CN100493151C - 固态摄像元件及数字相机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种即能抑制伪色及色波纹现象的发生，又能获得高图像分辨率和宽动态范围的图像信号的固态摄像元件。本发明所述的固态摄像元件包含有在半导体基片上按行方向和与之垂直的列方向配置的多个光电转换区域(111～157)、垂直传送部(201～208)、水平传送部(300)及输出部(400)。光电转换区域(111～157)被相对较宽受光面积的主区域m和相对较窄受光面积的副区域s分割，产生和累积各自所定分光灵敏度的光的相应信号电荷。光电转换区域(111～157)内的一部分，即主区域m和副区域s，分别对应不同颜色的光。

Description

固态摄像元件及数字相机
技术领域
本发明涉及一种在半导体基片的表面上按行方向和与之垂直的列方向上配置有多个光电转换区域的固态摄像元件，以及使用该固态摄像元件的数字相机。
背景技术
在数字相机上使用的固态摄像元件，由于是利用光电二极管等光电转换元件来检测图像信号所对应的电荷，所以很难扩展动态范围。因此，要获得较宽动态范围的图像，就要采用在短时间内连续进行高灵敏度摄影和低灵敏度摄影，并把获得的两部分图像信号进行合成处理的方法(例如，参照日本专利文献特开2001—94999号公报)。但是，由于合成的图像信号不是从同一时刻的图像中获得的，就会出现活动的被摄物体的图像不自然的问题。
另一种解决办法是：利用含有相对高灵敏度的光电转换元件和相对低灵敏度的光电转换元件的固态摄像元件(例如，参照日本专利文献特开2001—8104号公报)。但是，利用空间位置彼此分离的光电转换元件作为高灵敏度像素和低灵敏度像素，会产生图像分辨率相对低下的问题。
另一方面，为获得彩色的图像信息，至少需要获得包含3色的分光灵敏度的图像信号。用固态摄像元件获取彩色图像信息时，使每个光电转换元件至少对应于3色分光灵敏度中的任意一个。但是，用一个固态摄像元件获取彩色图像信息时，就会从二维的不同场所获得不同分光灵敏度的图像信号，从而产生各种颜色的空间频谱范围不一致的情况。其结果是引起被摄物体的伪色及色波纹现象，导致出现所拍摄图像质量恶化的问题。
发明内容
鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种既能抑制伪色及色波纹现象的发生，又能获得高图像分辨率及宽动态范围的图像信号的固态摄像元件。
为实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：
一种固态摄像元件，在其半导体基片表面上按行方向和与之垂直的列方向上配置有多个光电转换区域，所述光电转换区域各自含有相对较宽受光面积的主区域和相对较窄受光面积的副区域，所述多个光电转换区域中的部分光电转换区域，即所述主区域和所述副区域分别输出不同分光灵敏度的光电转换信号。
一种固态摄像元件，在其半导体基片表面上按行方向和与之垂直的列方向上配置有多个光电转换区域，所述光电转换区域各自含有相对较宽受光面积的主区域和相对较窄受光面积的副区域，所述光电转换区域包含：所述主区域及所述副区域都输出第1分光灵敏度的光电转换信号的第1类转换区域；所述主区域输出第2分光灵敏度的光电转换信号，所述副区域输出第3分光灵敏度的光电转换信号的第2类转换区域；所述主区域输出第3分光灵敏度的光电转换信号，所述副区域输出第2分光灵敏度的光电转换信号的第3类转换区域。
一种固态摄像元件，在其半导体基片表面上按行方向和与之垂直的列方向上配置有多个光电转换区域，所述光电转换区域各自含有相对较宽受光面积的主区域和相对较窄受光面积的副区域，所述光电转换区域包含：所述主区域及所述副区域都累积第1分光灵敏度的光电转换信号的第1类转换区域；所述主区域累积第2分光灵敏度的光电转换信号，所述副区域累积第3分光灵敏度的光电转换信号的第2类转换区域；所述主区域累积第3分光灵敏度的光电转换信号，所述副区域累积第2分光灵敏度的光电转换信号的第3类转换区域，所述固态摄像元件配置有所述主区域和所述副区域单独把所述光电转换区域的信号电荷按所述列方向传送的垂直传送部，把所述垂直传送部传来的信号电荷按行方向传送的水平传送部，以及根据所述水平传送部传来的信号电荷输出相应信号的输出部。
在本发明所述的固态摄像元件中，所述第1类转换区域，在行方向和与之垂直的列方向上成方格状排列；所述第2类转换区域及第3类转换区域成交错状排列，并且总体上在行方向和与之垂直的列方向上成方格状排列；所述第1类转换区域和所述第2类转换区域以及所述第3类转换区域的排列间隔相同，并且在行方向和列方向上只相互错开1/2间隔的位置进行排列。
在本发明所述的固态摄像元件中，所述第1～3的分光灵敏度分别为红色、蓝色和绿色的分光灵敏度中的任意一种。
在本发明所述的固态摄像元件中，所述第1分光灵敏度为绿色的分光灵敏度。
在本发明所述的固态摄像元件中，所述分光灵敏度由配置在所述主区域及副区域上方的彩色滤光器决定。
本发明所述的数字相机装配有上述固态摄像元件。
从以上的说明中可知，本发明的优点是：提供了一种既能抑制伪色及色波纹现象的发生，又能获得高图像分辨率及宽动态范围的图像信号的固态摄像元件。
附图说明
图1为作为本发明实施方式的固态摄像元件的概略结构示意图。
图2为图1所述的固态摄像元件的光电转换区域周边的详细结构示意图。
图3为作为本发明实施方式的数字相机的概略结构示意图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的具体实施方式加以说明。图3为作为本发明实施方式的数字相机的概略结构示意图。图3所示的数字相机由以下各部构成：镜头1、固态摄像元件2、含驱动机构3的摄像部、模拟信号处理部4、A/D转换部5、数字信号处理部6、输出存储部7、含压缩解压缩处理部8的信号处理部、媒体接口10、含图像监视器11的输出部、含状态转换开关及释放式按钮等的操作部12、控制数字相机总体的系统控制部9。
在摄像部中，通过镜头1的光线在固态摄像元件2上聚焦，从而获取摄影图像的信号。获取摄影图像信号时，通过驱动机构3控制镜头1及图中未示的光圈。固态摄像元件2以打开靠释放式按纽(图中未示)操作的释放开关(图中未示)为契机，按所定的时间，根据带有时标振荡器(图中未示)的驱动机构3的驱动，输出摄影图像信号。固态摄像元件2在其半导体基片表面上有多个按行方向和与之垂直的列方向上配置的光电转换区域，每一光电转换区域都含有相对较宽受光面积的主区域和相对较窄受光面积的副区域，多个光电转换区域内的部分光电转换区域，即主区域和上述副区域分别输出不同分光灵敏度的光电转换信号。
摄影图像信号经模拟信号处理部4进行模拟信号处理后，再经A/D转换部5转换成数字信号，送往数字信号处理部6。数字信号处理部6根据操作部12设定的工作模式进行数字信号处理，所获得的图像数据暂存在输出存储器7中。
数字信号处理部6进行的处理包括：白平衡调整、灰度(γ)校正、图像合成处理、同步化处理、Y/C处理等。经数字图像处理后的图像数据形成的图像在图像监视器11中展现(通过图像显示)时，读出输出存储器7中的内容，送往图像监视器11。输出存储器7中的图像数据经压缩解压缩部8进行压缩处理后，再经媒体接口10存储在图中未示的存储卡等的存储媒体中。在图像监视器11中，也可以显示基于存储媒体内图像数据的图像。
系统控制部9控制包括摄影动作在内的数字相机全体的动作。具体而言，系统控制部9由根据预定程序工作的信息处理器构成其主体，其内部设有存储程序、工作所需要的各种数据的记忆存储器及工作存储器。
操作部12，由于数字相机在使用时要进行各种操作，所以要设定摄影时的摄影方法、摄影条件、摄影检查功能的开/闭以及与存储媒体对应的存储模式等。操作部12上也可设置对应各类功能的操作部件，也可和图像监视器11的显示连动而共用操作部件。
图1为作为本发明实施方式的固态摄像元件的概略结构示意图。图1为被称为蜂房式结构的固态摄像元件的部分放大平面图，在半导体基片表面，含有按行方向(箭头X所示方向)和与之垂直的列方向(箭头Y所示方向)排列的多个光电转换区域111～157(图中只列举了部分编号)、垂直传送部201～208、水平传送部300以及输出部400。多个光电转换区域111～157中的奇数列相对于偶数列在列方向上错开光电转换区域之间的列方向间隔的1/2进行排列，另外，奇数行的光电转换区域相对于偶数行在行方向上错开光电转换区域之间的行方向间隔的1/2进行排列。进而，图1所显示的是5行8列的光电转换区域，实际上设置有更多的光电转换区域。
光电转换区域111～157根据入射光量产生并累积相应的信号电荷，就像光电二极管那样。光电转换区域111～157，被分割为具有相对较宽受光面积的主区域m和相对较窄受光面积的副区域s(图1只标了光电转换区域151的符号)，分别产生并累积与所定的分光灵敏度的光对应的信号电荷。在图1所示的固态摄像元件中，红(用R或r表示)、绿(用G或g表示)、及蓝(用B或b表示)滤光器(图中未示)分别设置在光电转换区域111～157的上方，并产生、累积与各自颜色光对应的信号电荷。另外，RGB表示主区域m的滤光器、rgb表示副区域s的滤光器。主区域m相对于副区域s具有较宽的受光面积，所以对于入射光量，它以相对较高的灵敏度产生和累积信号电荷。
光电转换区域111～157内的部分，即主区域m和副区域s，分别对应不同颜色的光。在图1中，主区域为红，副区域为蓝(如光电转换区域122)，或者主区域为蓝，副区域为红(如光电转换区域142)，在偶数行相互交错配置。在奇数行主区域及副区域都为绿(如光电转换区域111)。在列方向上时，在奇数行主区域和副区域都为绿，在偶数行，主区域为红，副区域为蓝和主区域为蓝，副区域为红相互交错配置。详细情况如下所述。主区域m的信号电荷和副区域s的信号电荷分别独立在垂直传送部读出并被传送。
垂直传送部201～208设置在光电转换区域111～157各列的侧面，从光电转换区域111～157中读出信号电荷，并按列方向进行传送。水平传送部300传送从多个垂直传送部201～208传来的信号电荷，传送来的信号电荷按行方向进行传送。输出部400输出与传送信号电荷量相应的电压信号。
图2为图1所示的固态摄像元件中光电转换区域142、144、133周围更详细的结构示意图。垂直传送部202、203、204的结构为：由在半导体基片上形成的元件分离区域502、503、504以及光电转换区域142、144、133划分的垂直传送通道(图中未示)，和形成其信息的垂直传送电极V1～V4构成。利用控制附加在垂直传送电极V1～V4的电压，读出从光电转换区域传来的信号电荷，并传送读出的信号电荷。图2中的箭头表示从光电转换区域142、144、133传向电荷传送部202、203、204的信号电荷读出方向。
光电转换区域142、144、133被元件分离区域642、644、633分割，形成相对较宽受光面积的主区域m和相对较窄受光面积的副区域s。因此，主区域m和副区域s根据分别配置在其上方的滤色器的颜色相应的光，产生并累积相应的信号电荷。
下面，就图1及图2所示的固态摄像元件的驱动加以说明。根据被摄物体入射光的强度，在光电转换区域111～157的主区域m及副区域s上，累积各自滤色器对应的信号电荷。然后，把读出脉冲附加在垂直传送电极V1及V3上，这样，主区域m的信号电荷在垂直传送部201～208中读出并被传送，再经过水平传送部300传送到输出部400，同时输出与被传送信号电荷对应的电压信号。主区域m的信号电荷一传送完毕，读出脉冲就被附加在垂直传送电极V2及V4上，这样，副区域s的信号电荷在垂直传送部201～208中读出，并同样被传送，从输出部400输出相应的电压信号。
如上所述，能够从同一光电转换区域中输出多种颜色信号。从固态摄像元件中输出的图像信号在进行同步处理时，由于可利用多个光电转换区域的信号，从而能抑制伪色的产生。另外，由于绿颜色能得到高灵敏度的图像信号和低灵敏度的图像信号，从而生成宽动态范围的图像信号，因此只利用两个光电转换区域的信号就能生成彩色图像信号，这样可快速生成伪色现象很小的彩色图像信号。
图1及图2所示的固态摄像元件是蜂房结构的固态摄像元件，但把光电转换区域排列成正方格状的固态摄像元件也可适用。另外，在光电转换区域产生的信号电荷，以通过电荷传送部传送的CCD型固态摄像元件为例进行了说明，但本发明也适用于把信号电荷直接转换成电压信号读出的MOS型固态摄像元件。
另外，光电转换区域设计有：主区域和副区域都累积第1分光灵敏度的信号电荷的第1类转换区域；主区域累积第2分光灵敏度的信号电荷，副区域累积第3分光灵敏度的信号电荷的第2类转换区域；主区域累积第3分光灵敏度的信号电荷，副区域累积第2分光灵敏度的信号电荷的第3类转换区域。光电转换区域的分光灵敏度的设定是任意的。最好部分光电转换区域，即主区域和副区域分别输出不同的分光灵敏度的光电转换信号。进一步而言，第1分光灵敏度以绿色为例，但此颜色可任意选择。

Claims (8)

1.一种固态摄像元件，其特征在于：
所述固态摄像元件在其半导体基片表面上按行方向和与之垂直的列方向上配置有多个光电转换区域，
所述各光电转换区域中含有主区域和副区域，所述主区域的受光面积比所述副区域的受光面积大；
所述多个光电转换区域中的部分光电转换区域中，所述主区域和副区域分别输出不同分光灵敏度的光电转换信号；
所述固态摄像元件配置有在所述主区域和所述副区域中独自把所述光电转换区域的信号电荷按所述列方向传送的垂直传送部，把所述垂直传送部传来的信号电荷按行方向传送的水平传送部。
2.如权利要求1所述的固态摄像元件，其特征在于：
所述光电转换区域包含：所述主区域及所述副区域都输出第1分光灵敏度的光电转换信号的第1类转换区域；所述主区域输出第2分光灵敏度的光电转换信号，所述副区域输出第3分光灵敏度的光电转换信号的第2类转换区域；所述主区域输出第3分光灵敏度的光电转换信号，所述副区域输出第2分光灵敏度的光电转换信号的第3类转换区域。
3.如权利要求2所述的固态摄像元件，其特征在于：
所述固态摄像元件配置有根据所述水平传送部传来的信号电荷输出相应信号的输出部。
4.如权利要求2或3所述的固态摄像元件，其特征在于：
所述第1类转换区域，在行方向和与之垂直的列方向上成方格状排列；
所述第2类转换区域及第3类转换区域成交错状排列，并且在行方向和与之垂直的列方向上成方格状排列；
所述第1类转换区域和所述第2类转换区域以及所述第3类转换区域的排列间隔相同，并且在行方向和列方向上只相互错开1/2间隔的位置进行排列。
5.如权利要求4所述的固态摄像元件，其特征在于：
所述第1～3分光灵敏度分别为红色、蓝色和绿色的分光灵敏度中的任意一种。
6.如权利要求5所述的固态摄像元件，其特征在于：
所述第1分光灵敏度为绿色的分光灵敏度。
7.如权利要求1至3中的任意一项所述的固态摄像元件，其特征在于：
所述分光灵敏度由配置在所述主区域及副区域上方的彩色滤光器决定。
8.一种数字相机，其特征在于：
所述相机装配有如权利要求1至7中的任意一项所述的固态摄像元件。
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