JP2007019820A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 暗時シェーディングに基づく暗時固定パターンノイズが抑制可能となる固体撮像素子を得る。
【解決手段】 光に感応して電荷を発生する画素部１３が発生した電荷を列方向に転送する複数の垂直転送部１７と、各垂直転送部１７の列方向下流端に接続され垂直転送部１７によって転送される電荷を行方向に転送する水平転送部１９と、水平電荷転送路１９の電荷転送方向終端側に配置され、水平電荷転送路１９で転送された信号電荷を信号電圧に変換して増幅する出力アンプ２１と、撮像画像の出力信号を生成する有効画素領域と、有効画素領域からの出力信号の基準レベルを設定するオプチカルブラック領域とを有する固体撮像素子１００であって、オプチカルブラック領域は、有効画素領域の内部に点在させた領域を含むものとした。
【選択図】図２

Description

本発明は、オプチカルブラック領域と有効画素領域とを有する固体撮像素子に関する。

ＣＣＤ撮像素子等の固体撮像素子は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付き携帯電話機などの画像を記録する携帯電子機器に搭載される。この固体撮像素子は、光に感応して電荷を発生する画素部（光電変換部）が発生した電荷を列方向に転送する複数の垂直転送部（垂直ＣＣＤ）と、各垂直転送部の列方向下流端に接続され垂直転送部によって転送される電荷を行方向に転送する水平転送部（水平ＣＣＤ）と、水平電荷転送路の電荷転送方向終端側に配置され、水平電荷転送路で転送された信号電荷を信号電圧に変換して増幅する出力アンプとを備える。

この種の固体撮像素子においては、黒レベルの設定のために、有効画素部の外側に、受光部上を例えばＡｌ等の遮光性の高い金属からなる遮光膜で覆ったオプチカルブラック領域（以下ＯＢ部という）を配置し、その信号出力を黒レベル（基準レベル）とし信号処理している（例えば特許文献１参照）。

図８は従来の固体撮像素子におけるＯＢ部からの信号出力に基づく信号処理を説明する図である。
図８（ａ）に示すように、有効画素領域１の外側にはＯＢ部３が配置され、有効画素領域１にはＯＢ部３が存在しない。ＯＢ部においても、有効画素領域１と同様に光電変換部に蓄積された電荷を読み出すことができ、このＯＢ部３の画素から読み出した電荷により、黒レベルＬｂを設定する。理想の黒レベルＬｂは、図８（ｂ）のように暗時の信号出力が有効画素領域１とＯＢ部３で同じ信号出力となることである。そして、図８（ｃ）に示す露光後の信号出力Ｐ＋Ｌｂから、黒レベルであるＯＢ部３の信号出力Ｌｂを減算する。これにより、有効画素領域１の色信号出力から黒レベルとするＯＢ部３の信号出力Ｌｂを減算処理した図８（ｄ）に示す最終信号出力Ｐが出力される。

特開平６−５３４５２号公報

しかしながら、固体撮像素子には、素子の特性、レンズの収差、ガラス面の汚れなどが原因となり、画像入力時に濃度レベルのムラ（以下、「シェーディング」とも称する。）が生ずる。このため、図９（ａ）に示すように、有効画素領域１に根源的な暗時シェーディングＳがあると、ＯＢ部３の信号出力だけでは有効画素全体の黒レベルＬｂ１を把握することができない。したがって、図９（ｂ）に示す露光後の信号出力Ｐ＋Ｌｂ１から、黒レベルであるＯＢ部３の信号出力Ｌｂを減算すると、黒レベル処理後の最終信号出力Ｐｆｐｎに、暗時固定パターンノイズ（ＦＰＮ）が発生した。
また、有効画素全体の黒レベルを把握するために、有効画素全体の暗時信号を暗時信号メモリに記憶させ、有効画素画素信号から暗時信号を減算して暗時ＦＰＮを抑制する方法がある。しかし撮像時間が長くなり、さらに撮像素子の暗時ＦＰＮは温度と共に変化する性質を持つ一方、撮像素子の温度は一定でありえないため、撮影前に記録された暗時ＦＰＮは実際の撮影時のそれとは常に異なる結果となり、温度変化により暗時ＦＰＮ抑制精度の劣化を引き起こしていた。例えば、図１０に示すように、黒レベル補正用の暗時出力Ｌｂｃ１が実際の撮影時の暗時出力Ｐ＋Ｌｂより大きい場合には、黒レベル減算処理により最終信号出力が真の出力Ｐより小さくなり、「黒つぶれ」と言われる劣化した画像となった。また、図１１に示すように、黒レベル補正用の暗時出力Ｌｂｃ２が小さい場合には、最終信号出力が真の出力Ｐより大きくなり、「白浮き」と言われる劣化した画像となった。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、暗時シェーディングに基づく暗時ＦＰＮが抑制可能となる固体撮像素子を提供するものである。

本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１）撮像画像の出力信号を生成する有効画素領域と、前記有効画素領域からの出力信号の基準レベルを設定する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、前記有効画素領域の内部に点在させた領域を含むことを特徴とする固体撮像素子。

この固体撮像素子では、有効画素領域内に点在するオプチカルブラック領域から直接的に電荷が読み出され、有効画素全体の黒レベルが把握可能となる。このため、従来方法のように、有効画素全体の黒レベルを把握するために有効画素全体の暗時信号を暗時信号メモリに記憶させ、有効画素画素信号から暗時信号を減算して暗時ＦＰＮを抑制する必要がなくなる。

（２） 前記有効画素領域内のオプチカルブラック領域が、複数箇所に分散して配置されていることを特徴とする（１）記載の固体撮像素子。

この固体撮像素子では、オプチカルブラック領域が複数箇所に分散配置され、有効画素領域全体の黒レベルが局所的な値に偏らず高精度に把握可能となる。

（３） 前記分散して配置されたオプチカルブラック領域のそれぞれが、複数画素からなることを特徴とする（１）又は（２）記載の固体撮像素子。

この固体撮像素子において、複数画素が隣接したオプチカルブラック領域では、その領域が密となり、当該配置箇所の黒レベル検出が高精度に行える。また、複数画素が離間配置されたオプチカルブラック領域では、有効画素領域に設けたその領域を、有効画素とみなして信号処理する場合の、出力信号の補完が高精度に行える。すなわち、有効画素領域内において、オプチカルブラック領域として働く個々の画素が、正規の有効画素に囲まれることから、正規の有効画素からの出力信号を参酌した推定出力信号の算出が高精度に行えるようになる。これにより、有効画素領域にオプチカルブラック領域を設けたことによる画像劣化が防止される。

（４） 前記有効画素領域内のオプチカルブラック領域の配置が、前記有効画素領域の周辺部で密に、中央部で粗となる分布を有することを特徴とする（２）項記載の固体撮像素子。

この固体撮像素子では、暗時シェーディングの少ない有効画素領域の中央部ではオプチカルブラック領域が粗に配設され、有効画素領域における黒レベルが少ないオプチカルブラック領域で有効に検出される。一方、暗時シェーディングの大きい有効画素領域の周辺部ではオプチカルブラック領域が密に配設され、有効画素領域における黒レベルが多くのオプチカルブラック領域で高精度に検出可能となる。

（５） 光に感応して電荷を発生する画素部が発生した電荷を列方向に転送する複数の垂直転送部と、前記各垂直転送部の列方向下流端に接続され該垂直転送部によって転送される前記電荷を行方向に転送する水平転送部と、該水平電荷転送路の電荷転送方向終端側に配置され、前記水平電荷転送路で転送された信号電荷を信号電圧に変換して増幅する出力アンプとを備え、前記有効画素領域内のオプチカルブラック領域の配置が、前記出力アンプに近い側を、他の前記有効画素領域内の領域と比較して相対的に配置間隔を密に設定されていることを特徴とする（２）項記載の固体撮像素子。

この固体撮像素子では、出力アンプが発熱することにより、温度変化の大きい出力アンプ近傍部のオプチカルブラック領域が密に配置され、暗時シェーディングの大きい有効画素領域（出力アンプ近傍部）における黒レベルが多くのオプチカルブラック領域で高精度に検出可能となる。

（６） 前記有効画素領域内のオプチカルブラック領域の配置が、前記出力アンプに近い側を、前記列方向に対しては、他の前記有効画素領域内の領域と比較して相対的に配置間隔を粗に設定されていることを特徴とする（５）項記載の固体撮像素子。

この固体撮像素子では、比較的暗時シェーディングの差の小さい列方向では、オプチカルブラック領域が粗に配設され、有効画素領域に必要以上のオプチカルブラック領域が配設されることによる画像劣化が防止される。

本発明に係る固体撮像素子によれば、オプチカルブラック領域が有効画素領域の内部に点在させた領域を含むので、従来方法のように、有効画素全体の黒レベルを把握するために有効画素全体の暗時信号を暗時信号メモリに記憶させ、有効画素画素信号から暗時信号を減算して暗時ＦＰＮを抑制する必要がなくなる。したがって、有効画素領域内のオプチカルブラック領域から直接的に電荷を読み出して、有効画素全体の黒レベルを把握することができる。この結果、短い撮像時間で暗時固定パターンノイズ（ＦＰＮ）を抑制した良好な出力画像を得ることができる。

以下、本発明に係る固体撮像素子の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る固体撮像素子の平面模式図、図２は本発明に係る固体撮像素子の有効画素領域とＯＢ部の配置説明図、図３はＯＢ部の構成例を（ａ），（ｂ）で表した説明図、図４は本発明に係る固体撮像素子におけるＯＢ部からの信号出力に基づく信号処理を説明する図である。
図１に示すように、本実施の形態によるＣＣＤ等の固体撮像素子１００は、光に感応して電荷を発生する光電変換部（フォトダイオード）１１を複数行、複数列に亘って行列状に配置した多数個の画素１３と、これら各画素１３に読み出しゲート１５を介し隣接して設けられ各画素１３が発生した信号電荷を列方向に転送する複数の垂直転送部（垂直シフトレジスタ）１７と、各垂直シフトレジスタ１７の列方向一端側に配置され垂直シフトレジスタ１７から転送される信号電荷を行方向に転送する水平転送部（水平シフトレジスタ）１９と、この水平シフトレジスタ１９の電荷転送方向下流側に接続され転送されてくる信号を電圧値に変換して出力する出力アンプ部（出力アンプ）２１と、各フォトダイオード１１に隣接するオーバーフロードレインと、を基板２３表面層に形成している。なお、本実施の形態では、基板２３がオーバーフロードレインとなる。

固体撮像装置１００は、駆動信号を入力する図示しない素子駆動部を備え、この素子駆動部からの出力信号に基づいて駆動制御される。すなわち、固体撮像素子１００では、素子駆動部によってタイミング信号が送出されることで、フォトダイオード１１から垂直シフトレジスタ１７に信号電荷を読み出し、読み出した信号電荷の全てが出力アンプ２１まで転送される。なお、固体撮像素子１００では、読み出した信号電荷の全てが出力アンプ２１まで転送されるまでの期間、フォトダイオード１１の電荷を基板２３側へ掃き出すためのドレイン電圧ＶＤＤが、オーバーフロードレイン（基板２３）に印加される。

ところで、本実施の形態による固体撮像素子１００では、図２に示すように、撮像画像の出力信号を生成する有効画素領域２５と、有効画素領域２５からの出力信号の基準レベルを設定するオプチカルブラック領域（ＯＢ部）２７とを有するが、ＯＢ部２７は、有効画素領域２５の内部に点在させた領域２７ａを含んでいる。点在部２７ａは、有効画素領域２５の一部および全体の暗時シェーディングを把握できるように少なくとも一箇所以上設けられていればよい。

図２に示すように、有効画素領域２５内における点在ＯＢ部２７ａは、複数箇所に分散して配置されていることが好ましい。このようにして点在ＯＢ部２７ａが分散配置されることで、有効画素領域２５全体の黒レベルが局所的な値に偏らず高精度に把握可能となる。

図３に示すように、分散して配置された点在ＯＢ部２７ａのそれぞれは、複数画素からなるものであってもよい。この場合、図３（ａ）に示すように、複数画素が隣接した点在ＯＢ部２７ａでは、その領域が密となり、当該配置箇所の黒レベル検出が高精度に行える。

また、図３（ｂ）に示すように、複数画素が離間配置された点在ＯＢ部２７ａでは、有効画素領域２５に設けたその領域を、有効画素とみなして信号処理する場合の、出力信号の補完が高精度に行える。すなわち、有効画素領域２５内において、点在ＯＢ部２７ａとして働く画素が、正規の有効画素１３に囲まれることから、正規の有効画素１３からの出力信号を参酌した推定出力信号の算出が高精度に行えるようになる。これにより、有効画素領域２５に点在ＯＢ部２７ａを設けたことによる画像欠損（劣化）が防止される。

この固体撮像素子１００では、黒レベル処理における色信号出力される画素１３の黒レベルは、図４（ａ）に示す点在ＯＢ部２７ａの信号出力から予測した黒レベルを用いる。さらに、この点在ＯＢ部２７ａで欠損した色情報は、キズ補正と同様に周りの画素１３による画素情報から補正を行う。これにより、完成画像にはこの点在ＯＢ部２７ａの黒点はなくなり、良好な画像が得られるようになる。したがって、この点在ＯＢ部２７ａに使用する画素数は、キズ補正が可能な個数以内で構成されることが好ましい。

すなわち、この固体撮像素子１００では、図４（ｂ）に示すように、有効画素領域２５に根源的な暗時シェーディングＳ（図９（ａ）参照）がある場合であっても、点在ＯＢ部２７ａからの信号出力を直接的に得て、有効画素領域２５の黒レベルＬｂ１を把握することができる。したがって、図４（ｃ）に示す露光後の信号出力Ｐ＋Ｌｂ１から、黒レベルであるＯＢ部２７の信号出力Ｌｂ１を減算すると、黒レベル処理後において、暗時固定パターンノイズ（ＦＰＮ）の除去された図４（ｄ）に示す最終信号出力Ｐを得ることができる。

このように、有効画素領域２５内の点在ＯＢ部２７ａから直接的に電荷が読み出され、有効画素全体の黒レベルが把握可能となるため、従来方法のように、有効画素領域２５全体の黒レベルを把握するために有効画素全体の暗時信号を暗時信号メモリに記憶させ、有効画素画素信号から暗時信号を減算して暗時ＦＰＮを抑制する必要がなくなる。これにより、暗時シェーディング確認用だけの信号出力は必要なくなり時間を延長することなく、露光時の信号出力のみで黒レベル処理が可能となる。

したがって、この固体撮像素子１００によれば、ＯＢ部２７が有効画素領域２５の内部に点在させた領域を含むので、従来方法のように、有効画素領域２５全体の黒レベルを把握するために有効画素全体の暗時信号を暗時信号メモリに記憶させ、有効画素画素信号から暗時信号を減算して暗時ＦＰＮを抑制する必要がなくなる。したがって、有効画素領域２５内の点在ＯＢ部２７ａから直接的に電荷を読み出して、有効画素全体の黒レベルを把握することができる。この結果、短い撮像時間で暗時固定パターンノイズ（ＦＰＮ）を抑制した良好な出力画像を得ることができる。

次に、本発明に係る固体撮像素子の第２の実施の形態を説明する。
図５は第２の実施の形態による固体撮像素子の有効画素領域とＯＢ部の配置説明図である。
この実施の形態による固体撮像素子２００は、有効画素領域２５内の点在ＯＢ部２７ａの配置が、有効画素領域２５の周辺部３１で密に、中央部３３で粗となる分布を有する。

したがって、この固体撮像素子２００によれば、暗時シェーディングの少ない有効画素領域２５の中央部３３ではＯＢ部２７が粗に配設され、有効画素領域２５における黒レベルが、少ない点在ＯＢ部２７ａで有効に検出される。一方、暗時シェーディングの大きい有効画素領域２５の周辺部３１では点在ＯＢ部２７ａが密に配設され、有効画素領域２５における黒レベルが、多くの点在ＯＢ部２７ａで高精度に検出可能となる。

次に、本発明に係る固体撮像素子の第３の実施の形態を説明する。
図６は第３の実施の形態による固体撮像素子の有効画素領域とＯＢ部の配置説明図、図７は暗時出力の面内分布を（ａ），（ｂ），（ｃ）の色別で表した説明図である。
この実施の形態による固体撮像素子３００は、有効画素領域２５内の点在ＯＢ部２７ａの配置が、出力アンプ２１に近い側を、他の有効画素領域２５内の領域と比較して相対的に配置間隔を密に設定している。これは、図７（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色における暗出力の面内分布が、出力アンプ２１から離れると出力が増大し、出力アンプ２１の近傍では出力差が大きいことに起因する。

したがって、この固体撮像素子３００によれば、出力アンプ２１が発熱することにより、温度変化の大きい出力アンプ２１近傍部の点在ＯＢ部２７ａが密に配置され、暗時シェーディングの大きい有効画素領域（出力アンプ近傍部）における黒レベルが多くの点在ＯＢ部２７ａで高精度に検出可能となる。

但し、垂直方向の出力差は小さい。このことから、本実施の形態による固体撮像素子３００では、出力アンプ２１の近傍では点在ＯＢ部２７ａが水平方向に密に配置される。また、出力アンプ２１から離れた領域では水平および垂直共に点在ＯＢ部２７ａが配置されている。すなわち、有効画素領域２５内の点在ＯＢ部２７ａの配置は、出力アンプ２１に近い側を、列方向（図６の上下方向）に対しては、他の有効画素領域２５内の領域と比較して相対的に配置間隔を粗に設定されている。つまり、出力アンプ２１側となる図６の左端側では、上下方向中央の水平方向のみに複数の点在ＯＢ部２７ａが所定の間隔で配置されている。

したがって、この固体撮像素子３００によれば、比較的暗時シェーディングの差の小さい列方向では、点在ＯＢ部２７ａが粗に配設され、有効画素領域２５に必要以上の点在ＯＢ部２７ａが配設されることによる画像劣化が防止される。

本発明に係る固体撮像素子の平面模式図である。 本発明に係る固体撮像素子の有効画素領域とＯＢ部の配置説明図である。 ＯＢ部の構成例を（ａ），（ｂ）で表した説明図である。 本発明に係る固体撮像素子におけるＯＢ部からの信号出力に基づく信号処理を説明する図で、（ａ）は点在するＯＢ部を示す平面図、（ｂ）は暗時の出力信号、（ｃ）は露光後の出力信号、（ｄ）は黒レベル補正後の信号出力をそれぞれ示すグラフである。 第２の実施の形態による固体撮像素子の有効画素領域とＯＢ部の配置説明図で、（ａ）は点在するＯＢ部を示す平面図、（ｂ）は有効画素領域からの信号出力の垂直分布図、（ｃ）は同信号出力の水平分布図ある。 第３の実施の形態による固体撮像素子の有効画素領域とＯＢ部の配置説明図である。 暗時出力の面内分布を（ａ），（ｂ），（ｃ）の色別で表した説明図である。 従来の固体撮像素子におけるＯＢ部からの信号出力に基づく信号処理を説明する図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は暗時の出力信号、（ｃ）は露光後の出力信号、（ｄ）は黒レベル補正後の信号出力をそれぞれ示すグラフである。 従来の固体撮像素子における暗時シェーディングありの信号出力に基づく信号処理を説明する図で、（ａ）は暗時の出力信号、（ｂ）は露光後の出力信号、（ｃ）は黒レベル補正後の信号出力をそれぞれ示すグラフである。 従来の固体撮像素子における黒レベル処理用の暗時信号出力に依存して発生する黒つぶれの説明図（ａ），（ｂ）である。 従来の固体撮像素子における黒レベル処理用の暗時信号出力に依存して発生する白浮きの説明図（ａ），（ｂ）である。

符号の説明

１３ 画素
１７ 垂直シフトレジスタ（垂直転送部）
１９ 水平シフトレジスタ（水平転送部）
２１ 出力アンプ
２５ 有効画素領域
２７ ＯＢ部（オプチカルブラック領域）
２７ａ 点在部（有効画素領域の内部に点在させた領域）
３１ 周辺部
１００、２００、３００ 固体撮像素子

Claims (6)

1. 撮像画像の出力信号を生成する有効画素領域と、前記有効画素領域からの出力信号の基準レベルを設定する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、前記有効画素領域の内部に点在させた領域を含むことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記有効画素領域内のオプチカルブラック領域が、複数箇所に分散して配置されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記分散して配置されたオプチカルブラック領域のそれぞれが、複数画素からなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の固体撮像素子。
4. 前記有効画素領域内のオプチカルブラック領域の配置が、前記有効画素領域の周辺部で密に、中央部で粗となる分布を有することを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
5. 光に感応して電荷を発生する画素部が発生した電荷を列方向に転送する複数の垂直転送部と、前記各垂直転送部の列方向下流端に接続され該垂直転送部によって転送される前記電荷を行方向に転送する水平転送部と、該水平電荷転送路の電荷転送方向終端側に配置され、前記水平電荷転送路で転送された信号電荷を信号電圧に変換して増幅する出力アンプとを備え、
   前記有効画素領域内のオプチカルブラック領域の配置が、前記出力アンプに近い側を、他の前記有効画素領域内の領域と比較して相対的に配置間隔を密に設定されていることを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
6. 前記有効画素領域内のオプチカルブラック領域の配置が、前記出力アンプに近い側を、前記列方向に対しては、他の前記有効画素領域内の領域と比較して相対的に配置間隔を粗に設定されていることを特徴とする請求項５記載の固体撮像素子。