JP2008205905A - 固体撮像装置および撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の開口画素11を有する開口画素部101の周囲に複数の第1のOB画素12を有する第1のオプティカルブラック部102を設け、さらにその周囲に複数の第2のOB画素を有する第2のオプティカルブラック部102を設ける。第1のOB画素12は、PD(フォトダイオード)31を有するが、第2のOB画素13は、PD31が無い。第1のOB画素12および第2のOB画素13の画素値は、これらの平均の温度特性が開口画素11の出力温度特性に一致するようそれぞれ所望の回数で読み出される。
【選択図】図1
Description
このような問題を回避するため、多くの固体撮像装置では、開口画素の周囲に遮光を施した遮光画素(以下、OB(Optical Black)画素ともいう)を設けている。このOB画素を読み出すことで、フレーム毎に光学的な黒レベルを出力することができるので、温度が変化した場合にもA/D変換に最適な基準レベルを推定することができるようになる。
図13に示すように、この固体撮像装置は、画像を撮像するための複数の開口画素211を有する開口画素部201と、開口画素部201の周囲に設けられた複数のOB画素212を有するOB画素部202と、V選択回路203と、読み出し回路204とを備える。開口画素部201の開口画素211およびOB画素部202のOB画素212は、V選択回路203により水平同期信号に合わせてOB画素列、開口画素列、OB画素列が順次選択され、これらの画素値が読み出し回路204により読み出される。
図14に示すように、1フレームの画像は、垂直同期信号(XVS)をトリガーとして、次の垂直同期信号までに出力される。垂直同期信号の間には、水平同期信号(XHS)をトリガーとして1列分の信号が出力される。
例えば、図15は前OB画素列m1=3画素、後OB画素列m2=2画素のときの信号出力の例である。図13〜図15に示されるように、1フレームの最初に読み出されるOB画素212の出力値をサンプリングしてその結果をもってそのフレーム内の開口画素211の黒レベルに適応することで、温度が急激に変化した場合でも1フレーム内の温度変化に関してはキャンセルすることができる。
また、OB画素の暗電流を抑えるために、特許文献2のようにOB画素のフォトダイオードを取り除く方法もあるが、この場合OB画素の暗電流が開口画素に比べ極端に少なくなるので、結局は温度、蓄積時間によっては黒レベルのズレが生じてしまう。
また、本発明の撮像装置は、固体撮像装置を用いた撮像部と、前記撮像部を制御する制御部と、前記撮像部を操作する操作部とを有し、前記固体撮像装置は、画像を撮像するための複数の開口画素と、光学的黒レベル検出のために遮光され、前記開口画素より暗電流の温度依存性が大きい複数の第1の遮光画素と、光学的黒レベル検出のために遮光され、前記開口画素より暗電流の温度依存性が小さい複数の第2の遮光画素とを備え、前記複数の開口画素、前記複数の第1の遮光画素および前記複数の第2の遮光画素は、それぞれ独立に画素値が読み出され、かつ、前記複数の第1の遮光画素および前記複数の第2の遮光画素は、第1の遮光画素および第2の遮光画素の平均の温度特性が開口画素の温度特性に一致するようそれぞれの画素値が所望の回数で読み出されることを特徴とする。
このため、第1および第2の遮光画素の平均の温度特性と開口画素の温度特性を一致させることができるので、開口画素と遮光画素の暗電流量を正確に合わせて光学的黒レベルを正確に検出することがきる。したがって、コントラストの良好な画像を得ることができる。
図1は、本発明に係る一実施形態の固体撮像装置の概略構成を示す図である。
この固体撮像装置は、開口画素部101と、開口画素部101の周囲に設けられた第1のオプティカルブラック部102と、第1のオプティカルブラック部102の周囲に設けられた第2のオプティカルブラック部103とを備える。
開口画素部101は、画像を撮像するためのn行複数列の複数の開口画素11から構成される。第1のオプティカルブラック部102は、光学的黒レベル検出のために遮光され、開口画素11より暗電流の温度依存性が大きい複数の第1のOB遮光画素12から構成される。複数の第1のOB画素12は、複数の開口画素11とともに、(k2+n+k3)行複数列の行列を構成する。第2のオプティカルブラック部103は、光学的黒レベル検出のために遮光され、開口画素11より暗電流の温度依存性が小さい複数の第2のOB遮光画素13から構成される。複数の第2のOB画素13は、複数の開口画素11、複数の第1のOB画素12とともに、(k1+k2+n+k3+k4)行複数列の行列を構成する。
第2の下部OB画素V選択回路21は、k1行の第2のOB画素(下部OB2)12の選択回路である。第1の下部OB画素V選択回路22は、k2行の第1のOB画素(下部OB1)12および第2のOB画素13の選択回路である。開口画素V選択回路23は、n行の開口画素11、第1のOB画素12および第2のOB画素13の選択回路である。第1の上部OB画素V選択回路24は、k3行の第1のOB画素(上部OB1)12および第2のOB画素13の選択回路である。第2の上部OB画素V選択回路25は、k4行の第2のOB画素(上部OB2)13の選択回路である。
読み出し回路30は、これら第2の下部OB画素V選択回路21と、第1の下部OB画素V選択回路22と、開口画素V選択回路23と、第1の上部OB画素V選択回路24と、第2の上部OB画素V選択回路25により選択された行の開口画素11、第1のOB画素12および第2のOB画素13を読み出す。
第2の下部OB画素V選択回路21、第1の下部OB画素V選択回路22、開口画素V選択回路23、第1の上部OB画素V選択回路24および第2の上部OB画素V選択回路25の選択動作はそれぞれ独立に行われ、それぞれのV選択回路の起動の順序、繰り返し回数を変えることによって、読み出される画素列の順番は任意が設定される。例えば、通常の読み出しは、下部OB2、下部OB1、開口画素、上部OB1、上部OB2の順に行われるが、下部OB2を2回繰り返し、そのあと開口画素を読み出し、その後再び下部OB1を読み出すといったことも可能である。
図3に示すように、黒レベル設定は、下部OB2の2画素、下部OB1の2画素値をサンプリングして黒レベルの設定を行う。このとき、開口画素11、第1のOB画素12および第2のOB画素13の暗信号量と開口画素の暗信号量が図3に示されるような関係にあった場合、図3に示される式1を満たすような整数MとNを求め、図4に示すように、第2のOB画素13(画素値OB2)13をN回、第1のOB画素12(画素値OB1)をM回繰り返し読み出しを行い、OB2とOB1の平均値を求めることで、開口画素11の暗電流値を正確に再現することができる。通常、図5および図6に示すように、温度、蓄積時間と暗電流量は比例の関係にあることが多いので、ある温度における暗電流量の比を求めることができれば、その後蓄積時間が変わってもある程度正確に開口画素の暗電流量に追従させることが可能である。
このように、比がわかっており、かつ単純な積と和の計算手段をセンサー内部、もしくは後段のDSPなどで持っているようなシステムに組み込まれた場合には、上記のようにOB2、OB1を繰り返し読み出すことはせずとも、N回読み出す代わりにOB2の出力平均にNをかけて、OB1の出力平均にMをかけて演算することで開口画素11の出力平均を予想することができる。
図7(A)に示すように、従来の固体撮像装置は、開口画素211およびOB画素212を有する。開口画素211およびOB画素212は、半導体基板230に形成された光電変換部(PD;フォトダイオード)231、転送ゲート(TG)232および読み出し部(FD;フローティングディフュージョン)233を備える。これらの上部には、配線層234が形成され、OB画素212の配線層234の上部には遮光膜235が形成されている。
すなわち、暗電流が異なる温度特性を有する第1のOB画素12および第2のOB画素13の作り方の一例としては、第1のOB画素12は、フォトダイオード有り、第2のOB画素13は、フォトダイオード無しとする。
図8に示すように、フォトダイオード有りの第1のOB画素12では、表面準位の違いによりしばしば開口画素11よりも暗電流が多い。一方、フォトダイオード無しの第2のOB画素13では暗電流の主な発生源を持たないため、開口画素11よりも圧倒的に暗電流が少なくすることができる。このように、フォトダイオードの有り無しという簡単な構造で第1のOB画素12および第2のOB画素13を設けることができる。
従来の固体撮像装置のOB画素部202の一部202aに光が乱入したものとする。この場合、OB画素212にPD231があるため、光の乱入があると感光してしまい、正確な黒レベルを出力することができない。
本発明に係る固体撮像装置の第1のOB画素部102の一部102aに光が乱入したものとする。この場合、PD31を有しない第2のOB画素13は感光せず、感光するのはPD31有り第1のOB画素12の一部102aだけなので、第1のOB画素12および第2のOB画素13の平均としては、光の乱入の影響を従来の固体撮像装置技術よりも小さくすることができる。
さらに、後段のDSPに第1のOB画素12および第2のOB画素13の異常出力を検知し、黒レベルのサンプリングする画素の切り替えができるようにしておけば、例えば第2のOB画素13に異常出力が検知された場合は、第1のOB画素12のみを使用することで、黒レベルの大きな変動を回避することができる。
図11に示すように、開口画素11を有する開口画素部101の周囲に第2のOB画素13を有する第2のオプティカルブラック部103を設け、第2のオプティカルブラック部103の周囲に第1のOB画素12を有する第1のオプティカルブラック部102を設ける。この場合、PD31が無い第2のOB画素13が開口画素11の周囲に配置されるので、数画素レベルの深さまでしか起こらない光の乱入の場合には、完全にシャットアウトすることも可能である。
ただし、製造上の開口画素部11での画素のPD31の加工上のばらつきを考えた場合は、図10のようにフォトダイオードが有る開口画素11のとなりに、フォトダイオードのあるOB画素12を配置させる方が、PDのパターンの連続性が良いために有利と考えられる。このように、使用用途によって、加工重視か、光の乱入防止重視なのかを選ぶことができる。
第1のOB画素12および第2のOB画素13がそれぞれPD31を有し、第1のOB画素13のPD31の面積が第2のOB画素13のPD31の面積より大きいもの。
第1のOB画素12および第2のOB画素13がそれぞれPD31を有し、第1のOB画素12のPD31の不純物濃度が第2のOB画素13とのPD31の不純物濃度より大きいもの。
第1のOB画素12および第2のOB画素13がそれぞれFD33を有し、第1のOB画素12のFD33の面積が第2のOB画素13のFD33の面積より大きいもの。
第1のOB画素12および第2のOB画素13がそれぞれFD33を有し、第1のOB画素12のFD33の不純物濃度が第2のOB画素13のFD33の不純物濃度より大きいもの。
いずれも、安定して2種類の暗電流特性を実現することができ、実用可能と考えられる。
図12において、撮像部310は、例えば図1に示した固体撮像装置、例えばCMOSイメージセンサを用いて被写体の撮像を行い、撮像信号をメイン基板に搭載されたシステムコントロール部320に出力する。すなわち、撮像部310では、上述したCMOSイメージセンサの出力信号に対し、AGC(自動利得制御)、OB(オプティカルブラック)クランプ、CDS(相関二重サンプリング)、A/D変換といった処理を行い、デジタル撮像信号を生成して出力する。
なお、本例では、撮像部310内で撮像信号をデジタル信号に変換してシステムコントロール部320に出力する例について示しているが、撮像部310からアナログ撮像信号をシステムコントロール部320に送り、システムコントロール部320側でデジタル信号に変換する構成であってもよい。また、撮像部310内での処理も種々の方法があり、特に限定しないことは勿論である。
CPU321は、ROM322及びRAM323を用いて本カメラ装置の各部に指示を送り、システム全体の制御を行う。
DSP324は、撮像部310からの撮像信号に対して各種の信号処理を行うことにより、所定のフォーマットによる静止画または動画の映像信号(例えばYUV信号等)を生成する。
外部インターフェース325には、各種エンコーダやD/A変換器が設けられ、システムコントロール部320に接続される外部要素(本例では、ディスプレイ360、メモリ媒体340、操作パネル部350)との間で、各種制御信号やデータをやり取りする。
メモリ媒体340は、例えば各種メモリカード等に撮影された画像を適宜保存しておけるものであり、例えばメモリ媒体コントローラ341に対してメモリ媒体を交換可能なものとなっている。メモリ媒体340としては、各種メモリカードの他に、磁気や光を用いたディスク媒体等を用いることができる。
操作パネル部350は、本カメラ装置で撮影作業を行うに際し、ユーザが各種の指示を行うための入力キーを設けたものであり、CPU321は、この操作パネル部350からの入力信号を監視し、その入力内容に基づいて各種の動作制御を実行する。
さらに、遠隔医療や防犯監視、個人認証等のように遠隔システムを構成する場合には、上述のようにネットワークと接続した通信モジュールを含む装置構成とすることも可能であり、幅広い応用が実現可能である。
Claims (9)
- 画像を撮像するための複数の開口画素と、
光学的黒レベル検出のために遮光され、前記開口画素より暗電流の温度依存性が大きい複数の第1の遮光画素と、
光学的黒レベル検出のために遮光され、前記開口画素より暗電流の温度依存性が小さい複数の第2の遮光画素とを備え、
前記複数の開口画素、前記複数の第1の遮光画素および前記複数の第2の遮光画素は、それぞれ独立に画素値が読み出され、かつ、前記複数の第1の遮光画素および前記複数の第2の遮光画素は、第1の遮光画素および第2の遮光画素の平均の温度特性が開口画素の温度特性に一致するようそれぞれの画素値が所望の回数で読み出される、
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記複数の第1の遮光画素が前記複数の開口画素の周囲に設けられ、前記複数の第2の遮光画素が前記複数の第1の遮光画素の周囲に設けられることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
- 前記複数の第2の遮光画素が前記複数の開口画素の周囲に設けられ、前記複数の第1の遮光画素が前記複数の第2の遮光画素の周囲に設けられることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
- 前記第1の遮光画素は、光電変換素子と前記光電変換素子から画素値を読み出して転送するための素子とを有し、
前記第2の遮光画素は、画素値を読み出して転送するための素子を有し、前記素子は光電変換素子以外の素子からなることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記第1の遮光画素および前記第2の遮光画素は、それぞれ光電変換素子を有し、前記第1の遮光画素の光電変換素子の面積が前記第2の遮光画素の光電変換素子の面積より大きいことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
- 前記第1の遮光画素および前記第2の遮光画素は、それぞれ光電変換素子を有し、前記第1の遮光画素の光電変換素子の不純物濃度が前記第2の遮光画素の光電変換素子の不純物濃度より大きいことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
- 前記第1の遮光画素および前記第2の遮光画素は、それぞれフローティングディフュージョンを有し、前記第1の遮光画素のフローティングディフュージョンの面積が前記第2の遮光画素のフローティングディフュージョンの面積より大きいことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
- 前記第1の遮光画素および前記第2の遮光画素は、それぞれフローティングディフュージョンを有し、前記第1の遮光画素のフローティングディフュージョンの不純物濃度が前記第2の遮光画素のフローティングディフュージョンの不純物濃度より大きいことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
- 固体撮像装置を用いた撮像部と、前記撮像部を制御する制御部と、前記撮像部を操作する操作部とを有し、
前記固体撮像装置は、
画像を撮像するための複数の開口画素と、
光学的黒レベル検出のために遮光され、前記開口画素より暗電流の温度依存性が大きい複数の第1の遮光画素と、
光学的黒レベル検出のために遮光され、前記開口画素より暗電流の温度依存性が小さい複数の第2の遮光画素とを備え、
前記複数の開口画素、前記複数の第1の遮光画素および前記複数の第2の遮光画素は、それぞれ独立に画素値が読み出され、かつ、前記複数の第1の遮光画素および前記複数の第2の遮光画素は、第1の遮光画素および第2の遮光画素の平均の温度特性が開口画素の温度特性に一致するようそれぞれの画素値が所望の回数で読み出される、
ことを特徴とする撮像装置。
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