JP2014107287A - Image pickup element and image pickup device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、撮像素子および撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging element and an imaging apparatus.
行列状に複数の画素が配置された撮像素子において、画素データ読み出し用トランジスタの一部などを複数の画素で共用するシェアード構造が知られている。
[先行技術文献]
[特許文献]
[特許文献1]特開2001−298177号公報
A shared structure is known in which a plurality of pixels are shared by a plurality of pixels in an image sensor in which a plurality of pixels are arranged in a matrix.
[Prior art documents]
[Patent Literature]
[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-298177
シェアード構造を採用する撮像素子は、トランジスタを共有するそれぞれの画素が均一に受光できるようにフォトダイオードの二次元形状をなるべく対称にしつつ、各画素領域の一部を寄せ集めた共有領域に当該トランジスタを配置している。このようなシェアード構造を採用しても、フォトダイオード領域の拡張には限界があった。 An image sensor that employs a shared structure is configured so that the two-dimensional shape of the photodiode is as symmetric as possible so that each pixel sharing the transistor can receive light uniformly, and the transistor is arranged in a shared region where a part of each pixel region is gathered. Is arranged. Even if such a shared structure is adopted, there is a limit to the expansion of the photodiode region.
本発明の第1の態様における撮像素子は、単位画素領域に対して第1フォトダイオード領域を有する第1画素と、第1フォトダイオード領域よりも小さい第2フォトダイオード領域を有する第2画素とを含み、第2画素の単位領域に、少なくとも第1画素の画素信号読み出しに使用する少なくとも一つのトランジスタが設けられている。 The imaging device according to the first aspect of the present invention includes a first pixel having a first photodiode region with respect to a unit pixel region, and a second pixel having a second photodiode region smaller than the first photodiode region. In addition, at least one transistor used for reading out the pixel signal of at least the first pixel is provided in the unit region of the second pixel.
本発明の第2の態様における撮像装置は、上記の撮像素子と、撮像素子からの出力信号を処理する画像処理部とを備える。 An imaging device according to a second aspect of the present invention includes the above-described imaging device and an image processing unit that processes an output signal from the imaging device.
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。 It should be noted that the above summary of the invention does not enumerate all the necessary features of the present invention. In addition, a sub-combination of these feature groups can also be an invention.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all the combinations of features described in the embodiments are essential for the solving means of the invention.
撮像装置の一形態である本実施形態に係るデジタルカメラは、1つのシーンについて複数の視点数の画像を一度の撮影により生成できるように構成されている。互いに視点の異なるそれぞれの画像を視差画像と呼ぶ。本実施形態においては、特に、右目と左目に対応する2つの視点による右視差画像と左視差画像を生成する場合について説明する。本実施形態におけるデジタルカメラは、中央視点による視差のない視差なし画像も、視差画像と共に生成できる。 The digital camera according to the present embodiment, which is one form of the imaging device, is configured to generate images with a plurality of viewpoints for one scene by one shooting. Each image having a different viewpoint is called a parallax image. In the present embodiment, a case where a right parallax image and a left parallax image from two viewpoints corresponding to the right eye and the left eye are generated will be described. The digital camera in the present embodiment can generate a parallax-free image without parallax from the central viewpoint together with the parallax image.
図1は、本発明の実施形態に係るデジタルカメラ10の構成を説明する図である。デジタルカメラ10は、撮影光学系としての撮影レンズ20を備え、光軸21に沿って入射する被写体光束を撮像素子100へ導く。撮影レンズ20は、デジタルカメラ10に対して着脱できる交換式レンズであっても構わない。デジタルカメラ10は、撮像素子100、制御部201、A/D変換回路202、メモリ203、駆動部204、画像処理部205、メモリカードIF207、操作部208、表示部209およびLCD駆動回路210を備える。
FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of a digital camera 10 according to an embodiment of the present invention. The digital camera 10 includes a
なお、図示するように、撮像素子100へ向かう光軸21に平行な方向をZ軸プラス方向と定め、Z軸と直交する平面において紙面奥へ向かう方向をX軸プラス方向、紙面上方向をY軸プラス方向と定める。以降のいくつかの図においては、図1の座標軸を基準として、それぞれの図の向きがわかるように座標軸を表示する。
As shown in the figure, the direction parallel to the
撮影レンズ20は、複数の光学レンズ群から構成され、シーンからの被写体光束をその焦点面近傍に結像させる。なお、図1では撮影レンズ20を説明の都合上、瞳近傍に配置された仮想的な1枚のレンズで代表して表している。撮像素子100は、撮影レンズ20の焦点面近傍に配置されている。撮像素子100は、二次元的に複数の光電変換素子が配列された、例えばCMOSセンサ等のイメージセンサである。撮像素子100は、駆動部204によりタイミング制御されて、受光面上に結像された被写体像を画素信号に変換してA/D変換回路202へ出力する。
The taking
A/D変換回路202は、撮像素子100が出力する画素信号をデジタル画像信号に変換してメモリ203へ出力する。画像処理部205は、メモリ203をワークスペースとして種々の画像処理を施し、画像データを生成する。
The A /
画像処理部205は、他にも、選択された画像フォーマットに従って画像データを調整するなどの画像処理一般の機能も担う。生成された画像データは、LCD駆動回路210により表示信号に変換され、表示部209に表示される。また、メモリカードIF207に装着されているメモリカード220に記録される。
In addition, the
図2は、撮像素子の一部を拡大した様子を概念的に表す概念図である。画素領域には通常10万以上もの画素がマトリックス状に配列されている。本実施形態においては、隣接する2画素×2画素の4画素が一つの基本格子110を形成する。基本格子110は、4画素のうち左上画素と右下画素に緑フィルタ(Gフィルタ)、左下画素に赤フィルタ(Rフィルタ)、右上画素に青フィルタ(Bフィルタ)が配されたベイヤー配列を採用する。このうち、左下画素と右上画素は、視差なし画素であり、左上画素と右下画素は、視差画素である。
FIG. 2 is a conceptual diagram conceptually showing a state in which a part of the image sensor is enlarged. In the pixel area, usually 100,000 or more pixels are arranged in a matrix. In the present embodiment, four adjacent pixels of 2 pixels × 2 pixels form one
視差画素は、撮影レンズ20を透過する入射光束のうち、光軸から偏位した部分光束を受光する画素である。視差画素には、当該部分光束のみを透過させるように、画素中心から偏位した偏位開口を有する開口マスクが設けられている。開口マスクは、例えば、カラーフィルタに重ねて設けられる。本実施形態においては、開口マスクにより、部分光束が画素中心に対して左側に到達するように規定された視差Lt画素と、部分光束が画素中心に対して右側に到達するように規定された視差Rt画素の2種類が存在する。基本格子110においては、左上画素が視差Lt画素であり、右下画素が視差Rt画素である。本実施形態においては、視差画素は、後述するように、部分光束の入射範囲に合わせてフォトダイオード領域が偏位して形成されている。一方、視差なし画素は、開口マスクが設けられていない画素であり、撮影レンズ20を透過する入射光束を特にある部分に限らず、全体を受光する画素である。
The parallax pixel is a pixel that receives a partial light beam that is deviated from the optical axis among incident light beams that pass through the photographing
図3は、シェアード構造を採用しない場合の、一画素の回路構成を示す図である。ここでは、視差なし画素300として説明するが、視差画素の場合であっても、画素として機能するための回路構成は、視差画素も概ね同様である。相違する点については追って説明する。
FIG. 3 is a diagram illustrating a circuit configuration of one pixel when the shared structure is not employed. Here, although described as a pixel without
図3(a)は、視差なし画素300の回路構成を示す図である。本実施形態における視差なし画素300は、いわゆる4トランジスタ型画素構造をなす。
FIG. 3A is a diagram illustrating a circuit configuration of the
フォトダイオード301は、転送トランジスタ302に接続され、転送トランジスタ302のゲートは、転送パルスが供給されるTX配線307に接続される。転送トランジスタ302のドレインは、リセットトランジスタ303のソースに接続される。転送トランジスタ302のドレインとリセットトランジスタ303のソース間にはフローティングディフュージョン311が形成される。フローティングディフュージョン311は、増幅トランジスタ304のゲートに接続される。
The
リセットトランジスタ303のドレインは、電源電圧が供給されるVDD配線309に接続され、そのゲートはリセットパルスが供給されるリセット配線306に接続される。増幅トランジスタ304のドレインは電源電圧が供給されるVDD配線309に接続される。また、増幅トランジスタ304のソースは、選択トランジスタ305のドレインに接続される。選択トランジスタのゲートには、選択パルスが供給されるデコーダ配線308に接続される。そして、選択トランジスタ305のソースは、出力配線310に接続される。
The drain of the
負荷電流源312は、出力配線310に電流を供給する。すなわち、選択トランジスタ305がオンすると、増幅トランジスタのソースが負荷電流源312に接続されてソースフォロアとして動作する。なお、負荷電流源312は、出力配線310を共有する複数の画素に対して共通の要素として設けられる。
The load
ここで、電荷の蓄積開始から蓄積終了後の画素出力までの流れを説明する。リセット配線306を通じてリセットパルスがリセットトランジスタ303に印加され、同時にTX配線307を通じて転送パルスが転送トランジスタ302に印加されると、フォトダイオード301およびフローティングディフュージョン311の電位はリセットされる。
Here, the flow from the start of charge accumulation to pixel output after the end of accumulation will be described. When a reset pulse is applied to the
フォトダイオード301は、受光する入射光を電荷に変換して蓄積する。フォトダイオードの信号読み出しの前に、リセット配線306を通じてリセットパルスがリセットトランジスタ303に印加されフローティングディフュージョン311がリセットされる。そして、デコーダ配線308を通じて選択パルスが選択トランジスタ305に印加され、リセット電位が増幅トランジスタ304および選択トランジスタ305を介して出力配線に伝わり、図示していない後段の回路部でリセット信号として読みだされる。リセット後、リセットパルスは解除され、リセットトランジスタ303はオフになる。その後、転送パルスが転送トランジスタ302に印加されると、蓄積された電荷はフローティングディフュージョン311へ転送され、フローティングディフュージョン311の電位は、リセット電位から電荷蓄積後の信号電位になる。再び、デコーダ配線308を通じて選択パルスが選択トランジスタ305に印加されると、電荷蓄積後の信号電位が出力配線310に伝わる。図示していない後段の回路部で電荷蓄積後の信号電位が読み出され、すでに読み出してあるリセット電位との差を取ることで、画素に入射した光信号に対応する画素信号を得る。
The
図3(b)は、図3(a)の回路図を簡略化して模式的に示す図である。互いに同じ要素については、同符号を付して表す。この模式図を用いてシェアード構造の概念について説明する。 FIG. 3B is a diagram schematically showing the circuit diagram of FIG. The same elements are denoted by the same reference numerals. The concept of the shared structure will be described using this schematic diagram.
図4は、シェアード構造を採用する場合の回路構成を示す図である。図4(a)は、第1画素と第2画素の2画素をひとつの画素ブロックとする場合の回路構成を示す。画素ブロックとは、少なくとも一部のトランジスタを共有する複数画素のグループをいう。 FIG. 4 is a diagram illustrating a circuit configuration when a shared structure is employed. FIG. 4A shows a circuit configuration in the case where two pixels of the first pixel and the second pixel are made one pixel block. A pixel block refers to a group of a plurality of pixels sharing at least some of the transistors.
第1画素のフォトダイオード301aは、第1転送トランジスタ302aによって電荷蓄積が制御される。第2画素のフォトダイオード301bは、第2転送トランジスタ302bによって電荷蓄積が制御される。すなわち、転送トランジスタは、各画素に対応して個別に設けられる。一方、リセットトランジスタ303、増幅トランジスタ304、選択トランジスタ305は、これら2画素に対してひとつ設けられる。すなわち、これらのトランジスタは、第1画素と第2画素が共有する共有配線に接続される。具体的には、第1転送トランジスタ302aのドレインと第2転送トランジスタ302bのドレインが共有配線に接続され、当該共有配線は、リセットトランジスタ303のソースと増幅トランジスタ304のゲートに接続される。他の接続は図3を用いて説明した接続と同様である。
Charge accumulation in the
図4(b)は、第1画素から第4画素の4画素をひとつの画素ブロックとする場合の回路構成を示す。第1画素のフォトダイオード301aは第1転送トランジスタ302aに、第2画素のフォトダイオード301bは第2転送トランジスタ302bに、第3画素のフォトダイオード301cは第1転送トランジスタ302cに、第4画素のフォトダイオード301dは第4転送トランジスタ302dによって電荷蓄積が制御される。すなわち、転送トランジスタは、各画素に対応して個別に設けられる。
FIG. 4B shows a circuit configuration when four pixels from the first pixel to the fourth pixel are used as one pixel block. The
一方、リセットトランジスタ303、増幅トランジスタ304、選択トランジスタ305は、これら4画素に対してひとつ設けられる。すなわち、これらのトランジスタは、第1画素から第4画素が共有する共有配線に接続される。具体的には、第1転送トランジスタ302a、第2転送トランジスタ302b、第3転送トランジスタ302c、第4転送トランジスタ302dの各ドレインが共有配線に接続され、当該共有配線は、リセットトランジスタ303のソースと増幅トランジスタ304のゲートに接続される。他の接続は図3を用いて説明した接続と同様である。
On the other hand, one
次に、各トランジスタとフォトダイオード301の受光領域との相対的な位置関係について説明する。図5は、基本格子110のレイアウトを概念的に示す図である。
Next, the relative positional relationship between each transistor and the light receiving region of the
基本格子110において視差なし画素300は、上述の通り、Bフィルタが配された右上画素と、Rフィルタが配された左下画素である。右上画素のフォトダイオード301bの受光領域は、撮像素子100の受光面において一画素が占める単位画素領域の中央部に設けられている。同様に、左下画素のフォトダイオード301dの受光領域も、単位画素領域の中央部に設けられている。図においては、実線で示す正方形が受光領域としてのフォトダイオード領域を表す。
As described above, the
視差Lt画素600は、単位画素領域の中央に対して左側に偏位した位置に、フォトダイオード301aの受光領域が設けられている。図においては、実線で示す長方形が受光領域としてのフォトダイオード領域を表す。例えば、単位画素領域に対して、フォトダイオード301b(301d)のフォトダイオード領域の左半分に相当する領域に、フォトダイオード301aのフォトダイオード領域が設けられている。なお、フォトダイオード301aの機能は、上述のフォトダイオード301の機能と同様である。
In the
このようにフォトダイオード領域が設けられると、右半分の領域に余剰スペースが生じる。余剰スペースは、視差なし画素である右上画素に隣接するスペースでもある。そこで、左上画素と右上画素の2画素を画素ブロック111とするシェアード構造を採用し、この余剰スペースに、この2画素を駆動する各トランジスタをまとめて配置する。ここで、「画素を駆動する」は、「画素の画素信号読み出す」の意味を含む概念である。 When the photodiode region is provided in this way, an extra space is generated in the right half region. The surplus space is also a space adjacent to the upper right pixel that is a non-parallax pixel. Therefore, a shared structure is adopted in which the upper left pixel and the upper right pixel are the pixel blocks 111, and the transistors that drive the two pixels are collectively arranged in this surplus space. Here, “driving a pixel” is a concept including the meaning of “reading out a pixel signal of a pixel”.
具体的には、フォトダイオード301aに接続される第1転送トランジスタ302a、フォトダイオード301bに接続される第2転送トランジスタ302b、2画素が共有するリセットトランジスタ303、増幅トランジスタ304、選択トランジスタ305が、この余剰領域に配置される。なお、フォトダイオード領域の周辺部は遮光膜で覆われており、被写体光束がこれらのトランジスタに直接入射することはない。
Specifically, a
視差Rt画素500は、単位画素領域の中央に対して右側に偏位した位置に、フォトダイオード301cの受光領域が設けられている。図においては、実線で示す長方形が受光領域としてのフォトダイオード領域を表す。例えば、単位画素領域に対して、フォトダイオード301b(301d)のフォトダイオード領域の右半分に相当する領域に、フォトダイオード301cのフォトダイオード領域が設けられている。なお、フォトダイオード301cの機能は、上述のフォトダイオード301の機能と同様である。
In the
このようにフォトダイオード領域が設けられると、左半分の領域に余剰スペースが生じる。余剰スペースは、視差なし画素である左下画素に隣接するスペースでもある。そこで、左下画素と右下画素の2画素を画素ブロック112とするシェアード構造を採用し、この余剰スペースに、この2画素を駆動する各トランジスタをまとめて配置する。
When the photodiode region is provided in this way, an extra space is generated in the left half region. The surplus space is also a space adjacent to the lower left pixel that is a non-parallax pixel. In view of this, a shared structure in which two pixels, the lower left pixel and the lower right pixel, are used as the
具体的には、フォトダイオード301cに接続される第1転送トランジスタ302c、フォトダイオード301dに接続される第2転送トランジスタ302d、2画素が共有するリセットトランジスタ303、増幅トランジスタ304、選択トランジスタ305が、この余剰領域に配置される。なお、フォトダイオード領域の周辺部は遮光膜で覆われており、被写体光束がこれらのトランジスタに直接入射することはない。
Specifically, the
このように、シェアード構造における各トランジスタをまとめて余剰スペースに配置することができるので、図5の例における視差なし画素300の単位画素領域内には、いずれのトランジスタも設けられていない。したがって、その分フォトダイオード301dの受光領域を拡張することができる。すなわち、開口率を高く設定することができる。開口率を高く設定できれば受光効率が上がるので、撮像素子100は、より暗い撮影環境下でも良好な画素信号を出力することができる。
As described above, since the transistors in the shared structure can be collectively arranged in the surplus space, none of the transistors is provided in the unit pixel region of the
なお、図5の例は、カラーフィルタの配列と、視差画素および視差なし画素の配列との組み合わせから形成される周期パターンである基本格子110が、2つの画素ブロック111、112を含む構成であった。基本格子と画素ブロックの関係は、このように基本格子が複数の画素ブロックを含んでも良いし、ひとつの基本格子がひとつの画素ブロックを形成しても良い。あるいは、複数の基本格子がひとつの画素ブロックを形成しても良い。また、隣接する基本格子の一部ずつを含んで画素ブロックを形成しても良い。
In the example of FIG. 5, the
図6は、他のレイアウトの例を示す図である。図は、ひとつの画素ブロック111を表す。画素ブロック111は、視差なし画素300として、Bフィルタが配された右上画素、Gフィルタが配された右下画素およびRフィルタが配された左下画素を含み、視差画素400としてGフィルタが配された左上画素を含む。すなわち、画素ブロック111は、4画素によるシェアード構造を有する。
FIG. 6 is a diagram illustrating another layout example. The figure shows one
視差画素400は、視差Lt画素600であり、単位画素領域の中央に対して左側に偏位した位置に、フォトダイオード301aの受光領域が設けられている。したがって、図5の例と同様に、その単位画素領域の右半分の領域に余剰スペースが生じる。本例においては、フォトダイオード301aに接続される第1転送トランジスタ302aと、4画素が共有するリセットトランジスタ303、増幅トランジスタ304、選択トランジスタ305とが、この余剰領域に配置される。
The
一方、フォトダイオード301bに接続される第2転送トランジスタ302bは、フォトダイオード301bが配置される右上画素の単位画素領域内に配置される。同様に、フォトダイオード301cに接続される第3転送トランジスタ302cは、フォトダイオード301cが配置される右下画素の単位画素領域内に、フォトダイオード301dに接続される第4転送トランジスタ302dは、フォトダイオード301dが配置される左下画素の単位画素領域内に、それぞれ配置される。
On the other hand, the
このように、転送トランジスタ302をそれぞれの単位画素領域内に配置すると、余剰スペースに配置すべきトランジスタの個数を抑制することができるので、画素ピッチを小さくしつつも、視差画素400において高い開口率を確保することができる。対応するフォトダイオード301b〜301dと転送トランジスタ302b〜302dの位置関係を、同一に配置しやすい利点がある。なお、それぞれの単位画素領域に転送トランジスタ302b〜302dを配置すべく、図示するように、フォトダイオード301b〜301dの受光領域の形状を正方形とは異なる異形形状としても良い。この場合であっても、フォトダイオード301aの受光領域は、図5の例における左上画素と同様に、長方形を維持することが好ましい。
As described above, when the
なお、図6は視差Lt画素600を含む画素ブロック111を示すが、この画素ブロックと対となる、視差Rt画素500を含む画素ブロック112も撮像素子100上に配列されている。例えば、画素ブロック112は、視差なし画素300として、Gフィルタが配された左上画素、Bフィルタが配された右上画素およびRフィルタが配された左下画素を含み、視差Rt画素500としてGフィルタが配された右下画素を含む。この場合、右下画素の左半分の領域に余剰スペースが生じるので、4画素に共有されるリセットトランジスタ303、増幅トランジスタ304、選択トランジスタ305等は、この余剰領域に配置される。
6 shows the
図7は、さらに他のレイアウトの例を示す図である。図6の例においては、フォトダイオード301b〜301dの受光領域の形状を異形形状として、それぞれに対応する転送トランジスタ302b〜302dを配置したが、図7の例においては、視差なし画素300の単位画素領域にトランジスタを配置しない。
FIG. 7 is a diagram showing still another layout example. In the example of FIG. 6, the shape of the light receiving region of the
すなわち、画素ブロック111は、図6の例と同様に4画素によるシェアード構造を有するが、それぞれの転送トランジスタ302a〜302d、および4画素に共有されるリセットトランジスタ303、増幅トランジスタ304、選択トランジスタ305は、すべて視差Lt画素600の余剰スペースに配置される。転送トランジスタ302b〜302dは、単位画素領域を跨いで、それぞれフォトダイオード301b〜301dに接続される。
That is, the
このようにトランジスタを配置すれば、視差なし画素300のフォトダイオード301b〜301dの受光領域を正方形に保ちつつ開口率を高く設定することができるので、受光光束の対称性の観点からも、SN比の観点からも好ましい。なお、本例においても、図6の例と同様に、視差Rt画素500を含む対となる画素ブロック112も撮像素子100上に配列されている。
If the transistors are arranged in this way, the aperture ratio can be set high while keeping the light receiving areas of the
図8は、他の基本格子120の例と画素ブロック121を説明する図である。基本格子120は、4画素を基本単位とするベイヤー配列を、Y軸方向に4つ、X軸方向に4つ含み、64画素から構成される。基本格子120内の画素をPIJで表す。例えば、左上画素はP11であり、右上画素はP81である。図に示すように、視差画素は以下のように配列されている。
P11…視差Lt画素+Gフィルタ(=G(Lt))
P51…視差Rt画素+Gフィルタ(=G(Rt))
P32…視差Lt画素+Bフィルタ(=B(Lt))
P83…視差Rt画素+Rフィルタ(=R(Rt))
P15…視差Rt画素+Gフィルタ(=G(Rt))
P55…視差Lt画素+Gフィルタ(=G(Lt))
P76…視差Rt画素+Bフィルタ(=B(Rt))
P47…視差Lt画素+Rフィルタ(=R(Lt))
FIG. 8 is a diagram illustrating another example of the
P 11 : Parallax Lt pixel + G filter (= G (Lt))
P 51 ... Parallax Rt pixel + G filter (= G (Rt))
P 32 ... Parallax Lt pixel + B filter (= B (Lt))
P 83 ... Parallax Rt pixel + R filter (= R (Rt))
P 15 ... Parallax Rt pixel + G filter (= G (Rt))
P 55 ... Parallax Lt pixel + G filter (= G (Lt))
P 76 ... Parallax Rt pixel + B filter (= B (Rt))
P 47 ... Parallax Lt pixel + R filter (= R (Lt))
他の画素は視差なし画素であり、視差無し画素+Rフィルタ、視差なし画素+Gフィルタ、視差無し画素+Bフィルタのいずれかである。撮像素子100の全体でみた場合に、視差画素は、Gフィルタを有する第1群と、Rフィルタを有する第2群と、Bフィルタを有する第3群のいずれかに区分され、基本格子120には、それぞれの群に属する視差Lt画素および視差Rt画素が少なくとも1つは含まれる。図の例のように、これらの視差画素および視差なし画素が、基本格子120内においてランダム性を有して配置されると良い。ランダム性を有して配置されることにより、色成分ごとの空間分解能に偏りを生じさせることなく、視差画素の出力としてRGBのカラー情報を取得することができるので、より高品質な視差画像データが得られる。
The other pixels are non-parallax pixels, and are any of the non-parallax pixel + R filter, the non-parallax pixel + G filter, and the non-parallax pixel + B filter. When viewed as a whole of the
ここで、基本格子120は、Y軸方向に4画素、X軸方向に2画素の8画素単位で画素ブロック121が形成されている。したがって、基本格子120は、Y軸方向に2つ、X軸方向に4つの8画素ブロックを含む。
Here, in the
このように、8画素によるシェアード構造を採用する場合、各画素ブロック121は、8画素のうち少なくとも1つの画素を視差画素として含むようにレイアウトされている。ひとつの画素ブロックが、複数の視差なし画素と少なくとも1つの視差画素を含むようにレイアウトされると、当該視差画素の単位画素領域に余剰スペースが生じるので、画素ブロック121内の画素信号読み出しに用いるトランジスタを、当該余剰スペースにまとめて配置することができる。なお、図6の例のように、各転送トランジスタ302をそれぞれの視差なし画素の単位画素領域に配置しても良い。
As described above, when the shared structure of 8 pixels is adopted, each
図9は、さらに他の基本格子120の例を説明する図である。基本格子120は、図8の例と同様に64画素から構成される。図に示すように、視差画素は以下のように配列されている。
P32…視差Lt画素+Bフィルタ(=B(Lt))
P13…視差Lt画素+Gフィルタ(=G(Lt))
P53…視差Rt画素+Gフィルタ(=G(Rt))
P83…視差Rt画素+Rフィルタ(=R(Rt))
P76…視差Rt画素+Bフィルタ(=B(Rt))
P17…視差Rt画素+Gフィルタ(=G(Rt))
P47…視差Lt画素+Rフィルタ(=R(Lt))
P57…視差Lt画素+Gフィルタ(=G(Lt))
FIG. 9 is a diagram for explaining another example of the
P 32 ... Parallax Lt pixel + B filter (= B (Lt))
P 13 ... Parallax Lt pixel + G filter (= G (Lt))
P 53 ... Parallax Rt pixel + G filter (= G (Rt))
P 83 ... Parallax Rt pixel + R filter (= R (Rt))
P 76 ... Parallax Rt pixel + B filter (= B (Rt))
P 17 ... Parallax Rt pixel + G filter (= G (Rt))
P 47 ... Parallax Lt pixel + R filter (= R (Lt))
P 57 ... Parallax Lt pixel + G filter (= G (Lt))
他の画素は視差なし画素であり、視差無し画素+Rフィルタ、視差なし画素+Gフィルタ、視差無し画素+Bフィルタのいずれかである。この例においても、視差画素および視差なし画素が、基本格子120内においてランダム性を有して配置されている。
The other pixels are non-parallax pixels, and are any of the non-parallax pixel + R filter, the non-parallax pixel + G filter, and the non-parallax pixel + B filter. Also in this example, the parallax pixels and the non-parallax pixels are arranged with randomness in the
本例においても、図8の例と同様に、基本格子120は、Y軸方向に4画素、X軸方向に2画素の8画素単位で画素ブロック122が形成されている。したがって、基本格子120は、Y軸方向に2つ、X軸方向に4つの8画素ブロックを含む。
Also in this example, as in the example of FIG. 8, the
本例においても、8画素によるシェアード構造を採用し、各画素ブロック122は、8画素のうち少なくとも1つの画素を視差画素として含むように調整されている。しかも、各画素ブロック122において、視差画素は、画素ブロック122の中心Cに隣接して配置されている。このように、視差画素が、画素ブロック122の中心Cに対して、少なくとも1つの視差なし画素よりも近くに配置されていると、視差画素の余剰スペースに配置される各トランジスタと各視差なし画素のフォトダイオード301との接続配線が短くて済む。接続配線を短くできれば、画素信号の伝送効率の向上が期待できる。なお、図6の例のように、各転送トランジスタ302をそれぞれの視差なし画素の単位画素領域に配置しても良い。
Also in this example, a shared structure with 8 pixels is adopted, and each
図10は、さらに他の基本格子120の例を説明する図である。基本格子120は、図8の例と同様に64画素から構成される。ただし、カラーフィルタの配列は、図8、図9の例のベイヤー配列とは異なり、視差画素の位置に応じて、上下左右の4画素の単位内で、2つのGフィルタ、一つずつのBフィルタおよびRフィルタが適宜入れ替えられて配置されている。図に示すように、視差画素は以下のように配列されている。
P11…視差Lt画素+Gフィルタ(=G(Lt))
P61…視差Rt画素+Gフィルタ(=G(Rt))
P32…視差Lt画素+Bフィルタ(=B(Lt))
P82…視差Rt画素+Bフィルタ(=B(Rt))
P33…視差Lt画素+Rフィルタ(=R(Lt))
P83…視差Rt画素+Rフィルタ(=R(Rt))
P14…視差Lt画素+Gフィルタ(=G(Lt))
P64…視差Rt画素+Gフィルタ(=G(Rt))
P25…視差Rt画素+Gフィルタ(=G(Rt))
P55…視差Lt画素+Gフィルタ(=G(Lt))
P46…視差Rt画素+Bフィルタ(=B(Rt))
P76…視差Lt画素+Bフィルタ(=B(Lt))
P47…視差Rt画素+Rフィルタ(=R(Rt))
P77…視差Lt画素+Rフィルタ(=R(Lt))
P28…視差Rt画素+Gフィルタ(=G(Rt))
P58…視差Lt画素+Gフィルタ(=G(Lt))
FIG. 10 is a diagram for explaining another example of the
P 11 : Parallax Lt pixel + G filter (= G (Lt))
P 61 ... Parallax Rt pixel + G filter (= G (Rt))
P 32 ... Parallax Lt pixel + B filter (= B (Lt))
P 82 ... Parallax Rt pixel + B filter (= B (Rt))
P 33 ... Parallax Lt pixel + R filter (= R (Lt))
P 83 ... Parallax Rt pixel + R filter (= R (Rt))
P 14 Parallax Lt pixel + G filter (= G (Lt))
P 64 ... Parallax Rt pixel + G filter (= G (Rt))
P 25 ... Parallax Rt pixel + G filter (= G (Rt))
P 55 ... Parallax Lt pixel + G filter (= G (Lt))
P 46 ... Parallax Rt pixel + B filter (= B (Rt))
P 76 ... Parallax Lt pixel + B filter (= B (Lt))
P 47 ... Parallax Rt pixel + R filter (= R (Rt))
P 77 ... Parallax Lt pixel + R filter (= R (Lt))
P 28 ... Parallax Rt pixel + G filter (= G (Rt))
P 58 ... Parallax Lt pixel + G filter (= G (Lt))
他の画素は視差なし画素であり、視差無し画素+Rフィルタ、視差なし画素+Gフィルタ、視差無し画素+Bフィルタのいずれかである。この例においても、視差画素および視差なし画素が、基本格子120内においてランダム性を有して配置されている。
The other pixels are non-parallax pixels, and are any of the non-parallax pixel + R filter, the non-parallax pixel + G filter, and the non-parallax pixel + B filter. Also in this example, the parallax pixels and the non-parallax pixels are arranged with randomness in the
ここで、基本格子120は、Y軸方向に2画素、X軸方向に2画素の4画素単位で画素ブロック123が形成されている。したがって、基本格子120は、Y軸方向に4つ、X軸方向に4つの16画素ブロックを含む。
Here, in the
このように、4画素によるシェアード構造を採用する場合、各画素ブロック123は、4画素のうち少なくとも1つの画素を視差画素として含むように調整されている。しかも、各画素ブロック123において、視差画素のフォトダイオード301の受光領域は、画素ブロック123の中心Cと余剰スペースが隣接するように、中心Cよりも外側に偏位して配置されている。このような配置により、余剰スペースに配置される各トランジスタと各視差なし画素のフォトダイオード301との接続配線が短くて済む。接続配線を短くできれば、画素信号の伝送効率の向上が期待できる。なお、図6の例のように、各転送トランジスタ302をそれぞれの視差なし画素の単位画素領域に配置しても良い。
As described above, when the shared structure of four pixels is adopted, each
図11は、さらに他の基本格子130の例を説明する図である。基本格子130は、Y軸方向に6画素、X軸方向に6画素含み、36画素から構成される。カラーフィルタの配列は、図8、図9の例のベイヤー配列とは異なり、視差画素の位置に応じて、上下左右の4画素の単位内で、2つのGフィルタ、一つずつのBフィルタおよびRフィルタが適宜入れ替えられて配置されている。図に示すように、視差画素は以下のように配列されている。
P11…視差Lt画素+Gフィルタ(=G(Lt))
P12…視差Rt画素+Rフィルタ(=R(Rt))
P42…視差Lt画素+Bフィルタ(=B(Lt))
P63…視差Rt画素+Gフィルタ(=G(Rt))
P34…視差Lt画素+Gフィルタ(=G(Lt))
P15…視差Rt画素+Bフィルタ(=B(Rt))
P45…視差Lt画素+Rフィルタ(=R(Lt))
P46…視差Rt画素+Gフィルタ(=G(Rt))
FIG. 11 is a diagram for explaining another example of the
P 11 : Parallax Lt pixel + G filter (= G (Lt))
P 12 ... Parallax Rt pixel + R filter (= R (Rt))
P 42 ... Parallax Lt pixel + B filter (= B (Lt))
P 63 ... Parallax Rt pixel + G filter (= G (Rt))
P 34 ... Parallax Lt pixel + G filter (= G (Lt))
P 15 ... Parallax Rt pixel + B filter (= B (Rt))
P 45 ... Parallax Lt pixel + R filter (= R (Lt))
P 46 ... Parallax Rt pixel + G filter (= G (Rt))
他の画素は視差なし画素であり、視差無し画素+Rフィルタ、視差なし画素+Gフィルタ、視差無し画素+Bフィルタのいずれかである。この例においても、視差画素および視差なし画素が、基本格子130内においてランダム性を有して配置されている。
The other pixels are non-parallax pixels, and are any of the non-parallax pixel + R filter, the non-parallax pixel + G filter, and the non-parallax pixel + B filter. Also in this example, the parallax pixels and the non-parallax pixels are arranged in the
ここで、基本格子130は、Y軸方向に2画素、X軸方向に3画素の6画素単位で画素ブロック124が形成されている。したがって、基本格子130は、Y軸方向に3つ、X軸方向に2つの6画素ブロックを含む。
Here, in the
このように、6画素によるシェアード構造を採用する場合、各画素ブロック124は、6画素のうち少なくとも1つの画素を視差画素として含むようにレイアウトされている。ひとつの画素ブロックが、複数の視差なし画素と少なくとも1つの視差画素を含むようにレイアウトされると、当該視差画素の単位画素領域に余剰スペースが生じるので、画素ブロック121内の画素信号を読み出すトランジスタを、当該余剰スペースにまとめて配置することができる。なお、図6の例のように、各転送トランジスタ302をそれぞれの視差なし画素の単位画素領域に配置しても良い。
As described above, when the 6-pixel shared structure is employed, each
上述のように、視差画素400におけるフォトダイオード301は、部分光束の入射範囲に合わせて受光領域が形成されている。したがって、視差画素におけるフォトダイオード301は、視差なし画素300におけるフォトダイオード301に比べて受光領域が小さく、同一シーンに対する出力信号は、視差なし画素の出力信号に比べて小さくなる。そこで、視差画素400に対しては、視差なし画素300には設けない増幅器を加えて、出力信号の増幅率を高くしても良い。
As described above, the
図12は、視差なし画素300と視差画素400の感度差とその調整を説明する図である。横軸は、撮影レンズ20を透過する被写体光束全体に対応する単位時間当たりの光入力量を表し、縦軸は、その光入力量に対する信号出力を表す。
FIG. 12 is a diagram illustrating the sensitivity difference between the
視差画素出力ライン901は、視差画素400に増幅器が設けられていない場合の出力信号の挙動を示し、視差なし画素出力ライン902は、視差なし画素300からの出力信号の挙動を示す。撮影レンズ20を通過する同一被写体からの光束を受光する場合、視差画素400は、制限された一部分の光束を受光するようにフォトダイオード301の受光領域が小さく形成されているので、その信号出力は、視差なし画素300の信号出力に比べて小さい。つまり、増幅器が設けられていない視差画素400は、視差なし画素300よりも感度が低いと言える。
The parallax
そこで、以下の実施例においては、視差画素400の単位画素領域に増幅器を設ける。増幅器は、フォトダイオード301の受光領域とフォトダイオード301の受光領域の大きさの差に起因する感度差を低減するように、信号出力を増幅する。増幅器の増幅率は、例えば、視差画素出力ライン901と視差なし画素出力ライン902とが一致するように設定される。
Therefore, in the following embodiment, an amplifier is provided in the unit pixel area of the
また、視差なし画素300は、設けられているカラーフィルタの種類によっても、感度特性が若干異なる。そこで、例えば視差画素400に設けられたカラーフィルタがGフィルタであれば、Gフィルタが設けられた視差なし画素の出力特性に合わせて増幅器の増幅率を設定しても良い。すなわち、設けられたカラーフィルタの種類によって増幅器の増幅率を設定しても良い。
In addition, the
図13は、増幅器802を備えるシェアード構造の回路構成を示す図である。具体的には、図4(a)を用いて説明した2画素のシェアード構造に、増幅器802を組み込んだ回路構成を示す。
FIG. 13 is a diagram illustrating a circuit configuration of a shared structure including the
増幅器802は、選択トランジスタ305と出力配線310の間に組み込まれる。ただし、本実施形態のシェアード構造においては、画素ブロック内に視差なし画素300と視差画素400とが混在するので、視差画素400からの信号出力のみを増幅するように、スイッチ801が設けられている。選択トランジスタ305からの出力信号が、視差なし画素300からの信号出力であれば、スイッチ801は増幅器802側をオフにして、出力配線310への短絡線803側をオンにする。
The
スイッチ801は、転送トランジスタ302に連動して動作する。すなわち、視差なし画素300に対する転送トランジスタ302が動作するときには、スイッチ801は、短絡線803側をオンにし、視差画素400に対する転送トランジスタ302が動作するときには、スイッチ801は、増幅器802側をオンにする。
The
図14は、増幅器802を備えるレイアウトの例を示す図である。図示するように、図6のレイアウト例に対して、余剰スペースにスイッチ801と増幅器802とが追加的に配置されている。もちろん余剰スペースとの兼ね合いにより、上述の他のレイアウト例にも適用できる。
FIG. 14 is a diagram illustrating an example of a layout including the
なお、増幅器802は、視差画素400の信号出力を増幅するので、視差なし画素300の単位画素領域には配置されないことが好ましい。一方、図14の例によれば、増幅器802は、視差画素400の単位画素領域内に収まるように配置されたが、少なくともその一部が当該単位画素領域内に配置されれば良い。例えば、隣接する2つの視差画素400においてそれぞれの余剰スペースが隣接すれば、増幅器802を2つの単位画素領域に跨いで配置することができる。増幅器802の構成は任意であり、例えば前段の増幅トランジスタ304をソースフォロア動作させるための負荷電流源、増幅機能を担う増幅トランジスタ、増幅率を決める容量結合部等を有する構成が考えられる。
Note that since the
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above-described embodiment. It is apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。 The order of execution of each process such as operations, procedures, steps, and stages in the apparatus, system, program, and method shown in the claims, the description, and the drawings is particularly “before” or “prior to”. It should be noted that the output can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Regarding the operation flow in the claims, the description, and the drawings, even if it is described using “first”, “next”, etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It is not a thing.
10 デジタルカメラ、20 撮影レンズ、21 光軸、100 撮像素子、110、120、130 基本格子、111、112、121、122、123、124 画素ブロック、201 制御部、202 A/D変換回路、203 メモリ、204 駆動部、205 画像処理部、207 メモリカードIF、208 操作部、209 表示部、210 LCD駆動回路、300 視差なし画素、301 フォトダイオード、302 転送トランジスタ、303 リセットトランジスタ、304 増幅トランジスタ、305 選択トランジスタ、306 リセット配線、307 TX配線、308 デコーダ配線、309 VDD配線、310 出力配線、311 フローティングディフュージョン、312 負荷電流源、400 視差画素、500 視差Rt画素、600 視差Lt画素、801 スイッチ、802 増幅器、803 短絡線、901 視差画素出力ライン、902 視差なし画素出力ライン
10 digital camera, 20 photographing lens, 21 optical axis, 100 image sensor, 110, 120, 130 basic lattice, 111, 112, 121, 122, 123, 124 pixel block, 201 control unit, 202 A / D conversion circuit, 203 Memory, 204 drive unit, 205 image processing unit, 207 memory card IF, 208 operation unit, 209 display unit, 210 LCD drive circuit, 300 non-parallax pixel, 301 photodiode, 302 transfer transistor, 303 reset transistor, 304 amplification transistor, 305 selection transistor, 306 reset wiring, 307 TX wiring, 308 decoder wiring, 309 VDD wiring, 310 output wiring, 311 floating diffusion, 312 load current source, 400 parallax pixel, 500 parallax t pixels, 600
Claims (10)
前記第2画素の前記単位画素領域に、少なくとも前記第1画素の画素信号読み出しに使用する少なくとも一つのトランジスタが設けられた撮像素子。 A first pixel having a first photodiode region with respect to a unit pixel region, and a second pixel having a second photodiode region smaller than the first photodiode region;
An image sensor in which at least one transistor used for reading out a pixel signal of the first pixel is provided in the unit pixel region of the second pixel.
前記撮像素子からの出力信号を処理する画像処理部と
を備える撮像装置。 The imaging device according to any one of claims 1 to 9,
An imaging apparatus comprising: an image processing unit that processes an output signal from the imaging element.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012256642A JP2014107287A (en) | 2012-11-22 | 2012-11-22 | Image pickup element and image pickup device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20180065169A (en) * | 2016-12-07 | 2018-06-18 | 에스케이하이닉스 주식회사 | Image Sensor Including Photodiodes Having Different Sizes with Each Other |
WO2022149488A1 (en) * | 2021-01-07 | 2022-07-14 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Light detection device and electronic apparatus |
-
2012
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KR20180065169A (en) * | 2016-12-07 | 2018-06-18 | 에스케이하이닉스 주식회사 | Image Sensor Including Photodiodes Having Different Sizes with Each Other |
KR102574236B1 (en) | 2016-12-07 | 2023-09-05 | 에스케이하이닉스 주식회사 | Image Sensor Including Photodiodes Having Different Sizes with Each Other |
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