JP2008236620A

JP2008236620A - 固体撮像装置及び撮像装置

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Publication number: JP2008236620A
Application number: JP2007076549A
Authority: JP
Inventors: Koichi Harada; 耕一原田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2007-03-23
Filing date: 2007-03-23
Publication date: 2008-10-02
Anticipated expiration: 2027-03-23
Also published as: JP5082528B2

Abstract

【課題】感度向上等のために設けられた特定画素が飽和し易いことに起因して生じる不具合を解消し、感度向上とダイナミックレンジの確保を実現する。
【解決手段】この信号処理回路２１０は、特定画素からの出力信号が飽和状態であるか否かを判定する判定手段２１１と、その判定結果に基づいて信号処理系を選択する選択手段２１２と、その選択結果に基づいて異なる信号処理を実行する２つの信号処理手段２１３、２１４が設けられる。特定画素が飽和していなければ、その信号を用いてＩＲフィッティング技術等を用いて感度の向上を図る。また、特定画素が非飽和から飽和に切り替わった場合、特定画素の信号は用いずに、ＳＶＥ技術等を用いて補完処理やゲインＵＰを行う。
【選択図】図４

Description

本発明は、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサといった各種の固体撮像装置に関し、詳しくは特定波長光を受光する画素を設けて感度の向上等を行うような機能を有する固体撮像装置及び撮像装置に関する。

近年、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサに代表される固体撮像装置の開発が活発化しており、各種のカメラ装置や携帯電話機等に用いられている。
例えば、ＣＣＤイメージセンサは、半導体基板にフォトダイオード（光電変換部）を含む複数の画素を２次元方向に配置し、各画素列の間にＣＣＤ垂直転送レジスタを設けるとともに、各垂直転送レジスタの出力端にＣＣＤ水平転送レジスタを設けたものである。
また、半導体基板上には、絶縁膜、転送電極膜、遮光膜といった積層膜が順次形成され、さらに平坦化膜等を介してカラーフィルタ、マイクロレンズ等が形成されている。

このようなＣＣＤイメージセンサでは、半導体基板上に設けた転送電極に駆動パルスを供給して各転送レジスタを駆動し、各画素のフォトダイオードにて生成した信号電荷をＣＣＤ垂直転送レジスタ及びＣＣＤ水平転送レジスタを通して順次転送して行き、この信号電荷をＣＣＤ水平転送レジスタの出力端に設けた変換部によって電圧信号または電流信号に変換し、画素信号として出力する。

一方、ＣＭＯＳイメージセンサは、同一半導体基板上に、フォトダイオードを含む複数の画素を２次元方向に配置した撮像領域と、この撮像領域の外部に形成された周辺回路領域とを設けたものである。
そして、撮像領域には、各画素毎に、フォトダイオードの信号電荷をＦＤ（フローティングデフュージョン）に読み出す読み出しトランジスタ（転送ゲート）、ＦＤの電位に応じた画素信号を生成する増幅トランジスタ、画素信号を出力する画素を選択する選択トランジスタ、ＦＤをリセットするリセットトランジスタ等の各種画素トランジスタを設け、各画素のフォトダイオードで検出した信号電荷を各画素トランジスタの駆動によって画素信号に変換し、画素列毎に設けた信号線より出力する。

また、周辺回路領域には、画素アレイ部に各種の制御パルスを供給して画素信号の読み出しを制御する駆動制御回路、読み出された画素信号に対して各種の信号処理を行う信号処理回路、駆動電源を生成する電源制御回路等が設けられている。
また、半導体基板上には、絶縁膜、トランジスタの駆動電極膜、配線膜、遮光膜といった積層膜が順次形成され、さらに平坦化膜等を介してカラーフィルタ、マイクロレンズ等が形成されている。

このようなＣＭＯＳイメージセンサでは、各画素トランジスタの駆動によって各画素のフォトダイオードに蓄積した信号電荷を各画素毎に画素信号に変換し、これを画素列毎に出力して後段の信号処理回路に送り、ノイズ除去や信号処理等を施して出力する。
また、このようなイメージセンサでは、集光手段によって各画素のフォトダイオード（に外光を効率的に入射させる構成となっており、集光手段として、オンチップレンズ、層内凹レンズ、層内凸レンズなどにより、集光効率を改善する技術が提案されてきている。

しかし近年では、レンズを組み合わせた集光技術をもってしても、単位画素サイズの縮小に伴う入射光の絶対量の減少により、出力信号の元になる画素毎の電子数の減少を補うことはできなくなってきており、イメージセンサの感度は低下してしまう傾向にある。
そして、この感度低下は、信号出力と画素内で発生する固有のノイズである光ショットノイズや暗電流ノイズ、転送時に混入するノイズなどとの比（Ｓ／Ｎ比）を悪化させるため、画質の低下を招いている。
そこで、この感度低下を補うために、電子を電圧に変換する割合、いわゆる変換効率を高めているが、光ショットノイズや暗電流ノイズ、転送時などに混入するノイズも増幅してしまうため、Ｓ／Ｎ比は改善しないという問題がある。

一方、感度を向上させる手法として、カラーフィルタで分光しない画素の信号を輝度信号として用いたり、Ｓ／Ｎ比が低い画素の信号をその画素の近くに存在する可視光だけでなく近赤外領域の波長の光も透過するカラーフィルタ無し画素から得られるＳ／Ｎ比の高い信号に置き換える（いわゆるＩＲフィッティングという）などの手法が提案されている。
そして、これらの手法を用いるためには、ＲＧＢの３原色フィルタの間にフィルタの存在しない無フィルタ画素や、無フィルタ画素の代わりに白色フィルタや灰色フィルタを配置した画素、あるいはＩＲフィルタを配置した画素等を設け、これらの画素から得られる出力信号を用いて撮像信号の感度向上を図るような構成が提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−１３５７９２号公報

しかし、上述のように感度向上用に白色フィルタやＩＲフィルタ等を設けた画素の場合、これらの画素では入射光量が大きくなって、生成する電荷量は大きくなるが、フォトダイオードの容量自体は他の画素と共通であるため、その分、これらの画素でフォトダイオードが飽和し易くなり、センサ全体としてダイナミックレンジが低下するという問題がある。

そこで本発明は、感度向上等のために設けられた特定画素が飽和し易いことに起因して生じる不具合を解消し、感度向上とダイナミックレンジの確保を実現できる固体撮像装置及び撮像装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、半導体基板内にそれぞれ光電変換領域を含む複数の画素を２次元配列で形成した画素アレイ部と、前記半導体基板上に積層された積層膜と、前記積層膜上に配置されて前記複数の画素に所定の波長光を入光させる光学フィルタとを有し、前記画素アレイ部に設けられた特定画素からの出力信号を検出し、前記特定画素からの出力信号が飽和状態か否かを判定する判定手段と、前記判定手段によって前記特定画素からの出力信号が飽和状態でないと判定された場合には、前記特定画素からの出力信号を用いて画像信号の処理を行う第１の信号処理手段と、前記判定手段によって前記特定画素からの出力信号が飽和状態であると判定された場合には、前記特定画素からの出力信号を用いずに画像信号の処理を行う第２の信号処理手段とを有することを特徴とする。

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、半導体基板内にそれぞれ光電変換領域を含む複数の画素を２次元配列で形成した画素アレイ部と、前記半導体基板上に積層された積層膜と、前記積層膜上に配置されて前記複数の画素に所定の波長光を入光させる光学フィルタとを有し、前記画素アレイ部に設けられた特定画素からの出力信号を検出し、前記特定画素からの出力信号が飽和状態か否かを判定する判定手段と、前記判定手段によって前記特定画素からの出力信号が飽和状態でないと判定された場合には、前記特定画素からの出力信号を用いて画像信号の処理を行う第１の信号処理手段と、前記判定手段によって前記特定画素からの出力信号が飽和状態であると判定された場合には、前記特定画素からの出力信号を用いずに画像信号の処理を行う第２の信号処理手段とを有することを特徴とする。

本発明の固体撮像装置及び撮像装置によれば、固体撮像装置の特定画素からの出力信号が飽和状態か否かを判定し、飽和状態でなければ、特定画素の出力信号を用いて画像信号の処理を行い、飽和状態であれば、特定画素からの出力信号を用いずに画像信号の処理を行うことから、特定画素の飽和時におけるダイナミックレンジの低下を防止しつつ、特定画素を用いた感度向上等の機能を実現できる効果がある。

以下、本発明の具体的な実施例を図面を用いて説明する。
まず、本発明を適用するＣＣＤイメージセンサの全体構成について説明する。なお、以下の実施例ではＣＣＤイメージセンサを例に説明するが、本発明はＣＣＤイメージセンサに限定されず、ＣＭＯＳイメージセンサ等の光学フィルタを備えた各種の固体撮像装置に広く適用できるものである。
図１は本発明の実施例によるＣＣＤイメージセンサの概要を示す平面図であり、図２は図１に示すＣＣＤイメージセンサにおける画素内の構造を示す断面図である。
図１に示すように、本実施例のＣＣＤイメージセンサは、シリコン基板１００にフォトダイオード（光電変換部）を含む複数の画素１１０を２次元マトリクス状に配置し、各画素列の間にＣＣＤ垂直転送レジスタ１２０を設けるとともに、各垂直転送レジスタ１２０の出力端にＣＣＤ水平転送レジスタ１３０を設けたものである。
各画素のフォトダイオードで生成された信号電荷は、ＣＣＤ垂直転送レジスタ１２０に読み出され、順次垂直方向に転送されて１行分ずつＣＣＤ水平転送レジスタ１３０に読み出される。
ＣＣＤ水平転送レジスタ１３０は、１行分の信号電荷を順次垂直方向に転送し、出力部１４０に送る。
出力部１４０では、ＣＣＤ水平転送レジスタ１３０からの信号電荷を順次電気信号に変換し、画素信号として出力する。

また、図２に示すように、シリコン基板１００の上層部には、素子分離部１０１によって分離された領域に、フォトダイオード（ＰＤ）１１１が形成され、その側部に読み出しゲート部１１２を介してＣＣＤ垂直転送レジスタ１２０が形成されている。
また、シリコン基板１００上には、酸化膜等のゲート絶縁膜１０２を介してポリシリコン膜等による転送電極（簡略のため１層のみを示す）１２１が形成され、その上に層間絶縁膜１５０を介してアルミ等による遮光膜１５１が形成されている。
そして、この遮光膜１５１の上に平坦化膜１５２を介してカラーフィルタ１６０及びマイクロレンズ１７０が配置されている。

また、本例のイメージセンサでは、カラーフィルタ１６０にＲＧＢ３原色フィルタとホワイトフィルタとを組み合わせたものを用いている。
図３は本実施例のカラーフィルタの４画素分の配列を示す平面図である。
図示のように、このカラーフィルタ１６０は、４画素をRedフィルタ１６０Ｒ、Greenフィルタ１６０Ｇ、Blueフィルタ１６０Ｂ、Whiteフィルタ１６０Ｗに割り当てたものである。すなわち、本実施例では、このWhiteフィルタ１６０Ｗを割り当てた画素が本発明における特定画素である。
なお、特定画素として適用できる構成としては、本実施例のようなWhiteフィルタに限らず、例えばGrayフィルタ画素やＩＲ(Infra-Red)フィルタ画素、さらには無フィルタ画素等を採用することができる。

図４は本実施例のイメージセンサにおける信号処理系の機能構成を示すブロック図である。
図示のように、イメージセンサ２００からの出力信号は信号処理回路２１０に入力されて映像信号に変換されるが、この信号処理回路２１０は、特定画素からの出力信号が飽和状態であるか否かを判定する判定手段２１１と、その判定結果に基づいて信号処理系を選択する選択手段２１２と、その選択結果に基づいて異なる信号処理を実行する２つの信号処理手段２１３、２１４等を設けたものである。なお、このような信号処理回路２１０は、例えばＤＳＰ等によって構成される。

判定手段２１１は、例えば特定画素の出力信号レベルを判定し、そのレベルが所定の基準値より低い場合には、特定画素が飽和していないと判定し、所定の基準値を超えている場合には、特定画素が飽和していると判定し、その判定結果を選択手段２１２に出力する。
なお、判定手段２１２の判定方法としては、特定画素からの出力レベルだけで直接判定する方法だけでなく、例えばダミー画素からの出力レベルと特定画素からの出力レベルとを比較し、その比較結果から判定を行うような構成とすることも可能であり、種々の方法が可能である。

また、選択手段２１２は、判定手段２１１からの判定結果を受けて、最適な信号処理を選択するものであり、特定画素が飽和していない場合には、第１の信号処理手段２１３による特定画素を用いた信号処理を選択し、特定画素が飽和している場合には、第２の信号処理手段２１４による特定画素を用いない信号処理を選択する。
この選択信号２１２の選択動作は、いわゆるＨｙｐｅｒ−Ｄと呼ばれる手法（例えば特許第２９８８５５７号公報参照）が知られており、このような技術を応用することが可能である。

また、第１の信号処理手段２１３は、例えばＩＲフィッティングのように、ＲＧＢ画素から得られるＳ／Ｎ比が低い信号を特定画素から得られるＳ／Ｎ比の高い信号に置き換えるような信号処理を行い、感度を向上させた画素信号を出力する。

また、第２の信号処理手段２１４は、特定画素の出力信号は用いずに、その他のＲＧＢ画素から得られる信号を用いて補完処理やゲインＵＰといった必要な処理を行い、画素信号を出力する。
この方法には、例えばＳＶＥと呼ばれる手法（例えば国際公開ＷＯ２００２／０５６６０３号公報）が知られており、このような技術を応用することが可能である。特定画素が飽和している領域では、元々Ｓ／Ｎ比が良いので、ゲインＵＰで感度を十分に向上することができる。

なお、このような処理により、解像度については若干の低下が生じるが、例えば数１００万画素以上のイメージセンサについて用いることにより、実用上問題なく実施できるものである。
そして、第１、第２の信号処理手段２１３、２１４より出力された画素信号は、さらに後段の信号処理回路等を経て映像信号として出力される。

図５は以上のような画素信号の処理を全体的に表した説明図であり、横軸に入射光量、縦軸に出力電圧を示している。
まず、入射光量が小さいうちは、特定画素が飽和しておらず、出力電圧も小さいものとなる。そこで、この期間では、第１の信号処理手段２１３によってＩＲフィッティング技術等を用いて感度の向上を図る。このような処理により、低照度の元々Ｓ／Ｎ比が悪い領域で、有効な感度ＵＰを図ることが可能である。

また、入射光量が上昇し、特定画素が非飽和から飽和に切り替わった場合、上述したＨｙｐｅｒ−Ｄ等の技術を用いて信号処理系の切り替えを行い、第２の信号処理手段２１４によってＳＶＥ技術等を用いて補完処理やゲインＵＰを行う。上述のように、特定画素が飽和している領域では、元々Ｓ／Ｎ比が良いので、ゲインＵＰで感度を十分に向上することができる。
このようにして、特定画素の飽和、非飽和に応じて最適な信号処理を選択し、ダイナミックレンジと高感度を確保した画像出力を行う。

以上、本発明による固体撮像装置の具体的な実施例について説明したが、本発明はさらに種々の変形が可能である。例えば、上記実施例では、ＣＣＤイメージセンサを前提に説明したが、本発明はＣＭＯＳイメージセンサ等の各種固体撮像装置に広く適用できるものである。
また、固体撮像装置は１チップ上にイメージセンサ等を構成したものに限らず、撮像部と信号処理部や光学系がまとめてパッケージ化されたモジュールであってもよい。また、カメラシステムや携帯電話器に利用される装置であってもよい。なお、本発明では、イメージセンサの機能を単体で有する構成を固体撮像装置といい、固体撮像装置と他の要素（制御回路、操作部、表示部、さらにはデータ蓄積機能、通信機能等）と一体化された構成を撮像装置というものとする。

以下、本発明を適用した撮像装置の具体例を説明する。
図６は上記実施例のイメージセンサを用いたカメラ装置の構成例を示すブロック図である。
図６において、撮像部３１０は、例えば図１に示したイメージセンサを用いて被写体の撮像を行うものであり、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内での具体的な制御動作や信号処理等も従来から種々の方法が提供されており、本発明の撮像装置において特に限定しないことは勿論である。

また、撮像光学系３００は、鏡筒内に配置されたズームレンズ３０１や絞り機構３０２等を含み、イメージセンサの受光部に被写体像を結像させるものであり、システムコントロール部３２０の指示に基づく駆動制御部３３０の制御により、各部を機械的に駆動してオートフォーカス等の制御が行われる。

また、システムコントロール部３２０には、ＣＰＵ３２１、ＲＯＭ３２２、ＲＡＭ３２３、ＤＳＰ３２４、外部インターフェース３２５等が設けられている。
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。

ディスプレイ３６０は、本カメラ装置に組み込まれた例えば液晶パネル等の小型表示器であり、撮像した画像を表示する。なお、このようなカメラ装置に組み込まれた小型表示器に加えて、外部の大型表示装置に画像データを伝送し、表示できる構成とすることも勿論可能である。
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。

このようなカメラ装置に、本発明の固体撮像装置を適用することにより、高品位の撮像装置を提供できる。なお、以上の構成において、システムの構成要素となる単位デバイスや単位モジュールの組み合わせ方、セットの規模等については、製品化の実情等に基づいて適宜選択することが可能であり、本発明の撮像装置は、種々の変形を幅広く含むものとする。

また、本発明の固体撮像装置及び撮像装置において、撮像対象（被写体）としては、人や景色等の一般的な映像に限らず、偽札検出器や指紋検出器等の特殊な微細画像パターンの撮像にも適用できるものである。
この場合の装置構成としては、図６に示した一般的なカメラ装置ではなく、さらに特殊な撮像光学系やパターン解析を含む信号処理系を含むことになり、この場合にも本発明の作用効果を十分発揮して、精密な画像検出を実現することが可能となる。
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。

本発明の実施例における固体撮像装置（ＣＣＤイメージセンサ）の具体例を示す平面図である。図１に示す固体撮像装置の画素周辺の構造を示す断面図である。図１に示す固体撮像装置で用いるカラーフィルタの画素配置を示す平面図である。図１に示す固体撮像装置の信号処理系の構成を示すブロック図である。図１に示す固体撮像装置における信号処理の概要を示す説明図である。本発明の他の実施例におけるカメラ装置の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

２００……イメージセンサ、２１０……信号処理回路、２１１……判定手段、２１２……選択手段、２１３、２１４……信号処理手段。

Claims

半導体基板内にそれぞれ光電変換領域を含む複数の画素を２次元配列で形成した画素アレイ部と、前記半導体基板上に積層された積層膜と、前記積層膜上に配置されて前記複数の画素に所定の波長光を入光させる光学フィルタとを有し、
前記画素アレイ部に設けられた特定画素からの出力信号を検出し、前記特定画素からの出力信号が飽和状態か否かを判定する判定手段と、
前記判定手段によって前記特定画素からの出力信号が飽和状態でないと判定された場合には、前記特定画素からの出力信号を用いて画像信号の処理を行う第１の信号処理手段と、
前記判定手段によって前記特定画素からの出力信号が飽和状態であると判定された場合には、前記特定画素からの出力信号を用いずに画像信号の処理を行う第２の信号処理手段と、
を有することを特徴とする固体撮像装置。
前記光学フィルタは、前記特定画素に配置される特定波長光を検出するための特定光フィルタと、その他の画素に配置されるカラー画像撮像用の色成分フィルタとの組み合わせであることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記特定光フィルタが白色フィルタまたは灰色フィルタであることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記特定光フィルタがＩＲフィルタであることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記特定画素は光学フィルタが配置されない画素であ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の信号処理手段は、前記特定画素からの出力信号を他の画素の出力信号に置き換えて感度を向上させた画像信号を生成する処理を行うことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記第２の信号処理手段は、前記特定画素以外の画素からの出力信号を用いてゲインを向上させた画素信号を生成する処理を行う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、
半導体基板内にそれぞれ光電変換領域を含む複数の画素を２次元配列で形成した画素アレイ部と、前記半導体基板上に積層された積層膜と、前記積層膜上に配置されて前記複数の画素に所定の波長光を入光させる光学フィルタとを有し、
前記画素アレイ部に設けられた特定画素からの出力信号を検出し、前記特定画素からの出力信号が飽和状態か否かを判定する判定手段と、
前記判定手段によって前記特定画素からの出力信号が飽和状態でないと判定された場合には、前記特定画素からの出力信号を用いて画像信号の処理を行う第１の信号処理手段と、
前記判定手段によって前記特定画素からの出力信号が飽和状態であると判定された場合には、前記特定画素からの出力信号を用いずに画像信号の処理を行う第２の信号処理手段と、
を有することを特徴とする撮像装置。
前記光学フィルタは、前記特定画素に配置される特定波長光を検出するための特定光フィルタと、その他の画素に配置されるカラー画像撮像用の色成分フィルタとの組み合わせであることを特徴とする請求項８記載の撮像装置。
前記特定光フィルタが白色フィルタまたは灰色フィルタであることを特徴とする請求項８記載の撮像装置。
前記特定光フィルタがＩＲフィルタであることを特徴とする請求項８記載の撮像装置。
前記特定画素は光学フィルタが配置されない画素であることを特徴とする請求項８記載の撮像装置。
前記第１の信号処理手段は、前記特定画素からの出力信号を他の画素の出力信号に置き換えて感度を向上させた画像信号を生成する処理を行うことを特徴とする請求項８記載の撮像装置。
前記第２の信号処理手段は、前記特定画素以外の画素からの出力信号を用いてゲインを向上させた画素信号を生成する処理を行うことを特徴とする請求項８記載の撮像装置。