JP2017147528A - 固体撮像装置およびカメラシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】高い感度で光を検出でき、出力飽和の発生を低減可能とする固体撮像装置およびカメラシステムを提供すること。【解決手段】実施形態によれば、固体撮像装置は、画素領域および駆動回路を備える。画素領域は、単位配列を備える。駆動回路は、信号電荷を読み出すための駆動信号を供給する。単位配列は、第1画素および第2画素を備える。第1画素であるW画素は、単位配列内の画素のうち光感度が最も高い画素である。第2画素は、第1画素以外の画素である。駆動回路は、露光開始時から第1時間である時間T1が経過したときに第1画素へ駆動信号を供給する。露光開始時は、第1画素および第2画素での信号電荷の蓄積を開始した時である。駆動回路は、露光開始時から第2時間である時間T2が経過したときに、第1画素および第2画素へ駆動信号を供給する。第2時間は、固体撮像装置を備えるカメラシステムのフレームレート期間である。【選択図】図5
Description
本実施形態は、固体撮像装置およびカメラシステムに関する。
固体撮像装置について、高い感度で光を検出するための画素配列が提案されている。固体撮像装置は、画素に蓄積される信号電荷が飽和電荷量に達することによる出力飽和の発生を低減することが望まれている。
一つの実施形態は、高い感度で光を検出でき、出力飽和の発生を低減可能とする固体撮像装置およびカメラシステムを提供することを目的とする。
一つの実施形態によれば、固体撮像装置は、画素領域および駆動回路を備える。画素領域は、画素の単位配列を備える。画素は、光電変換素子を含む。駆動回路は、画素へ駆動信号を供給する。駆動信号は、光電変換素子で生成された信号電荷を読み出すための信号である。単位配列は、第1画素および第2画素を備える。第1画素は、単位配列内の画素のうち光感度が最も高い画素である。第2画素は、第1画素以外の画素である。駆動回路は、露光開始時から第1時間が経過したときに第1画素へ駆動信号を供給する。露光開始時は、第1画素および第2画素での信号電荷の蓄積を開始した時である。駆動回路は、露光開始時から第2時間が経過したときに、第1画素および第2画素へ駆動信号を供給する。第2時間は、固体撮像装置を備えるカメラシステムのフレームレート期間である。
以下に図面を参照して、実施形態にかかる固体撮像装置およびカメラシステムを詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態の固体撮像装置のブロック図である。図2は、固体撮像装置を備えるカメラシステムのブロック図である。カメラシステム1は、カメラモジュール2を備える電子機器であって、例えばカメラ付き携帯端末である。カメラシステム1は、デジタルカメラ、車載カメラ等の電子機器であっても良い。
図1は、第1の実施形態の固体撮像装置のブロック図である。図2は、固体撮像装置を備えるカメラシステムのブロック図である。カメラシステム1は、カメラモジュール2を備える電子機器であって、例えばカメラ付き携帯端末である。カメラシステム1は、デジタルカメラ、車載カメラ等の電子機器であっても良い。
カメラシステム1は、カメラモジュール2および後段処理部3を備える。カメラモジュール2は、撮像光学系4および固体撮像装置5を備える。後段処理部3は、イメージシグナルプロセッサ(ISP)6、記録部7および表示部8を備える。
撮像光学系4は、被写体からの光を取り込む。撮像光学系4は、被写体像を結像させる撮像レンズ(図示省略)を備える。固体撮像装置5は、被写体像を撮像する。固体撮像装置5は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサである。固体撮像装置5は、CCD(Charge Coupled Device)であっても良い。
ISP6は、固体撮像装置5からの画像信号への信号処理を実施する。ISP6は、画素補間(デモザイク)処理、ホワイトバランス調整、カラーマトリクス処理、ガンマ補正等の各種信号処理を実施する。記録部7は、ISP6での信号処理を経た画像を記憶媒体等へ記録する。記録部7は、ユーザの操作等に応じて、表示部8へ画像信号を出力する。
表示部8は、ISP6からの画像信号、あるいは記録部7から読み出された画像信号に応じて、画像を表示する。表示部8は、例えば、液晶ディスプレイである。カメラシステム1は、ISP6での信号処理を経たデータに基づき、カメラモジュール2のフィードバック制御を実施する。
固体撮像装置5は、画素領域11、制御回路12、行走査回路13、列走査回路14、カラム処理回路15および撮像処理回路16を備える。画素領域11は、画素の単位配列が行列状に配列された領域である。画素は、光電変換素子であるフォトダイオードを備える。光電変換素子は、入射光量に応じた信号電荷を生成する。画素は、入射光量に応じて生成された信号電荷を蓄積する。
制御回路12、行走査回路13、列走査回路14、カラム処理回路15および撮像処理回路16は、画素領域11が実装されているチップ上に集積された周辺回路部を構成する。固体撮像装置5の駆動のための各種データおよびクロック信号は、チップ外部のISP6から、撮像処理回路16を経て制御回路12へ供給される。
制御回路12は、クロック信号に応じて、周辺回路部の駆動を制御するための各種パルス信号を生成する。制御回路12は、駆動タイミングを指示するパルス信号を、行走査回路13、列走査回路14、カラム処理回路15および撮像処理回路16のそれぞれに供給する。
駆動回路である行走査回路13は、光電変換素子で生成された信号電荷を読み出すための駆動信号を、画素領域11の画素へ供給する。行走査回路13は、シフトレジスタおよびアドレスデコーダ等を備える。
制御回路12は、垂直同期信号に応じたパルス信号を、行走査回路13へ供給する。行走査回路13は、画素信号が読み出される画素行を、制御回路12からのパルス信号に応じて順次選択する。行走査回路13は、選択された画素行において画素ごとに順次読み出し信号を供給することによる読み出し走査を行う。読み出し信号は、入射光量に応じて生成された画素信号を画素から読み出すための駆動信号である。
行走査回路13は、画素ごとへの読み出し信号の供給に先行して、各画素へのリセット信号の供給による掃き出し走査を行う。リセット信号は、光電変換素子に残存されている電荷を排出させるための駆動信号である。各画素は、リセット信号が供給されたときから読み出し信号が供給されるまでの間、入射光量に応じて生成された信号電荷を蓄積する。
駆動信号は、行走査回路13から各画素へ、画素駆動線18を通じて伝送される。画素駆動線18は、画素領域11の画素行ごとに、駆動信号を供給する。画素行は、行方向(水平方向)へ配列された画素からなる。
画素信号は、各画素からカラム処理回路15へ、垂直信号線19を通じて伝送される。垂直信号線19は、画素領域11の画素列ごとに設けられている。画素列は、列方向(垂直方向)へ配列された画素からなる。カラム処理回路15は、垂直信号線19を伝送した画素信号を、画素列ごとに備えられた単位回路(図示省略)にて処理する。
カラム処理回路15は、画素信号へ、固定パターンノイズの低減のための相関二重サンプリング処理(CDS)を施す。カラム処理回路15は、アナログ信号である画素信号へ、デジタル信号への変換であるAD変換を施す。カラム処理回路15は、CDSおよびAD変換以外の処理を実施しても良い。カラム処理回路15は、CDSおよびAD変換を経た画素信号を、単位回路ごとに保持する。
列走査回路14は、シフトレジスタおよびアドレスデコーダ等を備える。制御回路12は、水平同期信号に応じたパルス信号を、列走査回路14へ供給する。列走査回路14は、画素信号を読み出す画素列を、制御回路12からのパルス信号に応じて順次選択する。カラム処理回路15は、列走査回路14による選択走査に応じて、各単位回路に保持されている信号を順次出力する。
撮像処理回路16は、カラム処理回路15からの信号を成分とする画像信号を処理する処理回路である。撮像処理回路16は、キズ補正、ノイズリダクション、シェーディング補正、ホワイトバランス調整およびハイダイナミックレンジ(HDR)合成等の各種信号処理を実施する。
固体撮像装置5は、撮像処理回路16での処理を経た画像信号をチップ外部へ出力する。カメラシステム1は、本実施形態において固体撮像装置5内で実施するものとした信号処理を、画素領域11と同じチップ上の周辺回路部以外の回路で実施しても良い。信号処理は、周辺回路部に代えて、後段処理部3のISP6が実施しても良い。カメラシステム1は、周辺回路部で実施するものとした信号処理を、周辺回路部とISP6の双方で実施しても良い。周辺回路部およびISP6は、本実施形態で説明する信号処理以外の信号処理を実施しても良い。
図3は、画素領域11に備えられた単位配列の模式図である。単位配列は、4つの画素を備える。4個の画素は、行方向へ2個、および列方向へ2個の行列をなす。単位配列の4個の画素は、W画素、R画素、B画素およびG画素である。
W画素は、白色光を検出する画素である。白色光は、可視領域全般における波長の光を含む。W画素は、白色光を透過させる透明フィルタ(図示省略)を備える。R画素は、赤色光を検出する画素である。R画素は、赤色光を選択的に透過させるカラーフィルタ(図示省略)を備える。
G画素は、緑色光を検出する画素である。G画素は、緑色光を選択的に透過させるカラーフィルタ(図示省略)を備える。B画素は、青色光を検出する画素である。B画素は、青色光を選択的に透過させるカラーフィルタ(図示省略)を備える。
W画素は、R画素、G画素およびB画素に比べて、広い波長域の光を検出する。W画素は、単位配列内の画素のうち光感度が最も高い第1画素である。R画素、G画素およびB画素は、第1画素以外の第2画素である。
R画素およびB画素は、単位配列において互いに斜向かいに配置される。W画素およびG画素は、単位配列において互いに斜向かいに配置される。単位配列は、ベイヤー配列の1個のG画素が、W画素に置き換えられたものである。
画素領域11は、W画素およびR画素が配列された第1画素列と、B画素およびG画素が配列された第2画素列とを含む。第1画素列には、露光時間を互いに異ならせて生成された画素信号をW画素およびR画素から読み出し可能とされた画素駆動線18が設けられている。第2画素列には、同じ露光時間にて生成された画素信号をB画素およびG画素から読み出し可能とされた画素駆動線18が設けられている。
図4および図5は、単位配列の画素における露光時間と、画素に蓄積される電子数との関係を示す図である。図4および図5において、横軸は、画素へリセット信号が供給されたときからの時間を表す。横軸の原点は、画素において信号電荷の蓄積が開始されたとき、すなわち露光開始時を表す。縦軸は、画素に蓄積された電子の数を表す。W、G、RおよびBの各実線は、それぞれW画素、G画素、R画素およびB画素における露光時間と電子数の関係を表すグラフである。
露光開始時から、各画素の光感度に応じて電子数は増加していく。最も光感度が高いW画素は、画素に蓄積された電子数が最も早く増加する。画素に蓄積される信号電荷が飽和電荷量に達すると、出力される画素信号のレベルが一定となる出力飽和の状態となる。時間T1は、露光を開始してから、W画素の信号電荷が飽和電荷量に達するまでの時間である。
図4は、制御回路12が第1の制御を実施する場合の露光時間と電子数の関係を表している。行走査回路13は、第1の制御により、W画素、G画素、R画素およびB画素のそれぞれに対し、リセット信号の供給から時間T2が経過したときに、読み出し信号を供給する。時間T2は、カメラシステム1のフレームレート期間である。
W画素、G画素、R画素およびB画素からは、読み出し信号に応じて、露光開始時から時間T2が経過するまでに蓄積された信号電荷が読み出される。W画素、G画素、R画素およびB画素は、信号電荷に応じた画素信号を出力する。カメラシステム1は、時間T2を露光時間とする1つのフレームを生成する。図4の例では、G画素、R画素およびB画素では入射光量に応じた画素信号が得られる一方、W画素では出力飽和が生じる。カメラシステム1は、時間T2ごとに取得された画像を記録する。
図5は、制御回路12が第2の制御を実施する場合の露光時間と電子数の関係を表している。行走査回路13は、第2の制御にて、露光開始時から時間T1が経過したときに、W画素へ第1の読み出し信号を供給する。
W画素からは、第1の読み出し信号に応じて、露光開始時から時間T1が経過するまでに蓄積された信号電荷が読み出される。W画素は、信号電荷に応じたW画素信号(第1画素信号)を出力する。固体撮像装置5は、W画素信号を含む第1RAW信号を出力する。
行走査回路13は、第1の読み出し信号の供給の直後に、W画素へリセット信号を供給する。W画素は、リセット信号が供給されてから、再び信号電荷を蓄積する。G画素、R画素およびB画素は、露光開始時から信号電荷の蓄積が継続される。
行走査回路13は、露光開始時から、フレームレート期間である時間T2が経過したときに、W画素、G画素、R画素およびB画素へ第2の読み出し信号を供給する。
W画素からは、第2の読み出し信号に応じて、時間T2−T1にて蓄積された信号電荷が読み出される。W画素は、信号電荷に応じたW画素信号(第2画素信号)を出力する。G画素、R画素およびB画素からは、第2の読み出し信号に応じて、露光開始時から時間T2が経過するまでに蓄積された信号電荷が読み出される。R画素、G画素およびB画素は、信号電荷に応じたR画素信号、G画素信号およびB画素信号をそれぞれ出力する。固体撮像装置5は、W、R、GおよびBの各画素信号を含む第2RAW信号を出力する。
図6は、撮像処理回路16およびISP6の一部構成を示す図である。図6には、撮像処理回路16およびISP6のうち、フレーム合成のための処理を実施する構成を示している。
撮像処理回路16は、移動量検出部21を備える。移動量検出部21は、撮像光学系4の光軸に垂直な二次元方向におけるカメラシステム1の移動量を検出する。かかる二次元方向は、画素領域11の行方向および列方向に平行である。移動量検出部21は、センサ(図示省略)からの信号を基に、カメラシステム1の移動量および移動方向を検出する。
センサは、例えば、振動ジャイロ機構を備える角速度センサである。センサは、ホール素子を備えるものであっても良い。ホール素子は、ホール効果を利用して磁界を電気信号へ変換する。なお、移動量検出部21は、センサからの信号を基に移動量を検出するものに限られない。移動量検出部21は、画像検出処理により移動量を検出しても良い。
撮像処理回路16は、第1RAWデータ(RAW1)、第2RAWデータ(RAW2)、および移動量検出部21で検出された移動量のデータをISP6へ送る。
ISP6は、位置調整部22、フレーム合成部23およびフレームメモリ24を備える。フレームメモリ24は、フレームを一時保持する。位置調整部22は、移動量検出部21で検出された移動量に応じてフレームの位置合わせを行う。フレーム合成部23は、フレームの合成を行う。
図7は、ISP6におけるフレーム合成について説明する図である。フレームW1(第1フレーム)は、RAW1のW画素信号からなるRAW画像とする。フレームメモリ24は、撮像処理回路16からRAW1が入力されると、フレームW1を保持する。
フレームW2(第2フレーム)は、RAW2のW画素信号からなるRAW画像とする。フレームRGB(第3フレーム)は、RAW2のR、GおよびBの各画素信号からなるRAW画像とする。フレームメモリ24は、撮像処理回路16からRAW2が入力されると、フレームW2およびフレームRGBを保持する。フレームメモリ24は、3つのフレームW1、W2、RGBを保持可能な容量を備える。
位置調整部22は、フレームメモリ24に保持されたフレームW1およびフレームW2の切り出し範囲を、移動量データに応じて調整する。位置調整部22は、フレームW1およびフレームW2の被写体像の位置合わせを行う。フレーム合成部23は、位置調整部22での調整を経たフレームW1およびフレームW2の合成により、フレームW(第4フレーム)を生成する。カメラシステム1は、かかる位置合わせにより、ブレが低減された画像を得ることができる。
フレーム合成部23は、フレームWおよびフレームRGBから、フレームWRGBを合成する。ISP6は、フレームWRGBに対するデモザイク処理により、カラーのビットマップ画像を生成する。
固体撮像装置5は、時間T1の経過時にW画素から一旦信号電荷を読み出すことで、W画素について出力飽和の発生を低減できる。固体撮像装置5は、時間T2の経過までに再度W画素にて光を検出することで、感度を向上させることができる。
固体撮像装置5は、時間T2をR画素、G画素およびB画素の露光時間とすることで、R画素、G画素およびB画素について、W画素の露光時間より長い露光時間を確保する。固体撮像装置5は、R光、G光およびB光の高感度な検出が可能となる。固体撮像装置5は、W画素に対するR画素、G画素およびB画素の感度不足を十分に補うことができる。カメラシステム1は、R光、G光およびB光の高感度な検出により、色ノイズの発生を低減できる。
固体撮像装置5は、例えば、W画素での出力飽和が検出された場合に、第1の制御から第2の制御への切り換えを行う。固体撮像装置5は、高照度環境での撮影と判断した場合に、第2の制御を実施しても良い。固体撮像装置5は、アナログゲインあるいは照度検知結果に応じて、高照度環境か否かを判断する。固体撮像装置5は、ユーザによる撮影モードの指定に応じて、第1の制御および第2の制御の切り換えを行っても良い。
時間T1は、露光を開始してからW画素の信号電荷が飽和電荷量に達するまでに要した時間に限られない。時間T1は、W画素の信号電荷が飽和電荷量に達するまでに要した時間より短い時間であっても良い。固体撮像装置5が駆動可能な最速のフレームレートを第2フレームのフレームレートが上回らないような時間T2−T1を確保するために、固体撮像装置5は、時間T1の長さを調整しても良い。
固体撮像装置5は、適正なフレームレートを得るために、W画素と、その他の画素、例えばG画素とが適切な感度差となるような措置が取られていても良い。例えば、W画素とG画素との感度差は、W画素の信号電荷が飽和電荷量に達するまでの時間が、G画素の信号電荷が飽和電荷量に達するまでの時間の半分程度となるように調整される。感度差の調整は、いずれの方法によってなされたものでも良い。例えば、カラーフィルタの顔料とする材料の選択によって、感度差の調整がなされても良い。
時間T1は、W画素の信号電荷が飽和電荷量に達するまでの時間の予測によってあらかじめ設定された時間であっても良い。時間T1は、時間T2の半分の長さの一定時間としても良い。カメラシステム1のフレームレートが30fps(frames per second)である場合に、時間T1は60分の1秒と設定される。カメラシステム1のフレームレート期間である時間T2は、30分の1秒と設定される。
図8は、画素領域11に備えられた単位配列の第1変形例を示す図である。単位配列の4個の画素は、第1画素である2個のW画素と、第2画素であるR画素およびB画素である。第1変形例では、図3に示す単位配列のうちG画素がW画素に置き換えられている。第1変形例の場合も、固体撮像装置5は、W画素の出力飽和の発生を低減させ、かつR光およびB光の高感度な検出が可能となる。
図9は、画素領域11に備えられた単位配列の第2変形例を示す図である。第2変形例の単位配列は、ベイヤー配列である。4個の画素は、2個のG画素と、R画素およびB画素である。
G画素は、R画素およびB画素に比べて、広い波長域の光を検出する。G画素は、単位配列内の画素のうち光感度が最も高い第1画素である。R画素およびB画素は、第2画素である。時間T1は、例えば、露光を開始してから、G画素の信号電荷が飽和電荷量に達するまでの時間である。第2変形例の場合、固体撮像装置5は、G画素の出力飽和の発生を低減させ、かつR光およびB光の高感度な検出が可能となる。
第1の実施形態によると、固体撮像装置5は、露光開始から第1時間の経過時と第2時間の経過時とに第1画素の画素信号を読み出すことで、第1画素の出力飽和の発生を低減させる。固体撮像装置5は、露光開始から第2時間の経過時に第2画素の画素信号を読み出すことで、第1画素に対する第2画素の感度不足を十分に補うことができる。これにより、固体撮像装置5は、高い感度で光を検出でき、かつ出力飽和の発生を低減できるという効果を得ることができる。
(第2の実施形態)
図10は、第2の実施形態の固体撮像装置の一部構成を示す図である。第1の実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。図10には、撮像処理回路16のうち、フレーム合成のための処理を実施する要素を示している。
図10は、第2の実施形態の固体撮像装置の一部構成を示す図である。第1の実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。図10には、撮像処理回路16のうち、フレーム合成のための処理を実施する要素を示している。
撮像処理回路16は、移動量検出部21、位置調整部22、フレーム合成部23およびフレームメモリ24を備える。第2の実施形態のカメラシステム1は、第1の実施形態におけるフレームWRGBの合成までの処理を、撮像処理回路16にて実施する。ISP6は、フレームWRGBに対するデモザイク処理を実施する。第2の実施形態でも、カメラシステム1は、第1の実施形態と同様に、ブレが低減された画像を得ることができる。
第2の実施形態によれば、固体撮像装置5は、第1の実施形態と同様に、高い感度で光を検出でき、かつ出力飽和の発生を低減できる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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 カメラシステム、5 固体撮像装置、6 ISP、11 画素領域、13 行走査回路、16 撮像処理回路、21 移動量検出部、22 位置調整部、23 フレーム合成部。
Claims (8)
- 光電変換素子を含む画素の単位配列を備える画素領域と、
前記光電変換素子で生成された信号電荷を読み出すための駆動信号を前記画素へ供給する駆動回路と、を備える固体撮像装置であって、
前記単位配列は、前記単位配列内の画素のうち光感度が最も高い第1画素と、前記第1画素以外の第2画素とを備え、
前記駆動回路は、前記第1画素および前記第2画素での信号電荷の蓄積を開始した露光開始時から第1時間が経過したときに前記第1画素へ前記駆動信号を供給し、かつ前記露光開始時から、前記固体撮像装置を備えるカメラシステムのフレームレート期間である第2時間が経過したときに、前記第1画素および前記第2画素へ前記駆動信号を供給することを特徴とする固体撮像装置。 - 前記第1時間は、前記第1画素に蓄積される信号電荷が飽和電荷量に達するまでの時間であることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
- 前記第1時間は、あらかじめ設定された時間であることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
- 前記第1時間が経過したときに供給された前記駆動信号に応じて前記第1画素から読み出された第1画素信号からなる第1フレームと、前記第2時間が経過したときに供給された前記駆動信号に応じて前記第1画素から読み出された第2画素信号からなる第2フレームとを合成するフレーム合成部を備えることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
- 前記固体撮像装置の移動量を検出する移動量検出部を備え、
前記フレーム合成部は、前記移動量に応じて位置合わせされた前記第1フレームおよび前記第2フレームを合成することを特徴とする請求項4に記載の固体撮像装置。 - 前記第1画素は、可視領域全般における波長の光を含む白色光を検出することを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
- 前記第1画素は、緑色光を検出することを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
- 光電変換素子を含む画素の単位配列を備える画素領域と、
前記光電変換素子で生成された信号電荷を読み出すための駆動信号を前記画素へ供給する駆動回路と、
前記画素領域からの信号を処理するプロセッサと、を備えるカメラシステムであって、
前記単位配列は、前記単位配列内の画素のうち光感度が最も高い第1画素と、前記第1画素以外の第2画素とを備え、
前記駆動回路は、前記第1画素および前記第2画素での信号電荷の蓄積を開始した露光開始時から第1時間が経過したときに前記第1画素へ前記駆動信号を供給し、かつ前記露光開始時から、前記カメラシステムのフレームレート期間である第2時間が経過したときに、前記第1画素および前記第2画素へ前記駆動信号を供給し、
前記プロセッサは、前記第1時間が経過したときに供給された前記駆動信号に応じて前記第1画素から読み出された第1画素信号からなる第1フレームと、前記第2時間が経過したときに供給された前記駆動信号に応じて前記第1画素から読み出された第2画素信号からなる第2フレームとを合成するフレーム合成部を備えることを特徴とするカメラシステム。
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