JP2004146955A - 固体撮像素子及びその駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】多画素化された２次元画素アレイからの読み出し画素数の縮減を有効に行う。
【解決手段】ＲＧＢ原色カラーフィルタのベイヤー配列中にオールＧｒｅｅｎ画素の水平ライン（Ｇ横ストライプ画素行）を一定ライン周期で挿入配置する。例えば、２００万画素の撮像素子で、間引きによりＶＧＡ（６４０画素欠ける４８０ライン）相当の出力を得る場合に、２ラインにつき１ライン分のＧ横ストライプの画素行を挿入する。これにより、まず、垂直レジスタで読み出す画素を垂直方向に間引き、次に、水平レジスタ内で隣接画素を加算することにより、補色信号と原色信号とを交互に出力する。そこで、後段のカラー信号処理回路において原色分離を施すことで、原色フィルタの高い色再現特性を有する出力信号を得る。
【選択図】 図１
【解決手段】ＲＧＢ原色カラーフィルタのベイヤー配列中にオールＧｒｅｅｎ画素の水平ライン（Ｇ横ストライプ画素行）を一定ライン周期で挿入配置する。例えば、２００万画素の撮像素子で、間引きによりＶＧＡ（６４０画素欠ける４８０ライン）相当の出力を得る場合に、２ラインにつき１ライン分のＧ横ストライプの画素行を挿入する。これにより、まず、垂直レジスタで読み出す画素を垂直方向に間引き、次に、水平レジスタ内で隣接画素を加算することにより、補色信号と原色信号とを交互に出力する。そこで、後段のカラー信号処理回路において原色分離を施すことで、原色フィルタの高い色再現特性を有する出力信号を得る。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の受光画素を２次元配列で設けた半導体チップ上に所定の色配列を有するカラーフィルタを配置したカラー撮像用の固体撮像素子及びその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば図６に示すような、いわゆるベイヤー配列のＲＧＢ（赤緑青）の原色カラーフィルタを用いてカラーコーディングを行うＣＣＤ固体撮像素子が提供されている。（例えば、特許文献１）。
このＣＣＤ固体撮像素子では、２次元配列の画素アレイから垂直レジスタ及び水平レジスタを介して各画素の信号を順次読み出し、後段の信号処理回路によって図６に示すようなカラーコーディングの規則に対応した演算処理を行うことにより、カラー画像の再生を行うようになっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２０１３５５号公報
【０００４】
また、この種のＣＣＤ固体撮像素子では、特に多画素化された素子において、画素アレイを構成する全ての画素の信号を画像信号として出力する全画素読み取りモードと、各画素の間引き処理や隣接画素の混合処理を通してデータサイズの小さい画像信号を出力する読み取りモード（ここでは画素縮減読み取りモードという）とを有するものが知られている。
例えば、２００万画素以上のＣＣＤ固体撮像素子において、静止画用のカメラと動画用のカメラとを兼用する場合に、静止画出力時には全画素読み取りモードによって全画素の信号を読み出し、動画出力時には画素の読み出しを間引くか、隣接画素をレジスタで混合して読み出す画素縮減読み取りモードによって高速フレームレートによる出力動作を実現する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した画素縮減読み取りモードを実現する場合、垂直レジスタでの間引きは、その読み出しパルスの制御で行うことができ、比較的簡単な構造で実現可能であるが、水平レジスタ内での信号電荷の混合や信号の間引きは、構造上困難であった。
すなわち、信号電荷の混合は同色画素同士で行う必要があるが、図６に示すように、水平レジスタ（図６に加算器Ａとして示す）に転送されてくる信号電荷は、上述のようなＲＧＢ画素配列の場合、異なる色の画素が交互に転送されてくることになり、水平方向に隣接する画素は同色画素でないため、これらを単純に水平レジスタで混合させることができないからである。
そのため従来は、水平方向の画素縮減を容易に行えず、この結果、画素数が多くなると、例えばＶＧＡ規格程度の画素数でも３０フレームの転送が困難となっていた。
なお、以上のような動画出力時だけに限らず、例えばデータサイズの小さい表示機器に出力するような場合にも、容易に画素数の縮減を行えず、同様の問題が生じることになる。
そこで本発明の目的は、多画素化された２次元画素アレイからの読み出し画素数の縮減を有効に行うことができ、例えば高フレームレートの出力や規格の異なる機器への出力等に容易に対応することが可能な固体撮像素子及びその駆動方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、単位画素を２次元配列で設けた２次元画素アレイと、前記２次元画素アレイの各単位画素の信号電荷を各画素列毎に読み出して垂直方向に転送する複数の垂直レジスタと、前記複数の垂直レジスタからの信号電荷を水平方向に転送する少なくとも１つの水平レジスタと、前記２次元画素アレイ上に配置され、各単位画素に対するカラーコーディングを行うベイヤー配列のＲＧＢ原色カラーフィルタとを有し、前記ＲＧＢ原色カラーフィルタのベイヤー配列中にオールＧ画素の水平ラインを一定ライン周期で挿入配置したことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明は、単位画素を２次元配列で設けた２次元画素アレイと、前記２次元画素アレイの各単位画素の信号電荷を各画素列毎に読み出して垂直方向に転送する複数の垂直レジスタと、前記複数の垂直レジスタからの信号電荷を水平方向に転送する少なくとも１つの水平レジスタと、前記２次元画素アレイ上に配置され、各単位画素に対するカラーコーディングを行うベイヤー配列のＲＧＢ原色カラーフィルタとを有する固体撮像素子の駆動方法であって、前記ＲＧＢ原色カラーフィルタのベイヤー配列中にオールＧ画素の水平ラインを一定ライン周期で挿入配置し、前記垂直レジスタで前記２次元画素アレイの各画素の信号を垂直方向に間引いて転送し、前記水平レジスタで前記２次元画素アレイの各画素の信号を垂直方向に混合し、補色信号と原色信号とを交互に出力することを特徴とする。
【０００８】
本発明の固体撮像素子及びその駆動方法では、ＲＧＢ原色カラーフィルタのベイヤー配列中にオールＧ画素の水平ラインを一定ライン周期で挿入配置したことにより、水平レジスタで水平隣接画素を混合しても後段で支障なくカラー信号処理を行うことができる。
したがって、多画素化された２次元画素アレイからの読み出し画素数の縮減を有効に行うことができ、例えば高フレームレートの出力や規格の異なる機器への出力等に容易に対応することが可能となる。例えばＶＧＡ規格程度での３０フレーム以上の読み出しが可能になる。
また、水平レジスタで水平隣接画素を２画素以上混合することが可能になり、水平転送時間の短縮の自由度が増大し、例えば３００万画素以上の多画素化撮像素子における画素数の大幅な縮減も容易になる。
なお、原色フィルタでありながら、異なる色の画素同士で混合するために、カラー画像出力として、補色信号と原色信号とが交互に出力されることになるが、後段のカラー信号処理において原色分離を施すことで、原色フィルタの高い色再現特性を維持することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による固体撮像素子及びその駆動方法の実施の形態例について説明する。
本実施の形態例は、単位画素を２次元配列で設けた２次元画素アレイと、この２次元画素アレイの各単位画素の信号電荷を各画素列毎に読み出して垂直方向に転送する複数の垂直レジスタと、各垂直レジスタからの信号電荷を水平方向に転送する水平レジスタを有し、２次元画素アレイ上に図６に示したベイヤー配列のＲＧＢ原色カラーフィルタを配置してカラーコーディングを行うＣＣＤ固体撮像素子に対し、ＲＧＢ原色カラーフィルタのベイヤー配列中にオールＧｒｅｅｎ画素の水平ラインを一定ライン周期で挿入することにより、水平レジスタで水平隣接画素を混合しても後段で支障なくカラー信号処理を行えるようにしたものである。
【００１０】
このような構成により、水平レジスタで水平隣接画素信号を混合できることにより、水平転送時間の短縮が可能になり、画素数が多くなると困難であった、例えばＶＧＡ規格程度での３０フレーム以上の読み出しが可能になる。
また、水平レジスタで水平隣接画素を２画素以上混合することが可能になり、水平転送時間の短縮の自由度が増大し、３００万画素以上の多画素ＣＣＤにおける画素数の大幅な縮減も容易になる。
なお、原色フィルタでありながら、異なる色の画素同士で混合するために、カラー画像出力として、補色信号と原色信号とが交互に出力されることになるが、後段のカラー信号処理において原色分離を施すことで、原色フィルタの高い色再現特性を維持することができる。
【００１１】
以下、本実施の形態による固体撮像素子及びその駆動方法の実施例について図面を用いて説明する。
図１は、本例によるＣＣＤ固体撮像素子の構成例を示す説明図である。
このＣＣＤ固体撮像素子において、２次元画素アレイ１０には、それぞれフォトダイオード等の光電変換素子を含む単位画素２０が２次元配列で設けられており、各単位画素２０の各列に沿って複数の垂直レジスタ３０が設けられている。そして、各垂直レジスタ３０は、各単位画素２０によって生成、蓄積された信号電荷を読み出して垂直方向に転送し、２次元画素アレイ１０の側部に設けられた水平レジスタ４０に出力する。なお、各垂直レジスタ３０では、各単位画素２０から信号電荷を読み出すための読み出しパルスの制御により、各単位画素２０の信号電荷を垂直方向に間引いて出力することが可能である。
【００１２】
また、水平レジスタ４０は、各垂直レジスタ３０からの信号電荷を行毎に水平方向に転送し、出力部５０に出力する。出力部５０は、水平レジスタ４０から転送された信号電荷をフローティングデフュージョン部を介して電圧信号に変換し、さらに増幅して後段の信号処理回路６０に出力するものである。このような水平レジスタ４０及び出力部５０では、各種パルスの制御により、水平方向に隣接する画素の信号電荷を加算して出力することが可能となっている。なお、本例では、１組の水平レジスタ４０と出力部５０を設けた構成となっているが、複数組の水平レジスタ４０と出力部５０を設けた構成であってもよい。
また、信号処理回路６０は、出力部５０からの画像信号に対し、ノイズ除去やゲインコントロール、ならびに各種のカラー信号処理等を行うものである。なお、本例では、固体撮像素子を設けた同一半導体チップ１上に信号処理回路６０を搭載した例を示しているが、別のチップに分離した構成であってもよい。
【００１３】
また、図では省略しているが、２次元画素アレイ１０等を設けた半導体チップ１の上には、ゲート絶縁膜、各レジスタ３０、４０用の転送電極、遮光膜、層間絶縁膜、及び各種配線層等が積層され、その上にオンチップ構造でカラーフィルタやマイクロレンズが搭載されている。
そして、このカラーフィルタが本発明の特徴となるベイヤー配列のＲＧＢ原色カラーフィルタとなっている。
次に、このカラーフィルタによって実現される本例のカラーコーディングと信号読み出し方法について説明する。
【００１４】
図２は本実施の形態例によるカラーコーディングの第１の例を示す説明図である。
本例のカラーコーディングは、ＲＧＢ原色カラーフィルタのベイヤー配列中にオールＧｒｅｅｎ画素の水平ライン（以下、Ｇ横ストライプの画素行という）を２ラインおき（すなわち、ベイヤー配列の２ラインに１本）の周期で挿入配置したものである。
なお、図２において、隣接画素の合成を行う水平レジスタを加算器Ａとして示している。
例えば、２００万画素の撮像素子で、間引きによりＶＧＡ（６４０画素欠ける４８０ライン）相当の出力を得る場合に、本例のように２ラインにつき１ライン分のＧ横ストライプの画素行を挿入する。
【００１５】
これにより、垂直方向に間引かれた信号は、
ＲＧＲＧＲＧ………
ＧＧＧＧＧＧ………
ＧＧＧＧＧＧ………
ＧＢＧＢＧＢ………
のように出力される。
また、これを水平レジスタ内で加算することにより、以下のような信号出力になる。
Ｒ＋Ｇ………
Ｇ＋Ｇ………
Ｇ＋Ｇ………
Ｇ＋Ｂ………
しかし、次式の信号処理を施すことで、ＲＧＢ独立の信号を読み出すことが可能になる。
Ｒ’＝（Ｒ＋Ｇ）−１／２・（２Ｇ）
Ｂ’＝（Ｂ＋Ｇ）−１／２・（２Ｇ）
つまり、水平レジスタで一旦画素混合されたにもかかわらず、Ｇ信号のみのラインが存在するために信号処理で原色を分離することが可能になる。
【００１６】
図３は本実施の形態例によるカラーコーディングの第２の例を示す説明図である。
本例のカラーコーディングは、ＲＧＢ原色カラーフィルタのベイヤー配列中にＧ横ストライプの画素行を４ラインおき（すなわち、ベイヤー配列の４ラインに１本）の周期で挿入配置したものである。
なお、図３においても、隣接画素の合成を行う水平レジスタを加算器Ａとして示している。
例えば、第１の例と同様の２００万画素で、４ラインにつき１ライン分のＧ横ストライプの画素列を挿入する。
【００１７】
これにより、垂直方向に間引かれた信号は
ＲＧＲＧＲＧ………
ＧＧＧＧＧＧ………
ＧＢＧＢＧＢ………
ＧＧＧＧＧＧ………
のように出力される。
【００１８】
また、これを水平レジスタ内で加算することにより、以下のような信号出力になる。
Ｒ＋Ｇ………
Ｇ＋Ｇ………
Ｇ＋Ｂ………
Ｇ＋Ｇ………
しかし、次式の信号処理を施すことで、ＲＧＢ独立の信号を読み出すことが可能になる。
Ｒ’＝（Ｒ＋Ｇ）−１／２・（２Ｇ）
Ｂ’＝（Ｂ＋Ｇ）−１／２・（２Ｇ）
つまり、水平レジスタで一旦画素混合されたにもかかわらず、Ｇ信号のみのラインが存在するために、信号処理で原色を分離することが可能になる。
【００１９】
図４は本実施の形態例によるカラーコーディングの第３の例を示す説明図である。
本例のカラーコーディングは、ＲＧＢ原色カラーフィルタのベイヤー配列中にＧ横ストライプの画素行を５ラインおき（すなわち、ベイヤー配列の５ラインに１本）の周期で挿入配置したものである。
なお、図４においても、隣接画素の合成を行う水平レジスタを加算器Ａとして示している。
例えば、３００万画素の撮像素子で、５ラインにつき１ライン分のＧ横ストライプの画素列を挿入する。
これにより垂直方向に間引かれた信号は
ＲＧＲＧＲＧ………
ＧＢＧＢＧＢ………
ＧＧＧＧＧＧ………
のように出力される。
【００２０】
また、これを水平レジスタ内で加算することにより、以下のような信号出力になる。ただし、２００万画素と異なり、３００万画素の場合は、間引いた数が６４０画素に近くなるよう３画素加算する。
Ｒ＋Ｇ＋Ｒ………
Ｇ＋Ｂ＋Ｇ………
Ｇ＋Ｇ＋Ｇ………
しかし、次式の信号処理を施すことで、ＲＧＢ独立の信号を読み出すことが可能になる。
Ｒ’＝（２Ｒ＋Ｇ）−１／３・（３Ｇ）
Ｂ’＝（Ｂ＋２Ｇ）−２／３・（３Ｇ）
【００２１】
図５は本実施の形態例によるカラーコーディングの第３の例を示す説明図である。
本例のカラーコーディングは、ＲＧＢ原色カラーフィルタのベイヤー配列中にＧ横ストライプの画素行を４ラインおき（すなわち、ベイヤー配列の４ラインに１本）の周期で挿入配置したものである。
なお、図５においても、隣接画素の合成を行う水平レジスタを加算器Ａとして示している。
例えば、５００万画素の撮像素子で、４ラインにつき１ライン分のＧ横ストライプの画素列を挿入する。
これにより垂直方向に間引かれた信号は
ＲＧＲＧＲＧ………
ＧＢＧＢＧＢ………
ＧＧＧＧＧＧ………
のように出力される。
【００２２】
また、これを水平レジスタ内で加算することにより、以下のような信号出力になる。
Ｒ＋Ｇ………
Ｇ＋Ｂ………
Ｇ＋Ｇ………
しかし、次式の信号処理を施すことで、ＲＧＢ独立の信号を読み出すことが可能になる。
Ｒ’＝（Ｒ＋Ｇ）−１／２・（２Ｇ）
Ｂ’＝（Ｂ＋Ｇ）−１／２・（２Ｇ）
【００２３】
以上のように、本実施の形態例では、水平レジスタで水平隣接画素信号を混合できるようになったことで、水平転送時間の短縮が可能になる。これにより、画素数が多くなると困難であった例えばＶＧＡ程度で３０フレーム以上の読み出しが可能になる。
例えば、２００万画素の場合には、以下のようなＶＧＡ画素に近い信号が得られる（図２、図３）。
８００Ｈ＝１／２・１６００Ｈ
５３３Ｖ＝４／９・１２００Ｖ
または、
８００Ｈ＝１／２・１６００Ｈ
４８０Ｖ＝４／１０・１２００Ｖ
【００２４】
また、例えば、３００万画素の場合には、以下のようなＶＧＡ画素に近い信号が得られる（図４）。
６８３Ｈ＝１／３・２０４８Ｈ
５１２Ｖ＝３／９・１５３６Ｖ
また、例えば、５００万画素の場合には、以下のようなＶＧＡ画素に近い信号が得られる（図５）。
６４０Ｈ＝１／４・２５６０Ｈ
４８０Ｖ＝３／１２・１９２０Ｖ
【００２５】
また、本実施の形態例では、水平レジスタで水平隣接画素を２画素以上混合することが可能になり、水平転送時間の短縮の自由度が増大し、３００万画素以上の多画素ＣＣＤの画素間引きが容易になる。
さらに、原色フィルタでありながら、異種画素同士で混合するために、ＣＣＤ出力として、補色信号と原色信号が交互に出力されるが、カラー信号処理において原色分離を施すことで、原色フィルタの高い色再現特性を維持できる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像素子及びその駆動方法では、ＲＧＢ原色カラーフィルタのベイヤー配列中にオールＧ画素の水平ラインを一定ライン周期で挿入配置したことにより、水平レジスタで水平隣接画素を混合しても後段で支障なくカラー信号処理を行うことができる。
したがって、多画素化された２次元画素アレイからの読み出し画素数の縮減を有効に行うことができ、例えば高フレームレートの出力や規格の異なる機器への出力等に容易に対応することが可能となる。また、水平レジスタで水平隣接画素を２画素以上混合することが可能になり、水平転送時間の短縮の自由度が増大し、例えば３００万画素以上の多画素化撮像素子における画素数の大幅な縮減も容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態例で用いるＣＣＤ固体撮像素子の構成例を示す説明図である。
【図２】図１に示す固体撮像素子によるカラーコーディングの第１の例を示す説明図である。
【図３】図１に示す固体撮像素子によるカラーコーディングの第２の例を示す説明図である。
【図４】図１に示す固体撮像素子によるカラーコーディングの第３の例を示す説明図である。
【図５】図１に示す固体撮像素子によるカラーコーディングの第４の例を示す説明図である。
【図６】従来のＣＣＤ固体撮像素子におけるベイヤー配列のＲＧＢ原色カラーフィルタを示す説明図である。
【符号の説明】
１……半導体チップ、１０……２次元画素アレイ、２０……単位画素、３０……垂直レジスタ、４０……水平レジスタ、５０……出力部、６０……信号処理回路。
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の受光画素を２次元配列で設けた半導体チップ上に所定の色配列を有するカラーフィルタを配置したカラー撮像用の固体撮像素子及びその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば図６に示すような、いわゆるベイヤー配列のＲＧＢ（赤緑青）の原色カラーフィルタを用いてカラーコーディングを行うＣＣＤ固体撮像素子が提供されている。（例えば、特許文献１）。
このＣＣＤ固体撮像素子では、２次元配列の画素アレイから垂直レジスタ及び水平レジスタを介して各画素の信号を順次読み出し、後段の信号処理回路によって図６に示すようなカラーコーディングの規則に対応した演算処理を行うことにより、カラー画像の再生を行うようになっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２０１３５５号公報
【０００４】
また、この種のＣＣＤ固体撮像素子では、特に多画素化された素子において、画素アレイを構成する全ての画素の信号を画像信号として出力する全画素読み取りモードと、各画素の間引き処理や隣接画素の混合処理を通してデータサイズの小さい画像信号を出力する読み取りモード（ここでは画素縮減読み取りモードという）とを有するものが知られている。
例えば、２００万画素以上のＣＣＤ固体撮像素子において、静止画用のカメラと動画用のカメラとを兼用する場合に、静止画出力時には全画素読み取りモードによって全画素の信号を読み出し、動画出力時には画素の読み出しを間引くか、隣接画素をレジスタで混合して読み出す画素縮減読み取りモードによって高速フレームレートによる出力動作を実現する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した画素縮減読み取りモードを実現する場合、垂直レジスタでの間引きは、その読み出しパルスの制御で行うことができ、比較的簡単な構造で実現可能であるが、水平レジスタ内での信号電荷の混合や信号の間引きは、構造上困難であった。
すなわち、信号電荷の混合は同色画素同士で行う必要があるが、図６に示すように、水平レジスタ（図６に加算器Ａとして示す）に転送されてくる信号電荷は、上述のようなＲＧＢ画素配列の場合、異なる色の画素が交互に転送されてくることになり、水平方向に隣接する画素は同色画素でないため、これらを単純に水平レジスタで混合させることができないからである。
そのため従来は、水平方向の画素縮減を容易に行えず、この結果、画素数が多くなると、例えばＶＧＡ規格程度の画素数でも３０フレームの転送が困難となっていた。
なお、以上のような動画出力時だけに限らず、例えばデータサイズの小さい表示機器に出力するような場合にも、容易に画素数の縮減を行えず、同様の問題が生じることになる。
そこで本発明の目的は、多画素化された２次元画素アレイからの読み出し画素数の縮減を有効に行うことができ、例えば高フレームレートの出力や規格の異なる機器への出力等に容易に対応することが可能な固体撮像素子及びその駆動方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、単位画素を２次元配列で設けた２次元画素アレイと、前記２次元画素アレイの各単位画素の信号電荷を各画素列毎に読み出して垂直方向に転送する複数の垂直レジスタと、前記複数の垂直レジスタからの信号電荷を水平方向に転送する少なくとも１つの水平レジスタと、前記２次元画素アレイ上に配置され、各単位画素に対するカラーコーディングを行うベイヤー配列のＲＧＢ原色カラーフィルタとを有し、前記ＲＧＢ原色カラーフィルタのベイヤー配列中にオールＧ画素の水平ラインを一定ライン周期で挿入配置したことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明は、単位画素を２次元配列で設けた２次元画素アレイと、前記２次元画素アレイの各単位画素の信号電荷を各画素列毎に読み出して垂直方向に転送する複数の垂直レジスタと、前記複数の垂直レジスタからの信号電荷を水平方向に転送する少なくとも１つの水平レジスタと、前記２次元画素アレイ上に配置され、各単位画素に対するカラーコーディングを行うベイヤー配列のＲＧＢ原色カラーフィルタとを有する固体撮像素子の駆動方法であって、前記ＲＧＢ原色カラーフィルタのベイヤー配列中にオールＧ画素の水平ラインを一定ライン周期で挿入配置し、前記垂直レジスタで前記２次元画素アレイの各画素の信号を垂直方向に間引いて転送し、前記水平レジスタで前記２次元画素アレイの各画素の信号を垂直方向に混合し、補色信号と原色信号とを交互に出力することを特徴とする。
【０００８】
本発明の固体撮像素子及びその駆動方法では、ＲＧＢ原色カラーフィルタのベイヤー配列中にオールＧ画素の水平ラインを一定ライン周期で挿入配置したことにより、水平レジスタで水平隣接画素を混合しても後段で支障なくカラー信号処理を行うことができる。
したがって、多画素化された２次元画素アレイからの読み出し画素数の縮減を有効に行うことができ、例えば高フレームレートの出力や規格の異なる機器への出力等に容易に対応することが可能となる。例えばＶＧＡ規格程度での３０フレーム以上の読み出しが可能になる。
また、水平レジスタで水平隣接画素を２画素以上混合することが可能になり、水平転送時間の短縮の自由度が増大し、例えば３００万画素以上の多画素化撮像素子における画素数の大幅な縮減も容易になる。
なお、原色フィルタでありながら、異なる色の画素同士で混合するために、カラー画像出力として、補色信号と原色信号とが交互に出力されることになるが、後段のカラー信号処理において原色分離を施すことで、原色フィルタの高い色再現特性を維持することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による固体撮像素子及びその駆動方法の実施の形態例について説明する。
本実施の形態例は、単位画素を２次元配列で設けた２次元画素アレイと、この２次元画素アレイの各単位画素の信号電荷を各画素列毎に読み出して垂直方向に転送する複数の垂直レジスタと、各垂直レジスタからの信号電荷を水平方向に転送する水平レジスタを有し、２次元画素アレイ上に図６に示したベイヤー配列のＲＧＢ原色カラーフィルタを配置してカラーコーディングを行うＣＣＤ固体撮像素子に対し、ＲＧＢ原色カラーフィルタのベイヤー配列中にオールＧｒｅｅｎ画素の水平ラインを一定ライン周期で挿入することにより、水平レジスタで水平隣接画素を混合しても後段で支障なくカラー信号処理を行えるようにしたものである。
【００１０】
このような構成により、水平レジスタで水平隣接画素信号を混合できることにより、水平転送時間の短縮が可能になり、画素数が多くなると困難であった、例えばＶＧＡ規格程度での３０フレーム以上の読み出しが可能になる。
また、水平レジスタで水平隣接画素を２画素以上混合することが可能になり、水平転送時間の短縮の自由度が増大し、３００万画素以上の多画素ＣＣＤにおける画素数の大幅な縮減も容易になる。
なお、原色フィルタでありながら、異なる色の画素同士で混合するために、カラー画像出力として、補色信号と原色信号とが交互に出力されることになるが、後段のカラー信号処理において原色分離を施すことで、原色フィルタの高い色再現特性を維持することができる。
【００１１】
以下、本実施の形態による固体撮像素子及びその駆動方法の実施例について図面を用いて説明する。
図１は、本例によるＣＣＤ固体撮像素子の構成例を示す説明図である。
このＣＣＤ固体撮像素子において、２次元画素アレイ１０には、それぞれフォトダイオード等の光電変換素子を含む単位画素２０が２次元配列で設けられており、各単位画素２０の各列に沿って複数の垂直レジスタ３０が設けられている。そして、各垂直レジスタ３０は、各単位画素２０によって生成、蓄積された信号電荷を読み出して垂直方向に転送し、２次元画素アレイ１０の側部に設けられた水平レジスタ４０に出力する。なお、各垂直レジスタ３０では、各単位画素２０から信号電荷を読み出すための読み出しパルスの制御により、各単位画素２０の信号電荷を垂直方向に間引いて出力することが可能である。
【００１２】
また、水平レジスタ４０は、各垂直レジスタ３０からの信号電荷を行毎に水平方向に転送し、出力部５０に出力する。出力部５０は、水平レジスタ４０から転送された信号電荷をフローティングデフュージョン部を介して電圧信号に変換し、さらに増幅して後段の信号処理回路６０に出力するものである。このような水平レジスタ４０及び出力部５０では、各種パルスの制御により、水平方向に隣接する画素の信号電荷を加算して出力することが可能となっている。なお、本例では、１組の水平レジスタ４０と出力部５０を設けた構成となっているが、複数組の水平レジスタ４０と出力部５０を設けた構成であってもよい。
また、信号処理回路６０は、出力部５０からの画像信号に対し、ノイズ除去やゲインコントロール、ならびに各種のカラー信号処理等を行うものである。なお、本例では、固体撮像素子を設けた同一半導体チップ１上に信号処理回路６０を搭載した例を示しているが、別のチップに分離した構成であってもよい。
【００１３】
また、図では省略しているが、２次元画素アレイ１０等を設けた半導体チップ１の上には、ゲート絶縁膜、各レジスタ３０、４０用の転送電極、遮光膜、層間絶縁膜、及び各種配線層等が積層され、その上にオンチップ構造でカラーフィルタやマイクロレンズが搭載されている。
そして、このカラーフィルタが本発明の特徴となるベイヤー配列のＲＧＢ原色カラーフィルタとなっている。
次に、このカラーフィルタによって実現される本例のカラーコーディングと信号読み出し方法について説明する。
【００１４】
図２は本実施の形態例によるカラーコーディングの第１の例を示す説明図である。
本例のカラーコーディングは、ＲＧＢ原色カラーフィルタのベイヤー配列中にオールＧｒｅｅｎ画素の水平ライン（以下、Ｇ横ストライプの画素行という）を２ラインおき（すなわち、ベイヤー配列の２ラインに１本）の周期で挿入配置したものである。
なお、図２において、隣接画素の合成を行う水平レジスタを加算器Ａとして示している。
例えば、２００万画素の撮像素子で、間引きによりＶＧＡ（６４０画素欠ける４８０ライン）相当の出力を得る場合に、本例のように２ラインにつき１ライン分のＧ横ストライプの画素行を挿入する。
【００１５】
これにより、垂直方向に間引かれた信号は、
ＲＧＲＧＲＧ………
ＧＧＧＧＧＧ………
ＧＧＧＧＧＧ………
ＧＢＧＢＧＢ………
のように出力される。
また、これを水平レジスタ内で加算することにより、以下のような信号出力になる。
Ｒ＋Ｇ………
Ｇ＋Ｇ………
Ｇ＋Ｇ………
Ｇ＋Ｂ………
しかし、次式の信号処理を施すことで、ＲＧＢ独立の信号を読み出すことが可能になる。
Ｒ’＝（Ｒ＋Ｇ）−１／２・（２Ｇ）
Ｂ’＝（Ｂ＋Ｇ）−１／２・（２Ｇ）
つまり、水平レジスタで一旦画素混合されたにもかかわらず、Ｇ信号のみのラインが存在するために信号処理で原色を分離することが可能になる。
【００１６】
図３は本実施の形態例によるカラーコーディングの第２の例を示す説明図である。
本例のカラーコーディングは、ＲＧＢ原色カラーフィルタのベイヤー配列中にＧ横ストライプの画素行を４ラインおき（すなわち、ベイヤー配列の４ラインに１本）の周期で挿入配置したものである。
なお、図３においても、隣接画素の合成を行う水平レジスタを加算器Ａとして示している。
例えば、第１の例と同様の２００万画素で、４ラインにつき１ライン分のＧ横ストライプの画素列を挿入する。
【００１７】
これにより、垂直方向に間引かれた信号は
ＲＧＲＧＲＧ………
ＧＧＧＧＧＧ………
ＧＢＧＢＧＢ………
ＧＧＧＧＧＧ………
のように出力される。
【００１８】
また、これを水平レジスタ内で加算することにより、以下のような信号出力になる。
Ｒ＋Ｇ………
Ｇ＋Ｇ………
Ｇ＋Ｂ………
Ｇ＋Ｇ………
しかし、次式の信号処理を施すことで、ＲＧＢ独立の信号を読み出すことが可能になる。
Ｒ’＝（Ｒ＋Ｇ）−１／２・（２Ｇ）
Ｂ’＝（Ｂ＋Ｇ）−１／２・（２Ｇ）
つまり、水平レジスタで一旦画素混合されたにもかかわらず、Ｇ信号のみのラインが存在するために、信号処理で原色を分離することが可能になる。
【００１９】
図４は本実施の形態例によるカラーコーディングの第３の例を示す説明図である。
本例のカラーコーディングは、ＲＧＢ原色カラーフィルタのベイヤー配列中にＧ横ストライプの画素行を５ラインおき（すなわち、ベイヤー配列の５ラインに１本）の周期で挿入配置したものである。
なお、図４においても、隣接画素の合成を行う水平レジスタを加算器Ａとして示している。
例えば、３００万画素の撮像素子で、５ラインにつき１ライン分のＧ横ストライプの画素列を挿入する。
これにより垂直方向に間引かれた信号は
ＲＧＲＧＲＧ………
ＧＢＧＢＧＢ………
ＧＧＧＧＧＧ………
のように出力される。
【００２０】
また、これを水平レジスタ内で加算することにより、以下のような信号出力になる。ただし、２００万画素と異なり、３００万画素の場合は、間引いた数が６４０画素に近くなるよう３画素加算する。
Ｒ＋Ｇ＋Ｒ………
Ｇ＋Ｂ＋Ｇ………
Ｇ＋Ｇ＋Ｇ………
しかし、次式の信号処理を施すことで、ＲＧＢ独立の信号を読み出すことが可能になる。
Ｒ’＝（２Ｒ＋Ｇ）−１／３・（３Ｇ）
Ｂ’＝（Ｂ＋２Ｇ）−２／３・（３Ｇ）
【００２１】
図５は本実施の形態例によるカラーコーディングの第３の例を示す説明図である。
本例のカラーコーディングは、ＲＧＢ原色カラーフィルタのベイヤー配列中にＧ横ストライプの画素行を４ラインおき（すなわち、ベイヤー配列の４ラインに１本）の周期で挿入配置したものである。
なお、図５においても、隣接画素の合成を行う水平レジスタを加算器Ａとして示している。
例えば、５００万画素の撮像素子で、４ラインにつき１ライン分のＧ横ストライプの画素列を挿入する。
これにより垂直方向に間引かれた信号は
ＲＧＲＧＲＧ………
ＧＢＧＢＧＢ………
ＧＧＧＧＧＧ………
のように出力される。
【００２２】
また、これを水平レジスタ内で加算することにより、以下のような信号出力になる。
Ｒ＋Ｇ………
Ｇ＋Ｂ………
Ｇ＋Ｇ………
しかし、次式の信号処理を施すことで、ＲＧＢ独立の信号を読み出すことが可能になる。
Ｒ’＝（Ｒ＋Ｇ）−１／２・（２Ｇ）
Ｂ’＝（Ｂ＋Ｇ）−１／２・（２Ｇ）
【００２３】
以上のように、本実施の形態例では、水平レジスタで水平隣接画素信号を混合できるようになったことで、水平転送時間の短縮が可能になる。これにより、画素数が多くなると困難であった例えばＶＧＡ程度で３０フレーム以上の読み出しが可能になる。
例えば、２００万画素の場合には、以下のようなＶＧＡ画素に近い信号が得られる（図２、図３）。
８００Ｈ＝１／２・１６００Ｈ
５３３Ｖ＝４／９・１２００Ｖ
または、
８００Ｈ＝１／２・１６００Ｈ
４８０Ｖ＝４／１０・１２００Ｖ
【００２４】
また、例えば、３００万画素の場合には、以下のようなＶＧＡ画素に近い信号が得られる（図４）。
６８３Ｈ＝１／３・２０４８Ｈ
５１２Ｖ＝３／９・１５３６Ｖ
また、例えば、５００万画素の場合には、以下のようなＶＧＡ画素に近い信号が得られる（図５）。
６４０Ｈ＝１／４・２５６０Ｈ
４８０Ｖ＝３／１２・１９２０Ｖ
【００２５】
また、本実施の形態例では、水平レジスタで水平隣接画素を２画素以上混合することが可能になり、水平転送時間の短縮の自由度が増大し、３００万画素以上の多画素ＣＣＤの画素間引きが容易になる。
さらに、原色フィルタでありながら、異種画素同士で混合するために、ＣＣＤ出力として、補色信号と原色信号が交互に出力されるが、カラー信号処理において原色分離を施すことで、原色フィルタの高い色再現特性を維持できる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像素子及びその駆動方法では、ＲＧＢ原色カラーフィルタのベイヤー配列中にオールＧ画素の水平ラインを一定ライン周期で挿入配置したことにより、水平レジスタで水平隣接画素を混合しても後段で支障なくカラー信号処理を行うことができる。
したがって、多画素化された２次元画素アレイからの読み出し画素数の縮減を有効に行うことができ、例えば高フレームレートの出力や規格の異なる機器への出力等に容易に対応することが可能となる。また、水平レジスタで水平隣接画素を２画素以上混合することが可能になり、水平転送時間の短縮の自由度が増大し、例えば３００万画素以上の多画素化撮像素子における画素数の大幅な縮減も容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態例で用いるＣＣＤ固体撮像素子の構成例を示す説明図である。
【図２】図１に示す固体撮像素子によるカラーコーディングの第１の例を示す説明図である。
【図３】図１に示す固体撮像素子によるカラーコーディングの第２の例を示す説明図である。
【図４】図１に示す固体撮像素子によるカラーコーディングの第３の例を示す説明図である。
【図５】図１に示す固体撮像素子によるカラーコーディングの第４の例を示す説明図である。
【図６】従来のＣＣＤ固体撮像素子におけるベイヤー配列のＲＧＢ原色カラーフィルタを示す説明図である。
【符号の説明】
１……半導体チップ、１０……２次元画素アレイ、２０……単位画素、３０……垂直レジスタ、４０……水平レジスタ、５０……出力部、６０……信号処理回路。
Claims (8)
- 単位画素を２次元配列で設けた２次元画素アレイと、
前記２次元画素アレイの各単位画素の信号電荷を各画素列毎に読み出して垂直方向に転送する複数の垂直レジスタと、
前記複数の垂直レジスタからの信号電荷を水平方向に転送する少なくとも１つの水平レジスタと、
前記２次元画素アレイ上に配置され、各単位画素に対するカラーコーディングを行うベイヤー配列のＲＧＢ原色カラーフィルタとを有し、
前記ＲＧＢ原色カラーフィルタのベイヤー配列中にオールＧ画素の水平ラインを一定ライン周期で挿入配置した、
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記垂直レジスタにおいて前記２次元画素アレイの各画素の信号を垂直方向に間引いて転送し、前記水平レジスタに出力することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
- 前記水平レジスタにおいて前記２次元画素アレイの各画素の信号を水平方向の隣接画素同士で混合し、補色信号と原色信号とを交互に出力することを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
- 前記水平レジスタからの出力信号に色分離を施す信号処理回路を有することを特徴とする請求項３記載の固体撮像素子。
- 前記ベイヤー配列の２水平ラインおきに１本のオールＧ画素の水平ラインを挿入配置したことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
- 前記ベイヤー配列の４水平ラインおきに１本のオールＧ画素の水平ラインを挿入配置したことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
- 前記ベイヤー配列の５水平ラインおきに１本のオールＧ画素の水平ラインを挿入配置したことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
- 単位画素を２次元配列で設けた２次元画素アレイと、
前記２次元画素アレイの各単位画素の信号電荷を各画素列毎に読み出して垂直方向に転送する複数の垂直レジスタと、
前記複数の垂直レジスタからの信号電荷を水平方向に転送する少なくとも１つの水平レジスタと、
前記２次元画素アレイ上に配置され、各単位画素に対するカラーコーディングを行うベイヤー配列のＲＧＢ原色カラーフィルタとを有する固体撮像素子の駆動方法であって、
前記ＲＧＢ原色カラーフィルタのベイヤー配列中にオールＧ画素の水平ラインを一定ライン周期で挿入配置し、
前記垂直レジスタで前記２次元画素アレイの各画素の信号を垂直方向に間引いて転送し、前記水平レジスタで前記２次元画素アレイの各画素の信号を垂直方向に混合し、補色信号と原色信号とを交互に出力する、
ことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002307571A JP2004146955A (ja) | 2002-10-22 | 2002-10-22 | 固体撮像素子及びその駆動方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004146955A true JP2004146955A (ja) | 2004-05-20 |
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ID=32453990
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| JP2002307571A Pending JP2004146955A (ja) | 2002-10-22 | 2002-10-22 | 固体撮像素子及びその駆動方法 |
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| JP (1) | JP2004146955A (ja) |
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2002
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