JP2007158626A

JP2007158626A - 固体撮像装置

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Publication number: JP2007158626A
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Inventors: Katsuto Sakurai; 克仁櫻井; Masaru Fujimura; 大藤村; Masanori Ogura; 正徳小倉
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Priority date: 2005-12-02
Filing date: 2005-12-02
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Abstract

【課題】暗出力のばらつきや、キズと称される特別に暗出力の大きい画素の影響を受けず、横筋等のない高画質の画像を得ることを課題とする。
【解決手段】入射光に応じて発生した電荷を蓄積して出力する開口画素領域（１０１）と、遮光されたオプティカルブラック領域（１０２）と、電荷を蓄積するための不純物領域を形成しない黒基準画素領域（１０３）と、開口画素領域及びオプティカルブラック領域の出力信号の基準レベルに対して、黒基準画素領域の出力信号の基準レベルをシフトするレベルシフト手段とを有する固体撮像装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置に関するものである。

通常、固体撮像装置には信号レベルの基準信号となる信号（黒基準信号）を得るために光に反応しないように遮光されたオプティカルブラック領域を備えており、有効画素信号はそのオプティカルブラック領域で得たレベルを基準として演算処理される。このような画素を“OB画素（オプティカルブラック画素）”と呼ぶ。このような固体撮像装置をデジタルスチルカメラ等に用い、長時間露光モードで撮影を行った場合、画素に蓄積された暗電流が増加し、画素毎に暗電流値がばらつくことによって信号レベルのばらつきが大きくなる。各行の有効画素信号の基準信号を得るために、オプティカルブラック領域をクランプすることによって黒基準信号を得るわけであるが、上記信号レベルのばらつきによって、各行ごとの黒基準信号がばらつき、結果として画面に横筋が生じるといった弊害が発生する。

また、オプティカルブラック領域を構成する遮光膜に光透過を生ずる欠陥があった場合の対策として、下記の特許文献１に黒基準領域（オプティカルブラック領域）には電荷を蓄積するための不純物領域を形成しない固体撮像装置が開示されている。この固体撮像装置の黒基準領域においては暗電流による電荷の蓄積がないため、上記弊害は対策される。しかし、特に長時間露光モードで撮影した場合に、有効画素領域と黒基準領域のダークレベルの差が生じ、黒基準レベルがずれるという問題が発生する。

このような問題の対策が下記の特許文献２に開示されている。特許文献２では、黒基準領域として半導体基板に不純物を注入して形成された第一の黒基準領域と、半導体基板に不純物を注入しない第二の黒基準領域を有する。第二の黒基準領域から出力されるアナログ信号でクランプし、デジタル信号に変換した後に第一の黒基準領域から出力されるデジタル信号でクランプする。これによって、不要な暗電流を含まない安定したクランプが行えるとともに、有効画素領域と黒基準領域のダークレベルの差分を正確に補正できるとしている。

特許第２９１７３６１号公報特開２００２−６４１９６号公報

しかしならが前記構成によれば、第一の黒基準領域の出力と、第二の黒基準領域の出力とでは暗電流による出力電圧分の差が存在する。そのため、アナログクランプを行う回路およびアナログデジタル変換器のダイナミックレンジ、アナログデジタル変換器のデジタル出力のダイナミックレンジとして、前記差分だけダイナミックレンジを大きくすることが必要となる。

また、開示されている有効画素領域と黒基準領域との配置図によれば、半導体基板に不純物を注入して形成された第一の黒基準領域は、各行の一部（行後半の水平オプティカルブラック領域）にしか配置されていない。有効画素領域の先頭行で安定な出力レベルを得るためには、半導体基板に不純物を注入しない第二の黒基準領域を用いてクランプを行うしかない構成になっている。

本発明の目的は、暗出力のばらつきや、キズと称される特別に暗出力の大きい画素の影響を受けず、横筋等のない高画質の画像を得ることである。

本発明の固体撮像装置は、入射光に応じて発生した電荷を蓄積して出力する開口画素領域と、遮光されたオプティカルブラック領域と、電荷を蓄積するための不純物領域を形成しない黒基準画素領域と、前記開口画素領域及び前記オプティカルブラック領域の出力信号の基準レベルに対して、前記黒基準画素領域の出力信号の基準レベルをシフトするレベルシフト手段とを有することを特徴とする。
また、本発明の固体撮像装置の処理方法は、入射光に応じて発生した電荷を蓄積して出力する開口画素領域と、遮光されたオプティカルブラック領域と、電荷を蓄積するための不純物領域を形成しない黒基準画素領域とを有する固体撮像装置の処理方法であって、前記開口画素領域及び前記オプティカルブラック領域の出力信号の基準レベルに対して、前記黒基準画素領域の出力信号の基準レベルをシフトするレベルシフトステップを有することを特徴とする。
また、本発明の撮像システムは、入射光に応じて発生した電荷を蓄積して出力する開口画素領域と、遮光されたオプティカルブラック領域と、電荷を蓄積するための不純物領域を形成しない黒基準画素領域とを有する固体撮像装置と、前記オプティカルブラック領域の出力信号に応じて前記固体撮像装置の出力信号をクランプするクランプ手段と、前記固体撮像装置の出力信号から前記黒基準画素領域の出力信号の平均値を減算する減算手段とを有することを特徴とする。
また、本発明の固体撮像装置を用いた処理方法は、入射光に応じて発生した電荷を蓄積して出力する開口画素領域と、遮光されたオプティカルブラック領域と、電荷を蓄積するための不純物領域を形成しない黒基準画素領域とを有する固体撮像装置を用いた処理方法であって、前記オプティカルブラック領域の出力信号に応じて前記固体撮像装置の出力信号をクランプするクランプステップと、前記固体撮像装置の出力信号から前記黒基準画素領域の出力信号の平均値を減算する減算ステップとを有することを特徴とする。

暗出力のばらつきや、キズと称される特別に暗出力の大きい画素の影響を受けず、垂直方向のシェーディングのみを補正する安定したクランプが可能となり、横筋等のない高画質の画像を得ることが可能となる。また、黒基準画素領域の出力レベルを、オプティカルブラック領域の出力レベルと開口画素領域の飽和時の出力レベルとの間に設定することができるため、固体撮像装置の後段のダイナミックレンジを特に広く設定する必要がない。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素領域の構成例を示す平面図である。図１に示すように、本実施形態の固体撮像素子は、開口画素領域１０１、オプティカルブラック（ＯＢ）領域１０２及び黒基準画素（ＮＵＬＬ画素）領域１０３を有する。開口画素領域１０１は、入射光に応じて発生した電荷を蓄積して出力する。オプティカルブラック領域１０２は、開口画素領域１０１の垂直方向の先頭に隣接して設けられた遮光された領域である。黒基準画素領域１０３は、開口画素領域１０１の水平方向の先頭に隣接して設けられ、電荷を蓄積するための不純物領域を形成しない領域であり、それ以外は開口画素領域１０１と同様の構成を有する。

開口画素領域１０１及びオプティカルブラック領域１０２は同じ構造を有し、開口画素領域１０１は遮光されず、オプティカルブラック領域１０２は遮光されている。

図２はＣＭＯＳ型固体撮像装置の画素セルのブロック図であり、図４はＣＭＯＳ型固体撮像装置の読み出し回路のブロック図である。

図３は、ＣＭＯＳ型固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。垂直シフトレジスタ３０１は、行選択線Pres1,Ptx1,Psel1等の信号を画素領域３０８に出力する。画素領域３０８は、図１の構成を有し、複数の画素セルPixelを有する。各画素セルPixelは、垂直信号線に画素信号を出力する。電流源３０７は、垂直信号線に接続される。読み出し回路３０２は、垂直信号線上の画素信号を入力し、画素信号をｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタ３０３を介して差動増幅器３０５に出力し、ノイズ信号をｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタ３０４を介して差動増幅器３０５に出力する。水平シフトレジスタ３０６は、トランジスタ３０３及び３０４のオン／オフを制御する。差動増幅器３０５は、画素信号とノイズ信号との差分を出力する。

図２は、ＣＭＯＳ型固体撮像装置の画素セルPixelの構成例を示すブロック図である。光信号電荷を発生するフォトダイオード２０１は、この例ではアノード側が接地されている。フォトダイオード２０１のカソード側は、転送ＭＯＳ電界効果トランジスタ２０２を介して増幅ＭＯＳ電界効果トランジスタ２０４のゲートに接続されている。また、上記増幅ＭＯＳ電界効果トランジスタ２０４のゲートには、これをリセットするためのリセットＭＯＳ電界効果トランジスタ２０３のソースが接続されている。リセットＭＯＳ電界効果トランジスタ２０３のドレインは電源電圧ＶＤＤに接続されている。さらに、上記増幅ＭＯＳ電界効果トランジスタ２０４は、ドレインが電源電圧ＶＤＤに接続され、ソースが選択ＭＯＳ電界効果トランジスタ２０５のドレインに接続されている。

上記転送ＭＯＳ電界効果トランジスタ２０２のゲートは、横方向に延長して配置される第１の行選択線（垂直走査線）Ptx1（図３）に接続される。同じ行に配置された他の画素セルPixelの同様な転送ＭＯＳ電界効果トランジスタ２０２のゲートも上記第１の行選択線Ptx1に共通に接続される。上記リセットＭＯＳ電界効果トランジスタ２０３のゲートは、横方向に延長して配置される第２の行選択線（垂直走査線）Pres1（図３）に接続される。同じ行に配置された他の画素セルPixelの同様なリセットＭＯＳ電界効果トランジスタ２０３のゲートも上記第２の行選択線Pres1に共通に接続される。上記選択ＭＯＳ電界効果トランジスタ２０５のゲートは、横方向に延長して配置される第３の行選択線（垂直走査線）Psel1に接続される。同じ行に配置された他の画素セルPixelの同様な選択ＭＯＳ電界効果トランジスタ２０５のゲートも上記第３の行選択線Psel1に共通に接続される。これら第１〜第３の行選択線Ptx1, Pres1, Psel1は、垂直シフトレジスタ３０１に接続され信号電圧が供給される。

図３に示されている残りの行においても同様な構成の画素セルPixelと、行選択線が設けられる。これらの行選択線には、上記垂直シフトレジスタ３０１により形成された行選択線Ptx2〜Ptx3、Pres2〜Pres3、Psel2〜Psel3が供給される。

上記選択ＭＯＳ電界効果トランジスタ２０５のソースは、縦方向に延長して配置される垂直信号線の端子Voutに接続される。同じ列に配置される画素セルPixelの同様な選択ＭＯＳ電界効果トランジスタ２０５のソースも上記垂直信号線の端子Voutに接続される。図３において、上記垂直信号線の端子Voutは負荷手段である定電流源３０７に接続される。

図４は、図３に示した読み出し回路３０２のブロック１列分の回路例である。破線で囲った部分が列分だけあり、各垂直信号線には端子Voutが接続される。

図５は、図２から図４に示したＣＭＯＳ型固体撮像装置の動作例を示すタイミングチャートである。フォトダイオード２０１からの光信号電荷の読み出しに先立って、リセットＭＯＳ電界効果トランジスタ２０３のゲート線Pres1がハイレベルとなる。これによって、増幅ＭＯＳ電界効果トランジスタのゲートがリセット電源電圧にリセットされる。リセットＭＯＳ電界効果トランジスタ２０３のゲート線Pres1がローレベルに復帰すると同時にクランプスイッチのゲート線Pc0r（図４）がハイレベルになった後に、選択ＭＯＳ電界効果トランジスタ２０５のゲート線Psel1がハイレベルとなる。これによって、リセットノイズが重畳されたリセット信号（ノイズ信号）が垂直信号線Voutに読み出され、各列のクランプ容量C0にクランプされる。つぎに、クランプスイッチのゲート線Pc0rがローレベルに復帰した後、ノイズ信号側転送スイッチのゲート線Pctnがハイレベルとなり、各列に設けられたノイズ保持容量Ctnにリセット信号が保持される。つぎに、転送ＭＯＳ電界効果トランジスタ２０２のゲート線Ptx1がハイレベルとなり、フォトダイオード２０１の光信号電荷が、増幅ＭＯＳ電界効果トランジスタ２０４のゲートに転送されると同時に光信号が垂直信号線Voutに読み出される。つぎに、転送ＭＯＳ電界効果トランジスタ２０２のゲート線Ptx1がローレベルに復帰した後、画素信号側転送スイッチのゲート線Ptsがローレベルとなる。これによって、リセット信号からの変化分（光信号）が各列に設けられた信号保持容量Ctsに読み出される。ここまでの動作で、第１行目に接続された画素セルPixelの光信号が、それぞれの列に接続された信号保持容量Ctn、Ctsに保持される。

この後、水平シフトレジスタ３０６から供給される信号Phによって、各列の水平転送スイッチのゲートが順次ハイレベルとなる。信号保持容量Ctn、Ctsに保持されていた電圧は、順次水平出力線Chn、Chsに読み出され、出力アンプで差分処理されて出力端子ＯＵＴに順次出力される。各列の信号読み出しの合間でリセットスイッチによって水平出力線Chn、Chsがリセット電圧VCHRN、VCHRSにリセットされる。以上で、第１行目に接続された画素セルPixelの読み出しが完了する。以下同様に、垂直シフトレジスタ３０１からの信号によって第２行目以降に接続された画素セルPixelの信号が順次読み出され、全画素セルPixelの読み出しが完了する。

図６は、図１の固体撮像装置を図２〜図４のＣＭＯＳ型固体撮像装置で構成し動作させた場合の出力波形を示す。ＮＵＬＬ出力は黒基準画素（ＮＵＬＬ画素）領域１０３の出力波形を示し、ＯＢ出力はオプティカルブラック領域１０２の出力波形を示し、開口画素出力は開口画素領域１０１の出力波形を示す。開口画素領域１０１の水平方向の先頭に隣接して設けられた黒基準画素領域１０３には、電荷を蓄積するための不純物領域を形成していないため暗電流による電荷が蓄積されず、オプティカルブラック領域１０２と比較して出力レベルが低くなる。従って、黒基準画素領域１０３およびオプティカルブラック領域１０２の信号を用いて後段の信号処理を行うには広いダイナミックレンジが必要となる。

図７は、本発明の第１の実施形態の読み出し回路３０２の構成例を示すブロック図である。図４の一般的な読み出し回路のブロック図と異なるのは、水平出力線Chn、Chsのリセットスイッチが２系統ある点である。第１のリセット信号Pchres1によって、第１のリセット電圧VCHRN1、VCHRS1が水平出力線Chn、Chsに供給される。第２のリセット信号Pchres2によって、第２のリセット電圧VCHRN2、VCHRS2が水平出力線Chn、Chsに供給される。黒基準画素領域１０３を水平出力線Chn、Chsに読み出しているときのみ、第２のリセット信号Pchres2を用いて水平出力線ChnとChsにリセット電圧VCHRN2とVCHRS2を供給する。それ以外の開口画素領域１０１及びオプティカルブラック領域１０２を水平出力線Chn、Chsに読み出しているときは、第１のリセット信号Pchres1を用いて水平出力線ChnとChsにリセット電圧VCHRN1とVCHRS1を供給する。これにより、出力端子OUTから出力される信号をレベルシフトさせることが可能となる。

図８は、本発明の第１の実施形態の他の読み出し回路３０２の構成例を示すブロック図であるが、リセットスイッチの数を変えずに供給するリセット電圧VCHR1,VCHR2をスイッチで切り替える方法を示している。この方法によっても同様の効果が得られる。

図９は、図１の固体撮像素子及び図７の読み出し回路３０２で固体撮像装置を構成し動作させた場合の出力波形を示す。開口画素領域１０１の水平方向の先頭に隣接して設けられた黒基準画素（ＮＵＬＬ画素）領域１０３では、電荷を蓄積するための不純物領域を形成していないため暗電流による電荷が蓄積されていない。それにもかかわらず、第２のリセット信号Pchres2を用いることでノイズ信号側水平出力線Chnと画素信号側水平出力線Chsのリセット電圧をVCHRN2とVCHRS2に変える。これにより、オプティカルブラック領域（ＯＢ領域）１０２とほぼ同レベルの出力信号を得ることができる。黒基準画素領域１０３の出力レベルをオプティカルブラック領域（ＯＢ領域）１０２の出力レベルと開口画素領域１０１の飽和出力レベルの間に設定する。これによって、後段のダイナミックレンジもオプティカルブラック領域（ＯＢ領域）１０２の出力レベルと開口画素領域１０１の飽和出力レベルの差分だけあればよいことになる。

以上のように、リセット電圧を切り替える手段は、開口画素領域１０１及びオプティカルブラック領域１０２の出力信号の基準レベルに対して、黒基準画素領域１０３の出力信号の基準レベルをシフトするレベルシフト手段である。

（第２の実施形態）
図１０は、本発明の第２の実施形態の読み出し回路３０２の構成例を示すブロック図である。図４の一般的な読み出し回路と異なるのは、クランプ回路の基準電圧が２系統あり、クランプ電圧選択信号Pvsel1、Pvsel2によって、基準電圧VC0R1、VC0R2が供給される構成となっている点である。この構成によれば、黒基準画素領域１０３をクランプしているときのみ次に示す動作により、出力端子OUTから出力される信号レベルを変化させることが可能となる。

クランプ電圧選択信号Pvres1がハイレベル、クランプ電圧選択信号Pvsel2がローレベルの状態で、クランプスイッチのゲート線Pc0rがハイレベルになった後に、選択ＭＯＳ電界効果トランジスタ２０５のゲート線Psel1がハイレベルとなる。これによって、リセット信号（ノイズ信号）が基準電圧をVC0R1としてクランプ容量C0にクランプされる。つぎに、クランプスイッチのゲート線Pc0rがローレベルに復帰した後、ノイズ信号側転送スイッチのゲート線Pctnがハイレベルとなり、各列に設けられたノイズ保持容量Ctnにリセット信号が保持される。つぎに、転送ＭＯＳ電界効果トランジスタ２０２のゲート線Ptx1がハイレベルとなり、フォトダイオード２０１の光信号電荷が、増幅ＭＯＳ電界効果トランジスタのゲートに転送されると同時に光信号が垂直信号線Voutに読み出される。ここで、クランプ電圧選択信号Pvres1がローレベル、クランプ電圧選択信号Pvsel2がハイレベルとなる。転送ＭＯＳ電界効果トランジスタ２０２のゲート線Ptx1がローレベルに復帰した後、画素信号側転送スイッチのゲート線Ptsがローレベルとなる。これによって、基準電圧をVC0R2としてリセット信号からの変化分（光信号）が各列に設けられた信号保持容量Ctsに読み出される。この後、水平シフトレジスタ３０６から供給される信号Phによって、各列の水平転送スイッチのゲートが順次ハイレベルとなる。信号保持容量Ctn、Ctsに保持されていた電圧は、順次水平出力線Chn、Chsに読み出されるが、VCOR1とVCOR2の差電圧分レベルシフトされた電圧が出力端子ＯＵＴに順次出力される。

（第３の実施形態）
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像素子を用いた撮像システムの信号処理回路部のブロック図を示す。固体撮像装置から出力されたセンサ信号は、プログラマブルゲインアンプ（PGA）１００１にて増幅される。この際、基準信号はOBクランプブロックにより生成されたデジタル信号をデジタルアナログ変換器（DAC）１００６によってアナログ信号に変換されて供給される。アナログデジタル変換器（ADC）１００２は、プログラマブルゲインアンプ１００１の出力信号をアナログ形式からデジタル形式に変換する。黒基準画素出力平均化レジスタ１００３は、黒基準画素領域１０３の出力信号を平均化し、その平均化した信号値を記憶する。減算器１００４は、アナログデジタル変換器１００２の出力信号から黒基準画素出力平均化レジスタ１００３の平均値を減算し、出力信号を出力する。OBクランプブロック１００５は、減算器１００４の出力信号を入力し、図１に示した固体撮像装置のオプティカルブラック領域（OB領域）１０２の出力信号を基に平均化等の処理をした信号が所望の電圧になるように基準信号を生成する。デジタルアナログ変換器１００６は、その基準信号をデジタル形式からアナログ形式に変換し、プログラマブルゲインアンプ１００１に出力する。これにより、プログラマブルゲインアンプ１００１に入力される信号の基準電圧が決定する。アナログデジタル変換器（ADC）では、増幅されたセンサ信号をデジタル信号に変換する。

一般的な固体撮像装置では、開口画素領域１０１の垂直方向の先頭に加えて、開口画素領域１０１の水平方向の先頭または、後方にもオプティカルブラック領域（OB領域）１０２が設けられている。垂直方向のシェーディングを補正するために、前記のOBクランプブロック１００５による基準信号の生成が各行においてもなされることになる。この際、オプティカルブラック領域（OB領域）１０２の暗出力のばらつきや、キズと称される特別に暗出力の大きい画素の存在によって、各行ごとに基準信号がばらつき、結果として画面に横筋が生じるといった弊害が発生する。

一方、本発明の実施形態に関わる図１の固体撮像装置では、開口画素領域１０１の水平方向の先頭に隣接して、電荷を蓄積するための不純物領域を形成しない黒基準画素領域１０３を備えている。黒基準画素出力平均化レジスタ１００３は、OBクランプブロック１００５の処理が収束した直後（例えば図１の第１の行１０４）の黒基準画素領域１０３の平均値に対し、各行（例えば図１の第２の行１０５）の平均値との差分だけ補正するように動作する。OBクランプブロック１００５は、開口画素領域１０１の垂直方向の先頭に設けられたオプティカルブラック領域（OB領域）１０２を用いて処理を行う。具体的には、初期値を０とし、各行の黒基準画素領域１０３の平均値をアナログデジタル変換器（ADC）１００２の出力から差し引く処理を行う。この処理により、暗出力のばらつきや、キズと称される特別に暗出力の大きい画素の影響を受けず、垂直方向のシェーディングのみを補正する安定したクランプが可能となり、横筋等のない高画質の画像を得ることが可能となる。

以上のように、プログラマブルゲインアンプ１００１、デジタルアナログ変換器（DAC）１００６及びOBクランプブロック１００５は、クランプ手段を構成し、オプティカルブラック領域１０２の出力信号に応じて固体撮像装置の出力信号をクランプする。プログラマブルゲインアンプ１００１は、固体撮像装置の出力信号を増幅する。OBクランプブロック１００５は、プログラマブルゲインアンプ１００１により増幅されたオプティカルブラック領域１０２の出力信号を基に平均化等の処理をした信号が所望の電圧になるような基準信号を出力する。プログラマブルゲインアンプ１００１は、オプティカルブラック領域１０２の出力信号の平均値を基準値として増幅を行う。減算器１００４は、固体撮像装置の出力信号から黒基準出力平均化レジスタ１００３内の黒基準画素領域の出力信号の平均値を減算する。

（第４の実施形態）
図１２は、本発明の第４の実施形態によるデジタルスチルカメラの構成例を示すブロック図である。図１２に基づいて、第１〜第３の実施形態の固体撮像装置をデジタルスチルカメラに適用した場合の一例について詳述する。

図１２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２を通った光量を可変するための絞りである。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、５は固体撮像素子４より出力される撮像信号（画像信号）をアナログ信号処理する撮像信号処理回路である。６は撮像信号処理回路５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である。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である。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為のメモリ部、１１は記録媒体１２に記録又は読み出しを行うためのインタフェース部である。１２は画像データの記録又は読み出しを行う為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為のインタフェース部である。本発明の図１の固体撮像装置は固体撮像素子４に、図１１の撮像システムの信号処理回路部は撮像信号処理部５及びＡ／Ｄ変換器６にあたる。

次に、前述の構成における撮影時のデジタルスチルカメラ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、更に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、露光量を制御する為に、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を介してＡ／Ｄ変換器６で変換された後、信号処理部７に入力される。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。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３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時は、再びレンズを駆動し測距を行う。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を介して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・演算部９によりメモリ部１０に書き込まれる。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１１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。

第１〜第４の実施形態によれば、電荷を蓄積するための不純物領域を形成しない黒基準画素領域１０３の出力レベルを、遮光されたオプティカルブラック領域１０２の出力レベルと、開口画素領域１０１の飽和時の出力レベルとの間に設定できる。そのため、クランプを行う回路１００５、初段の増幅器１００１、およびアナログデジタル変換器１００２のダイナミックレンジ、アナログデジタル変換器１００２のデジタル出力のダイナミックレンジを特に広く設定する必要がない。

さらに、暗出力のばらつきや、キズと称される特別に暗出力の大きい画素の影響を受けず、垂直方向のシェーディングのみを補正する安定したクランプが可能となり、横筋等のない高画質の画像を得ることが可能となる。

上記実施形態は、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、イメージスキャナ用のイメージ入力装置に広範に用いられる固体撮像装置および撮像システムに適用することができる。

上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本発明の第１の実施形態を示す固体撮像装置の平面図である。ＣＭＯＳ型固体撮像装置の画素セルのブロック図である。ＣＭＯＳ型固体撮像装置のブロック図である。ＣＭＯＳ型固体撮像装置の読み出し回路のブロック図である。ＣＭＯＳ型固体撮像装置の動作を説明するタイミングチャートである。ＣＭＯＳ型固体撮像装置の出力波形を示す図である。本発明の第１の実施形態を示す固体撮像装置の読み出し回路のブロック図である。本発明の第１の実施形態を示す固体撮像装置の読み出し回路のブロック図である。本発明の第１の実施形態を示す固体撮像装置の出力波形を示す図である。本発明の第２の実施形態を示す固体撮像装置の読み出し回路のブロック図である。本発明の第３の実施形態を示す撮像システムの信号処理回路のブロック図である。本発明の第４の実施形態のデジタルスチルカメラの構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１０１開口画素領域
１０２オプティカルブラック領域
１０３黒基準画素領域
１０４第１の行
１０５第２の行
１００１プログラマブルゲインアンプ
１００２アナログデジタル変換器
１００３黒基準画素出力平均化レジスタ
１００４減算器
１００５オプティカルブラッククランプブロック
１００６デジタルアナログ変換器

Claims

入射光に応じて発生した電荷を蓄積して出力する開口画素領域と、
遮光されたオプティカルブラック領域と、
電荷を蓄積するための不純物領域を形成しない黒基準画素領域と、
前記開口画素領域及び前記オプティカルブラック領域の出力信号の基準レベルに対して、前記黒基準画素領域の出力信号の基準レベルをシフトするレベルシフト手段と
を有することを特徴とする固体撮像装置。
前記オプティカルブラック領域は、少なくとも前記開口画素領域の垂直方向の先頭に隣接して設けられ、
前記黒基準画素領域は、少なくとも前記開口画素領域の水平方向の先頭に隣接して設けられていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記開口画素領域及び前記オプティカルブラック領域は同じ構造を有し、前記開口画素領域は遮光されず、前記オプティカルブラック領域は遮光されていることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
前記オプティカルブラック領域の出力信号に応じて前記固体撮像装置の出力信号をクランプするクランプ手段と、
前記固体撮像装置の出力信号から前記黒基準画素領域の出力信号の平均値を減算する減算手段と
を有することを特徴とする撮像システム。
前記クランプ手段は、
前記固体撮像装置の出力信号を増幅する増幅器と、
前記増幅器により増幅された前記オプティカルブラック領域の出力信号を平均化する平均化手段とを有し、
前記増幅器は、前記オプティカルブラック領域の出力信号の平均値を基準値としてクランプして増幅を行うことを特徴とする請求項４記載の撮像システム。
さらに、前記増幅器の出力信号をアナログ形式からデジタル形式に変換するアナログデジタル変換手段と、
前記平均化手段により出力される平均値をデジタル形式からアナログ形式に変換するデジタルアナログ変換手段とを有することを特徴とする請求項５記載の撮像システム。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
光学像を前記固体撮像装置に結像させるためのレンズと、
前記レンズを通る光量を可変するための絞りと
を有することを特徴とするカメラ。
入射光に応じて発生した電荷を蓄積して出力する開口画素領域と、
遮光されたオプティカルブラック領域と、
電荷を蓄積するための不純物領域を形成しない黒基準画素領域とを有する固体撮像装置の処理方法であって、
前記開口画素領域及び前記オプティカルブラック領域の出力信号の基準レベルに対して、前記黒基準画素領域の出力信号の基準レベルをシフトするレベルシフトステップを有することを特徴とする固体撮像装置の処理方法。
入射光に応じて発生した電荷を蓄積して出力する開口画素領域と、
遮光されたオプティカルブラック領域と、
電荷を蓄積するための不純物領域を形成しない黒基準画素領域とを有する固体撮像装置と、
前記オプティカルブラック領域の出力信号に応じて前記固体撮像装置の出力信号をクランプするクランプ手段と、
前記固体撮像装置の出力信号から前記黒基準画素領域の出力信号の平均値を減算する減算手段と
を有することを特徴とする撮像システム。
前記クランプ手段は、
前記固体撮像装置の出力信号を増幅する増幅器と、
前記増幅器により増幅された前記オプティカルブラック領域の出力信号を平均化する平均化手段とを有し、
前記増幅器は、前記オプティカルブラック領域の出力信号の平均値を基準値としてクランプして増幅を行うことを特徴とする請求項９記載の撮像システム。
さらに、前記増幅器の出力信号をアナログ形式からデジタル形式に変換するアナログデジタル変換手段と、
前記平均化手段により出力される平均値をデジタル形式からアナログ形式に変換するデジタルアナログ変換手段とを有することを特徴とする請求項１０記載の撮像システム。
前記オプティカルブラック領域は、少なくとも前記開口画素領域の垂直方向の先頭に隣接して設けられ、
前記黒基準画素領域は、少なくとも前記開口画素領域の水平方向の先頭に隣接して設けられていることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の撮像システム。
前記開口画素領域及び前記オプティカルブラック領域は同じ構造を有し、前記開口画素領域は遮光されず、前記オプティカルブラック領域は遮光されていることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の撮像システム。
請求項９〜１３のいずれか１項に記載の撮像システムと、
光学像を前記撮像システムに結像させるためのレンズと、
前記レンズを通る光量を可変するための絞りと
を有することを特徴とするカメラ。
入射光に応じて発生した電荷を蓄積して出力する開口画素領域と、
遮光されたオプティカルブラック領域と、
電荷を蓄積するための不純物領域を形成しない黒基準画素領域とを有する固体撮像装置を用いた処理方法であって、
前記オプティカルブラック領域の出力信号に応じて前記固体撮像装置の出力信号をクランプするクランプステップと、
前記固体撮像装置の出力信号から前記黒基準画素領域の出力信号の平均値を減算する減算ステップと
を有することを特徴とする固体撮像装置を用いた処理方法。