JP2011066637A - 固体撮像装置及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】赤色光を透過するRフィルタを備えるR画素23と、青色光を透過するBフィルタを備えるB画素24とを有する。そして、可視光領域において透過率の波長依存性がないS1フィルタを備え、R画素よりも感度が高いS1画素21を有する。さらに、可視光領域において透過率の波長依存性がなく、S1フィルタよりも可視光の透過率が低いS2フィルタを備え、S1画素21よりも感度が低いS2画素22を有する固体撮像装置を構成する。
【選択図】図2
Description
例えば、図9に示すように、横軸に入射光量、縦軸に画素の信号出力をとると、Y画素は、GRB画素よりも小さい入射光量で飽和点に達してしまう。従って、通常のGRBフィルタを用いた固体撮像装置のダイナミックレンジDよりも、Y画素を用いた固体撮像装置のダイナミックレンジD(Y)が狭くなってしまう。
Y画素を用いた固体撮像装置においても、画素に入射する光の量を抑制すればダイナミックレンジを広くすることができるが、固体撮像装置の感度は低くなってしまう。
また、カラーフィルタの配置を、従来のベイヤー配列から変更すればよいため、固体撮像装置の微細化の障害とならない。
また、本発明の電子機器によれば、上述の固体撮像装置を備えることにより、感度が高く、ダイナミックレンジの広い画像を得ることができる。
なお、説明は以下の順序で行う。
1.固体撮像装置の実施の形態
2.固体撮像装置の画素配列及びカラー配列の実施の形態
3.固体撮像装置からの出力信号の信号処理の実施の形態
4.半導体装置の他の実施の形態
[固体撮像装置の構成例:概略構成図]
以下、本発明の固体撮像装置の具体的な実施の形態について説明する。
図1に、本発明の固体撮像装置の一例として、MOS(Metal Oxide Semiconductor)型の固体撮像装置の概略構成を示す。
出力回路17は、カラム信号処理回路15の各々から水平信号線11を通して順次に供給される信号に対し、信号処理を行って出力する。
次に、上述の固体撮像装置の画素部における画素のカラー配列について説明する。
図2は、固体撮像装置の画素のカラー配列を示す図である。
図2に示すように、本実施の形態の固体撮像装置の画素部のカラー配列は、2行2列の4画素の繰り返しからなる。この4画素は、S1画素21、S2画素22、R画素23、及び、B画素24からなる。
R画素23は、赤色光を透過するRフィルタを備える。また、B画素24は、青を備える。
S1画素21は、透過率が入射光の波長に依存せずに一定の透過率を有するS1フィルタを備えている。また、S2画素22は、透過率が入射光の波長に依存せずに一定の透過率を有し、S1フィルタよりも透過率が低いS2フィルタを備えている。
図2に示す配列は、ベイヤー配列のG、R、B(緑、赤、青)のカラー配列のG画素にかえて、S1画素21及びS2画素22を用いている。
このように、S1フィルタ及びS2フィルタの透過率を調整することにより、S1画素及びS2画素の感度を所望の値に設定することができる。また、固体撮像素子自身が有する分光感度特性を考慮した場合も、感度出力値が波長依存性を持つだけで、同様に扱うことが可能である。
カーボンブラックを含有した樹脂を用いた場合、感光性を持たせることにより、S1及びS2フィルタをそれぞれリソグラフィの手法により形成することが可能となり、従来技術を応用することで簡便に上述の構造の画素部を構成することができる。
次に、R、B、S1、S2画素の入射光量に対する信号出力を図4に示す。図4は、縦軸が各画素からの信号出力、横軸が各画素への入射光量を示し、各画素への入射光量に対する画素からの信号出力を表している。
このとき、S1フィルタは、S1画素の感度がR画素の感度よりもが高くなるように、透過率が設定されている。また、S2フィルタは、S2画素の感度がS1画素の感度よりもが低くなるように、透過率が設定されている。
S1画素は、G画素よりも感度が高く、S2画素は、G画素よりも感度が低くなるように、S1フィルタ及びS2フィルタの透過率を設定することが好ましい。
一般的なベイヤー配列の画素部において、Greenフィルタを有する画素の感度は、可視光領域で吸収の無いフィルタを配置、又は、カラーフィルタを配置しない画素の感度を100としたとき、40から60となる。
すなわち、上述のR、B、S1、S2画素において、S1フィルタの透過率を、可視光領域で吸収の無いフィルタを配置する、あるいは、カラーフィルタを配置しない画素の感度を100としたときに、S1画素の感度が40から100となるように設定する。
さらに、S2フィルタの透過率を、カラーフィルタを配置しない画素を100としたときに、S2画素の感度が60以下となるように設定する。
なお、R画素とB画素の感度の大小関係は、搭載されるカラーフィルタの分光及びイメージセンサのカラーフィルタ以外の分光感度特性によって任意に決まるものであり、図4や図5に示す構成に特に限定されるものではない。
次に、上述の信号処理に用いて画素出力から輝度信号Y及び色差信号Cを生成するための信号処理回路の第1の例について説明する。図6に、この第1の例の信号処理回路30のブロック図を示す。
つまり、S1フィルタとS2フィルタの透過率は、図3に示すグラフのように、可視光の吸収に波長依存性が無く、一定の透過率を有する。ここで、S1画素の感度と可視光に全く吸収の無いフィルタを搭載した画素の感度との比率をa1とする。また、S2画素の感度と可視光に全く吸収の無いフィルタを搭載した画素の感度との比率をa2とする。このとき、下記式(1)により、低感度ニュートラル信号S2と同等に扱うことが可能な信号を、高感度ニュートラル信号S1から生成することができる。また、下記式(2)より、高感度ニュートラル信号S1と同等に扱うことが可能な信号を、低感度ニュートラル信号S2から生成することができる。
S1=(S2/a2)×a1 ・・・(1)
S2=(S1/a1)×a2 ・・・(2)
S1画素飽和判断部35には、上述の画素補間演算部31とは別に、S1画素からの出力信号が送られる。そして、S1画素飽和判断部35では、S1画素から送られた出力信号から、S1画素への入射光量が飽和点である光量L1を超えているか判断し、S1画素が飽和しているかを判断する。
このとき、高感度画像生成用の信号であるGreen信号G1、Red信号R1、Blue信号B1は、高感度ニュートラル信号S1、Red信号R、及び、Blue信号Bを用いて、下記式(3)により得ることができる。そして、低感度画像生成用の信号であるGreen信号G2、Red信号R2、Blue信号B2は、低感度ニュートラル信号S2、Red信号R、及び、Blue信号Bを用いて下記式(4)により得ることができる。
G1=S1−a1(R+B)、 R1=R、 B1=B ・・・(3)
G2=S2−a2(R+B)、 R2=R、 B2=B ・・・(4)
G1=(S1/a1)−(R+B)、 R1=R、 B1=B ・・・(5)
G2=(S2/a2)−(R+B)、 R2=R、 B2=B ・・・(6)
S1画素の飽和が検出された場合、これら2枚の画像のから、入射光量がL1までの画素では高感度画像の輝度信号Y1と色差信号C1とを用いる。そして、入射光量がL1を超えた画素では、低感度画像の輝度信号Y2と色差信号C2とを用いる。このように、入射光量L1までの画素と、入射光量L1を超えた画素とにおいて、高感度画像の信号と低感度画像の信号とをそれぞれ用いることにより、1つの画像を合成により生成する。
このとき、入射光量L1で使用する画素信号を切り替えてしまうと、合成した画像が不自然になってしまう。このため、それぞれの画像の信号の合成比率を入射光量により変化させる等の公知の種々の方法により自然な画像を生成することが可能である。
次に、上述の信号処理に用いて画素出力から輝度信号Y及び色差信号をC生成するための信号処理回路の第2の例について説明する。図7に、この第2の例の信号処理回路40のブロック図を示す。なお、以下の説明においては、図5に示す第1の例の信号処理回路30と同様の構成については詳細な説明を省いて概要部分のみを説明する。
このとき、各画素において、高感度ニュートラル信号S1と低感度ニュートラル信号S2のどちらを用いるかは、S1画素飽和判断部42により判断する。
入射光量L1までの範囲、つまりS1画素が飽和しない範囲の入射光量の画素では高感度ニュートラル信号S1を用いる。そして、入射光量L1を超える、つまりS1画素画飽和する範囲の入射光量の画素では、低感度ニュートラル信号S2を用いる。このとき、入射光量L1付近においては、高感度ニュートラル信号S1と低感度ニュートラル信号S2を入射光量に対して合成比率を変更するとより自然な画像を生成することが可能である。
このとき、S1画素の感度と可視光に全く吸収の無いフィルタを搭載した画素の感度との比率をそれぞれa1とすると、Green信号G3、Red信号R3、Blue信号B3は式(7)または、式(8)により得られる。
G3=S−a1(R+B)、 R3=R、 B3=B ・・・(7)
G3=S3/a1−(R+B)、 R3=R、 B3=B ・・・(8)
S1画素とS2画素のフィルタはともに全波長を透過するため、係数a1,a2をかけることにより、同じ分光の画素からの信号と同等に扱うことが可能である。
そのため、S1画素とS2画素の配列を例えば上述の図2に示すようにベイヤー配列のG画素の位置に交互に配列すれば、4種類の分光特性の違う画素を持ちながらベイヤー配列の固体撮像装置を用いた場合と同等の解像度を得ることが可能である。
また、S1画素とS2画素を備えることにより、従来のベイヤー配列を備える固体撮像装置に対して、解像度を低下させずに、高感度画像と低感度画像とを得ることができる。そして、高感度と広ダイナミックレンジを両立した固体撮像装置やカメラシステムを提供することができる。
本発明に係る固体撮像装置は、固体撮像装置を備えたカメラ、カメラ付き携帯機器、固体撮像装置を備えたその他の機器等の電子機器に適用することができる。
図8に、本発明の電子機器の一例として、固体撮像装置を静止画撮影が可能なデジタルスチルカメラに適用した場合の概略構成を示す。
さらに、図8の構成は、光学レンズ51、固体撮像装置52、信号処理回路53、及び、駆動回路54がモジュール化した撮像機能を有するモジュール、いわゆる撮像機能モジュ−ルとして構成することができる。本発明は、このような撮像機能モジュールを備えた電子機器を構成することができる。
Claims (7)
- 赤色光を透過するRフィルタを備えるR画素と、
青色光を透過するBフィルタを備えるB画素と、
可視光領域において透過率の波長依存性がないS1フィルタを備え、前記R画素よりも感度が高いS1画素と、
可視光領域において透過率の波長依存性がなく、前記S1フィルタよりも可視光の透過率が低いS2フィルタを備え、前記S1画素よりも低い感度のS2画素と、
を備える固体撮像装置。 - フィルタを配置しない画素の感度を100としたとき、前記S1画素の感度が40から100である請求項1に記載の固体撮像装置。
- フィルタを配置しない画素の感度を100としたとき、前記S2画素の感度が60以下である請求項1に記載の固体撮像装置。
- 前記S2画素が、前記R画素又は前記B画素の感度の高い画素よりも感度が低い請求項1に記載の固体撮像装置。
- 前記S1画素及び前記S2画素からの出力信号用いて輝度信号を生成し、前記S1画素が飽和するまでの照度範囲ではS1画素から輝度信号を生成し、前記S1画素が飽和した後の照度範囲ではS2画素から輝度信号を生成し、
前記S1画素から生成した輝度信号と、前記S2画素から生成した輝度信号とを合成することにより、1つの画像を生成する請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記R画素、前記B画素、前記S1画素及び前記S2画素からの出力信号を用いて輝度信号を生成し、前記S1画素及び前記S2画素の出力信号と、可視光領域で吸収の無いフィルタを配置した場合に画素から出力される信号との比を用いて、前記S1画素又は前記S2画素、前記R画素及び前記B画素の出力信号から、Green信号を生成する請求項1に記載の固体撮像装置。
- 赤色光を透過するRフィルタを備えるR画素と、青色光を透過するBフィルタを備えるB画素と、可視光領域において透過率の波長依存性がないS1フィルタを備え、前記R画素よりも感度が高いS1画素と、可視光領域において透過率の波長依存性がなく、前記S1フィルタよりも可視光の透過率が低いS2フィルタを備え、前記S1画素よりも感度が低いS2画素とを有する固体撮像装置と
前記固体撮像装置の撮像部に入射光を導く光学系と、
前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路と
を有する電子機器。
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