JP2006303856A - 固体撮像素子および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画質をより向上させることのできる固体撮像素子および撮像装置を提供。
【解決手段】ディジタルカメラ10は撮像レンズ12およびシャッタ14を介して結像した光学像を固体撮像素子(CCD) 16にて受光し、光電変換して出力される画素信号をアナログフロントエンド回路(AFE) 18にてクランプし、処理されたアナログ信号をAD変換器20にてディジタル値に変換して信号処理回路22に出力する。AFE 18では、撮影情報に応じてクランプする水平走査ラインを切り替える。この際、CCD 16内のフォトダイオードが配置されたオプチカルブラック領域と、フォトダイオードが配置されていないオプチカルブラック領域とに応じてクランプする水平走査ラインが切り替えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子および撮像装置に係り、信号レベルを安定化し、たとえば黒レベルを安定化して画質を向上させることのできる固体撮像素子および撮像装置に関するものである。

近年、被写体像を固体撮像素子に結像させて撮像するディジタルカメラが知られている。このようなカメラにて採用される固体撮像素子では、高画素密度化が進み、撮像により得られる画像の品質がより高品質なものが求められてきている。

従来文献１では、実効画素領域とオプティカルブラック領域とを備える撮像装置が開示されている。この撮像装置は、複数箇所にオプチカルブラック領域を備えて、一方のオプチカルブラック領域に強い光が入射した場合に残りのオプチカルブラック領域から正確な黒レベルの基準信号を使用することにより、暗転現象を改善するものであった。
特開２００２−２９０８４１号公報

しかしながら、従来方式では、オプティカルブラック領域を実効画素領域の上下に複数配置させたりする必要があり、また信号の読み出し制御や、オプティカルブラック領域の切り替え制御など複雑な処理制御が必要になるという問題があった。この結果、たとえば高感度撮影時や長時間露光時での画質をより向上させることが困難であった。

本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、画質をより向上させることのできる固体撮像素子および撮像装置を提供することを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するために、入射光の光量に応じて受光信号を生成する受光素子を複数配設された有効画素領域と、入射光が遮光されたオプチカルブラック領域とを有する固体撮像素子において、オプチカルブラック領域は、水平走査ラインのフロント側とリア側にそれぞれ配設され、フロント側には、受光素子を配設した第１の領域を含む第１の水平走査ラインと、受光素子を配設していない第２の領域を含む第２の水平走査ラインとがそれぞれ所定のライン間隔にて配置したことを特徴とする。

また、本発明は上述の課題を解決するために、被写界を撮像してその光学像に応じた画像信号を生成する撮像装置において、この装置は、入射光の光量に応じて受光信号を生成する受光素子を複数配設された有効画素領域と、入射光が遮光されたオプチカルブラック領域とを有する固体撮像素子であって、オプチカルブラック領域は、水平走査ラインのフロント側とリア側にそれぞれ配設され、フロント側には、受光素子を配設した第１の領域を含む第１の水平走査ラインと、受光素子を配設していない第２の領域を含む第２の水平走査ラインとがそれぞれ所定のライン間隔にて配置した固体体撮像素子と、固体撮像素子を駆動して、露光に応じた画像信号を固体撮像素子から出力させる駆動手段と、固体撮像素子から出力される画像信号をクランプするアナログ回路と、アナログ回路におけるクランプ処理を制御する制御手段とを有し、制御手段は、アナログ回路にてクランプする水平走査ラインを前記第１の水平走査ラインと第２の水平走査ラインとで切り替えることを特徴とする。

本発明によれば、固体撮像素子のリア側のOB領域にPD有り／PD無し領域を所定の間隔にて配置し、OB領域の遮光膜を透過した光の影響や、長時間露光時にPDで発生した暗電流の影響を回避することができ、黒レベル補正を正確に行うことができる。またフロント側のOB領域とリア側のOB領域とで、PD有り／PD無しの関係が異なる配置をとる構成により、一方のリア側OB領域のみのクランプした場合の歯抜け状態となることを防止し、フロント側のOB領域に対するクランプを行うことで電位安定性を高めることができる。

さらにカメラの撮影情報に基づいてクランプするラインを切り替えることにより黒つぶれなどの影響を回避することができる。この場合、撮影情報を元にして黒レベルの補正データを取得する水平走査ラインをクランプラインの切替制御に応じて決定することができる。この場合、クランプラインの切替制御やクランプ場所を撮影情報として画像ファイルとして記録しておくことにより、後処理の画像処理を行う際に、決定したラインの場所を用いて黒レベルの減算を行う場所を決めることができる。これはたとえばRAWデータのファイルを処理する際などに有効である。

次に添付図面を参照して本発明による固体撮像素子および撮像装置が適用された実施例を詳細に説明する。図１を参照すると、本発明が適用された実施例のディジタルカメラ10のブロック図が示されている。

ディジタルカメラ10は、撮像レンズ12によって結像される被写界像をシャッタ14の開放により固体撮像素子(CCD) 16にて受光し、固体撮像素子16にて光電変換して出力される画素信号をアナログフロントエンド回路(AFE) 18にて相関二重サンプリングおよびクランプし、処理されたアナログ信号をAD変換器20にてディジタル値に変換して信号処理回路22に出力する。信号処理回路22は、画像格納メモリ24に画像データを格納して表示および記録用の画像データを生成し、生成した画像データをそれぞれ表示回路26および記録回路28に出力する。これら一連の撮像処理は、制御回路(CPU) 30に接続される操作部32からの指示信号に応動して制御回路30の制御の下に行われる。記録回路28に出力された記録用の画像データは半導体メモリ等の情報記憶媒体に記憶される。

撮像レンズ12の結像面に配置される固体撮像素子16は、インターライントランスファ（Interline Transfer: IT)型の電荷結合素子（CCD: Charge Coupled Device)として、カラーCCD（電荷結合素子）等のイメージセンサが有利に適用される。

本実施例における固体撮像素子16は、動作モードや読出し制御に応じてドライバ22から供給される垂直および水平転送クロック(φH,φV)および各種制御電圧(OFD (OverFlow Drain)など)等の駆動信号24により駆動されて、撮像面に配置されているフォトダイオードにて受光および生成した信号電荷を画素信号として読み出してその出力38に出力する。撮像レンズ12と固体撮像素子16との間にはシャッタ14と絞り（図示せず）が備えられている。ドライバ34は、タイミング発生器40から供給されるHパルス、VパルスおよびOFDパルスに応動して駆動信号36を生成する。タイミング発生器40はさらに、撮像レンズ12の位置やシャッタ14の開閉を制御する制御信号をそれぞれ撮像レンズ12およびシャッタ14に供給する機能を有している。

固体撮像素子16の平面配列状態を図２に示す。固体撮像素子16は２次元アレイ状に受光素子を配設して入射光側の撮像面を形成し、各受光素子にて生成される画素信号が読み出される有効画素領域200と、遮光された光学的黒領域（Optical Black area: 以下OB領域と呼ぶ）202とが配置されている。

有効画素領域200にはフォトダイオード(PD)にて形成された受光素子（以下PDと呼ぶことがある）が配設されている。有効画素領域200の左側に配置されたフロント側のOB領域202には、PDがｎライン、ｎ＋２…の偶数ラインに配設されたPD有り領域210と、ｎ＋１ライン、ｎ＋３ラインの奇数ラインにPD無しで配設されたPD無し領域211とが交互に配置されている。このようにOB領域202は、PD有り領域210とPD無し領域211とが整数ライン間隔にてフロント側に配置されている。PD有り領域210とPD無し領域211とは、水平走査ラインごとまたは一定間隔ごとに配置されるとよい。これら受光素子は、固体撮像素子16の撮像面にハニカム状に互いに1/2画素ピッチだけ水平および垂直方向にずらした画素配列が採用される。なお、OB領域202をフロント側ではないリア側に配置してもよい。

有効画素領域200の垂直断面図を図３に示す。また、PD有り領域210およびPD無し領域211の垂直断面図をそれぞれ図４および図５に示す。

図３には一つのセルの垂直断面構造が示されている。図示するように有効画素領域200は、N型半導体基板300の上面にP型ウェル302が積層されている。P型ウェル302には、開口領域302に対応する位置にN+層306とP+層308とを積層してPDによる受光領域を形成している。PDの両側にはチャネルストッパ310が形成されている。チャネルストッパ310の外側には、N型半導体により垂直転送レジスタに対応する埋込みチャネル312が形成されている。埋込みチャネル312の上部にはそれぞれ転送電極314が配設されている。

有効画素領域200の各受光素子には、入射光を遮光する遮光膜320が転送電極314を覆い、遮光膜320はさらに入射光がFDに到達するように開口された開口領域304が形成されている。開口領域304の直下にはN+306およびP+層308のPDが配設されている。開口領域304上には色フィルタセグメント330が形成される。色フィルタセグメント330上にはマイクロレンズ340が形成されている。

次にOB領域202（図２）におけるPD有り領域210を図４を参照して説明する。図示するよう同図には一つのセルのPD有り領域210の垂直断面図が示されている。PD有り領域210は、図３で説明した有効画素領域200における遮光膜320の形状を図４に示すようにPDも覆うように遮光膜400を形成し配設した構造となっている。PD有り領域210のそのほかの構造は図３に示した同じ参照番号の構成と同じ構成でよいのでその説明を省略する。

次に図５にPD無し領域211の一つのセルの垂直断面図を示す。PD無し領域211は、図４示したPD有り領域210から、N+層306およびP+層308によるPDを取り除いた構造となっている。PD無し領域211のそのほかの構造は図４に示した同じ参照番号の構成と同じ構成でよいのでその説明を省略する。

図１に戻って、固体撮像素子16の出力38に接続されたアナログフロントエンド回路(AFE) 18は、入力される画素信号を相関二重サンプル(CDS)および自動利得制御(AGC)するアナログ信号処理回路である。またアナログフロントエンド回路18は画素信号をクランプするクランプ回路を含み、画素信号の黒レベルを保持させて黒レベル補正を行う。アナログ回路18の出力はAD変換器20を介して信号処理回路18に接続される。

信号処理回路22は、AD変換器20にてディジタルに変換された画像信号を入力し、たとえばγ補正、ホワイトバランス調整および画素補間処理等の信号処理をディジタルにて行って画像データを生成するディジタル信号処理回路である。

本実施例における信号処理回路18は、色成分を有するカラー画素信号をそれぞれ輝度および色差成分からなる各輝度および色差信号を生成する機能を有している。信号処理回路22は、タイミング発生器40から供給される垂直および水平同期信号(VD,HD)および動作クロック(CLK)に同期してこれら信号処理を行う。さらに信号処理回路18は、生成した輝度信号を制御回路(CPU) 30に供給する機能を有している。これにより制御回路22は、撮像して得られる画像信号に応じて、露出を決定して撮像処理を制御することができる。

信号処理回路22は、ディジタル信号処理を行って生成した画像データを表示回路26および記録回路28に供給する。記録回路28は信号処理回路22にて処理された画像データを情報記録媒体に記録する回路である。本記録回路22に画像データを圧縮符号化する処理回路を備え、撮像により得られた画像データの情報量を圧縮する機能を有している。

制御回路30は、操作部32から与えられるレリーズ信号等の各種指示信号に応動してディジタルカメラ10の各構成を制御する回路である。制御回路30は、操作部32にて指示される感度設定操作に応じて本カメラ10の感度を調節する機能を有する。また、制御回路30は、露出を決定する際に手動操作のみに限らずシャッタ速度と絞り値とを自動的に決定することができる。制御回路30は、欠陥ROMに格納された欠陥画素データに基づいて画素補間処理を制御する機能を有している。

さらに制御回路30は、カメラの撮影状態として長時間露出が実行される際には、たとえばアナログフロントエンド回路18に対する制御をタイミング発生器40を通じて切り替える機能を有している。具体的には、所定時間以上の長時間露光時には制御回路30は、AFE 18にて撮像信号をクランプする際に、OB領域202のPD無し領域211をクランプするように制御する。タイミング発生器40はこの制御回路30の制御を受けて長時間露出時にはPD無し領域211（図２）をクランプし、PDあり領域210ではクランプしないクランプパルスをAFE 18に供給する。これにより、垂直走査期間の長時間露光時にPDにて発生する暗電流の悪影響を排除した状態での基準レベルを得ることができる。また制御回路30は、クランプを行った水平走査ラインを撮影情報として画像データの出力時に撮影情報と画像データとを含む画像ファイルを作成することができる。

このように、図２に示した固体撮像素子の有効画素領域202のフロント側OB領域202の構成として、PD有り領域210とPD無し領域211とを交互のラインのように一定間隔にて配置しているので、たとえば長時間露光時にPDにて発生する暗電流の影響を避けた状態にてPD無し領域211から読み出した信号のタイミングにてクランプすることにより、安定した黒レベルの基準信号を得ることができる。

次に固体撮像素子16のリア部にOB領域を形成した構成例について図６を参照して説明する。同図に固体撮像素子16の平面配列状態の他の例が示されているように、固体撮像素子600は図２に示した撮像素子と同様に有効画素領域200と光学的黒領域（OB領域）202とが配置されている。本構成例ではさらに有効画素領域200の右側のリア部に配置されたOB領域602に、PD有り領域611とPD無し領域610とを交互のラインごとに配置している。

詳しくは、有効画素領域200の右側に配置されたリア側のOB領域600には、PDがｎ＋１ライン、ｎ＋３…の奇数数ラインに配設されたPD有り領域610と、ｎライン、ｎ＋２ライン…の偶数ラインにPD無しで配設されたPD無し領域611とが交互に配置されている。このようにフロント側のOB領域202にPD有り領域210が配置されている場合には、リア部のOB領域600の同一ラインではPD無し領域が611が配置され、フロント側のOB領域202にPD無し領域211が配置されている場合には、リア部のOB領域600の同一ラインではPD有り領域が610が配置される。図６に示した固体撮像素子600の他の部分は、図２に示した撮像素子16の構成と同様の構成でよい。

次に、図６に示した固体撮像素子600を、図１に示したカメラ10の固体撮像素子16に代えた場合のアナログフロントエンド回路18におけるクランプ制御状態を図７を参照して説明する。

まず通常のクランプ時に生成されるクランプパルスCLPaにて画像信号をクランプする場合、2H期間に一度リア側OB領域をクランプするパルス信号が供給される。このときにはクランプされないラインが生じるため、高感度設定や長時間露出等の撮影状況等に応じてクランプパルスCLPbがAFE 18に供給される。

高感度設定や長時間露出等の撮影状況が生じた場合には、クランプパルスCLPaによるリア側OB領域のクランプに加えて、フロント側のOB領域211に対するクランプが行われる。この結果、フロント側でクランプ電位を安定化することができる。

このように、CCDにて発生する暗電流は、一般的に、PDの暗電流よりもVCCD（垂直転送路）の暗電流が大きい関係（PD＜VCCD）にあり信号電荷の転送中にVCCDにて発生する暗電流は圧倒的に多い。長時間露光などPDでの蓄積時間が長くなるシャッタ速度の露光期間中ではPDで発生する暗電流も多くなるので、局所的な暗電流ムラにより、白キズなども発生してくる。そこでこのようなカメラ撮影状態によってクランプする水平走査ラインを切り替え制御することにより、アナログクランプによるつぶれなどの現象を回避することができる。

具体的には制御回路30は、所定時間以上の長時間露光時にはPD有り領域のOB領域は白キズなどの発生によりクランプ電位が上昇しやすいので、PD無し領域のラインをクランプさせる切り替え制御を行う制御を行う。また、高感度設定の高感度撮影時には取り扱う撮像信号レベルが小さくなるので、微小なレベル差がシャドー部の画質に影響を与えるため、PD有り領域のOB領域をクランプするように制御する。

このようなクランプ切替制御は、設定感度や長時間露出等の撮影情報に基づいて切替制御を行って、たとえば処理した画像信号をRAW形式にて記録媒体に記録する場合にも有効である。

以上説明したように固体撮像素子は、リア側のOB領域にPD有り／PD無し領域を所定の整数ライン間隔にて配置しているので、OB領域の遮光膜を透過してしまった光の影響や、長時間露光時のPDで発生した暗電流の影響を回避する。したがって黒レベル補正を正確に行うことができる。

またフロント側のOB領域とリア側のOB領域とで、PD有り／PD無しの関係が異なる配置をとることにより、リア側OB領域のみのクランプにて歯抜け状態となることを防止し、フロント側のOB領域に対するクランプを行うことで、電位安定性を高めることができる。

さらにカメラの露光時間、被写体輝度情報、ISO感度などの撮影情報に基づいてクランプするラインを切り替えることにより、黒つぶれなどの影響を回避することができる。この場合、撮影情報を元にして黒レベルの補正データを取得する水平走査ラインをクランプラインの切替制御に応じて決定することができる。この場合、クランプラインの切替制御やクランプ場所を撮影情報として記録しておくことにより、後処理の画像処理を行う際に、決定したラインの場所を用いて黒レベルの減算を行う場所を決めることができる。これはたとえばRAWデータの出力ファイルを処理する際などに有効である。

本発明が適用されたディジタルカメラの実施例を示すブロック図である。 図１に示した固体撮像素子(CCD)の有効が素領域と、OB領域とそのPD有り領域とPD無し領域とを示す概略図である。 有効画素領域の１セルの構造を示す断面図である。 OB領域のPD有り領域の１セルの構造を示す断面図である。 OB領域のPD無し領域の１セルの構造を示す断面図である。 リア側のOB領域にPD無し領域を配置した構成例を示す図である。 クランプパルスCLPa、CLPbによるクランプタイミングを示すタイミングチャートである。

符号の説明

10 ディジタルカメラ
14 シャッタ
16 固体撮像素子（CCD）
18 アナログフロントエンド回路（AFE）
20 AD変換器
22 信号処理回路
30 制御回路(CPU)
32 操作部
34 ドライバ
40 タイミング発生器

Claims (5)

1. 入射光の光量に応じて受光信号を生成する受光素子を複数配設された有効画素領域と、前記入射光が遮光されたオプチカルブラック領域とを有する固体撮像素子において、
   前記オプチカルブラック領域は、水平走査ラインのフロント側とリア側にそれぞれ配設され、
   前記フロント側には、前記受光素子を配設した第１の領域を含む第１の水平走査ラインと、前記受光素子を配設していない第２の領域を含む第２の水平走査ラインとがそれぞれ所定のライン間隔にて配置したことを特徴とする固体撮像素子。
2. 請求項１に記載の固体撮像素子において、該素子は、前記リア側に、前記受光素子を配設していない第３の領域を含む前記第１の水平走査ラインと、前記受光素子を配設した第４の領域を含む前記第２の水平走査ラインとを配置したことを特徴とする固体撮像素子。
3. 被写界を撮像してその光学像に応じた画像信号を生成する撮像装置において、該装置は、
   入射光の光量に応じて受光信号を生成する受光素子を複数配設された有効画素領域と、前記入射光が遮光されたオプチカルブラック領域とを有する固体撮像素子であって、前記オプチカルブラック領域は、水平走査ラインのフロント側とリア側にそれぞれ配設され、前記フロント側には、前記受光素子を配設した第１の領域を含む第１の水平走査ラインと、前記受光素子を配設していない第２の領域を含む第２の水平走査ラインとがそれぞれ所定のライン間隔にて配置した固体体撮像素子と、
   該固体撮像素子を駆動して、露光に応じた画像信号を該固体撮像素子から出力させる駆動手段と、
   前記固体撮像素子から出力される画像信号をクランプするアナログ回路と、
   前記アナログ回路におけるクランプ処理を制御する制御手段とを有し、
   該制御手段は、前記アナログ回路にてクランプする水平走査ラインを前記第１の水平走査ラインと前記第２の水平走査ラインとで切り替えることを特徴とする撮像装置。
4. 請求項３に記載の撮像装置において、前記制御手段は、撮影時の撮影情報に基づいて前記クランプする水平走査ラインを切り替えることを特徴とする撮像装置。
5. 請求項４に記載の撮像装置において、前記制御手段は、前記クランプした前記水平走査ラインの情報を前記撮影情報に含めた画像ファイルを作成させることを特徴とする撮像装置。