產生用於RGB拜耳配置之R及B像素。
接下來參考圖25A至圖25D中所示之示意性說明描述像素相加過程。如圖25A及圖25B中所示，對於W像素及G像素，在分別位於右下至左上對角方向及左下至右上對角方向上之兩個像素之間執行FD相加。因此，產生W、R、G及B像素。其後，如圖25C中所示，將W像素之分量配合至R、G及B像素中。因此，如圖25D中所示，產生用於RGB拜耳配置之四個像素。
根據第一例示性實施例之第三實例之色彩編碼
參考圖26A至圖26D中所示之示意性說明描述全掃描時的色彩轉換過程。在圖26A中所示之根據第一例示性實施例之第三實例的4×4像素區塊的色彩配置中，使用解析之方向將配置成棋盤形圖案之W像素的分量擴展至所有色彩之像素中，如圖26B中所示。隨後，如圖26C中所示，使用W像素與G像素之間的相關性以G像素替換W像素。其後，如圖26D中所示，使用W像素與R像素之間的相關性及W像素與B像素之間的相關性產生用於RGB拜耳配置之R及B像素。
接下來參考圖27A至圖27E中所示之示意性說明描述像素相加過程。如圖27A及圖27B中所示，對於W、R、G及B像素，執行左上及右上對角FD相加。因此，產生W、Cy(青色)、G及Ye(黃色)色彩。其後，如圖27C中所示，藉由計算B=W-Ye及R=W-Cy產生拜耳配置。在彼時，儘管B色彩及R色彩之S/N比歸因於減法運算而降級，但色彩之再現性增加。其後，如圖27D中所示，將W像素之分量配合至R、G及B像素中。因此，如圖27E中所示，產生用於RGB拜耳配置之四個像素。
根據第一例示性實施例之第四實例之色彩編碼
首先參考圖28A至圖28D中所示之示意性說明描述全掃描時的色彩轉換過程。在圖28A中所示之根據第一例示性實施例之第四實例的4×4像素區塊之色彩配置中，使用解析之方向將配置成棋盤形圖案之W像素的分量擴展至所有色彩之像素中，如圖28B中所示。隨後，如圖28C中所示，使用W像素與G像素之間的相關性以G像素替換W像素。其後，如圖28D中所示，使用W像素與R像素之間的相關性及W像素與B像素之間的相關性產生用於RGB拜耳配置之R及B像素。
可使用四種類型之像素相加。接下來參考圖29A至圖29F中所示之示意性說明描述第一類型之像素相加。如圖29A及圖29B中所示，對於R及B像素，對配置於左上至右下對角方向及右上至左下對角方向上之交替像素執行相加。因此，產生W、Cy及Ye色彩。其後，如圖29C中所示，將Cy及Ye分量中之每一者擴展至所有像素中。隨後，如圖29D中所示，計算以下等式G=Cy+Ye-W、B=W-Ye及R=W-Cy。如圖29E中所示，接著將W像素之分量配合至R、G及B像素中。因此，如圖29F中所示，產生用於RGB拜耳配置之四個像素。
接下來參考圖30A至圖30D中所示之示意性說明描述第二類型之像素相加。如圖30A中所示，對於R像素及B像素，在分別配置於左上至右下對角方向及右上至左下對角方向上之兩個交替像素之間執行相加。對於G像素，計算位於中心之G值與緊靠中心像素上方及下方及中心像素之左邊及右邊的四個G像素之平均值。對於W像素，如圖30B中所示，執行對角FD相加。如圖30C中所示，接著將W像素之分量配合至R、G及B像素中。因此，如圖30D中所示，產生用於RGB拜耳配置之四個像素。
接下來參考圖31A至圖31C中所示之示意性說明描述第三類型之像素相加。如圖31A中所示，對於W像素，在兩個對角鄰近之像素之間執行相加。對於R、G及B像素中之每一者，在配置於對角方向上之兩個交替像素之間執行相加。因此，獲得如圖31B中所示之色彩配置。隨後，接著將W像素之分量配合至R、G及B像素中。因此，如圖31C中所示，產生用於RGB拜耳配置之四個像素。
接下來參考圖32A至圖32D中所示之示意性說明描述第四類型之像素相加。如圖32A中所示，對於W、R、G及B像素中之每一者，執行對角兩像素(其間有一像素)FD相加。其後，藉由組合配置於以兩列為基礎之棋盤形圖案中之W像素的信號，可獲得包括W棋盤形圖案之色彩配置，如圖32B中所示。隨後，如在全掃描時執行之過程中，使用W像素與G像素之間的相關性以G像素替換W像素，如圖32C中所示。其後，如圖32D中所示，使用W像素與R像素之間的相關性及W像素與B像素之間的相關性產生用於RGB拜耳配置之R及B像素。
根據第一例示性實施例之第五實例之色彩編碼
首先參考圖33A至圖33D中所示之示意性說明描述全掃描時的色彩轉換過程。在圖33A中所示之根據第一例示性實施例之第五實例的4×4像素區塊之色彩配置中，使用解析之方向將配置成棋盤形圖案之W像素的分量擴展至所有色彩之像素中，如圖33B中所示。隨後，如圖33C中所示，使用W像素與R像素之間的相關性及W像素與B像素之間的相關性將R及B像素中之每一者之分量擴展至所有像素。其後，計算以下等式：G=W-R-B。將W像素之分量配合至所有像素中。因此，如圖33D中所示，產生用於RGB拜耳配置之四個像素。
接下來參考圖34A至圖34E中所示之示意性說明描述像素相加。如圖34A中所示，對準R、G及B像素之形心位置。對R像素之信號求和。對G像素之信號求和，且對B像素之信號求和。隨後，如圖34B中所示，藉由計算以下等式產生G信號：G=W-R-B。其後，如圖34C中所示，對於B像素執行對角方向四像素相加，且對於R像素執行上下左右五像素相加。因此，產生R像素及B像素。最終，如圖34D中所示，產生用於RGB拜耳配置之四個像素。
根據第一例示性實施例之第六實例之色彩編碼
首先參考圖35A至圖35D中所示之示意性說明描述全掃描時的色彩轉換過程1。在圖35A中所示之根據第一例示性實施例之第六實例的4×4像素區塊的色彩配置中，使用解析之方向將配置成棋盤形圖案之W像素的分量擴展至所有色彩之像素中，如圖35B中所示。隨後，如圖35C中所示，使用W像素與G像素之間的相關性以G像素替換W像素。其後，如圖35D中所示，使用W像素與R像素之間的相關性及W像素與B像素之間的相關性產生用於RGB拜耳配置之R及B像素。
接下來參考圖36A至圖36D中所示之示意性說明描述全掃描時的色彩轉換過程2。如同色彩轉換過程1，在根據第一例示性實施例之第六實例的4×4像素區塊的色彩配置中，使用解析之方向將配置成棋盤形圖案之W像素的分量擴展至所有色彩之像素中，如圖36A中所示。隨後，如圖36B中所示，使用W像素與R像素之間的相關性及W像素與B像素之間的相關性產生R及B像素。其後，如圖36C中所示，將鄰近W像素之兩個G像素之信號與W像素的信號相加以便近似為G(=W+2G)。以此方式，如圖36D中所示，產生用於拜耳配置之R及B像素中之每一者。在彼時，若找到方向，則可動態地改變相加比。
接下來參考圖37A至圖37D描述像素相加過程1。如圖37A及圖37B中所示，對於W像素及R、G及B像素中之每一者執行左上及右上對角FD相加。因此，產生W、R、G及B像素。其後，如圖37C中所示，將W像素之分量配合至像素中之每一者中。以此方式，如圖37D中所示，產生用於RGB拜耳配置之四個像素。
接下來參考圖38A至圖38D描述像素相加過程2。如圖38A及圖38B中所示，對於W像素及R、G及B像素中之每一者，執行左上及右上對角FD相加。因此，產生W、R、G及B像素。其後，如圖38C中所示，將W像素之分量配合至R及B像素中之每一者中。以此方式，如圖38D中所示，產生用於RGB拜耳配置之四個像素。
根據第一例示性實施例之第七實例之色彩編碼
首先參考圖39A至圖39D中所示之示意性說明描述全掃描時的色彩轉換過程。在圖39A中所示之根據第一例示性實施例之第七實例的4×4像素區塊之色彩配置中，使用解析之方向將配置成棋盤形圖案之G像素之分量擴展至R及B像素中，如圖39B中所示。隨後，如圖39C中所示，使用W像素與R像素之間的相關性及W像素與B像素之間的相關性由R及B像素替換W像素。因此，如圖39D中所示，產生用於RGB拜耳配置之四個像素。
接下來參考圖40A至圖40E中所示之示意性說明描述像素相加過程。如圖40A中所示，對於R像素及B像素，在分別配置於左上至右下對角方向及右上至左下對角方向上之兩個交替像素之間執行相加。因此，如圖40B中所示，產生2R及2B像素。其後，如圖40C中所示，對G像素執行對角金剛石形相加。因此，如圖40D中所示，產生4G像素。隨後，使用W像素與R像素之間的相關性、W像素與B像素之間的相關性，及W像素與B像素之間的相關性將Gw、Rw及Bw添加至W像素。以此方式，如圖40E中所示，產生用於RGB拜耳配置之四個像素。
根據第一例示性實施例之第八實例之色彩編碼
參考圖41A至圖41D中所示之示意性說明描述全掃描時的色彩轉換過程。在圖41A中所示之根據第一例示性實施例之第八實例的4×4像素區塊之色彩配置中，使用解析之方向將W像素之分量擴展至G及W像素中以便配置成棋盤形圖案，如圖41B中所示。隨後，如圖41C中所示，將W像素之分量配合至G像素中。因此，如圖41D中所示，產生用於RGB拜耳配置之四個像素。
接下來參考圖42A至圖42D中所示之示意性說明描述像素相加過程。如圖42A中所示，對準G及W像素之形心位置。對G像素之信號求和，且對W像素之信號求和。隨後，如圖42B中所示，將W像素之分量配合至G像素中。因此，產生G=G+Gw。其後，如圖42C中所示，對於B像素執行對角方向四像素相加，且對於R像素執行上下左右五像素相加。因此，如圖42D中所示，產生用於RGB拜耳配置之四個像素。
根據第一例示性實施例之第九實例之色彩編碼
參考圖43A至圖43C中所示之示意性說明描述全掃描時的色彩轉換過程。在圖43A中所示之根據第一例示性實施例之第九實例的4×4像素區塊之色彩配置中，使用解析之方向將G像素之分量擴展至R及B像素中，如圖43B中所示。隨後，如圖43C中所示，使用G像素與R像素之間的相關性及G像素與B像素之間的相關性產生用於RGB拜耳配置之四個像素。
接下來參考圖44A至圖44B中所示之示意性說明描述像素相加過程。如圖44A中所示，對具有同一色彩之2×2像素區塊之四個像素的信號執行FD相加。最終，如圖44B中所示，產生用於RGB拜耳配置之四個像素。
2.　第二例示性實施例
接下來參考隨附圖式描述第二例示性實施例。
系統組態
圖1為CMOS影像感應器的例示性系統組態之示意性說明，該CMOS影像感應器為根據基於第一例示性實施例之第二例示性實施例之固態成像裝置(X-Y定址固態成像裝置)的實例。
如圖1中所示，CMOS影像感應器10、10A、10B、…中之每一者包括半導體基板(下文中亦稱為「感應器晶片」)11、像素陣列單元12、垂直驅動單元13、行處理單元14、水平驅動單元15、轉換處理單元16、系統控制單元17及彩色濾光片陣列(彩色濾光片單元)30。如圖2中所示，單位像素20包括光電二極體21、轉移電晶體22、重設電晶體23、放大電晶體24，及選擇電晶體25，及浮動擴散(FD)單元26。參考數字「40」表示DSP電路。
根據本實施例，在CMOS影像感應器10A中，在半導體基板(感應器晶片)11上形成像素陣列單元12。另外，將周邊電路單元整合至上面形成有像素陣列單元12之半導體基板11上。舉例而言，周邊電路單元包括垂直驅動單元13、行處理單元14、水平驅動單元15、轉換處理單元16及系統控制單元17。
像素陣列單元12包括二維配置於陣列中之複數個單位像素(未圖示)，其每一者包括光電轉換元件。單位像素(下文中亦簡單地稱為「像素」)將入射於其上之可見光光電轉換為根據可見光之強度的電荷。彩色濾光片陣列30提供於像素陣列單元12上，位於光接收表面(光入射表面)之側上。本例示性實施例之關鍵特徵中之一者為彩色濾光片陣列30的色彩編碼。以下更詳細地描述彩色濾光片陣列30之色彩編碼。
此外，在像素陣列單元12中，對於像素陣列之列中之每一者，像素驅動線18安置於圖1之左右方向上(配置像素列之像素之方向或水平方向)。類似地，對於像素陣列之行中之每一者，垂直信號線19安置於圖1的上下方向上(配置像素行之像素之方向或垂直方向)。在圖1中，雖然僅說明一個像素驅動線18，但像素驅動線18之數目不限於1。像素驅動線18之一末端連接至垂直驅動單元13之對應於該等列中的一者之輸出端子。
舉例而言，垂直驅動單元13包括移位暫存器及位址解碼器。儘管其詳細組態在圖1中未展示，但垂直驅動單元13包括讀出掃描系統及掃除掃描系統。讀出掃描系統逐列地順序掃描單位像素，自該等單位像素讀取信號。
相比之下，在由讀出掃描系統執行之對讀出列之讀出掃描操作之前由快門速度判定的時間，掃除掃描系統執行掃除掃描以使得不必要電荷被從讀出列中之單位像素之光電轉換元件掃除(重設)。藉由使用掃除掃描系統掃除(重設)不必要電荷，執行所謂電子快門操作。亦即，在電子快門操作中，光電轉換元件之光電荷被丟棄，且開始新曝光操作(光電荷之累積)。
經由由讀出掃描系統執行之讀出操作讀取之信號對應於在執行緊接於前之讀出操作或電子快門操作之後入射的光之量。另外，自緊接於前之讀出操作之讀出時間點或電子快門操作的掃除時間點至當前讀出操作之讀出時間點之時間週期對應於單位像素中的光電荷之累積時間(曝光時間)。
自由垂直驅動單元13選擇及掃描之像素列中之單位像素中的每一者輸出之信號被經由垂直信號線19中之相應者供應至行處理單元14。對於像素陣列單元12之像素行中之每一者，行處理單元14對自選定列中之像素輸出之類比像素信號執行預定信號處理。
由行處理單元14執行之信號處理之實例為相關二重取樣(CDS)過程。在CDS過程中，擷取自選定列中之像素中之每一者輸出的重設位準及信號位準，且計算位準之間的差。因此，獲得選定列中之像素之信號。另外，移除像素之固定樣式雜訊。行處理單元14可具有用於將類比像素信號轉換為數位格式之類比至數位(A/D)轉換功能。
舉例而言，水平驅動單元15包括移位暫存器及位址解碼器。水平驅動單元15順序選擇並掃描對應於行處理單元14之像素行之電路部分。像素行中之每一者經由由水平驅動單元15執行之選擇掃描操作由行處理單元14順序處理且經順序輸出。
轉換處理單元16執行計算且將對應於彩色濾光片陣列(彩色濾光片單元)30之色彩配置且自像素陣列單元12之像素經由行處理單元14輸出的信號轉換為對應於拜耳配置之信號。本實施例之關鍵特徵中之另一者為轉換處理單元16安裝於上面形成像素陣列單元12的基板(亦即，感應器晶片11)上，色彩轉換過程係在感應器晶片11中執行，且對應於拜耳配置之信號係自感應器晶片11輸出。以下更詳細地描述由轉換處理單元16執行之色彩轉換過程。
當廣泛使用時，術語「拜耳配置」表示用於高解析度的充當亮度信號之主要色彩資訊分量之色彩配置成棋盤形圖案，且用於不高之解析度的充當亮度信號之色彩資訊分量的其他兩個色彩配置於棋盤形圖案之其他區域中的色彩配置。在拜耳配置之基礎色彩編碼形式中，具有亮度信號之高貢獻的綠色(G)配置成棋盤形圖案，且紅色(R)及藍色(B)配置於棋盤形圖案之其他區域中。
系統控制單元17接收自感應器晶片11外提供之時脈及用於指示操作模式之資料。另外，系統控制單元17輸出表示CMOS影像感應器10之內部資訊之資料。此外，系統控制單元17包括產生多種時序信號之時序產生器。系統控制單元17使用由時序產生器產生之多種時序信號來控制垂直驅動單元13、行處理單元14、水平驅動單元15及轉換處理單元16之驅動。
單位像素之電路組態
圖2為單位像素20之例示性電路圖。如圖2中所示，例示性電路圖中所說明之單位像素20包括光電轉換元件(例如，光電二極體21)及四個電晶體(例如，轉移電晶體22、重設電晶體23、放大電晶體24及選擇電晶體25)。
在此實例中，N通道MOS電晶體用於轉移電晶體22、重設電晶體23、放大電晶體24及選擇電晶體25。然而，使用轉移電晶體22、重設電晶體23、放大電晶體24及選擇電晶體25之導電類型之組合僅為實例，且組合不限於此。
舉例而言，作為像素驅動線18，三個驅動線(亦即，轉移線181、重設線182及選擇線183)被提供至同一像素列中之單位像素20中之每一者。轉移線181之一末端、重設線182之一末端及選擇線183的一末端連接至垂直驅動單元13之對應於像素列中之一者的輸出端子。
光電二極體21之陽極連接至負電源(例如，地面)。光電二極體21將所接收的光光電轉換為根據所接收之光量的光電荷(此例示性實施例中之光電子)。光電二極體21之陰極經由轉移電晶體22連接至放大電晶體24之閘電極。電連接至放大電晶體24之閘電極之節點26被稱為「浮動擴散(FD)單元」。
轉移電晶體22連接於光電二極體21之陰極與FD單元26之間。當將具有有效高位準(例如，Vdd位準)之轉移脈衝ΦTRF(下文中被稱為「高有效轉移脈衝」)經由轉移線181供應至轉移電晶體22之閘電極時，轉移電晶體22接通。因此，轉移電晶體22將由光電二極體21光電轉換之光電荷轉移至FD單元26。
重設電晶體23之汲電極連接至像素電源Vdd。重設電晶體23之源電極連接至FD單元26。在信號電荷自光電二極體21轉移至FD單元26之前，將高有效重設脈衝ΦRST經由重設線182供應至重設電晶體23之閘電極。當重設脈衝ΦRST供應至重設電晶體23時，重設電晶體23接通。因此，重設電晶體23藉由將FD單元26之電荷放電至像素電源Vdd來重設FD單元26。
放大電晶體24之閘電極連接至FD單元26。放大電晶體24之汲電極連接至像素電源Vdd。在FD單元26由重設電晶體23重設之後，放大電晶體24以重設信號(重設位準)Vreset之形式輸出FD單元26之電位。另外，在信號電荷由轉移電晶體22轉移之後，放大電晶體24以光累積信號(信號位準)Vsig之形式輸出FD單元26之電位。
舉例而言，選擇電晶體25之汲電極連接至放大電晶體24之源電極。選擇電晶體25之源電極連接至垂直信號線17。當將高有效選擇脈衝ΦSEL經由選擇線163供應至選擇電晶體25之閘電極時，選擇電晶體25接通。因此，選擇電晶體25使單位像素20進入選定模式以使得自放大電晶體24輸出之信號被中繼至垂直信號線17。
請注意，可採用選擇電晶體25連接於像素電源Vdd與放大電晶體24之汲極之間的電路組態。
應注意，單位像素20之像素結構不限於上述四電晶體像素結構。舉例而言，單位像素20可具有三電晶體像素結構，其中放大電晶體24及選擇電晶體25之功能由一個電晶體執行。因此，可採用像素電路之任何組態。
大體而言，為了增加當捕獲移動影像時的圖框速率，執行自複數個相鄰像素輸出之信號經求和並讀出之像素相加。像素相加係在像素、信號線、行處理單元14，或下游信號處理單元中執行。在本實施例中，舉例而言，描述四個像素經配置以在垂直方向及水平方向上彼此鄰近之像素結構。
圖3為允許在像素中執行四個相鄰像素之像素相加之電路的例示性組態之電路圖。在恰當處，在描述圖3時將使用與在上文描述圖2時利用之編號相同的編號。
在圖3中，經配置以在垂直方向及水平方向上鄰近彼此之四個像素之光電二極體21表示為光電二極體21-1、21-2、21-3及21-4。四個轉移電晶體22-1、22-2、22-3及22-4分別提供至光電二極體21-1、21-2、21-3及21-4。另外，使用一重設電晶體23、一放大電晶體24及一選擇電晶體25。
亦即，轉移電晶體22-1之電極中之一者、轉移電晶體22-2之電極中之一者、轉移電晶體22-3之電極中之一者，及轉移電晶體22-4之電極中之一者分別連接至光電二極體21-1之陰極、光電二極體21-2之陰極、光電二極體21-3之陰極及光電二極體21-4之陰極。轉移電晶體22-1之另一電極、轉移電晶體22-2之另一電極、轉移電晶體22-3的另一電極，及轉移電晶體22-4之另一電極共同連接至放大電晶體24之閘電極。另外，由光電二極體21-1、21-2、21-3及21-4共用之FD單元26電連接至放大電晶體24之閘電極。重設電晶體23之汲電極連接至像素電源Vdd，且重設電晶體23之源電極連接至FD單元26。
在支援四個相鄰像素之像素相加之上述像素結構中，藉由同時將轉移脈衝ΦTRF提供至四個轉移電晶體22-1、22-2、22-3及22-4，可執行四個相鄰像素之像素相加。亦即，由四個轉移電晶體22-1、22-2、22-3及22-4自光電二極體21-1、21-2、21-3及21-4轉移至FD單元26之信號電荷由FD單元26求和。
相比之下，藉由在不同時間點將轉移脈衝ΦTRF提供至四個轉移電晶體22-1、22-2、22-3及22-4，可逐像素地輸出信號。亦即，當捕獲移動影像時，可藉由執行像素相加增加圖框速率。相比之下，當捕獲靜止影像時，可藉由獨立地讀取所有像素之信號來增加解析度。
彩色濾光片陣列之色彩編碼
接下來描述係本例示性實施例之特徵中之一者的彩色濾光片陣列30之色彩編碼。
根據本例示性實施例，彩色濾光片陣列30採用充當亮度信號之主要色彩資訊分量中之一者的第一色彩之濾光片配置成棋盤形圖案的色彩編碼。另外，用於一系列四個像素的主要色彩資訊分量中之第二色彩的濾光片形成群組，且該等群組經配置以便在對角方向、垂直方向及水平方向中之一者上形成條形圖案。在本實施例中，亮度信號之主要色彩中之第一色彩及第二色彩之濾光片為(例如)W濾光片及G濾光片。
亮度信號之主要分量之W及G色彩之濾光片具有高於其他色彩的濾光片(更具體言之，R及B濾光片)之敏感性的敏感性。詳言之，W濾光片具有G濾光片之敏感性的約兩倍的敏感性。因此，藉由將W及G濾光片(詳言之，W濾光片)配置成棋盤形圖案，可增加敏感性(S/N比)。然而，因為W濾光片含有各種色彩資訊，所以不同於物體之原始色彩之假色彩傾向於顯現。相比之下，儘管G濾光片具有比W濾光片之敏感性低的敏感性，但G濾光片產生極少假色彩。亦即，在敏感性與假色彩之產生之間存在取捨。
當W濾光片配置成棋盤形圖案用於主要色彩時，R、G及B濾光片配置於棋盤形圖案之其他區域中用於其他色彩資訊分量。相比之下，當G濾光片配置成棋盤形圖案用於主要色彩時，R及B濾光片配置於棋盤形圖案之其他區域中用於其他色彩資訊分量。
以此方式，對於彩色濾光片陣列30，藉由使用用於亮度信號之主要色彩之W濾光片配置成棋盤形圖案的色彩編碼，CMOS影像感應器10之敏感性可得以增加，因為W濾光片具有高於另一色彩之濾光片的敏感性。相比之下，對於彩色濾光片陣列30，藉由使用用於亮度信號之主要色彩之G濾光片配置成棋盤形圖案的色彩編碼，CMOS影像感應器10之色彩再現性可得以增加，因為G濾光片產生極少假色彩。
另外，在根據本實施例之CMOS影像感應器10A中，當使用使用該等色彩編碼方法中之任一者之彩色濾光片陣列30時，對應於色彩配置之信號由感應器晶片11轉換為對應於拜耳配置的信號。在彼時，因為充當亮度信號之主要分量之色彩配置成棋盤形圖案，所以可使用充當亮度信號之主要分量之色彩的信號恢復在垂直方向及水平方向上鄰近該色彩的像素之其他色彩之信號。因此，可增加由轉換處理單元16執行之色彩轉換之效率。
另外，藉由自感應器晶片11輸出對應於拜耳配置之信號，用於拜耳配置之現有DSP可用作下游信號處理單元。基本上，用於拜耳配置之DSP使用自感應器晶片11輸出且對應於拜耳配置之信號產生亮度信號Y及兩個色差信號U(B-Y)及V(R-Y)。
以此方式，因為可使用用於拜耳配置之現有DSP，所以即使彩色濾光片陣列30之色彩編碼改變時，成本高昂之新DSP開發亦並非必要的。因此，可以低成本製造包括DSP之照相機模組。結果，可預期使用(尤其)W濾光片之彩色濾光片陣列30之普遍使用。
彩色濾光片陣列之色彩編碼之實例
以下詳細描述色彩編碼之實例，該等色彩編碼實例促進將對應於充當亮度信號之主要分量之色彩的濾光片配置成棋盤形圖案之色彩配置之信號轉換為對應於RGB拜耳配置的信號。
第二例示性實施例之第一實例
圖45為說明根據第二例示性實施例之第一實例之色彩編碼的色彩配置圖。如圖45中所示，在根據第二例示性實施例之第一實例之色彩編碼中，W濾光片配置成棋盤形圖案。另外，R濾光片在垂直方向及水平方向上以兩像素的間距配置成棋盤形圖案。類似地，B濾光片在垂直方向及水平方向上以兩像素的間距配置成棋盤形圖案。此外，R濾光片中之一者自B濾光片中之一者對角地偏移一個像素。另外，G濾光片配置於棋盤形圖案之其他區域中。
更具體言之，在包括位於垂直方向及水平方向中之每一者上之四個像素的陣列中，W濾光片配置成棋盤形圖案。R濾光片配置於第二列及第一行中及第四列及第三行中。B濾光片配置於第一列及第二行中及第三列及第四行中。此陣列為具有兩像素間距之棋盤形圖案。另外，G濾光片配置於棋盤形圖案之其他區域中。在彼時，G濾光片形成對角條形圖案。
第二例示性實施例之第二實例
圖46為說明根據第二例示性實施例之第二實例之色彩編碼的色彩配置圖。如圖46中所示，在根據第二例示性實施例之第二實例之色彩編碼中，W濾光片配置成棋盤形圖案。R濾光片在垂直方向及水平方向上以四像素的間距呈正方形配置成棋盤形圖案。類似地，B濾光片在垂直方向及水平方向上以四像素的間距呈正方形配置成棋盤形圖案。另外，R濾光片及B濾光片自彼此對角地偏移兩個像素。另外，G濾光片配置於棋盤形圖案之其他區域中。
更具體言之，在包括位於垂直方向及水平方向中之每一者上之四個像素的陣列中，W濾光片配置成棋盤形圖案。R濾光片安置於第三列及第四行中。B濾光片安置於第一列及第二行中及第二列及第一行中。此陣列為具有垂直方向及水平方向上之四像素間距之正方形陣列。另外，G濾光片配置於棋盤形圖案之其他區域中。在彼時，G濾光片形成對角條形圖案。
根據上述第一及第二實例之色彩編碼方法使用具有充當亮度信號之主要分量的色彩(其最大化輸出位準)之W濾光片配置成棋盤形圖案的色彩配置。因為包括R、G及B色彩分量之W濾光片配置成棋盤形圖案，所以可增加對應於RGB拜耳配置之信號的轉換精確度。
此等色彩編碼方法之關鍵特徵為，若在以下所述之色彩轉換過程期間W濾光片由G濾光片替換，則R及B濾光片之位置與拜耳配置之R及B濾光片的位置部分重合。另外，對於色彩未重合之位置，可使用關於具有W濾光片之像素之資訊。因此，可恢復R及B像素資訊。結果，可顯著增加轉換效率。
另外，根據第二例示性實施例之第一及第二實例之色彩編碼方法的關鍵特徵為，W濾光片配置成棋盤形圖案，且配置於對角方向上之一系列四個G濾光片反覆顯現以使得形成對角條形圖案。在此等色彩編碼方法中，藉由將鄰近具有W濾光片之像素之具有G濾光片的像素之信號與W濾光片之信號相加，及使用總和作為亮度信號的主要分量，可增加亮度信號之強度。因此，可增加敏感性(S/N比)。詳言之，在根據第一實例之色彩編碼方法中，R濾光片在垂直方向及水平方向上以兩像素的間距配置成棋盤形圖案。另外，R濾光片中之每一者自B濾光片中之一者對角地偏移一個像素。因此，可增加轉換為對應於拜耳配置之信號之效率。
在根據第二實施例之第一及第二實例之色彩編碼方法中，配置於對角方向上之一系列四個G濾光片反覆顯現以使得形成對角條形圖案。因此，在此等色彩編碼方法中，藉由將鄰近W像素之一或多個G像素之信號與W像素之信號相加，且使用總和信號作為亮度信號之主要分量，可在未降低解析度的情況下提供高敏感性(高S/N比)。不僅在配置於對角方向上之一系列四個G濾光片反覆顯現以使得形成對角條形圖案時，而且在配置於垂直方向或水平方向上之一系列四個G濾光片反覆顯現以使得形成條形圖案時，可提供此優勢。
敏感性比W:G:R:B
接下來描述敏感性比W:G:R:B。在包括W濾光片之色彩編碼中，具有高輸出信號位準之W濾光片像素比具有其他彩色濾光片的像素更早飽和。因此，有必要維持W、G、R及B像素間之敏感性平衡，亦即，藉由降低W濾光片像素之敏感性及相對W濾光片像素之敏感性增加其他彩色濾光片像素的敏感性來調整敏感性比W:G:R:B。
為了調整敏感性比，可使用廣泛使用之曝光控制技術。更具體言之，藉由針對彩色濾光片陣列30之像素中之每一者調整提供於彩色濾光片陣列30外的晶片上微透鏡之大小，入射於個別色彩上之光之量中的平衡為可維持的(參考(例如)日本未審查專利申請公開案第9-116127號)。藉由使用此技術及與其他色彩中的每一者之晶片上微透鏡的大小相比將用於W色彩之晶片上微透鏡之大小減少，可降低W濾光片像素之敏感性。以此方式，可相對增加其他彩色濾光片像素中之一者之敏感性。
或者，可使用曝光控制技術，其中，在包括W濾光片之色彩編碼中，可藉由移除用於W像素之晶片上微透鏡來降低敏感性之間的差，且可藉由增加色彩敏感性來改良色彩S/N(參考(例如)日本未審查專利申請公開案第2007-287891號)。藉由使用此技術，可降低W濾光片像素之敏感性。以此方式，可相對增加其他彩色濾光片像素中之一者之敏感性。
再或者，可使用用於藉由執行快門曝光控制來防止不當色彩平衡之技術，在該快門曝光控制中，與R或B濾光片像素之曝光時間相比降低G濾光片像素之曝光時間(參考(例如)日本未審查專利申請公開案第2003-60992號)。藉由將此快門曝光控制技術與對光接收區域之控制組合，可降低W濾光片像素之敏感性。以此方式，可相對增加其他彩色濾光片像素中之一者之敏感性。此外，詳言之，可消除移動物體之有色輪廓之發生。結果，由外部信號處理單元(DSP)執行之消色差過程為不必要的。
請注意，用於調整敏感性比之上述三種曝光控制技術僅為實例。曝光控制技術不限於此。
舉例而言，設定用於W像素之晶片上微透鏡之大小使得W、G、B及R像素的輸出位準實質上具有比例2:1:0.5:0.5。
對於1.1-μm像素，當用於W像素之晶片上微透鏡之大小變化±0.1μm時，面積加倍及減半。因此，敏感性加倍或減半。因此，可調整具有與G像素之面積相同之面積且具有G像素的輸出位準兩倍之輸出位準之W像素的輸出位準以使得輸出位準相同。即使當晶片上微透鏡之大小變化±0.05μm，面積為原始面積之±1.42倍且，因此，W像素之敏感性可降低至G像素之1.42倍。在此狀況下，可藉由快門曝光控制執行敏感性之進一步調整。
色彩轉換過程
接下來更詳細地描述由轉換處理單元16執行之用於將信號轉換為對應於RGB拜耳配置之信號的過程(亦即，色彩轉換過程)。
提供以下兩種類型之色彩轉換過程：當捕獲靜止影像時(在掃描所有像素之全掃描時)執行之色彩轉換過程及當捕獲移動影像時(在將像素之相鄰複數個像素之信號與該像素之信號相加之像素相加時)執行之色彩轉換過程。在根據第一及第二實例之色彩編碼的狀況下，可執行具有高敏感性之色彩轉換過程。因此，可使用低亮度模式且因此，在全掃描時執行之色彩轉換過程可劃分為兩個色彩轉換過程。
兩個色彩轉換過程中之一者係在入射光之亮度高於預定參考亮度時執行。此色彩轉換過程被稱為「色彩轉換過程1」。另一色彩轉換過程係在入射光之亮度低於或等於預定參考亮度時執行。此色彩轉換過程被稱為「色彩轉換過程2」。另外，在像素相加時執行之色彩轉換過程可根據待相加之像素的組合而劃分為複數個色彩轉換過程。
根據第二例示性實施例之第一實例之色彩編碼
接下來描述針對根據第二例示性實施例之第一實例之色彩編碼執行的色彩轉換過程。首先，參考圖13中所示之流程圖及圖14A至圖14D中所示之示意性說明描述在全掃描時以高亮度模式執行的色彩轉換過程1。
如由圖13中所示之流程圖所說明，高亮度模式中之色彩轉換過程1係藉由順序執行步驟S11、S12及S13中的處理來實現。圖14A說明根據第一實例之色彩編碼之4×4色彩配置。
在步驟S11中，如圖14B中所示，藉由判定解析之方向將配置成棋盤形圖案之白色(W)像素之分量擴展至所有色彩之像素中。當在本文中使用時，術語「解析之方向」指代像素信號存在於之方向。在圖14B中，由透明正方形圍繞之「W」表示將W像素之分量擴展至所有色彩中之每一者中之後W像素之分量。
為了將W像素之分量擴展至其他色彩之像素中，可應用基於廣泛使用之方向相關性之信號處理。舉例而言，在基於方向相關性之信號處理中，獲得對應於特定像素之複數個色彩信號，且獲得垂直方向及/或水平方向上的相關性值(參考(例如)日本專利第2931520號)。
在步驟S12中，如圖14C中所示，使用W像素與G像素之間的相關性以G像素替換W像素。如自各種色彩編碼之上述色彩配置可見，W像素鄰近G像素。就特定區域中W像素與G像素之間的相關性而言，W像素及G像素具有強相關性，因為W像素及G像素中之任一者具有充當亮度信號之主要分量的色彩。因此，相關性值(相關性係數)幾乎為1。藉由使用色彩相關性判定解析之方向及將W像素之輸出位準改變為等效於G像素的輸出位準之位準，W像素由G像素替換。
在步驟S13中，使用W像素與R像素之間的相關性及W像素與B像素之間的相關性產生用於圖14D中所示之拜耳配置的R像素及B像素。因為W像素包括R、G及B色彩分量，所以可獲得W像素與R像素之間的相關性及W像素與B像素之間的相關性。對於信號處理，可使用藉由內插法就每個像素產生在四色彩配置中待由G替換之亮度信號之現有技術(參考(例如)日本未審查專利申請公開案第2005-160044號)。
隨後，參考圖15中所示之流程圖及圖16A至圖16D中所示之示意性說明描述在全掃描時以低亮度模式執行的色彩轉換過程2。
首先，如圖16A中所示，藉由使用基於上述方向相關性之信號處理檢查解析的方向(步驟S21)。其後，判定是否可判定解析之方向(步驟S22)。若可判定解析之方向，則將配置成棋盤形圖案之W像素之分量擴展至所有色彩的像素中(步驟S23)。
隨後，如圖16B中所示，使用W像素與R像素之間的相關性及W像素與B像素之間的相關性產生R像素及B像素(步驟S24)。其後，如圖16C中所示，將鄰近W像素之兩個R像素之信號與W像素的信號相加以便近似為G(=W+2G)。以此方式，如圖16D中所示，產生用於拜耳配置的R及B像素中之每一者(步驟S25)。
然而，若，在步驟S22中，未判定解析之方向，則使用在垂直方向及水平方向上鄰近W像素之四個像素藉由使用簡單四像素平均內插法產生用於拜耳配置的R像素及B像素中的每一者(步驟S26)。
如上述，藉由根據入射光之亮度使用色彩轉換過程1及色彩轉換過程2，可在感應器晶片11上將對應於W濾光片配置成棋盤形圖案之色彩配置之信號轉換為對應於RGB拜耳配置之信號，且可輸出信號。
接下來描述用於移動影像捕獲的在像素相加時執行之兩個色彩轉換過程。下文中，兩個色彩轉換過程中之一者被稱為「像素相加過程1」，且另一色彩轉換過程被稱為「像素相加過程2」。
首先，參考圖47中所示之流程圖及圖48A至圖48D中所示之示意性說明描述像素相加過程1。
對對角地鄰近彼此之兩個W像素執行相加(步驟S31)。更具體言之，如圖48A中所示，對所關注之像素及位於所關注之像素的右下方之像素(亦即，向右一行及向下一列之像素)執行相加。可藉由同時將轉移脈衝ΦTRF提供至係相加之目標之兩個像素的轉移電晶體22(此實例中之轉移電晶體22-1及22-4)來在圖3中所示之像素結構中執行此相加。以此方式，可在FD單元26中執行兩像素相加。下文中，此像素相加被稱為「FD相加」。
隨後，對於R、G及B像素中之每一者，對配置於相反對角方向上且其間有一像素之兩個像素執行相加(步驟S32)。更具體言之，如圖48B中所示，對所關注之像素及位於所關注之像素的左下方之像素(亦即，向右兩行及向下兩列之像素)(其間有一像素)執行相加。對於R、G及B像素中之每一者，當圖1中所示之行處理單元14具有A/D轉換功能時，可在A/D轉換期間執行此相加。
更具體言之，在圖19中所示之色彩配置中，獨立地讀取像素B1及G1之信號。在信號經A/D轉換之後，像素B2及G3之信號經連續讀取且經A/D轉換。以此方式，可執行兩像素相加。為了在由行處理單元14執行之A/D轉換期間執行像素相加，可使用用於使用計數器將類比像素信號轉換為數位像素信號之現有技術(參考(例如)日本未審查專利申請公開案第2006-033454號)。
下文中，使用A/D轉換器之計數器執行之此像素相加被稱為「計數器相加」。當執行計數器相加時且若逐線地改變增益，則相加比可變化。類似地，可對R像素執行計數器相加。請注意，在用於W像素之上述兩像素相加中，FD相加在像素W1與像素W2之間及像素W3與像素W4之間執行。
其後，如圖48C中所示，將W像素之分量配合至R、G及B像素中(步驟S33)。隨後，如圖48D中所示，產生用於RGB拜耳配置之四個像素(步驟S34)。
隨後，參考圖20中所示之流程圖及圖21A至圖21D中所示之示意性說明描述像素相加過程2。
首先，對於W像素及G像素，在分別位於左上至右下對角方向及右上至左下對角方向上之兩個像素之間執行FD相加。因此，產生W、R、G及B像素(步驟S41)。更具體言之，對於W像素，如圖21A中所示，在所關注之像素與位於所關注之像素的右下方之像素(亦即，向右一行及向下一列之像素)之間執行FD相加。對於G像素，如圖21B中所示，在所關注之像素與位於所關注之像素的左下方之像素(亦即，向左一行及向下一列之像素)之間執行FD相加。
請注意，在4×4區塊之八個像素中，未使用R及B信號對。亦即，在未執行像素相加之情況下以稀疏方式讀取R像素及B像素。因此，與像素相加過程1中之敏感性相比，R及B之敏感性降低。因此，色彩S/N比為低的。
其後，如圖21C中所示，將W像素之分量配合至R、G及B像素中(步驟S42)。隨後，如圖21D中所示，產生用於RGB拜耳配置之四個像素(步驟S43)。在像素相加過程2之狀況下，拜耳配置之形心位置自像素相加過程1中的形心位置略微偏移。
如上述，藉由在捕獲移動影像時使用像素相加過程1及像素相加過程2中之一者，可在感應器晶片11上將對應於W濾光片配置成棋盤形圖案之色彩配置之信號轉換為對應於RGB拜耳配置之信號，且可輸出信號。
根據第二例示性實施例之第二實例之色彩編碼
接下來描述用於根據第二例示性實施例之第二實例之色彩編碼的色彩轉換過程。用於根據第二例示性實施例之第二實例之色彩編碼的一系列過程係基於用於根據第二例示性實施例之第一實例之色彩編碼的過程。
參考圖49A至圖49D中所示之示意性說明描述全掃描時的色彩轉換過程1。在圖49A中所示之根據第二實例的4×4像素區塊之色彩配置中，使用解析之方向將配置成棋盤形圖案之W像素之分量擴展至所有色彩之像素中，如圖49B中所示。隨後，如圖49C中所示，使用W像素與G像素之間的相關性以G像素替換W像素。其後，如圖49D中所示，使用W像素與R像素之間的相關性及W像素與B像素之間的相關性產生用於RGB拜耳配置之R及B像素。
接下來參考圖50A至圖50D中所示之示意性說明描述全掃描時的色彩轉換過程2。如在色彩轉換過程1中，在根據第二實例之4×4像素區塊的色彩配置中，使用解析之方向將配置成棋盤形圖案之W像素的分量擴展至所有色彩之像素中，如圖50A中所示。隨後，如圖50B中所示，使用W像素與R像素之間的相關性及W像素與B像素之間的相關性產生R像素及B像素。其後，如圖50C中所示，將鄰近W像素之兩個G像素之信號與W像素的信號相加以便近似為G(=W+2G)。以此方式，如圖50D中所示，產生用於拜耳配置之R及B像素中之每一者。在彼時，若找到方向，則可動態地改變相加比。
接下來參考圖51A至圖51D描述像素相加過程1。如圖51A及圖51B中所示，對於W像素及R、G及B像素中之每一者，執行左上及右上對角FD相加。因此，產生W、R、G及B像素。其後，如圖51C中所示，將W像素之分量配合至像素中之每一者中。以此方式，如圖51D中所示，產生用於RGB拜耳配置之四個像素。
接下來參考圖52A至圖52D描述色彩轉換過程2。如圖52A及圖52B中所示，對於W像素及R、G及B像素中之每一者，執行左上及右上對角FD相加。因此，產生W、R、G及B像素。其後，如圖51C中所示，將W像素之分量配合至R及B像素中之每一者中。以此方式，如圖52D中所示，產生用於RGB拜耳配置之四個像素。
如上述，藉由執行用於根據第一及第二實例(其中具有充當亮度信號之主要分量之色彩的W濾光片配置成棋盤形圖案且G濾光片經對角配置以便形成條形圖案)之色彩編碼的上述信號處理，可提供以下優勢。亦即，藉由將鄰近W像素之G像素之信號與W像素的信號相加及使用該總和作為亮度信號之主要分量執行信號處理，可增加亮度信號之強度。因此，可增加敏感性同時解析度之降低最小化。
第三例示性實施例 系統組態
圖53為CMOS影像感應器的例示性系統組態之示意性說明，該CMOS影像感應器為根據第三例示性實施例之固態成像裝置(X-Y定址固態成像裝置)的實例。當恰當處，在描述圖53時將使用與在上文描述圖1時利用之相同編號。
在根據第二例示性實施例之上述CMOS影像感應器10A中，安置於感應器晶片11上之轉換處理單元16將對應於彩色濾光片陣列30之色彩配置的信號轉換為對應於RGB拜耳配置之信號。相比之下，在根據本實施例之CMOS影像感應器10B中，對應於彩色濾光片陣列30之色彩配置之W、R、G及B信號係直接自感應器晶片11以原始資料的形式輸出。
另外，根據本實施例，CMOS影像感應器10B允許係感應器晶片11之外部電路之DSP電路40對自感應器晶片11輸出的原始資料執行色彩轉換過程。DSP電路40將自感應器晶片11輸出之W、R、G及B信號轉換為對應於RGB拜耳配置之信號。其後，DSP電路40執行廣泛使用之解馬賽克過程。在解馬賽克過程中，藉由使用圍繞像素之像素之信號供應缺失色彩資訊而將色彩資訊添加至像素中之僅具有單色資訊的每一者之信號，且產生全色影像。
以此方式，根據本實施例之CMOS影像感應器10B之關鍵特徵為對應於彩色濾光片陣列30的色彩配置之W、R、G及B信號係直接自感應器晶片11輸出且由DSP電路40轉換為對應於RGB拜耳配置之信號。因此，因為像素陣列單元12、垂直驅動單元13、行處理單元14、水平驅動單元15，及系統控制單元17之組態及操作類似於第二例示性實施例中之彼等單元的組態及操作，所以其描述不再重複。
彩色濾光片陣列之色彩編碼
如同根據第二例示性實施例之CMOS影像感應器10A，根據本實施例之CMOS影像感應器10B具有促進轉換為對應於RGB拜耳配置之信號的彩色濾光片陣列30之色彩編碼。
亦即，彩色濾光片陣列30採用其中充當亮度信號之主要色彩資訊分量中之一者的第一色彩(W或G)之濾光片配置成棋盤形圖案的色彩編碼。另外，用於一系列四個像素之主要色彩資訊分量之第二色彩(G或W)的濾光片形成群組，且該等群組經配置以便在對角方向、垂直方向及水平方向中之一者上形成條形圖案。使用具有此色彩編碼之彩色濾光片陣列30之優勢與第二例示性實施例之優勢相同。
彩色濾光片陣列之色彩編碼之實例
如同第二例示性實施例，根據第三例示性實施例，可提供色彩編碼之第一及第二實例。第一及第二實例促進對應於其中充當亮度信號之主要分量之色彩的濾光片配置成棋盤形圖案之色彩配置之信號轉換為對應於RGB拜耳配置的信號。
亦即，在根據第三例示性實施例之第一實例之色彩編碼中，W濾光片配置成棋盤形圖案。另外，R濾光片在垂直方向及水平方向上以兩像素間距配置成棋盤形圖案。類似地，B濾光片在垂直方向及水平方向上以兩像素間距配置成棋盤形圖案。此外，R濾光片中之每一者自B濾光片中之一者對角地偏移一個像素。另外，G濾光片配置於棋盤形圖案之其他區域中(參看圖45)。再者，在根據第三例示性實施例之第二實例之色彩編碼中，W濾光片配置成棋盤形圖案。R濾光片在垂直方向及水平方向上以四像素間距呈正方形配置。類似地，B濾光片在垂直方向及水平方向上以四像素間距呈正方形配置。另外，R濾光片中之兩個及B濾光片中之兩個在對角方向上經交替配置。另外，G濾光片配置於棋盤形圖案之其他區域中(參看圖46)。
色彩轉換過程
接下來更詳細地描述由DSP電路40執行之用於將對應於彩色濾光片陣列30之色彩配置且自感應器晶片11以原始資料的形式輸出之信號轉換為對應於RGB拜耳配置之信號的過程。
如同第二例示性實施例，當執行色彩轉換過程時，調整W:G:R:B之像素敏感性比。另外，如同第二例示性實施例，提供以下兩種類型之色彩轉換過程：在全掃描時執行之色彩轉換過程及在像素相加時執行之色彩轉換過程。另外，提供以下兩種類型之色彩轉換過程：在入射光之亮度高於預定參考亮度之高亮度模式下執行的色彩轉換過程1及在入射光之亮度低於或等於參考亮度之低亮度模式下執行之色彩轉換過程2。
根據第三例示性實施例之第一實例之色彩編碼
接下來描述在根據第三例示性實施例之第一實例之色彩編碼的狀況下執行之色彩轉換過程。首先，參考圖54中所示之流程圖及圖55A至圖55C中所示之示意性說明描述在全掃描時以高亮度模式執行的色彩轉換過程1。
圖55A說明根據第三例示性實施例之第一實例之色彩編碼的4×4像素色彩配置。在根據第一實例之色彩編碼中，如圖55B中所示，藉由使用使用方向相關性之上述現有信號過程及判定解析之方向將W像素的分量擴展至所有色彩之像素(步驟S51)。其後，如圖55C中所示，藉由使用上述現有技術及W像素與R像素之間的相關性、W像素與G像素之間的相關性，及W像素與B像素之間的相關性，將R、G及B分量擴展至所有像素中(步驟S52)。
隨後，參考圖56中所示之流程圖及圖57A及圖57B中所示之示意性說明描述在全掃描時以低亮度模式執行的色彩轉換過程2。
首先，如圖57A中所示，藉由使用基於上述方向相關性之信號處理檢查解析的方向(步驟S61)。其後，判定是否可判定解析之方向(步驟S62)。若可判定解析之方向，則將配置成棋盤形圖案之W像素之分量擴展至所有色彩的像素中(步驟S63)。
隨後，如圖57B中所示，藉由使用上述現有技術及W像素與R像素之間的相關性及W像素與B像素之間的相關性產生R像素及B像素(步驟S64)。然而，在步驟S62中，若未判定解析之方向，則使用在垂直方向及水平方向上鄰近W像素之四個像素藉由使用簡單四像素平均內插法產生R及B像素中的每一者(步驟S67)。
隨後，如圖57C中所示，將鄰近W像素之兩個G像素之信號與W像素的信號相加(W+2G)同時動態改變該比。因此，形成棋盤形圖案(步驟S65)。其後，藉由判定方向將分量擴展至所有像素中。以此方式，產生亮度信號(步驟S66)。
如上述，藉由根據入射光之亮度使用色彩轉換過程1及色彩轉換過程2中之一者，可經由由安置於感應器晶片11外之DSP電路40執行之信號處理將對應於W濾光片配置成棋盤形圖案的色彩配置之信號轉換為對應於RGB拜耳配置之信號。
接下來描述用於捕獲移動影像之在像素相加時執行之色彩轉換過程1及2。首先，參考圖58中所示之流程圖及圖59A至圖59C中所示之示意性說明描述像素相加過程1。
如圖59A中所示，對對角地鄰近彼此之兩個W像素執行相加。另外，對於R、G及B色彩中之每一者之像素，對配置於對角方向上的兩個像素執行計數器相加(步驟S71)。其後，如圖59B中所示，使用W像素與R像素之間的相關性、W像素與G像素之間的相關性，及W像素與B像素之間的相關性，將R分量、G分量及B分量擴展至所有像素中(步驟S72)。隨後，如圖59C中所示，以比例1:2將W像素之信號與G信號相加，且產生(W+2G)信號。(W+2G)信號充當亮度信號(步驟S73)。
參考圖60中所示之流程圖及圖61A至圖61C中所示之示意性說明描述像素相加過程2。
首先，如圖61A中所示，對於W像素及G像素，在分別配置於左上至右下對角方向及右上至左下對角方向上之兩個像素之間執行FD相加。因此，產生W及G像素(步驟S81)。更具體言之，對於G像素，在所關注之像素與位於所關注之像素的左下方之像素(亦即，向左一行及向下一列之像素)之間執行FD相加。對於W像素，在所關注之像素與位於所關注之像素的右下方之像素(亦即，向右一行及向下一列之像素)之間執行FD相加。R及B像素保持不變。
隨後，如圖61B中所示，使用W像素與R像素之間的相關性、W像素與G像素之間的相關性，及W像素與B像素之間的相關性，將R、G及B分量擴展至所有像素中(步驟S82)。其後，如圖61C中所示，以比例1:2將W像素之信號與G信號相加，且產生(W+2G)信號。(W+2G)信號充當亮度信號(步驟S83)。
如上述，藉由在捕獲移動影像時使用像素相加過程1及像素相加過程2中之一者，可經由由安置於感應器晶片11外之DSP電路40執行之信號處理將對應於W濾光片配置成棋盤形圖案的色彩配置之信號轉換為對應於RGB拜耳配置之信號。
根據第三例示性實施例之第二實例之色彩編碼
接下來描述用於根據第三例示性實施例之第二實例之色彩編碼的色彩轉換過程。用於根據第三例示性實施例之第二實例之色彩編碼的一系列過程大體上係基於用於根據第三例示性實施例之第一實例之色彩編碼的過程。
參考圖62A及圖62B中所示之示意性說明描述全掃描時執行的色彩轉換過程1。圖62A說明根據第三例示性實施例之第二實例之4×4像素區塊的色彩編碼之色彩配置。在根據第三例示性實施例之第二實例之色彩編碼中，如圖62B中所示，使用解析之方向將配置成棋盤形圖案之W像素的分量擴展至所有色彩之像素中。隨後，如圖62C中所示，使用W像素與R像素之間的相關性、W像素與G像素之間的相關性，及W像素與B像素之間的相關性，將R、G及B分量擴展至所有像素中。
接下來參考圖63A至圖63C中所示之示意性說明描述全掃描時的色彩轉換過程2。如在色彩轉換過程1中，在根據第二實例之4×4像素區塊之色彩編碼的色彩配置中，如圖63A中所示，使用解析之方向將配置成棋盤形圖案之W像素的分量擴展至所有色彩之像素中。
隨後，如圖63B中所示，使用W像素與R像素之間的相關性及W像素與B像素之間的相關性將R及B分量擴展至所有像素中。其後，如圖63C中所示，藉由使用W像素判定方向，將鄰近W像素之兩個G像素之信號與W像素的信號相加同時動態改變該比(W+2G)。因此，形成棋盤形圖案。其後，藉由進一步判定方向將G像素之分量擴展至所有像素中。以此方式，產生亮度信號。
接下來參考圖64A及圖64B描述像素相加過程1。如圖64A中所示，對於W像素及G像素，在分別位於左上至右下對角方向及右上至左下對角方向上之兩個像素之間執行FD相加。因此，產生W、R、G及B像素之信號。其後，如圖64B中所示，將R、G及B分量擴展至所有像素中。隨後，為了改良S/N比，將W像素之分量配合至所有像素中。因此，產生R、G及B信號。
接下來參考圖65A至圖65C描述像素相加過程2。如圖65A中所示，對於W像素及G像素，在分別位於左上至右下對角方向及右上至左下對角方向上之兩個像素之間執行FD相加。因此，產生W、R、G及B像素之信號。其後，如圖65B中所示，使用W像素與R像素之間的相關性、W像素與G像素之間的相關性，及W像素與B像素之間的相關性，將R、G及B分量擴展至所有像素中。接著以比例1:2將W像素之信號與G信號相加，且產生(W+2G)信號。(W+2G)信號充當亮度信號。
如上述，根據第一及第二實例，在具有其中充當亮度信號之主要色彩之白色的W濾光片配置成棋盤形圖案且G濾光片經配置以便在對角方向上形成條形圖案之色彩配置的色彩編碼中，藉由執行上述信號處理來提供以下優勢。亦即，在提供於感應器晶片11外之DSP電路40中，藉由將鄰近W像素之G像素之信號與W像素的信號相加及使用該總和作為亮度信號之主要分量執行信號處理，可增加亮度信號之強度。因此，可增加敏感性，同時解析度之降低最小化。
3.　修改
雖然前述例示性實施例已參考將鄰近W像素之兩個G像素之信號與W像素的信號簡單地相加且將總和用作亮度信號之主要分量之方法加以描述，但用於相加之G像素之數目不限於二。G像素之數目可為一。請注意，將鄰近W像素之一個G像素之信號與W像素之信號相加的2像素相加相比將鄰近W像素之兩個G像素之信號與W像素之信號相加的3像素相加具有優勢，因為其可減少解析度之降低。
另外，雖然前述例示性實施例已參考在具有G濾光片之一系列四個像素之對角條形圖案的狀況下之信號處理加以描述，但即使在具有G濾光片之一系列四個像素在垂直方向或水平方向上經反覆配置以便形成條形圖案的狀況下亦可提供相同優勢。此外，第一色彩之濾光片之信號與第二色彩的濾光片信號之相加比不限於1:1。可使用平衡解析度與敏感性之任何相加比。
再者，雖然前述例示性實施例已參考充當亮度信號之主要色彩之第一色彩為白色(W)且第二色彩為綠色(G)的色彩編碼加以描述，但即使對於第一色彩為綠色且第二色彩為白色的色彩編碼，亦可提供相同優勢。根據第一實例及第二實例之此色彩編碼分別展示於圖66及圖67中。
應用之實例 成像設備
圖68為根據本發明之實施例之成像設備的例示性組態之方塊圖。
如圖68中所示，根據本發明之實施例，成像設備100包括一包括透鏡單元101之光學系統、攝像裝置102、充當相機信號處理電路的DSP電路103、圖框記憶體104、顯示單元105、記錄單元106、操作單元107及電源單元108。DSP電路103、圖框記憶體104、顯示單元105、記錄單元106、操作單元107及電源單元108經由匯流排線109連接至彼此。
透鏡單元101接收自物體輸出之入射光(成像光)且在攝像裝置102之成像表面上形成影像。攝像裝置102將由透鏡單元101接收且在成像表面上形成影像之入射光之強度轉換為每一像素的電信號。電信號可以像素信號之形式輸出。根據第一及第二例示性實施例之CMOS影像感應器10A及10B可用作攝像裝置102。另外，根據所有上述例示性實施例(包括第三例示性實施例)之CMOS影像感應器10可用作攝像裝置102。
在CMOS影像感應器10A、10B及10中，彩色濾光片陣列採用具有其中充當亮度信號之主要色彩之色彩配置成棋盤形圖案，且充當色彩資訊分量之複數個色彩配置於棋盤形圖案之其他區域中的色彩配置之色彩編碼。詳言之，CMOS影像感應器10A及10經由在感應器晶片11中執行之計算而將對應於彩色濾光片陣列之色彩配置的信號轉換為對應於拜耳配置之信號。
因此，儘管CMOS影像感應器10A及10具有使用其中充當亮度信號之主要色彩之色彩配置成棋盤形圖案的色彩編碼之彩色濾光片陣列，但CMOS影像感應器10A及10輸出對應於拜耳配置之信號。因此，用於拜耳配置之使用對應於拜耳配置之信號產生亮度信號Y及兩個色差信號U(B-Y)及V(R-Y)的現有DSP可用作DSP電路103。
因為，如上述，可使用用於拜耳配置之現有DSP，所以即使當用於攝像裝置102中之彩色濾光片陣列之色彩編碼改變時成本高昂之新DSP的開發並非必要的。使用現有DSP可對包括DSP電路103之成像設備100的製造成本降低有貢獻，且詳言之，對具有使用W濾光片之色彩編碼之彩色濾光片陣列的普遍使用有貢獻。
相比之下，在CMOS影像感應器10B之狀況下，對應於其中充當亮度信號之主要色彩之色彩配置成棋盤形圖案的色彩配置之信號被輸出至晶片外，且DSP電路103(對應於圖52中所示之DSP電路40)將該等信號轉換為對應於拜耳配置之信號。因此，當改變彩色濾光片陣列之色彩編碼時，新DSP電路103之開發為必要的，且因此，開發成本為必要的。然而，如同CMOS影像感應器10A，CMOS影像感應器10B可增加敏感性，同時解析度之降低最小化。因此，CMOS影像感應器10B具有其可增加成像信號之S/N比同時維持高解析度之優勢。
顯示單元105為面板顯示單元，諸如液晶顯示器或有機電致發光(EL)顯示器。顯示單元105顯示由攝像裝置102捕獲之移動影像或靜止影像。記錄單元106在諸如錄影帶或數位多功能光碟(DVD)之記錄媒體上記錄由攝像裝置102捕獲之移動影像或靜止影像。
在使用者之控制下，操作單元107提交控制成像設備的多種功能之多種操作命令。電源單元108當必要時將電力供應至DSP電路103、圖框記憶體104、顯示單元105、記錄單元106及操作單元107。
本申請案含有關於2008年12月8日於日本專利局申請之日本優先權專利申請案第JP 2008-311694號及2008年12月8日於日本專利局申請之日本優先權專利申請案第JP 2008-311695號中所揭示之標的物之標的物，該等案之全部內容以引用的方式併入本文中。
熟習此項技術者應理解，取決於設計要求及其他因素，可存在各種修改、組合、子組合及更改，只要該等修改、組合、子組合及更改在所附申請專利範圍或其等效物之範疇內便可。
10．．．CMOS影像感應器
10A．．．CMOS影像感應器
10B．．．CMOS影像感應器
11．．．半導體基板/感應器晶片
12．．．像素陣列單元
13．．．垂直驅動單元
14．．．行處理單元
15．．．水平驅動單元
16．．．轉換處理單元
17．．．系統控制單元
18．．．像素驅動線
19．．．垂直信號線
20．．．單位像素
21．．．光電二極體
22．．．轉移電晶體
22-1．．．轉移電晶體
22-2．．．轉移電晶體
22-3．．．轉移電晶體
22-4．．．轉移電晶體
23．．．重設電晶體
24．．．放大電晶體
25．．．選擇電晶體
26．．．FD單元/節點
30．．．彩色濾光片陣列/彩色濾光片單元
40．．．DSP電路
100．．．成像設備
101．．．透鏡單元
102．．．攝像裝置
103．．．DSP電路
104．．．圖框記憶體
105．．．顯示單元
106．．．記錄單元
107．．．操作單元
108．．．電源單元
109．．．匯流排線
181．．．轉移線
182．．．重設線
183．．．選擇線
Vdd．．．像素電源
圖1為根據本發明之第一及第二例示性實施例之CMOS影像感應器的例示性系統組態之示意性說明；
圖2為說明單位像素之例示性電路組態之電路圖；
圖3為說明允許在像素中執行四個相鄰像素之像素相加之電路的例示性組態之電路圖；
圖4為說明根據第一例示性實施例之第一實例之色彩編碼的色彩配置圖；
圖5為說明根據第一例示性實施例之第二實例之色彩編碼的色彩配置圖；
圖6為說明根據第一例示性實施例之第三實例之色彩編碼的色彩配置圖；
圖7為說明根據第一例示性實施例之第四實例之色彩編碼的色彩配置圖；
圖8為說明根據第一例示性實施例之第五實例之色彩編碼的色彩配置圖；
圖9為說明根據第一例示性實施例之第六實例之色彩編碼的色彩配置圖；
圖10為說明根據第一例示性實施例之第七實例之色彩編碼的色彩配置圖；
圖11為說明根據第一例示性實施例之第八實例之色彩編碼的色彩配置圖；
圖12為說明根據第一例示性實施例之第九實例之色彩編碼的色彩配置圖；
圖13為說明在根據第一例示性實施例之第一實例及第二例示性實施例之第一實例的色彩編碼之狀況下在全掃描時以高亮度模式執行之色彩轉換過程1之例示性處理流程的流程圖；
圖14A至圖14D為在根據第一例示性實施例之第一實例及第二例示性實施例之第一實例的色彩編碼之狀況下在全掃描時以高亮度模式執行之色彩轉換過程1之示意性說明；
圖15為說明在根據第一例示性實施例之第一實例及第二例示性實施例之第一實例的色彩編碼之狀況下在全掃描時以低亮度模式執行之色彩轉換過程2之例示性處理流程的流程圖；
圖16A至圖16D為在根據第一例示性實施例之第一實例及第二例示性實施例之第一實例的色彩編碼之狀況下在全掃描時以低亮度模式執行之色彩轉換過程2之示意性說明；
圖17為說明在根據第一例示性實施例之第一實例之色彩編碼的狀況下像素相加過程1之例示性處理流程之流程圖；
圖18A至圖18D為在根據第一例示性實施例之第一實例之色彩編碼的狀況下像素相加過程1之示意性說明；
圖19說明FD相加及計數器相加；
圖20為說明在根據第一例示性實施例之第一實例及第二例示性實施例之第一實例之色彩編碼的狀況下執行之像素相加過程2之例示性處理流程的流程圖；
圖21A至圖21D為在根據第一例示性實施例之第一實例及第二例示性實施例之第一實例之色彩編碼的狀況下執行之像素相加過程2之示意性說明；
圖22為說明在根據第一例示性實施例之第一實例之色彩編碼的狀況下執行之像素相加過程3之例示性處理流程之流程圖；
圖23A至圖23C為在根據第一例示性實施例之第一實例之色彩編碼的狀況下執行之像素相加過程3之示意性說明；
圖24A至圖24D為在根據第一例示性實施例之第二實例之色彩編碼的狀況下在全掃描時執行之色彩轉換過程之示意性說明；
圖25A至圖25D為在根據第一例示性實施例之第二實例之色彩編碼的狀況下執行之像素相加過程之示意性說明；
圖26A至圖26D為在根據第一例示性實施例之第三實例之色彩編碼的狀況下在全掃描時執行之色彩轉換過程之示意性說明；
圖27A至圖27E為在根據第一例示性實施例之第三實例之色彩編碼的狀況下執行之像素相加過程之示意性說明；
圖28A至圖28D為在根據第一例示性實施例之第四實例之色彩編碼的狀況下在全掃描時執行之色彩轉換過程之示意性說明；
圖29A至圖29F為在根據第一例示性實施例之第四實例之色彩編碼的狀況下執行之第一類型之像素相加過程的示意性說明；
圖30A至圖30D為在根據第一例示性實施例之第四實例之色彩編碼的狀況下執行之第二類型之像素相加過程的示意性說明；
圖31A至圖31C為在根據第一例示性實施例之第四實例之色彩編碼的狀況下執行之第三類型之像素相加過程的示意性說明；
圖32A至圖32D為在根據第一例示性實施例之第四實例之色彩編碼的狀況下執行之第四類型之像素相加過程的示意性說明；
圖33A至圖33D為在根據第一例示性實施例之第五實例之色彩編碼的狀況下在全掃描時執行之色彩轉換過程之示意性說明；
圖34A至圖34E為在根據第一例示性實施例之第五實例之色彩編碼的狀況下執行之像素相加過程之示意性說明；
圖35A至圖35D為在根據第一例示性實施例之第六實例之色彩編碼的狀況下執行之色彩轉換過程1之示意性說明；
圖36A至圖36D為在根據第一例示性實施例之第六實例之色彩編碼的狀況下執行之色彩轉換過程2之示意性說明；
圖37A至圖37D為在根據第一例示性實施例之第六實例之色彩編碼的狀況下執行之像素相加過程1之示意性說明；
圖38A至圖38D為在根據第一例示性實施例之第六實例之色彩編碼的狀況下執行之像素相加過程2之示意性說明；
圖39A至圖39D為在根據第一例示性實施例之第七實例之色彩編碼的狀況下在全掃描時執行之色彩轉換過程之示意性說明；
圖40A至圖40E為在根據第一例示性實施例之第七實例之色彩編碼的狀況下執行之像素相加過程之示意性說明；
圖41A至圖41D為在根據第一例示性實施例之第八實例之色彩編碼的狀況下在全掃描時執行之色彩轉換過程之示意性說明；
圖42A至圖42D為在根據第一例示性實施例之第八實例之色彩編碼的狀況下執行之像素相加過程之示意性說明；
圖43A至圖43C為在根據第一例示性實施例之第九實例之色彩編碼的狀況下在全掃描時執行之色彩轉換過程之示意性說明；
圖44A至圖44B為在根據第一例示性實施例之第九實例之色彩編碼的狀況下執行之像素相加過程之示意性說明；
圖45為說明根據第二例示性實施例之第一實例之色彩編碼的色彩配置圖；
圖46為說明根據第二例示性實施例之第二實例之色彩編碼的色彩配置圖；
圖47為說明在根據第二例示性實施例之第一實例之色彩編碼的狀況下的像素相加過程1之例示性處理流程之流程圖；
圖48A至圖48D為在根據第二例示性實施例之第一實例之色彩編碼的狀況下的色彩轉換過程1之示意性說明；
圖49A至圖49D為在根據第二例示性實施例之第二實例之色彩編碼的狀況下的色彩轉換過程1之示意性說明；
圖50A至圖50D為在根據第二例示性實施例之第二實例之色彩編碼的狀況下的色彩轉換過程2之示意性說明；
圖51A至圖51D為在根據第二例示性實施例之第二實例之色彩編碼的狀況下的像素相加過程1之示意性說明；
圖52A至圖52D為用於根據第二例示性實施例之第二實例之色彩編碼之像素相加過程2之示意性說明；
圖53為根據本發明之第三例示性實施例之CMOS影像感應器的例示性系統組態之示意性說明；
圖54為說明在根據第三例示性實施例之第一實例之色彩編碼的狀況下在全掃描時以高亮度模式執行之色彩轉換過程1之例示性處理流程的流程圖；
圖55A至圖55C為在根據第三例示性實施例之第一實例之色彩編碼的狀況下在全掃描時執行之色彩轉換過程1之示意性說明；
圖56為說明在根據第三例示性實施例之第一實例之色彩編碼的狀況下在全掃描時以低亮度模式執行之色彩轉換過程2之例示性處理流程的流程圖；
圖57A至圖57C為在根據第三例示性實施例之第一實例之色彩編碼的狀況下在全掃描時執行之色彩轉換過程2之示意性說明；
圖58為說明在根據第三例示性實施例之第一實例之色彩編碼的狀況下的像素相加過程1之例示性處理流程之流程圖；
圖59A至圖59C為在根據第三例示性實施例之第一實例之色彩編碼的狀況下執行之像素相加過程1之示意性說明；
圖60為說明在根據第三例示性實施例之第一實例之色彩編碼的狀況下的像素相加過程2之例示性處理流程之流程圖；
圖61A至圖61C為在根據第三例示性實施例之第一實例之色彩編碼的狀況下執行之像素相加過程2之示意性說明；
圖62A及圖62B為在根據第三例示性實施例之第二實例之色彩編碼的狀況下執行之色彩轉換過程1之示意性說明；
圖63A至圖63C為在根據第三例示性實施例之第二實例之色彩編碼的狀況下執行之色彩轉換過程2之示意性說明；
圖64A及圖64B為在根據第三例示性實施例之第二實例之色彩編碼的狀況下執行之像素相加過程1之示意性說明；
圖65A至圖65C為在根據第三例示性實施例之第二實例之色彩編碼的狀況下執行之像素相加過程2之示意性說明；
圖66為說明根據第一實例之修改之色彩編碼的色彩配置圖；
圖67為說明根據第二實例之修改之色彩編碼的色彩配置圖；及
圖68為根據本發明之實施例之成像設備的例示性組態之方塊圖。
10．．．CMOS影像感應器
10A．．．CMOS影像感應器
11．．．半導體基板/感應器晶片
12．．．像素陣列單元
13．．．垂直驅動單元
14．．．行處理單元
15．．．水平驅動單元
16．．．轉換處理單元
17．．．系統控制單元
18．．．像素驅動線
19．．．垂直信號線
30．．．彩色濾光片陣列/彩色濾光片單元

Claims (9)

  1. 一種固態成像裝置，其包含：一彩色濾光片單元，其安置於一包括二維配置成一矩陣之像素之像素陣列單元上，該彩色濾光片單元具有一色彩配置，在該色彩配置中一充當一亮度信號之一主要分量之色彩配置成一棋盤形圖案且充當色彩資訊分量的複數個色彩配置於該棋盤形圖案之其他區域中；及一轉換處理單元，其安置於一上面具有該像素陣列單元之基板上，該轉換處理單元將自該像素陣列單元之該等像素輸出且對應於該彩色濾光片單元之該色彩配置的信號轉換為對應於一拜耳配置之信號且輸出該等經轉換之信號；其中充當一亮度信號之一主要分量之該色彩為白色及綠色中的一者；其中該彩色濾光片單元具有白色濾光片配置成一棋盤形圖案之色彩編碼，且其中紅色及藍色中之每一者的濾光片在一垂直方向上及一水平方向上以兩像素的一間距配置成一棋盤形圖案，且該等紅色濾光片中之每一者自該等藍色濾光片中之一者對角地偏移一個像素，或其中紅色及藍色中之每一者之濾光片在一垂直方向上及一水平方向上以四像素的一間距呈正方形配置，且該等紅色濾光片中之兩者及該等藍色濾光片中之兩者在一對角方向上經交替配置，且其中綠色濾光片配置於該棋盤形圖案之該其他區域中。
  2. 如請求項1之固態成像裝置，其中在該彩色濾光片單元之該色彩編碼中，用於一系列四個像素之該等綠色濾光片形成一群組，且該等群組經配置以便形成在一對角方向、一垂直方向及一水平方向中之一者上的一條形圖案，且其中該轉換處理單元將一綠色像素之一信號或鄰近一白色濾光片像素之兩個綠色像素的信號與該白色濾光片像素之一信號相加且使用總和作為該亮度信號之一主要分量。
  3. 一種固態成像裝置，其包含：一彩色濾光片單元，其安置於一包括二維配置成一矩陣之像素之像素陣列單元上，該彩色濾光片單元具有一色彩配置，在該色彩配置中一充當一亮度信號之一主要分量之色彩配置成一棋盤形圖案且充當色彩資訊分量的複數個色彩配置於該棋盤形圖案之其他區域中；及一轉換處理單元，其安置於一上面具有該像素陣列單元之基板上，該轉換處理單元將自該像素陣列單元之該等像素輸出且對應於該彩色濾光片單元之該色彩配置的信號轉換為對應於一拜耳配置之信號且輸出該等經轉換之信號；其中充當一亮度信號之一主要分量之該色彩為白色及綠色中的一者；其中在該彩色濾光片單元之該色彩編碼中，白色濾光片配置成一棋盤形圖案，且其中紅色及藍色中之每一者之濾光片在一垂直方向上及一水平方向上以四像素的一 間距呈正方形配置或在一垂直方向上及一水平方向上以兩像素的一間距配置成一棋盤形圖案，且其中該等紅色濾光片中之每一者自該等藍色濾光片中之一者對角地偏移一個像素或兩個像素，且其中綠色濾光片配置於該棋盤形圖案的該其他區域中。
  4. 一種固態成像裝置，其包含：一彩色濾光片單元，其安置於一包括二維配置成一矩陣之像素之像素陣列單元上，該彩色濾光片單元具有一色彩配置，在該色彩配置中一充當一亮度信號之一主要分量之色彩配置成一棋盤形圖案且充當色彩資訊分量的複數個色彩配置於該棋盤形圖案之其他區域中；及一轉換處理單元，其安置於一上面具有該像素陣列單元之基板上，該轉換處理單元將自該像素陣列單元之該等像素輸出且對應於該彩色濾光片單元之該色彩配置的信號轉換為對應於一拜耳配置之信號且輸出該等經轉換之信號；其中充當一亮度信號之一主要分量之該色彩為白色及綠色中的一者；其中在該彩色濾光片單元之該色彩編碼中，綠色濾光片配置成一棋盤形圖案，紅色及藍色中之每一者之濾光片在一垂直方向上及一水平方向上以兩像素的一間距配置成一棋盤形圖案，且該等紅色濾光片中之每一者自該等藍色濾光片中之一者對角地偏移兩個像素，且白色濾光片配置於該棋盤形圖案的該其他區域中。
  5. 一種固態成像裝置，其包含：一彩色濾光片單元，其安置於一包括二維配置成一矩陣之像素之像素陣列單元上，該彩色濾光片單元具有一色彩配置，其中一充當一亮度信號之一主要分量之第一色彩的濾光片配置成一棋盤形圖案，且用於一系列四個像素之充當該亮度信號之一主要分量的一第二色彩之濾光片形成一群組，且該等群組經配置以便在一對角方向、一垂直方向及一水平方向中之一者上形成一條形圖案；及一信號處理單元，其經組態以接收自該像素陣列單元之該等像素輸出且對應於該彩色濾光片單元之該色彩配置的信號，且將一鄰近該具有該第一色彩之一濾光片之像素的一具有該第二色彩之一濾光片之像素的一信號與該具有該第一色彩之該濾光片之像素的一信號相加；其中該第一色彩之該濾光片為一白色濾光片及一綠色濾光片中的一者，該第二色彩之該濾光片在該第一色彩之該濾光片為一白色濾光片時為一綠色濾光片，且該第二色彩之該濾光片在該第一色彩之該濾光片為一綠色濾光片時為一白色濾光片。
  6. 如請求項5之固態成像裝置，其中該彩色濾光片單元具有一色彩配置，在該色彩配置中該第一色彩之濾光片配置成一棋盤形圖案，紅色及藍色中之每一者之濾光片在一垂直方向上及一水平方向上以兩像素的一間距配置成一棋盤形圖案，且該等紅色濾光片中之每一者自該等藍 色濾光片中之一者對角地偏移一個像素，且該第二色彩之濾光片配置於該棋盤形圖案的其他區域中。
  7. 如請求項5之固態成像裝置，其中該彩色濾光片單元具有一色彩配置，在該色彩配置中該第一色彩之濾光片配置成一棋盤形圖案，紅色及藍色中之每一者的濾光片在一垂直方向上及一水平方向上以四像素的一間距呈正方形配置，且該等紅色濾光片中之兩者及該等藍色濾光片中之兩者在一對角方向上經交替配置，且其中該第二色彩之該等濾光片配置於該棋盤形圖案的該其他區域中。
  8. 如請求項6之固態成像裝置，其中該信號處理單元自鄰近一具有該第一色彩之一濾光片之像素的具有該第二色彩之濾光片之像素中選擇一像素或兩個像素，且將該選定像素之一信號或該等選定像素之信號與該具有該第一色彩之該濾光片之像素的一信號相加。
  9. 如請求項7之固態成像裝置，其中該信號處理單元自鄰近一具有該第一色彩之一濾光片之像素的具有該第二色彩之濾光片之像素中選擇一像素或兩個像素，且將該選定像素之一信號或該等選定像素之信號與該具有該第一色彩之該濾光片之像素的一信號相加。
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