JP2002125242A

JP2002125242A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2002125242A
Application number: JP2000313937A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Inoue; 俊輔井上
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2002-04-26

Abstract

(57)【要約】【課題】高速で駆動でき、画像にシェーディングや色
むらが生じない固体撮像装置を提供する。【解決手段】複数の画素９０５を有する撮像領域９０
１〜９０４を複数備えた固体撮像装置において、複数の
撮像領域９０１〜９０４の各々の周囲の少なくとも一辺
に複数の画素９０５の各々に対して信号を供給するため
の手段９０６ａ〜９０６ｄ又は供給された信号に応じて
読み出される信号を外部へ出力するための手段９１１ａ
〜９１１ｄを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばディジタル
カメラ等に用いる固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、平面上に、複数の撮像レンズを備
え、各撮像レンズにより撮像対象からの光を、光電変換
素子を有する二次元センサなどに集光して、二次元セン
サなどからの出力信号を、画像処理部において処理し
て、画像を形成する固体撮像装置がある。

【０００３】図７は、特開昭６２−１１２６４号公報に
開示された固体撮像装置である。図７では、一つのシリ
コンチップ１にＲ，Ｇ，Ｂ３色成分の撮像を行う固体撮
像素子（撮像領域）２〜４が形成されている。次に固体
撮像素子２を例にして固体撮像素子２〜４の構成及び動
作について説明する。

【０００４】固体撮像素子２は、フォトダイオード２１
と、フォトダイオ―ド２１で発生した信号を垂直出力線
２３に転送するためのトランジスタ２２からなる画素２
０を水平方向及び垂直方向に配列し、垂直出力線２３に
出力された信号は、水平シフトトランジスタ２７によっ
てオンオフが制御されるトランジスタ２４によって、順
次水平出力線を介して、出力端子２５から出力される。

【０００５】また、３つの固体撮像素子２〜４は、共通
の読み出し駆動線１２を介して垂直シフトレジスタ１４
によって駆動される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の固体撮像装置は、撮像領域を一方向に一次元状に配列
しているため、一方向にチップサイズが大きくなり、コ
ンパクト化に問題が生じる。

【０００７】また、レンズによって被写体像を３つの像
に分割して、それぞれの撮像領域で撮像する場合に、撮
像領域２と撮像領域４とでは距離が離れるために、被写
体像のずれが生じるようになる。

【０００８】さらに、各撮像領域では、それぞれ垂直シ
フトレジスタまでの距離が異なるので、読み出し駆動線
を伝送する制御信号は、垂直シフトレジスタから遠ざか
った撮像領域に供給される方が電圧降下により、信号レ
ベルが低下しており、その結果、読み出される信号のレ
ベルが異なり、最終的に得られる画像にシェーディング
や色むらが生じる場合があった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、二次元状に配列された画素を有する撮像
領域を同一半導体チップ上に複数備え、前記複数の撮像
領域を二次元状に配列することを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。

【００１１】（実施形態１）図１は、本発明の実施形態
１の固体撮像装置の構成を示す模式図である。図１にお
いて、９０５は光電変換素子を有する画素、９０１〜９
０４は画素９０５が二次元に配列されそれぞれ像を結像
させるＲ，Ｇ１，Ｇ２，Ｂの各撮像領域であり、４つの
撮像領域は、二次元状に配列される構成となっている。
９０６ａ〜９０６ｄはそれぞれ各撮像領域９０１〜９０
４に配列されている各画素９０５から電荷に基づく増幅
信号を読み出すための制御信号を供給するタイミングを
制御する垂直シフトレジスタ（信号供給手段）、９０９
は制御信号を各画素９０５へ供給する水平信号線、９１
２は各画素９０５から読み出された増幅信号を伝送する
垂直信号線、９１１ａ〜９１１ｄはそれぞれ各撮像領域
９０１〜９０４の垂直信号線９１２に読み出された増幅
信号を順次外部の処理回路への転送を制御する水平シフ
トレジスタ（読み出し手段）である。

【００１２】なお、Ｒ，Ｇ１，Ｂ，Ｇ２の各撮像領域９
０１〜９０４は、光学設計上たとえばＲフィルタが設け
られたＲ撮像領域９０１とＢフィルタが設けられたＢ撮
像領域９０４とが対角に配置され、Ｇ１フィルタが設け
られたＧ１撮像領域９０２とＧ２フィルタが設けられた
Ｇ２撮像領域９０３とが対角に配置されている。図２
は、各画素９０５の構成を示す等価回路図である。図２
において、９２１は入射光を光電変換するフォトダイオ
ード（光電変換部）、９２２は電気信号をフローティン
グディフュージョン領域に転送する転送スイッチ（転送
手段）、９２４はフローティングディフュージョン領域
の電荷をリセットするリセットスイッチ（リセット手
段）、９２３は増幅信号を得るためのＭＯＳトランジス
タ（増幅手段）、９２５はＭＯＳトランジスタから選択
的に増幅信号を読み出すための選択スイッチ（選択手
段）である。

【００１３】上記で説明した転送スイッチ、リセットス
イッチ、ＭＯＳトランジスタ、及び選択スイッチは、垂
直シフトレジスタ９０６から供給される信号によって制
御される。

【００１４】つぎに、図１，図２の動作を説明する。ま
ず、被写体像は撮像レンズによって４つの像に分割さ
れ、各撮像領域９０１〜９０４に集光される。そして、
Ｒ，Ｇ１，Ｇ２，Ｂの各撮像領域９０１〜９０４内の対
応する位置に配置されている各フォトダイオード９２１
に光が入射すると、電荷が生成される。その後、各転送
スイッチ９２２がオンされると、各フォトダイオード９
２１内の電荷は、各フローティングディフュージョン領
域に転送される。これにより、これらの電荷によって各
ＭＯＳトランジスタ９２３のゲートがオンされる。

【００１５】つぎに、垂直シフトレジスタ９０６ａ〜９
０６ｄからの制御信号が各水平信号線９０９を通じて増
幅信号の読み出しが選択された選択スイッチ９２５のゲ
ートをオンすると、係るＭＯＳトランジスタ９２３によ
って得られた増幅信号が、各垂直信号線９１２に読み出
される。なお、増幅信号が読み出された各画素９０５で
は、各リセットスイッチ９２４がオンされ、各フローテ
ィングディフュージョン領域及び各フォトダイオード９
２１の電位がリセットされる。

【００１６】一方、各垂直信号線９１２に読み出された
増幅信号は、各水平シフトレジスタ９１１の制御に従っ
て、順次、図示しない処理回路へたとえばＲ撮像領域９
０１，Ｇ１撮像領域９０２，Ｂ撮像領域９０４，Ｇ２撮
像領域９０３の各画素９０５の順に転送される。

【００１７】図１に示すように、本実施形態の固体撮像
装置は、各撮像領域９０１〜９０４毎に、垂直シフトレ
ジスタ９０６ａ〜９０６ｄと水平シフトレジスタ９１１
ａ〜９１１ｄとをそれぞれ設けて、各垂直シフトレジス
タ９０６ａ〜９０６から対応する位置の各画素９０５に
対して同時に制御信号を供給し、さらに、水平シフトレ
ジスタ９１１ａ〜９１１ｄによって、各画素９０５から
読み出された増幅信号を処理回路へ転送している。

【００１８】特に、図１に示すように、たとえば各撮像
領域９０１〜９０４の左側に垂直シフトレジスタ９０６
ａ〜９０６ｄを配置し、下側に水平シフトレジスタ９１
１ａ〜９１１ｄをそれぞれ配置すると、各撮像領域９０
１〜９０４の対応する位置の各画素９０５と垂直シフト
レジスタ９０６ａ〜９０６ｄとの距離が等しくなるの
で、水平信号線９０９を伝送する制御信号のレベルが電
圧降下による影響を受けなくなる。

【００１９】なお、図２に示したようなＭＯＳ型撮像素
子を有する画素は、自動露出機構（Auto Exposure）に
優れていたり、低消費電力化を実現できたり、１つのチ
ップで形成することができたり、非破壊読み出しができ
るという利点があるが、図２に示す構成以外にも、たと
えば、アンプリファイドＭＯＳイメージャ（ＡＭＩ）型
撮像素子や、チャージモジュレーションデバイス（ＣＭ
Ｄ）、ＣＣＤ撮像素子など、どのようなセンサを用いる
こともできる。ちなみに、ＣＣＤ撮像素子を用いると、
垂直シフトレジスタ９０６ａから９０６ｄと水平シフト
レジスタ９１１ａ〜９１１ｄとに代えて、垂直転送ＣＣ
Ｄと水平転送ＣＣＤとを用いればよい。

【００２０】（実施形態２）図３は、本発明の実施形態
２の固体撮像装置の構成を示す模式図である。図３で
は、垂直シフトレジスタ９０６ａ〜９０６ｄと水平シフ
トレジスタ９１１ａ〜９１１ｄとを、それぞれ各撮像領
域９０１〜９０４を囲うように配置している。なお、図
３において、図１と同様の部分には、同一符号を付して
いる。

【００２１】ところで、各撮像領域９０１〜９０４へ入
射される光は、各撮像領域９０１〜９０４の中心に位置
する画素９０５に結像するように、撮像レンズが設けら
れており、これらの各画素９０５は、Ｒ撮像領域９０１
の中心に位置する画素９０５とＢ撮像領域９０４の中心
に位置する画素９０５とを結ぶ線と、Ｇ１撮像領域９０
２の中心に位置する画素９０５とＧ２撮像領域９０３の
中心に位置する画素９０５とを結ぶ線との交点に近い方
が好ましい。

【００２２】換言すると、各撮像領域９０１〜９０４が
相互に近くなるように配置されていることが好ましい。
これは、たとえば撮像対象と各撮像領域９０１〜９０４
までの距離が近くなると、各撮像領域９０１〜９０４か
らの電荷に基づいて得られる画像が異なることになるの
で、面倒な補完等を行わなければ最終的に画像が得られ
ないからである。

【００２３】このため、図３に示すように、垂直シフト
レジスタ９０６ａ〜９０６ｄと水平シフトレジスタ９１
１ａ〜９１１ｄとを、それぞれ各撮像領域９０１〜９０
４を囲うように配置して、各撮像領域９０１〜９０４が
相互に近くなるようにしている。

【００２４】（実施形態３）図４は、本発明の実施形態
３の固体撮像装置の構成を示す模式図である。図４にお
いて、９１１ｅ，９１１ｆはそれぞれＲ撮像領域９０１
及びＧ２撮像領域９０３の各画素９０５，Ｇ１撮像領域
９０２及びＢ撮像領域９０４の各画素９０５に対して共
通に設けられている水平シフトレジスタである。なお、
図４において、図１と同様の部分には、同一符号を付し
ている。

【００２５】ところで、上記のように、各撮像領域９０
１〜９０４が相互に近くなるようにされていることが好
ましいが、各撮像領域９０１〜９０４は、必ず間隔を空
けて形成されている必要がある。これは、各撮像領域９
０１〜９０４に、被写体からの光を入射させるために
は、各撮像領域９０１〜９０４上に設ける撮像レンズの
直径の方が各撮像領域９０１〜９０４の一辺の長さより
長くする必要があるためである。

【００２６】このため、図４に示すように、本実施形態
では、水平シフトレジスタ９１１ｅ，９１１ｆを、それ
ぞれＲ撮像領域９０１及びＧ２撮像領域の各画素９０５
に対して共通に設けて、Ｒ撮像領域９０１とＧ２撮像領
域９０３との間に形成される間隔と、Ｇ１撮像領域９０
２とＢ撮像領域９０４との間に形成される間隔とを有効
利用して、固体撮像装置を小型化している。

【００２７】なお、本実施形態は、水平シフトレジスタ
９１１ｅ，９１１ｆを、それぞれＲ撮像領域９０１及び
Ｇ２撮像領域の各画素９０５に対して共通に設ける場合
を例に説明したが、垂直シフトレジスタをそれぞれＲ撮
像領域９０１及びＧ１撮像領域９０２の各画素９０５と
Ｇ２撮像領域９０３及びＢ撮像領域９０４の各画素９０
５とに対して共通に垂直シフトレジスタを設けたり、垂
直シフトレジスタ９０６ｂ，９０６ｄを、Ｇ１撮像領域
９０２，Ｂ撮像領域９０４の右側に配置してもよい。

【００２８】（実施形態４）図５は、本発明の実施形態
４の固体撮像装置の構成を示す模式図である。９０６
ｅ，９０６ｆはそれぞれＲ撮像領域９０１及びＧ１撮像
領域９０２の各画素９０５，Ｇ１撮像領域９０３及びＢ
撮像領域９０４の各画素９０５に対して共通に設けられ
ている垂直シフトレジスタである。なお、図５におい
て、図４と同様の部分には、同一符号を付している。

【００２９】このように、本実施形態では、各撮像領域
９０１〜９０４の間に、垂直シフトレジスタ９０６ｅ，
９０６ｆ及び水平シフトレジスタ９１１１ｅ，９１１ｆ
を配置して、各撮像領域９０１〜９０４の間に形成され
る間隔を有効利用することにより固体撮像装置を小型し
ている。

【００３０】以上、本発明の各実施形態で説明した固体
撮像装置を、ディジタルカメラ等に用いると、コンパク
ト化が可能であるとともに、クロストークが低減されて
いるため、高品質な画像を得ることができる。

【００３１】また、各実施形態において、二次元状に配
列された複数の撮像領域、垂直シフトレジスタ及び水平
シフトレジスタは、ＣＭＯＳプロセス等によって同一半
導体チップ上に形成されている。

【００３２】また、各実施形態では、原色ベイヤ配列の
カラーフィルタ配列について説明したが、それ以外の配
列であってもよく、また補色フィルタであってもよい。

【００３３】（実施形態５）図６は、実施形態１〜４に
おいて説明した固体撮像装置を用いた固体撮像システム
の構成図である。図６において、１はレンズのプロテク
トとメインスイッチを兼ねるバリア、２は被写体の光学
像を固体撮像素子４に結像させるレンズ、３はレンズを
通った光量を可変するための絞り、４はレンズ２で結像
された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像
素子（上記の各実施形態で説明した固体撮像装置に相当
する）、５は固体撮像素子４から出力される画像信号に
各種の補正、クランプ等の処理を行う撮像信号処理回
路、６は固体撮像素子４より出力される画像信号のアナ
ログ−ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、７はＡ／Ｄ
変換器６より出力された画像データに各種の補正を行っ
たりデータを圧縮する信号処理部、８は固体撮像素子
４，撮像信号処理回路５，Ａ／Ｄ変換器６，信号処理部
７に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、
９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体
制御・演算部、１０は画像データを一時的に記憶するた
めのメモリ部、１１は記録媒体に記録又は読み出しを行
うための記録媒体制御インターフェース部、１２は画像
データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等
の着脱可能な記録媒体、１３は外部コンピュータ等と通
信するための外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）部であ
る。

【００３４】次に、図６の動作について説明する。バリ
ア１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコ
ントロール系の電源がオンし、さらに、Ａ／Ｄ変換器６
などの撮像系回路の電源がオンされる。それから、露光
量を制御するために、全体制御・演算部９は絞り３を開
放にし、固体撮像素子４から出力された信号は、撮像信
号処理回路５をスルーしてＡ／Ｄ変換器６へ出力され
る。Ａ／Ｄ変換器６は、その信号をＡ／Ｄ変換して、信
号処理部７に出力する。信号処理部７は、そのデータを
基に露出の演算を全体制御・演算部９で行う。

【００３５】この測光を行った結果により明るさを判断
し、その結果に応じて全体制御・演算部９は絞りを制御
する。次に、固体撮像素子４から出力された信号をもと
に、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全
体制御・演算部９で行う。その後、レンズを駆動して合
焦か否かを判断し、合焦していないと判断したときは、
再びレンズを駆動し測距を行う。

【００３６】そして、合焦が確認された後に本露光が始
まる。露光が終了すると、固体撮像素子４から出力され
た画像信号は、撮像信号処理回路５において補正等がさ
れ、さらにＡ／Ｄ変換器６でＡ／Ｄ変換され、信号処理
部７を通り全体制御・演算９によりメモリ部１０に蓄積
される。その後、メモリ部１０に蓄積されたデータは、
全体制御・演算部９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部
を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１２に記録
される。また外部Ｉ／Ｆ部１３を通り直接コンピュータ
等に入力して画像の加工を行ってもよい。

【００３７】

【発明の効果】以上、説明したように、以上のように、
複数の撮像領域を二次元状に配列したことによって、チ
ップサイズをコンパクトにすることが可能になるととも
に、被写体像を分割されて、それぞれの撮像領域に結像
させる場合に、像のずれを少なくすることが可能とな
る。

【００３８】また、上記構成に加えて、複数の撮像領域
の各々の周囲の少なくとも１辺に撮像領域中の画素に対
して信号を供給するための信号供給手段を有する構成に
することによって、画像にシェーディングや色むらが生
じないようにすることができる。

【００３９】さらに、上記構成に加えて、信号供給手段
を複数の撮像領域のそれぞれに少なくとも一つずつ独立
に設けることによって、高速駆動を行うことが出来、例
えば、動画を撮像する場合に、動画に追従出来なくなる
といった問題もなくなり、顕著な効果が現れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の固体撮像装置の構成を示
す模式図である。

【図２】図１の各画素群内の画素の構成を示す等価回路
図である。

【図３】本発明の実施形態２の固体撮像装置の構成を示
す模式図である。

【図４】本発明の実施形態３の固体撮像装置の構成を示
す模式図である。

【図５】本発明の実施形態４の固体撮像装置の構成を示
す模式図である。

【図６】本発明の実施形態５の固体撮像システムの構成
を示す模式図である。

【図７】従来の固体撮像装置の構成を示す模式図であ
る。

【符号の説明】

１バリア２レンズ３絞り４固体撮像素子５撮像信号処理回路６Ａ／Ｄ変換器７信号処理部８タイミング発生部９全体制御・演算部１０メモリ部１１記録媒体制御インターフェース（Ｉ／Ｆ）部１２記録媒体１３外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）部９０１Ｒ撮像領域９０２Ｇ１撮像領域９０３Ｇ２撮像領域９０４Ｂ撮像領域９０５画素９０６ａ〜９０６ｆ垂直シフトレジスタ９０９水平信号線９１１ａ〜９１６ｆ水平シフトレジスタ９１２垂直信号線９２１フォトダイオード９２２転送スイッチ９２４リセットスイッチ９２３ＭＯＳトランジスタ

フロントページの続きＦターム(参考） 4M118 AA06 AB01 BA10 BA14 CA02 FA06 FA42 GC08 GD03 HA40 5C024 CX35 CY47 EX17 EX21 GZ41 HX17 5C065 BB06 BB24 BB38 BB42 CC01 DD02 DD09 DD15 EE12 GG18 GG30 GG49

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】二次元状に配列された画素を有する撮像
領域を同一半導体チップ上に複数備え、前記複数の撮像
領域を二次元状に配列することを特徴とする固体撮像装
置。
【請求項２】前記複数の撮像領域の各々の周囲の少な
くとも１辺に前記撮像領域中の画素に対して信号を供給
するための信号供給手段を有することを特徴とする請求
項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】前記信号供給手段を、前記複数の撮像領
域の各々に対して少なくとも一つずつ独立に設けること
を特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項４】前記信号供給手段及び供給された前記信
号に応じて読み出される信号を外部へ出力するための読
み出し手段を、前記複数の撮像領域を囲うように配置す
ることを特徴とする請求項２又は３記載の固体撮像装
置。
【請求項５】前記信号供給手段又は供給された前記信
号に応じて読み出される信号を外部へ出力するための読
み出しを、前記複数の撮像領域間に配置することを特徴
とする請求項２又は３記載の固体撮像装置。
【請求項６】前記信号供給手段又は供給された前記信
号に応じて読み出される信号を外部へ出力するための読
み出し手段を、前記複数の撮像領域に対して共通に設け
ることを特徴とする請求項２又は３記載の固体撮像装
置。
【請求項７】前記画素は、光電変換された信号を増幅
して出力するための増幅手段と、前記増幅手段の入力部
をリセットするためのリセット手段とを含み、前記信号
供給手段からの信号によって前記リセット手段を制御す
ることを特徴とする請求項２から６のいずれか１項記載
の固体撮像装置。
【請求項８】前記信号供給手段は、垂直シフトレジス
タを含むことを特徴とする請求項２から７のいずれか１
項記載の固体撮像装置。
【請求項９】前記読み出し手段は、水平シフトレジス
タを含むことを特徴とする請求項４から７のいずれか１
項記載の固体撮像装置。
【請求項１０】前記複数の撮像領域の各々は、色分解
フィルタが設けられていることを特徴とする請求項１か
ら９のいずれか１項記載の固体撮像装置。
【請求項１１】前記複数の撮像領域の各々は、Ｒ，
Ｇ，Ｂ色分解フィルタのいずれかが設けられ、前記各分
解フィルタは、ＲフィルタとＢフィルタとが対角に配置
され、２つのＧフィルタが対角に配置されることを特徴
とする請求項１から１０のいずれか１項記載の固体撮像
装置。
【請求項１２】前記複数の撮像領域は、ＭＯＳ型撮像
素子又はＣＣＤ撮像素子で構成されていることを特徴と
する請求項１から１１のいずれか１項記載の固体撮像装
置。
【請求項１３】請求項１から１２のいずれか１項記載
の固体撮像装置と、前記撮像装置へ光を結像する光学系と、前記撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回路と
を有することを特徴とする固体撮像システム。