JP2015171135A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造かつデータ処理に時間をかけることなく、シェーディング特性を改善することができる固体撮像装置を提供することである。【解決手段】実施形態の固体撮像装置は、撮像部と、第１の読み出し信号線と、第２の読み出し信号線と、露光時間制御部とを有する。撮像部は、行列状に二次元配置された複数の画素を有する。第１の読み出し信号線は、複数の画素に蓄積された電荷の読み出しを制御するとともに、複数の画素が配置された第１の行の中心部に配置された第１の画素に接続される。第２の読み出し信号線は、複数の画素に蓄積された電荷の読み出しを制御するとともに、第１の行の中心部より外側の周辺部に配置された第２の画素に接続される。露光時間制御部は、第２の画素の露光時間を、第１の画素の露光時間より長くするように制御する。【選択図】図１

Description

本出願は、２０１４年３月７日に出願された米国仮出願第６１／９４９，７６０号の利益を主張するものであり、その全文を参照しここに組み込む。

本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。

従来より、固体撮像装置が、イメージセンサとして広く利用されている。イメージセンサは、カメラ装置等の各種装置に搭載され、近年は、固体撮像装置の高画素化に伴う、画素サイズの微細化が進んでいる。

このような固体撮像装置では、入射光量が少ないレンズ周辺で信号量が低下するシェーディングと呼ばれる現象が発生する。近年では、画素サイズの微細化やレンズの屈折係数の影響に伴い、入射光量が少ないレンズ周辺で信号量がさらに低下するという問題がある。このようなシェーディングを補正する方法として、例えば、マイクロレンズのピッチを変更したり、取得した画像データを補正する方法がある。

しかしながら、マイクロレンズのピッチを変更することは、近年の微細化により構造上難しくなっている。また、取得した画像データを補正する場合、データ処理に時間がかかるという問題がある。

また、単位画素の水平方向のES露光時間を制御するファンクションを入れることで垂直方向のシェーディングをある程度改善されるが、依然として水平方向のシェーディングは残っており、更には最も信号量が低下するコーナー部の改善は行われない。この方式では、画素の微細化が進むにつれて更に悪化する傾向にある。

特開平１０−２２９１８１号公報 特開２００６−１０９１６２号公報 特開２００７−１６６０８７号公報

そこで、本実施形態は、簡単な構造かつデータ処理に時間をかけることなく、シェーディング特性を改善することができる固体撮像装置を提供することを目的とする。

実施形態の固体撮像装置は、撮像部と、第１の読み出し信号線と、第２の読み出し信号線と、露光時間制御部とを有する。撮像部は、行列状に二次元配置された複数の画素を有する。第１の読み出し信号線は、複数の画素に蓄積された電荷の読み出しを制御するとともに、複数の画素が配置された第１の行の中心部に配置された第１の画素に接続される。第２の読み出し信号線は、複数の画素に蓄積された電荷の読み出しを制御するとともに、第１の行の中心部より外側の周辺部に配置された第２の画素に接続される。露光時間制御部は、第２の画素の露光時間を、第１の画素の露光時間より長くするように制御する。

第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成の一例を説明するためのブロック図である。 本実施形態の撮像領域３の詳細な構成について説明するためのブロック図である。 単位画素１１からから画素信号を取得するタイミングを説明するためのタイミングチャートである。 撮像領域と信号量の関係を説明するための図である。 第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成の一例を説明するためのブロック図である。 単位画素１１からから画素信号を取得するタイミングを説明するためのタイミングチャートである。 第３の実施形態に係る固体撮像装置の構成の一例を説明するためのブロック図である。 本実施形態の撮像領域３ａの詳細な構成について説明するためのブロック図である。 撮像領域３の単位画素１１と信号量の関係を説明するための図である。 単位画素１１からから画素信号を取得するタイミングを説明するためのタイミングチャートである。 撮像領域３の各単位画素１１の露光時間について説明するための図である。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成の一例を説明するためのブロック図である。本実施形態の固体撮像装置は、イメージセンサ部１と、画像信号処理部（以下、ＩＳＰ（Image Signal Processor）部という）２とを有して構成されている。

イメージセンサ部１は、複数の単位画素１１が行及び列方向に２次元行列状にマトリクス配置された撮像領域３と、単位画素１１を行毎に選択する選択部として垂直シフトレジスタ４と、単位画素１１から出力されるアナログ信号をデジタル化するＡＤ変換部５とを備えている。図１に示す単位画素１１において、Ｒと示した画素は主に赤の波長領域の光を透過させる色フィルタが配置された画素であり、Ｂと示した画素は主に青の波長領域の光を透過させる色フィルが配置された画素である。また、図１に示す単位画素１１において、Ｇと示した画素は主に緑の波長領域の光を透過させる色フィルタが配置された画素である。

なお、図１に示す一例では、ベイヤー配列として一般的に使用される色フィルタを配置した場合を示している。すなわち、隣接する単位画素１１からは、行方向及び列方向において互いに異なる色信号が取得されるように色フィルタが配置されている。

垂直（列）方向の単位画素１１は、垂直信号線ＶＳＬにより接続されている。また、水平（行）方向の単位画素１１は、リセット信号線ＲＳＴに接続されるとともに、４本の読み出し信号線ＴＧのいずれかに接続されている。具体的には、水平方向の単位画素１１は、後述する図２に示すように、配置されている画素エリアＥ１〜Ｅ７に応じて、４本の読み出し信号線ＴＧのいずれかに接続される。

また、イメージセンサ部１は、画素エリアＥ１〜Ｅ７毎に配置された単位画素１１の読み出し時間を変更するための情報である読出時間情報６１、撮影モード毎に読み出し時間を変更するための情報であるモード別読出時間情報６２が記憶されたメモリ部６を有する。

更に、イメージセンサ部１は、画素エリアＥ１〜Ｅ７毎に配置された単位画素１１の露光時間を制御するための露光時間制御部７を有する。後述するが、画素エリアＥ１及びＥ７に配置された単位画素１１の露光時間は同じであり、画素エリアＥ２及びＥ６に配置された単位画素１１の露光時間は同じであり、画素エリアＥ３及びＥ５に配置された単位画素１１の露光時間は同じである。従って、露光時間制御部７は、画素エリアＥ１及びＥ７に配置された単位画素１１の露光時間を制御するためのレジスタ７１、画素エリアＥ２及びＥ６に配置された単位画素１１の露光時間を制御するためのレジスタ７２、画素エリアＥ３及びＥ５に配置された単位画素１１の露光時間を制御するためのレジスタ７３、及び、画素エリアＥ４に配置された単位画素１１の露光時間を制御するためのレジスタ７４を有する。露光時間制御部７は、メモリ６の読出時間情報６１を読み出し、各レジスタ７１〜７４に設定し、画素エリアＥ１〜Ｅ７に配置された単位画素１１の露光時間を制御する。

更に、イメージセンサ部１は、露光時間制御部７の設定に従い、各単位画素１１の動作に必要な所定のクロック信号を生成するタイミングジェネレータ８と、単位画素１１から出力された信号をデジタル化した画像信号を出力するための出力Ｉ／Ｆ９とを有する。

ＩＳＰ部２は、出力Ｉ／Ｆ９から出力されたデジタル化された画像信号をデジタル補正するデジタル補正部１０を有する。

なお、図１では、撮像領域３に配置される単位画素１１の一部のみを表記している。実際には、撮像領域３には例えば数千万単位以上の単位画素１１が配置されている。

次に、撮像領域３の詳細な構成について、図２を用いて説明する。図２は、本実施形態の撮像領域３の詳細な構成について説明するためのブロック図である。なお、図２では、１ライン（行）目の単位画素１１についてのみ表記しているが、他のラインも同様の構成となっている。

図２に示すように、撮像領域３の水平方向は画素エリアＥ１〜Ｅ７に分割されており、各画素エリアＥ１〜Ｅ７には、それぞれ、少なくとも１つ以上の単位画素１１が配置されている。なお、図２では、画素エリアＥ１〜Ｅ７の大きさは同じであるが、画素エリアＥ１〜Ｅ７毎に異なっていてもよい。すなわち、画素エリアＥ１〜Ｅ７のそれぞれに配置される単位画素１１の数は同じである必要はなく、それぞれ異なっていてもよい。

各画素エリアＥ１〜Ｅ７の単位画素１１は、リセット信号線ＲＳＴ１に接続されるとともに、読み出し信号線ＴＧ１１〜ＴＧ１４のいずれかに接続されている。画素エリアＥ４の単位画素１１は、読み出し信号線ＴＧ１１に接続されている。また、画素エリアＥ３及びＥ５の単位画素１１は、読み出し信号線ＴＧ１２に接続されている。また、画素エリアＥ２及びＥ６の単位画素１１は、読み出し信号線ＴＧ１３に接続されている。また、画素エリアＥ１及びＥ７の単位画素１１は、読み出し信号線ＴＧ１４に接続されている。

本実施形態では、読み出し信号線ＴＧ１１〜ＴＧ１４毎に読み出し時間を変更することで、各画素エリアＥ１〜Ｅ７の単位画素１１の露光時間を変更している。具体的には、撮像領域３の中心部の画素エリアＥ４から外側の画素エリアＥ１及びＥ７になるに従い、露光時間を長くする。

すなわち、撮像領域３の中心部の画素エリアＥ４の単位画素１１の露光時間を短くし、画素エリアＥ３及びＥ５の単位画素１１の露光時間を、画素エリアＥ４の単位画素１１の露光時間よりも長くする。また、画素エリアＥ２及びＥ６の単位画素１１の露光時間を、画素エリアＥ３及びＥ５の単位画素１１の露光時間よりも長くする。さらに、画素エリアＥ１及びＥ７の単位画素１１の露光時間を、画素エリアＥ２及びＥ６の単位画素１１の露光時間よりも長くする。

このように、撮像領域３の中心部の画素エリアＥ４から外側の画素エリアＥ１及びＥ７になるに従い、露光時間を長くすることで、画素エリアＥ１〜Ｅ３、Ｅ５〜Ｅ７に配置された単位画素１１の信号量を、中心部の画素エリアＥ４に配置された単位画素１１の信号量に近づけさせる。

なお、メモリ６のモード別読み出し時間情報６２には、各撮影モード、例えば、Ｆｕｌｌ、ビニング、１０８０ｐ、７２０ｐ、ＨＤＲ（High Dynamic Range）、長時間露光モード等、に対して、予め画素エリアＥ１〜Ｅ７の単位画素１１の露光時間の最適化条件が記憶されている。露光時間制御部７は、所定の撮影モードとなった際に、モード別読み出し時間情報６２から所定の撮影モードの最適化条件を読み出し、各レジスタ７１〜７４に最適化条件を設定することで、画素エリアＥ１〜Ｅ７の単位画素１１の露光時間を各撮影モード毎に自動で調整することが可能となる。なお、モード別読み出し時間情報６２の機能は、読出時間情報６１に含まれてもよい。

次に、このように構成された固体撮像装置による画素信号の読み出し動作について、図３を用いて説明する。図３は、単位画素１１からから画素信号を取得するタイミングを説明するためのタイミングチャートである。

画像を撮像するモードになると、露光時間制御部７は、メモリ６の読出時間情報６１を読み出す。そして、露光時間制御部７は、画素エリアＥ４の読み出し時間をレジスタ７１、画素エリアＥ３及びＥ５の読み出し時間をレジスタ７２、画素エリアＥ２及びＥ６の読み出し時間をレジスタ７３、画素エリアＥ１及びＥ７の読み出し時間をレジスタ７４にそれぞれ設定する。露光時間制御部７は、各レジスタ７１〜７４に設定された読み出し時間を参照し、画素信号を取得し読み出しを行うための各パルス信号を生成するように、タイミングジェネレータ８を制御する。タイミングジェネレータ８は、露光時間制御部７の制御に基づき、画素信号を取得し読み出しを行うための各パルス信号を生成し、垂直シフトレジスタ４に出力する。

まず、垂直シフトレジスタ４からリセット信号線ＲＳＴ１にパルス信号が出力される（時刻ｔ１）。リセット信号線ＲＳＴ１は、画素エリアＥ１〜Ｅ７の単位画素１１に接続されている。これにより、画素エリアＥ１〜Ｅ７の単位画素１１で電荷の蓄積が開始される。

続いて、露光時間制御部７のレジスタ７１に設定された露光時間まで露光を行うと、垂直シフトレジスタ４から読み出し信号線ＴＧ１１にパルス信号が出力される（時刻ｔ２）。読み出し信号線ＴＧ１１は、画素エリアＥ４の単位画素１１に接続されている。これにより、画素エリアＥ４の単位画素１１の電荷が読み出され、各フローティングディフュージョンに確保される。

続いて、露光時間制御部７のレジスタ７２に設定された露光時間まで露光を行うと、垂直シフトレジスタ４から読み出し信号線ＴＧ１２にパルス信号が出力される（時刻ｔ３）。読み出し信号線ＴＧ１２は、画素エリアＥ３及びＥ５の単位画素１１に接続されている。これにより、画素エリアＥ３及びＥ５の単位画素１１の電荷が読み出され、各フローティングディフュージョンに確保される。

続いて、露光時間制御部７のレジスタ７３に設定された露光時間まで露光を行うと、垂直シフトレジスタ４から読み出し信号線ＴＧ１３にパルス信号が出力される（時刻ｔ４）。読み出し信号線ＴＧ１３は、画素エリアＥ２及びＥ６の単位画素１１に接続されている。これにより、画素エリアＥ２及びＥ６の単位画素１１の電荷が読み出され、各フローティングディフュージョンに確保される。

続いて、露光時間制御部７のレジスタ７４に設定された露光時間まで露光を行うと、垂直シフトレジスタ４から読み出し信号線ＴＧ１４にパルス信号が出力される（時刻ｔ５）。読み出し信号線ＴＧ１４は、画素エリアＥ１及びＥ７の単位画素１１に接続されている。これにより、画素エリアＥ１及びＥ７の単位画素１１の電荷が読み出され、各フローティングディフュージョンに確保される。

画素エリアＥ１〜Ｅ７の単位画素１１の電荷が全て読み出されると、各フローティングディフュージョンから電荷が垂直信号線ＶＳＬに読み出され、画素信号としてＡＤ変換部５へ出力される。その後、ＡＤ変換部５において画素信号がデジタル変換され、１ライン目の画素信号の読み出し動作を完了する。ＡＤ変換部５によりデジタル化された画素信号は、出力Ｉ／Ｆ９を介してデジタル補正部１０へ出力される。

図４は、撮像領域と信号量の関係を説明するための図である。

図４の点線２０は、画素エリアＥ１〜Ｅ７で露光時間が同じ場合の信号量を示している。点線２０に示すように、露光時間が同じ場合、撮像領域３の中心部から外側になるほど信号量が低下する。すなわち、撮像領域３が中心部ほど信号量が高く、中心部から外側になるほど信号量が低くなる。すなわち、画素エリアＥ４、画素エリアＥ３及びＥ５、画素エリアＥ２及びＥ６、画素エリアＥ１及びＥ７の順に信号量が低くなる。

本実施形態では、読み出し信号線ＴＧ１１〜ＴＧ１４を設け、水平方向に７つの画素エリアＥ１〜Ｅ７に分割し、画素エリアＥ１〜Ｅ７の単位画素１１毎に露光時間を設定するようにしている。画素エリアＥ１〜Ｅ７の露光時間は、水平方向の中心部の画素エリアＥ４の外側の画素エリア、ここでは、画素エリアＥ３及びＥ５、画素エリアＥ２及びＥ６、画素エリアＥ１及びＥ７の順に長くする。このように、画素エリアＥ１〜Ｅ７の単位画素１１の露光時間を中心部から外側になる従い長くすることで、破線２１に示すように、画素エリアＥ１〜Ｅ３、及び、Ｅ５〜Ｅ７の信号量を増加させている。これにより、画素エリアＥ１〜Ｅ３、及び、Ｅ５〜Ｅ７の単位画素１１の信号量を、水平方向の中心部の画素エリアＥ４の単位画素１１に近づけている。

ただし、例えば、画素エリアＥ１の単位画素１１であっても、撮像領域３の中心側に配置されている単位画素１１と、外側に配置されている単位画素１１とでは、外側に配置されている単位画素１１の方が信号量が低くなる。そのため、読み出された画像信号は、破線２１に示すように、信号量が凹凸状（ギザギザ状、すなわち、鋸刃のような線）になる場合がある。

そこで、デジタル補正部１０は、出力Ｉ／Ｆ９を介して入力されたデジタル化された画素信号に対して、この凹凸状の信号量を補正し、実線２２に示すように、信号量が一定になるように補正する。この図４の例では、画素エリアＥ４の略中心の信号量と同一となるように補正している。

なお、本実施形態では、水平方向に４本の読み出し信号線ＴＧ１１〜ＴＧ１４を設け、７つの画素エリアＥ１〜Ｅ７に分割しているが、これに限定されるものではない。例えば、読み出し信号線ＴＧの数は４本に限定されることなく、２本以上であればよい。また、画素エリアＥは、読み出し信号線ＴＧの本数に応じて分割数を決定する。水平方向の画素エリアＥの分割数は、２ｎ−１（ｎ：読み出し信号線ＴＧの数）とする。例えば、読み出し信号線ＴＧの数が３本の場合、５つの画素エリアＥに分割し、読み出し信号線ＴＧの数が５本の場合、９つの画素エリアＥに分割すればよい。

以上のように、固体撮像装置１は、水平方向に複数の読み出し信号線ＴＧ１１〜１４を設け、水平方向の単位画素１１を複数の画素エリアＥ１〜Ｅ７に分割する。そして、固体撮像装置１は、分割された画素エリアＥ１〜Ｅ７の単位画素１１を複数の読み出し信号線ＴＧ１１〜１４のいずれかに接続するようにした。さらに、固体撮像装置１は、読み出し時間の異なる信号パルスを複数の読み出し信号線ＴＧ１１〜１４から出力し、画素エリアＥ１〜Ｅ７に配置されている単位画素１１毎の露光時間を変更するようにした。この結果、マイクロレンズのピッチを変える等の複雑な構造で撮像領域３を作製することなく、かつ、複雑なデータ処理を行うことなく、シェーディングを補正することができる。

よって、本実施形態の固体撮像装置によれば、簡単な構造かつデータ処理に時間をかけることなく、シェーディング特性を改善することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
第１の実施形態では、水平方向の単位画素１１の露光時間を画素エリアＥ１〜Ｅ７毎に変更する固体撮像装置について説明したが、第２の実施形態では、画素エリアＥ１〜Ｅ７毎に加え、ライン毎に単位画素１１の露光時間を変更する固体撮像装置について説明する。

図５は、第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成の一例を説明するためのブロック図である。なお、図５において、図１と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の固体撮像装置は、図１の露光時間制御部７に代わり、露光時間制御部７ａを用いて構成されている。露光時間制御部７ａは、画素エリアＥ１〜Ｅ７（図２参照）毎の露光時間の変更に加え、ライン毎に単位画素１１の露光時間を変更する。

具体的には、露光時間制御部７ａは、撮像領域３の中心部のラインの露光時間を短くし、中心部のラインから外側のラインになるに従い、露光時間を長くするように制御する。言い換えると、露光時間制御部７ａは、１ライン目及び最終のラインの単位画素１１の露光時間を最も長くし、中心部のラインに近づくに従い単位画素１１の露光時間を短くし、中心部のラインの単位画素１１の露光時間を最も短くするように制御する。

すなわち、露光時間制御部７ａは、ＴＧ１１〜ＴＧ１４に接続された１ライン目の単位画素１１の露光時間を最も長くし、ＴＧ２１〜ＴＧ２４に接続された２ライン目の単位画素１１の露光時間を、ＴＧ１１〜ＴＧ１４に接続された１ライン目の単位画素１１の露光時間よりも短くする。同様に、露光時間制御部７ａは、ＴＧ３１〜ＴＧ３４に接続された３ライン目の単位画素１１の露光時間を、ＴＧ２１〜ＴＧ２４に接続された２ライン目の単位画素１１の露光時間よりも短くする。同様に、露光時間制御部７ａは、ＴＧ４１〜ＴＧ４４に接続された４ライン目の単位画素１１の露光時間を、ＴＧ３１〜ＴＧ３４に接続された３ライン目の単位画素１１の露光時間よりも短くする。さらに、露光時間制御部７ａは、撮像領域３の中心部のラインに近づくに従い露光時間を短くし、撮像領域３の中心部のラインの単位画素１１の露光時間を最も短くする。そして、露光時間制御部７ａは、中心部のラインから最終のラインに近づくに従い、単位画素１１の露光時間を徐々に長くする。

このように、撮像領域３の中心部のラインから外側のラインになるに従い、単位画素１１の露光時間を長くすることで、中心部のラインの外側に配置された単位画素１１の信号量を、中心部のラインに配置された単位画素１１の信号量に近づけさせる。

次に、このように構成された固体撮像装置による画素信号の読み出し動作について、図６を用いて説明する。図６は、単位画素１１からから画素信号を取得するタイミングを説明するためのタイミングチャートである。

図６に示すように、１ライン目の単位画素１１には、時刻ｔ１において、リセット信号線ＲＳＴ１からパルス信号が入力され、電荷の蓄積が開始される。続いて、画素エリアＥ４の単位画素１１には、時刻ｔ２において、読み出し信号線ＴＧ１１からパルス信号が入力され、画素エリアＥ４の単位画素１１の電荷が読み出される。続いて、画素エリアＥ３及びＥ５の単位画素１１には、時刻ｔ３において、読み出し信号線ＴＧ１２からパルス信号が入力され、画素エリアＥ３及びＥ５の単位画素１１の電荷が読み出される。続いて、画素エリアＥ２及びＥ６の単位画素１１には、時刻ｔ４において、読み出し信号線ＴＧ１３からパルス信号が入力され、画素エリアＥ２及びＥ６の単位画素１１の電荷が読み出される。続いて、画素エリアＥ１及びＥ７の単位画素１１には、時刻ｔ５において、読み出し信号線ＴＧ１４からパルス信号が入力され、画素エリアＥ１及びＥ７の単位画素１１の電荷が読み出される。

一方、２ライン目の単位画素１１には、時刻ｔ２１において、リセット信号線ＲＳＴ２からパルス信号が入力され、電荷の蓄積が開始される。ここで、時刻ｔ１と時刻ｔ２１は同じタイミングで入力されている。続いて、２ライン目の画素エリアＥ４の単位画素１１には、時刻ｔ２２において、読み出し信号線ＴＧ２１からパルス信号が入力され、画素エリアＥ４の単位画素１１の電荷が読み出される。このときの時刻ｔ２２は、１ライン目の画素エリアＥ４の単位画素１１の読み出し時間である時刻ｔ２より短く設定されている。

続いて、２ライン目の画素エリアＥ３及びＥ５の単位画素１１には、時刻ｔ２３において、読み出し信号線ＴＧ２２からパルス信号が入力され、画素エリアＥ３及びＥ５の単位画素１１の電荷が読み出される。このときの時刻ｔ２３は、１ライン目の画素エリアＥ３及びＥ５の単位画素１１の読み出し時間である時刻ｔ３より短く設定されている。

続いて、２ライン目の画素エリアＥ２及びＥ６の単位画素１１には、時刻ｔ２４において、読み出し信号線ＴＧ２３からパルス信号が入力され、画素エリアＥ２及びＥ５の単位画素１１の電荷が読み出される。このときの時刻ｔ２４は、１ライン目の画素エリアＥ２及びＥ６の単位画素１１の読み出し時間である時刻ｔ４より短く設定されている。

続いて、２ライン目の画素エリアＥ１及びＥ７の単位画素１１には、時刻ｔ２５において、読み出し信号線ＴＧ２４からパルス信号が入力され、画素エリアＥ１及びＥ７の単位画素１１の電荷が読み出される。このときの時刻ｔ２５は、１ライン目の画素エリアＥ１及びＥ７の単位画素１１の読み出し時間である時刻ｔ５より短く設定されている。

このように、露光時間制御部７ａは、２ライン目の各画素エリアの読み出し時間を１ライン目の読み出し時間より短くする。そして、露光時間制御部７ａは、２ライン目以降も中心部のラインに近づくに従い、読み出し時間を徐々に短くし、垂直方向の単位画素１１の露光時間をライン毎に略同じなるように制御している。なお、本実施形態においては１ライン毎に読み出し時間を制御したが、それに限らない。ラインを複数の領域に分けて、中心領域に位置する複数のライン領域の読み出し時間を最も短くし、最も外側に位置する複数のライン領域の読み出し時間を最も長くすることによっても本実施形態の効果を得ることができる。

以上のように、本実施形態の固体撮像装置は、撮像エリアＥ１〜Ｅ７による水平方向の単位画素１１の露光時間の変更に加え、ライン毎に単位画素１１の露光時間を変更するようにした。これにより、水平方向及び垂直方向の２次元のシェーディング特性を改善させるようにしている。

よって、本実施形態の固体撮像装置によれば、第１の実施形態の効果に加え、垂直方向のシェーディング特性を改善することができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。
図７は、第３の実施形態に係る固体撮像装置の構成の一例を説明するためのブロック図である。なお、図７において、図１と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の固体撮像装置は、図１の撮像領域３、露光時間制御部７、タイミングジェネレータ８に代わり、それぞれ撮像領域３ａ、露光時間制御部７ｂ、タイミングジェネレータ８ａを用いるとともに、水平シフトレジスタ３０が追加されて構成されている。また、本実施形態の固体撮像装置は、図１のデジタル補正部１０が削除されて構成されている。

露光時間制御部７ｂは、垂直方向の読み出し時間を設定するレジスタ７５と、水平方向の読み出し時間を設定するレジスタ７６とを有している。

タイミングジェネレータ８ａは、露光時間制御部７ｂの設定に従い、各単位画素１１の動作に必要な所定のクロック信号を生成する垂直シフトレジスタ４及び水平シフトレジスタ３０に出力する。

次に、撮像領域３ａの詳細な構成について、図８を用いて説明する。図８は、本実施形態の撮像領域３ａの詳細な構成について説明するためのブロック図である。なお、図８において、図２と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。また、図８では、１ライン目の単位画素１１についてのみ表記しているが、他のラインも同様の構成となっている。

図８に示すように、水平方向の単位画素１１は、垂直シフトレジスタ４からのリセット信号線ＲＳＴ１及び読み出し信号線ＴＧＶ１に接続されている。また、水平方向の単位画素１１は、水平シフトレジスタ３０からの読み出し信号線ＴＧＨ１１、ＴＧＨ１２、・・・、ＴＧＨ１ｍ、ＴＧＨ１ｎに接続されている。

ここで、撮像領域３の単位画素１１と信号量の関係を説明する。図９は、撮像領域３の単位画素１１と信号量の関係を説明するための図である。

図９に示すように、撮像領域３の中心の単位画素１１の信号量を１００％とした場合、水平方向の中心かつ垂直方向の一番上の単位画素１１の信号量は約６０％となる。また、水平方向の一番右かつ垂直方向の一番上の単位画素１１（符号Ａ）は、信号量が約３０％となり、水平方向の一番右かつ垂直方向の中心の単位画素（符号Ｂ）は、信号量が約５０となる。

本実施形態では、読み出し信号線ＴＧＶ１、及び、読み出し信号線ＴＧＨ１１〜ＴＧＨ１ｎからの読み出し信号を用いて、各単位画素１１の露光時間を変更している。具体的には、信号量が５０％の単位画素１１（符号Ｂ）の場合、この単位画素１１の露光時間が撮像領域３の中心の単位画素１１の２倍となるようにする。これにより、単位画素１１（符号Ｂ）の信号量を、撮像領域３の中心の単位画素１１の信号量と同じ１００％に近づける。

このような露光時間の制御を水平方向の読み出し信号線ＴＧＶと垂直方向の読み出し信号線ＴＧＨを用いて全ての単位画素１１に行うことができる。すなわち、全ての単位画素１１の信号量を撮像領域３の中心の単位画素１１の信号量と同じ１００％に近づけることができる。したがって、単位画素１１の信号量は、図４の破線２１に示す凹凸状ではなく、図４の実線２２に示す一定量とすることができる。これにより、本実施形態では、ＩＳＰ部２においてデジタル補正をする必要がなくなり、図１のデジタル補正部１０が不要となる。

次に、このように構成された固体撮像装置による画素信号の読み出し動作について、図１０を用いて説明する。図１０は、単位画素１１からから画素信号を取得するタイミングを説明するためのタイミングチャートである。

まず、撮像領域３の中心の単位画素１１の電荷の読み出しについて説明する。

垂直シフトレジスタ４からリセット信号線ＲＳＴ１にパルス信号が出力され（時刻ｔ１１）、露光時間制御部７ｂのレジスタ７５に設定された露光時間になると、垂直シフトレジスタ４から読み出し信号線ＴＧＶにパルス信号が出力される（時刻ｔ１２）。また、露光時間制御部７ｂのレジスタ７６に設定された露光時間になると、水平シフトレジスタ３０から読み出し信号線ＴＧＨにパルス信号が出力される（時刻ｔ１３）。そして、これらのパルス信号に応じて、撮像領域３の中心の単位画素１１の電荷が読み出される（時刻ｔ１５）。

次に、水平方向の一番右かつ垂直方向の一番上の単位画素１１（符号Ａ）の電荷の読み出しについて説明する。

露光時間制御部７ｂのレジスタ７５に設定された露光時間（Center／０．６）になると、垂直シフトレジスタ４から読み出し信号線ＴＧＶにパルス信号が出力される（時刻ｔ１４）。また、露光時間制御部７ｂのレジスタ７６に設定された露光時間（Center／０．５）になると、水平シフトレジスタ３０から読み出し信号線ＴＧＨにパルス信号が出力される（時刻ｔ１６）。そして、これらのパルス信号に応じて、単位画素１１（符号Ａ）の電荷が読み出される（時刻ｔ１８）。このときの露光時間は、（Center／０．６）×（Center／０．５）により、撮像領域３の中心の単位画素１１の露光時間の３．３３倍となる。

次に、水平方向の一番右かつ垂直方向の中心の単位画素（符号Ｂ）の電荷の読み出しについて説明する。

露光時間制御部７ｂのレジスタ７５に設定された露光時間（Center）になると、垂直シフトレジスタ４から読み出し信号線ＴＧＶにパルス信号が出力される（時刻ｔ１２）。また、露光時間制御部７ｂのレジスタ７６に設定された露光時間（Center／０．５）になると、水平シフトレジスタ３０から読み出し信号線ＴＧＨにパルス信号が出力される（時刻ｔ１６）。そして、これらのパルス信号に応じて、単位画素１１（符号Ｂ）の電荷が読み出される（時刻ｔ１７）。このときの露光時間は、（Center）×（Center／０．５）により、撮像領域３の中心の単位画素１１の露光時間の２倍となる。

図１１は、撮像領域３の各単位画素１１の露光時間について説明するための図である。図１１に示すように、撮像領域３の中心の露光時間を１とした場合、水平方向の中心かつ垂直方向の一番上の単位画素１１では、露光時間が１．６６倍となる。この単位画素１１の信号量は、撮像領域３の中心の単位画素１１の６０％であり、露光時間を１．６６倍とすることで、信号量を１００％に上げている。

また、水平方向の一番右かつ垂直方向の一番上の単位画素１１（符号Ａ）では、露光時間が３．３３倍となり、撮像領域３の水平方向の一番右かつ垂直方向の中心の単位画素（符号Ｂ）では、露光時間が２倍となる。単位画素１１（符号Ａ）の信号量は、撮像領域３の中心の単位画素１１の３０％であり、露光時間を３．３３倍とすることで、信号量を１００％に上げている。同様に、単位画素１１（符号Ｂ）の信号量は、撮像領域３の中心の単位画素１１の５０％であり、露光時間を２倍とすることで、信号量を１００％に上げている。

以上のように、本実施形態の固体撮像装置は、垂直シフトレジスタ４及び水平シフトレジスタ３０からのパルス信号を用いて、各単位画素１１の露光時間を個別に制御することで、全ての単位画素１１の信号量を１００％にしている。これにより、本実施形態の固体撮像装置は、ＩＳＰ部２でのデジタル補正が不要となる。

よって、本実施形態の固体撮像装置は、第１の実施形態の効果に加え、デジタル補正が不要となるため、第１の実施形態の固体撮像装置に比べ、処理スピードを向上させることができる。さらに、本実施形態の固体撮像装置は、図１のデジタル補正部１０を削除できるため、第１の実施形態の固体撮像装置に比べ、回路規模を小さくすることができる。

本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…イメージセンサ部、２…ＩＳＰ部、３，３ａ…撮像領域、４…垂直シフトレジスタ、５…ＡＤ変換部、６…メモリ、７，７ａ，７ｂ…露光時間制御部、８，８ａ…タイミングジェネレータ、９…出力Ｉ／Ｆ、１０…デジタル補正部、１１…単位画素、３０…水平シフトレジスタ、６１…読出時間情報、６２…モード別読出時間情報、７１〜７６…レジスタ。

Claims (21)

1. 行列状に二次元配置された複数の画素を有する撮像部と、
   前記複数の画素に蓄積された電荷の読み出しを制御するとともに、第１の行の画素を複数のエリアに分割し、分割したエリアに配置された画素毎に接続された３つ以上の読み出し信号線と、
   前記複数のエリアに配置された画素毎の露光時間を、前記第１の行の中心部のエリアから周辺部のエリアになるに従い、長くするように制御する露光時間制御部と、
   前記露光時間制御部の制御に基づき、前記複数のエリアに配置された画素毎の露光時間を、前記第１の行の中心部のエリアから周辺部のエリアになるに従い、長くするように制御する信号を前記３つ以上の読み出し信号線に出力するタイミングジェネレータと、
   を有することを特徴とする固体撮像装置。
2. 行列状に二次元配置された複数の画素を有する撮像部と、
   前記複数の画素に蓄積された電荷の読み出しを制御するとともに、前記複数の画素が配置された第１の行の中心部に配置された第１の画素に接続された第１の読み出し信号線と、
   前記複数の画素に蓄積された電荷の読み出しを制御するとともに、前記第１の行の中心部より外側の周辺部に配置された第２の画素に接続された第２の読み出し信号線と、
   前記第２の画素の露光時間を、前記第１の画素の露光時間より長くするように制御する露光時間制御部と、
   を有することを特徴とする固体撮像装置。
3. 前記露光時間制御部の制御に基づき、前記第１の画素の露光時間を制御する信号を前記第１の読み出し信号線に出力し、前記第２の画素の露光時間を制御する信号を前記第２の読み出し信号線に出力するタイミングジェネレータを更に有することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 読み出し信号線を３つ以上備え、
   前記第１の行の画素を複数のエリアに分割し、分割したエリアに配置された画素毎に前記３つ以上の読み出し信号線のいずれかに接続することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
5. 前記露光時間制御部は、前記複数のエリアに配置された画素毎の露光時間を、前記中心部のエリアから前記周辺部のエリアになるに従い、長くするように制御することを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
6. 前記第１の画素の露光時間と、前記第２の画素の露光時間との情報を記憶するメモリを更に有することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
7. 前記露光時間制御部は、前記メモリに記憶された前記第１の画素の露光時間と、前記第２の画素の露光時間との情報を設定するためのレジスタを更に有することを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
8. 前記メモリは、撮影モード毎に前記第１の画素の露光時間と、前記第２の画素の露光時間とを変更するための情報を記憶していることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
9. 前記露光時間制御部は、所定の撮影モードの情報が入力されると、前記メモリから前記所定の撮影モードに対応した露光時間を読み出し、前記レジスタに設定することを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置。
10. 前記複数の画素から読み出された画素信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する変換部を更に有することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
11. 前記変換部によりデジタル信号に変換された画素信号をデジタル補正するデジタル補正部を更に有することを特徴とする請求項１０に記載の固体撮像装置。
12. 前記複数の画素には、所定の波長領域の光を透過させる色フィルタが配置されていることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
13. 前記第１および第２の画素が配置された前記第１の行よりも前記撮像部の中心方向に位置する第２の行上に配置された第３の画素及び第４の画素であって、前記第３の画素は第４の画素よりも前記第２の行の中心部に位置し、
    前記露光時間制御部は、
    前記第４の画素の露光時間を、前記第３の画素の露光時間より長くし、且つ、前記第２の画素の露光時間よりも短くし、
    前記第３の画素の露光時間を、前記第１の画素の露光時間より短く
    するように制御することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
14. 前記第１及び前記第２の読み出し信号線に接続された画素を有する行を３つ以上有し、
    前記露光時間制御部は、前記３つの行のうち、前記撮像部の中心部側に配置された行から、前記中心部側より外側に配置された行になるに従い、画素の露光時間を長くするように制御することを特徴とする請求項１３に記載の固体撮像装置。
15. 行列状に二次元配置された複数の画素を有する撮像部と、
    前記複数の画素に蓄積された電荷の読み出しを制御するとともに、前記複数の画素が配置された任意の１行の画素に接続された第１の読み出し信号線と、
    前記複数の画素に蓄積された電荷の読み出しを制御するとともに、前記任意の１行の画素のそれぞれに個別に接続された第２の読み出し信号線と、
    前記第１の読み出し信号線及び第２の読み出し信号線からの露光時間を制御する信号に応じて、前記任意の１行の中心部に配置された画素から周辺部に配置された画素になるに従い、画素の露光時間が長くなるように制御する露光時間制御部と、
    を有することを特徴とする固体撮像装置。
16. 前記露光時間制御部の制御に基づき、前記中心部に配置された画素から周辺部に配置された画素になるに従い、前記露光時間が長くなるように制御する信号を、前記第１の読み出し信号線及び前記第２の読み出し信号線に出力するタイミングジェネレータを更に有することを特徴とする請求項１５に記載の固体撮像装置。
17. 前記中心部に配置された画素の露光時間と、前記周辺部に配置された画素の露光時間との情報を記憶するメモリを更に有することを特徴とする請求項１５に記載の固体撮像装置。
18. 前記露光時間制御部は、前記メモリに記憶された前記中心部に配置された画素の露光時間と、前記周辺部に配置された画素の露光時間との情報を設定するためのレジスタを更に有することを特徴とする請求項１７に記載の固体撮像装置。
19. 前記メモリは、撮影モード毎に前記中心部に配置された画素の露光時間と、前記周辺部に配置された画素の露光時間とを変更するための情報を記憶していることを特徴とする請求項１７に記載の固体撮像装置。
20. 前記露光時間制御部は、所定の撮影モードの情報が入力されると、前記メモリから前記所定の撮影モードに対応した露光時間を読み出し、前記レジスタに設定することを特徴とする請求項１９に記載の固体撮像装置。
21. 前記複数の画素から読み出された画素信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する変換部を更に有することを特徴とする請求項１５に記載の固体撮像装置。

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