CN104038745A - 固体摄像装置 - Google Patents

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Abstract

一种固体摄像装置，能够抑制SNR的劣化。具有：摄像区域(3)，对光电二极管(12)配置有滤色器的单位像素被二维配置成矩阵状；以及读出信号线(TG11、12)，对配置有多个单位像素(11)的任意一行设置有多条，根据配置于任意一行的多个单位像素(11)的颜色种类数来设置读出信号线(TG11、12)，在配置于任意一行的多个单位像素(11)中，对滤色器的颜色相同的单位像素(11)连接有同一读出信号线(TG11、12)。

Description

固体摄像装置
技术领域
本实施方式涉及一种固体摄像装置。
背景技术
近年来，数码相机等中所使用的固体摄像装置的像素尺寸的缩小化发展，其趋势是发展到1μm左右。随着像素尺寸的进一步缩小化，画质的性能维持以及性能提高变得非常重要，要求新技术的研究开发。由于随着像素尺寸的缩小而作为受光部的光电二极管能够保持的信号减少，因此使表示画质的性能的一个指标、即Signal to Noise Ratio(SNR：信噪比)提高是非常重要的课题。
在拍摄图像时，在构成图像传感器的R、G、B这3色的滤色器之间存在灵敏度差，因此例如虽然对象物为白色，但有时在拍摄的图像中看不出白色而产生所谓的着色。为了对该着色的现象进行修正，而在摄像装置中设置有White Balance(WB：白平衡)功能。在一般的WB中，对从3色的滤色器分别得到的信号进行数字化，并对该数字信号乘以与滤色器间的灵敏度比相对应的增益，由此能够消除滤色器间的灵敏度差而使白平衡提高。然而，在以往的WB功能中，不能够区分信号所含有的噪声成分，因此存在的问题为，在对信号乘以增益时噪声也增加，结果SNR会劣化。
发明内容
本发明要解决的课题为，提供一种能够抑制SNR劣化的固体摄像装置。
实施方式的固体摄像装置的特征在于，具有：摄像部，对光电转换元件配置有滤色器的像素被二维配置成矩阵状；读出信号线，控制由上述光电转换元件蓄积的电荷的读出，对配置有上述多个像素的任意一行设置有多条；存储器，储存配置有任意一个上述滤色器的上述像素的受光灵敏度与配置有其他颜色的上述滤色器的上述像素的受光灵敏度的比率；以及寄存器，按照上述滤色器的颜色种类来储存上述像素的曝光时间，
上述滤色器包含白色滤色器，根据配置于上述任意一行的上述多个像素中所配置的上述滤色器的颜色种类数来设置上述读出信号线，在配置在上述任意一行的上述多个像素中，按照上述滤色器的每种颜色连接有共通的上述读出信号线，配置有上述白色滤色器的像素的曝光时间比其以外的像素的曝光时间短。
根据上述构成的固体摄像装置，能够抑制SNR劣化。
附图说明
图1是对本发明的实施方式的固体摄像装置的构成的一个例子进行说明的框图。
图2是对本实施方式的单位像素11的电路构成的一个例子进行说明的图。
图3是对从单位像素11取得像素信号的定时进行说明的时间图。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式进行说明。
图1是对本发明的实施方式的固体摄像装置的构成的一个例子进行说明的框图。本实施方式的固体摄像装置具有图像传感器部1和图像信号处理部(ISP(Image Signal Processor)部)2。
图像传感器部1具备：摄像区域3，多个单位像素11在行以及列方向上矩阵配置成二维矩阵状；垂直移位寄存器4，作为按照每行来选择单位像素11的选择部；以及AD变换部5，将从单位像素11输出的模拟信号进行数字化。在各个单位像素11中，为了取得特定的颜色信号而配置有滤色器。在图1所示的单位像素11中，表示为R的像素是配置有主要使红色波长区域的光透射的滤色器的像素，表示为B的像素是配置有主要使蓝色波长区域的光透射的滤色器的像素。另外，表示为G(G1、G2)的像素是配置有主要使绿色波长区域的光透射的滤色器的像素。
另外，在图1所示的一个例子中，表示作为拜耳(Bayer)配置而对一般使用的滤色器进行了配置的情况。即，滤色器被配置为，从相邻接的单位像素11在行方向以及列方向上取得相互不同的颜色信号。
此外，图像传感器部1具有存储器6，该存储器6用于存储配置有R的滤色器的单位像素11(以下表示为R像素)、配置有B的滤色器的单位像素11(以下表示为B像素)以及配置有G的滤色器的单位像素11(以下表示为G像素)的灵敏度比。存储器6例如具有：用于存储R像素与G像素的灵敏度比的R/G灵敏度比存储器61；以及用于存储B像素与G像素的灵敏度比的B/G灵敏度比存储器62。
并且，图像传感器部1具有用于对单位像素11的曝光时间进行控制的曝光时间控制部7。在本实施方式的固体摄像装置中，能够按照单位像素11中所配置的滤色器来设定曝光时间。因此，曝光时间控制部7具有设定G像素的曝光时间的G1寄存器71及G2寄存器74、设定R像素的曝光时间的R寄存器72以及设定B像素的曝光时间的B寄存器73。另外，在图1中，作为设定G像素的曝光时间的寄存器，设置有G1寄存器71和G2寄存器74这两个寄存器，但也可以构成为作为G寄存器而仅具有一个寄存器。另外，不需要对每个颜色像素设定寄存器，也可以将多个颜色的寄存器共通化。例如，在R像素与B像素的曝光时间相同的情况下，也能够成为一个寄存器。
并且，图像传感器部1还具有：定时脉冲发生器8，根据曝光时间控制部7的设定，来生成各单位像素11的动作所需要的规定的时钟信号；以及输出I/F9，用于输出将从单位像素11输出的信号进行了数字化的像素信号。
ISP部2具有对图像信号的明亮度进行控制的ALC(Auto LuminasControl：自动亮度控制)10。ALC10根据存储器6中所储存的颜色像素间的灵敏度比、从单位像素11输出的像素信号的电平，对每个颜色像素计算最佳的曝光时间，并向曝光时间控制部7输出。
另外，在图1中仅表示了在摄像区域3中配置的单位像素11的一部分。实际上，在摄像区域3中配置有数十至数千单位的行，在各行以及各列上配置有数十至数千单位的单位像素11。
接下来，利用图2对图1所示的单位像素11的电路构成进行说明。图2是对本实施方式的单位像素11的电路构成的一个例子进行说明的图。如图2所示，单位像素11在摄像区域3中被配置在来自垂直移位寄存器4的读出信号线TG与垂直信号线VSL的交叉位置。单位像素11例如具有：输出与入射光量相对应的信号的受光元件(光电转换元件)、即光电二极管12；以及读出晶体管14a、放大晶体管14b、复位晶体管14c及地址晶体管14d这4个晶体管。单位像素11的构成是一个例子，并不限定于实施方式。
光电二极管12的阴极接地，阳极经由读出晶体管14a与浮置扩散层(floating diffusion：浮动传播区)13连接。放大晶体管14b的栅极与浮置扩散层13连接，电流路径的一端与垂直信号线VSL连接，另一端与地址晶体管14d的电流路径的一端连接。如此连接的放大晶体管14b对浮置扩散层13中所蓄积的信号进行放大，并从垂直信号线VSL向噪声除去电路17输出。在噪声除去电路17中从像素信号除去了噪声之后，从信号线HSL输出。另外，在放大晶体管14b的电流路径的一端连接有负载晶体管16的电流路径的另一端。负载晶体管16的栅极和电流路径的一端与控制信号线DC连接。
读出晶体管14a的栅极与读出信号线TG连接。另外，电流路径的一端与光电二极管12的阳极连接，另一端与浮置扩散层13连接。如此连接的读出晶体管14a对光电二极管12中的电荷的蓄积进行控制。
复位晶体管14c的栅极与复位信号线RST连接，电流路径的一端与浮置扩散层13连接，另一端与电源端子15连接。如此连接的复位晶体管14c具有将放大晶体管14b的栅极电位复位的功能。
地址晶体管14d的栅极与地址信号线ADR连接，电流路径的一端与放大晶体管14b的电流路径的另一端连接，另一端与电源端子15连接。如此构成的地址晶体管14d根据来自地址信号线ADR的脉冲信号，来选择动作对象(读出对象)的单位像素11。
另外，对于在摄像区域3中配置的单位像素11的每行，设置有1条地址信号线ADR、1条复位信号线RST、以及与相应行所含有的颜色像素的种类的个数相同的条数的读出信号线TG。在图1所示的例子中，在从上起的第1行中配置有G像素和R像素这两种颜色像素。因此，在从上起的第1行中设置有2条读出信号线TG11、TG12。另外，在从上起的第2行中配置有B像素和G像素这两种颜色像素。因此，在从上起的第2行中也设置有2条读出信号线TG21、TG22。另外，在奇数行中配置有与第1行相同的颜色像素，在偶数行中配置与第2行相同的颜色像素。因此，各信号线的构成也为，奇数行是与第1行相同的构成，偶数行是与第2行相同的构成。
各行所配置的多条读出信号线与颜色像素的种类一一对应。例如，在图1所示的例子的情况下，第1行的读出信号线TG11与G像素(G1像素)对应，读出信号线TG12与R像素对应。因此，如图2所示，配置于第1行的G像素的读出晶体管14a的栅极与读出信号线TG11连接，R像素的读出晶体管14a的栅极与读出信号线TG12连接。
同样，第2行的读出信号线TG21与B像素对应，读出信号线TG22与G像素(G2像素)对应。因此，如图2所示，配置于第2行的B像素的读出晶体管14a的栅极与读出信号线TG21连接，G像素的读出晶体管14a的栅极与读出信号线TG22连接。
如此，不同的颜色像素的读出晶体管14a与不同的读出信号线连接，由此能够对每个颜色像素设定不同的曝光定时(曝光时间)。
接下来，利用图3的时间图对如上述那样构成的固体摄像装置的像素信号的读出动作进行说明。图3是对从单位像素11取得像素信号的定时进行说明的时间图。
在读出动作的说明之前，对每个颜色像素的曝光时间的设定进行说明。各颜色像素的曝光时间根据滤色器的灵敏度比来设定。例如，在灵敏度比为R：G：B＝1：2：1的情况下，通过将R像素和B像素的曝光时间设定为G像素的曝光时间的2倍，能够将灵敏度比调整成R：G：B＝1：1：1。以往，通过利用数字处理来使在相同曝光时间从单位像素取得的R像素和B像素的像素信号成为2倍，由此调整灵敏度比，但在该情况下，像素信号所含有的噪声成分也会成为2倍。但是，在本实施方式的固体摄像装置中，通过使曝光时间成为2倍来调整灵敏度比，因此噪声成分的增加成为1.4倍左右。因此，与以往的方法相比，能够抑制由灵敏度比的调整导致的SNR的劣化。
颜色像素的灵敏度比按照每个传感器芯片不同。因此，将在产品出厂前测试等中测定出的灵敏度比预先储存在存储器6中。在上述的一个例子的情况下，在存储器6的R/G灵敏度比存储器61中存储有0.5(＝1/2)，在B/G灵敏度比存储器62中存储有0.5(＝1/2)。
在拍摄图像时，ALC10从存储器6取得R、G、B各颜色像素的灵敏度比，并对每个颜色像素计算曝光时间。所计算出的每个颜色像素的曝光时间被设定到曝光时间控制部7的各寄存器71～74的相应部。在上述的一个例子的情况下，当在G1寄存器71和G2寄存器74中作为曝光时间而设定有Td时，在R寄存器72和B寄存器73中作为曝光时间而设定Td×2。定时脉冲发生器8参照曝光时间控制部7的各寄存器71～74的设定值，生成用于取得像素信号并进行读出的各信号的脉冲定时，并向垂直移位寄存器4输出。以下，对像素信号的读出动作进行说明。
从垂直移位寄存器4向复位信号线RST1和读出信号线TG12输出脉冲信号(时刻t1)。通过这些脉冲信号，R像素的复位晶体管14c和读出晶体管14a成为导通状态。于是，由于读出晶体管14a成为导通状态，因此光电二极管12所蓄积的电荷经由读出晶体管14a被读出到浮置扩散层13，光电二极管12被复位。此外，由于复位晶体管14c成为导通状态，因此浮置扩散层13所蓄积的电荷被复位。然后，复位晶体管14c和读出晶体管14a成为截止状态，并开始向R像素的光电二极管12蓄积电荷(R像素的曝光开始)。
接着，在R像素将曝光进行到曝光时间控制部7的R寄存器72中所设定的曝光时间的一半时间的时刻，从垂直移位寄存器4向复位信号线RST1和读出信号线TG11输出脉冲信号(时刻t2)。通过这些脉冲信号，G1像素的复位晶体管14c和读出晶体管14a成为导通状态。于是，由于读出晶体管14a成为导通状态，因此光电二极管12所蓄积的电荷经由读出晶体管14a被读出到浮置扩散层13，光电二极管12被复位。此外，由于复位晶体管14c成为导通状态，因此浮置扩散层13所蓄积的电荷被复位。然后，复位晶体管14c和读出晶体管14a成为截止状态，并开始向G1像素的光电二极管12蓄积电荷(G1像素的曝光开始)。
当R像素、G像素都将曝光进行到曝光时间控制部7的对应的寄存器71、72中所设定的曝光时间时，从垂直移位寄存器4向读出信号线TG11和读出信号线TG12输入读出脉冲(时刻t4)。于是，R像素和G1像素的读出晶体管14a都成为导通状态，两个像素的光电二极管12所蓄积的电荷被读出到两个像素的浮置扩散层13。浮置扩散层13的电位根据从光电二极管12读出的电荷量而被调制。
接下来，从垂直移位寄存器4向地址信号线ADR1输出行选择脉冲。由于栅极与地址信号线ADR1连接的地址晶体管14d成为导通状态，因此根据浮置扩散层13所蓄积的电荷量来调制在放大晶体管14b中流动的电流量，该电流量被作为各像素的信号读出到垂直信号线VSL，并作为像素信号向AD变换部5输出。然后，在AD变换部5中像素信号被数字变换，并结束第1行的像素信号的读出动作。
另外，通过AD变换部5数字化了的像素信号经由输出I/F9向ALC10输出。在ALC10中，根据所输入的像素信号的电平来计算R、G、B各颜色像素的灵敏度比，并对每个颜色像素计算曝光时间。所计算出的每个颜色像素的曝光时间被反馈给曝光时间控制部7，各寄存器71～74的相应部的值被重新设定。这样，通过根据所读出的像素信号的电平来重新计算灵敏度比，并逐次进行曝光时间的调整，由此对于摄像对象整体的颜色色调变化了的情况(例如从在自然光下进行摄像的状态切换到在红色等特定颜色的光源下的摄像的情况)下等的颜色像素的灵敏度比的变化也能够灵活应对，能够提高白平衡的调整精度。
如上述那样，配置于第1行的R像素在从时刻t1到时刻t4的期间进行曝光。另一方面，配置于第1行的G像素在从时刻t2到时刻t4的期间进行曝光。这样，关于配置于相同行的多个种类的颜色像素，读出定时在同一时刻进行，但曝光开始时刻对每个颜色像素在不同的定时进行，由此能够调整为对每个颜色像素成为不同的曝光时间。通过对每个颜色像素设定与灵敏度比相对应的曝光时间，由此能够将所输出的像素信号的电平调整为同一电平，并能够在抑制噪声成分的增加的同时提高白平衡。
另外，在上述的像素信号的读出动作中，配置于相同行的相同颜色像素以相同的定时进行读出动作。即，配置于第1行的R像素以与上述的R像素相同的定时进行读出动作，同样，配置于第1行的G像素以与上述的G像素相同的定时进行读出动作。
此外，关于摄像区域3的第2行以后的各行，在紧前一行的读出动作中或结束后的规定定时，进行像素信号的读出动作。例如图3所示那样，在进行第1行的各单位像素11的曝光的期间，从垂直移位寄存器4向复位信号线RST2和读出信号线TG21输出脉冲信号(时刻t3)。通过这些脉冲信号，B像素的复位晶体管14c和读出晶体管14a成为导通状态。于是，由于读出晶体管14a成为导通状态，因此光电二极管12所蓄积的电荷经由读出晶体管14a被读出到浮置扩散层13，光电二极管12被复位。另外，由于复位晶体管14c成为导通状态，因此浮置扩散层13所蓄积的电荷被复位。然后，复位晶体管14c和读出晶体管14a成为截止状态，开始向B像素的光电二极管12蓄积电荷(B像素的曝光开始)。
接着，在B像素将曝光进行到曝光时间控制部7的B寄存器72中所设定的曝光时间的一半时间的时刻，从垂直移位寄存器4向复位信号线RST2和读出信号线TG22输出脉冲信号(时刻t6)。通过这些脉冲信号，G2像素的复位晶体管14c和读出晶体管14a成为导通状态。于是，由于读出晶体管14a成为导通状态，因此光电二极管12所蓄积的电荷经由读出晶体管14a被读出到浮置扩散层13，光电二极管12被复位。此外，由于复位晶体管14c成为导通状态，因此浮置扩散层13所蓄积的电荷被复位。然后，复位晶体管14c和读出晶体管14a成为截止状态，开始向G2像素的光电二极管12蓄积电荷(G2像素的曝光开始)。
当B像素、G像素都将曝光进行到曝光时间控制部7的对应的寄存器73、74中所设定的曝光时间时，从垂直移位寄存器4向读出信号线TG21和读出信号线TG22输入读出脉冲(时刻t7)。于是，B像素和G2像素的读出晶体管14a都成为导通状态，两个像素的光电二极管12所蓄积的电荷被读出到两个像素的浮置扩散层13。浮置扩散层13的电位根据从光电二极管12读出的电荷量而被调制。
然后，从垂直移位寄存器4向地址信号线ADR2输出行选择脉冲。由于栅极与地址信号线ADR2连接的地址晶体管14d成为导通状态，因此根据浮置扩散层13所蓄积的电荷量来调制在放大晶体管14b中流动的电流量，该电流量被作为各像素的信号而读出到垂直信号线VSL，并作为像素信号向AD变换部5输出。然后，在AD变换部5中像素信号被数字变换，并结束第2行的像素信号的读出动作。
如上述那样，根据本实施方式，对于在摄像区域3中配置的单位像素11的每行，设置有与相应行所含有的颜色像素的种类的个数相同的条数的读出信号线TG11、12，并以与颜色像素的种类一一对应的方式与读出晶体管14a连接。通过将各个读出信号线TG11、12的读出定时错开规定时间，并使曝光开始时刻不同，由此能够对每个颜色像素调整曝光时间。通过对每个颜色像素设定与灵敏度比相对应的曝光时间，由此能够将所输出的像素信号的电平调整为同一电平，并能够在调整白平衡时抑制噪声成分的增加。
另外，在上述的一个例子中，通过使配置于同一行的R像素与G像素、B像素与G像素的曝光结束定时相同，并使曝光开始定时错开，由此对每个颜色像素调整曝光时间，但也可以使曝光开始定时相同而使曝光结束定时错开、或者使曝光开始定时和曝光结束定时的双方错开，而调整曝光时间。
此外，配置于单位像素11的滤色器并不限定于拜耳配置，例如也可以是不在第2行的G2像素中配置滤色器而使其成为W(白色)像素等、其他的颜色配置。尤其是，在单位像素11中配置有W像素的情况下，由于W像素的像素信号的电平与其他颜色像素相比非常高，因此当进行与其他颜色像素相同时间的曝光时，其会饱和。但是，根据本实施方式的固体摄像装置，由于能够根据颜色像素的灵敏度比来设定不同的曝光时间，因此能够使W像素的曝光时间比其他颜色像素短，能够在避免W像素的饱和的同时以适当的电平对其他颜色像素进行曝光。
此外，在上述的一个例子中，由于假定为图像传感器部1和ISP部2形成于不同芯片，因此在图像传感器部1中设置有储存各颜色像素的曝光时间的曝光时间控制部7(寄存器71～74)，但也可以构成为，将图像传感器部1和ISP部2形成于同一芯片，将由ALC10计算出的各颜色像素的曝光时间直接向定时脉冲发生器8输入。在该情况下，由于不需要曝光时间控制部7的寄存器71～74，因此能够实现装置的小型化。另外，在将图像传感器部1和ISP部2形成于不同芯片的情况下，也可以进行层叠而成为1个封装。
本说明书中的各“部”是与实施方式的各功能对应的概念上的“部”，并不一定与特定的硬件、软件程序一一对应。因此，在本说明书中，假定具有实施方式的各功能的虚拟电路模块(部)来说明实施方式。
对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为例子而提示的，并不意图对发明的范围进行限定。这些新的实施方式能够通过其他各种方式加以实施，在不脱离发明主旨的范围能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式以及其变形包含在发明的范围、主旨中，并且包含于专利请求范围所记载的发明和其等同的范围。

Claims (6)

1.一种固体摄像装置，其特征在于，
具有：
摄像部，对光电转换元件配置有滤色器的像素被二维配置成矩阵状；
读出信号线，控制由上述光电转换元件蓄积的电荷的读出，对配置有上述多个像素的任意一行设置有多条；
存储器，储存配置有任意一个上述滤色器的上述像素的受光灵敏度与配置有其他颜色的上述滤色器的上述像素的受光灵敏度的比率；以及
寄存器，按照上述滤色器的颜色种类来储存上述像素的曝光时间，
上述滤色器包含白色滤色器，
根据配置于上述任意一行的上述多个像素中所配置的上述滤色器的颜色种类数来设置上述读出信号线，在配置于上述任意一行的上述多个像素中，按照上述滤色器的每种颜色连接有共通的上述读出信号线，配置有上述白色滤色器的像素的曝光时间比其以外的像素的曝光时间短。
2.一种固体摄像装置，其特征在于，
具有：
摄像部，对光电转换元件配置有滤色器的像素被二维配置成矩阵状；以及
读出信号线，控制由上述光电转换元件蓄积的电荷的读出，对配置有上述多个像素的任意一行设置有多条，
根据配置于上述任意一行的上述多个像素中所配置的上述滤色器的颜色种类数来设置上述读出信号线，在配置于上述任意一行的上述多个像素中，按照上述滤色器的每种颜色连接有共通的上述读出信号线。
3.根据权利要求2所述的固体摄像装置，其特征在于，
根据上述像素的受光灵敏度，将控制曝光时间的开始定时和结束定时的信号向上述读出信号线输出。
4.根据权利要求2或3所述的固体摄像装置，其特征在于，
还具备存储器，该存储器储存配置有任意一个上述滤色器的上述像素的受光灵敏度与配置有其他颜色的上述滤色器的上述像素的受光灵敏度的比率。
5.根据权利要求2或3所述的固体摄像装置，其特征在于，
还具备按照上述滤色器的颜色种类来储存上述像素的曝光时间的寄存器。
6.根据权利要求4所述的固体摄像装置，其特征在于，
还具备按照上述滤色器的颜色种类来储存上述像素的曝光时间的寄存器。
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