JP3432051B2 - 光電変換装置 - Google Patents
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Description
成したXYアドレス型の光電変換装置に関するものであ
る。
つにBASIS(Base Stored ImageSensor)エリアセ
ンサがある。BASISについては特開昭63−186
466号公報に詳細に開示されている。
用いる光電変換装置の等価回路構成図を示す。同図にお
いて、1はそのベースに光子を受光するバイポーラフォ
トトランジスタ、2はリセット用のPMOSトランジス
タ、3はベース電位制御用の制御容量COX、4はエミッ
タ出力線、5は垂直出力線、6は水平駆動線、7は垂直
出力線5のリセット接地用MOSトランジスタ、8は転
送用MOSトランジスタ、9はバイポーラフォトトラン
ジスタ1の光電荷を蓄積する蓄積容量CT、10は水平
出力線への転送用MOSトランジスタ、11は水平出力
線、12は水平出力線11のリセット接地用MOSトラ
ンジスタ、13は水平出力線の信号を増幅する出力アン
プ、14は水平出力線11への信号転送を走査する水平
走査回路、15は水平駆動線6を活性化する垂直走査回
路である。また、立体的に上記各画素上、特にフォトト
ランジスタ1のベース上には補色モザイクフィルタC
y、Mg、G、Yeがオンチップで設けられている。本回
路で水平2行同時駆動を行えば、垂直4線の読み出し動
作となり、非常に高速読み出し駆動が可能となる。例え
ばNTSC・TV方式用の光電変換装置として動作させ
ると、出力OUT1〜OUT4には、 水平同期期間 1H 2H 3H 4H OUT1 Cy → Cy → Cy → Cy → OUT2 Mg → G → Mg → G → OUT3 G → Mg → G → Mg → OUT4 Ye → Ye → Ye → Ye → という出力が現れ、OUT1+OUT2、OUT3+O
UT4の加算処理を行うことにより、色差線順次読み出
しが可能となる。
いう動解像度、信号レベルとノイズレベルの比であるS
/Nに関して優れた特性を示すため、一般のTV走査に
用いられている。
例では、現在のアナログTVには有効な方式であった
が、ほとんどディジタル処理となるマルチメディアに適
用する場合にいくつかの不都合が生じてきた。まず色差
線順次方式は垂直解像度が低下するため、マルチメディ
ア用エリアセンサは2線同時、全画素出力方式が望まれ
ている。しかし、従来のエリアセンサでこの方式を行う
と(a)出力OUT2とOUT3の出力が1H毎に色が
逆転する、(b)インターレス、ノンインターレスで、
色の出力の統一性が無くなる、ため、光電変換装置の後
段の信号処理回路が複雑になり高価になってしまうとい
う欠点があった。
のままで、OUT1〜OUT4の出力端に常に同色の出
力を行うことを目的とする。
と第n+2水平ラインのカラーフィルタアレイの空間位
相が半周期ずれているXYアドレス型エリアセンサにお
いて、第n水平ライン又は第n+2水平ラインの画素の
出力線を1画素隣りの垂直出力線に接続したことを特徴
とする。
期ずれたラインの画素の出力が半周期ずれるため、色の
出力は同位相になる。従って、インターレス、ノンイン
ターレスなどの駆動方法にかかわらず、出力部からは常
に同一の色信号を出力できる様になる。
ルタを画素上にモザイク状に備える光電変換装置であっ
て、前記カラーフィルタの構成を4行4列として且つ前
記カラーフィルタを第1行から第4行まで、順にABA
B、CDCD,ABAB,DCDCのパターンとし、前
記第2行のm列目の画素と第4行のm+1列目の画素と
を共通の垂直ラインに接線することを特徴とする。
のカラーフィルタを画素上にモザイク状に備える光電変
換装置において、前記カラーフィルタの構成を4行4列
として且つ前記カラーフィルタを第1行から第4行ま
で、順にABAB、CDCD,BABA,DCDCのパ
ターンとし、前記第2行のm列目の画素と第4行のm+
1列目の画素とを共通の垂直ラインに接線することを特
徴とする。こうして、4行4列のカラーフィルタ構成と
これに対応する画素とで、静止画像は勿論動的画像に対
しても高解像度を有する画像信号を得るために、視覚感
覚に応じた光電変換装置について、垂直走査回路と水平
走査回路を通して、各カラー毎の出力信号を得ることが
可能となり、この光電変換装置の後段の信号処理回路の
複雑さが解消できる。
実施例に示しつつ詳細に説明する。
の概略的回路構成図を図1に示す。図1において、1は
そのベースに光子を受光するバイポーラフォトトランジ
スタ、2はリセット用PMOSトランジスタ、3はベー
ス電位制御用の制御容量COX、4はエミッタ出力線、5
は垂直出力線、6は水平駆動線、7は垂直出力線用のリ
セット接地用NMOSトランジスタ、8は光子電荷を転
送する転送用NMOSトランジスタ、9は光子電荷を一
時的に蓄積する蓄積容量CT、10は蓄積容量CT9の電
荷を転送する転送用NMOSトランジスタ、11は水平
出力線、12は水平出力線接地用NMOSトランジス
タ、13は出力アンプ、14は水平走査回路、15は垂
直走査回路、40は上記バイポーラフォトトランジスタ
1とリセット用PMOSトランジスタ2と及びベース電
位制御用の制御容量COX3とを含むXYアドレス型の画
素、41は水平走査回路14を含む読み出し回路であ
る。水平駆動線6中水平駆動線6ー4のバイポーラフォ
トトランジスタ1のエミッタは1つずらした垂直出力線
5に接続されている。
る。まず、垂直走査回路15から水平駆動線6ー1にロ
ーパルスが供給され、画素40ー11〜40ー14の各
PMOSトランジスタ4が導通し、その駆動線ラインの
フォトトランジスタ1のベースが接地レベルにリセット
される。また制御パルスφVCをハイとして垂直出力線が
リセットされる。また、制御パルスφHRをハイとして水
平出力線11をリセットする。次に、対象画像に応じた
レベルの光電荷をフォトトランジスタ1のベースに受光
し、所定時間経過後水平駆動線6ー1にハイパルスが供
給され、水平駆動線6ー1に接続されている制御容量C
OX3を通してフォトトランジスタ1のベースの電位が上
昇してフォトトランジスタ1を活性化してフォトトラン
ジスタ1のエミッタに光電荷に出力する。次に、制御パ
ルスφT1をハイとして転送用NMOSトランジスタ8を
導通して光電荷を蓄積容量CTに蓄積する。また、制御
パルスφT2をハイとして転送用NMOSトランジスタ8
を導通して光電荷を蓄積容量CTに蓄積する。その後水
平走査回路14から所定の走査信号パルスが供給されて
転送用NMOSトランジスタ10を導通して水平出力線
11を介して、出力アンプ13で所定のレベルに増幅さ
れて出力端子OUT1〜4から出力される。上記制御パ
ルスφVC、φT1、φT2、φHR及び水平走査回路14から
のパルス出力は図1の上段の読み出し回路についても、
同様に供給される。
が、各画素上には図に示す補色の色フィルターが備えて
られているので、垂直出力線5ー1からは、まず画素4
0ー11(Cy)の光電荷が下段の蓄積容量9ー11
に、画素40ー12(Ye)の光電荷が上段の蓄積容量
9ー12に、画素40ー13(Cy)の光電荷が下段の
蓄積容量9ー13に、画素40ー14の光電荷が上段の
蓄積容量9ー14(Ye)に転送される。次の水平駆動
線6ー2ラインが上記と同様に走査されて活性化されれ
ば、画素40ー21(Mg)の光電荷が下段の蓄積容量
9ー21に、画素40ー22(G)の光電荷が上段の蓄
積容量9ー22に、画素40ー23(Mg)の光電荷が
下段の蓄積容量9ー23に……というように、順次各蓄
積容量に転送・蓄積され、水平走査線14からの走査パ
ルスによって、出力端子OUT3から画素40ー11
(Cy)の、出力端子OUT4から画素40ー21(M
g)の、出力端子OUT1から画素40ー12(Ye)
の、出力端子OUT2から画素40ー22(G)の増幅
された光電荷が出力される。そうして、以後出力端子O
UT3からCyの、出力端子OUT4からMgの、出力
端子OUT1からYeの、出力端子OUT2からGの増
幅された光電荷成分が出力される。
の配線が1つずれているので、垂直出力線5ー0,5ー
2,……からGの画素信号が出力される。そうして、上
段の読み出し回路41からGとYeの画素信号画出力さ
れる。こうして、上述のように、出力端子OUT4から
Mgの、出力端子OUT2からGの光電荷成分が出力さ
れる。
示すXYアドレス型のための4行4列の補色モザイクフ
ィルタがオンチップで設けられている。補色モザイクフ
ィルタは光電変換素子を形成したウェハーの段階で形成
され、その後チップ毎に取り出されたものである。この
補色モザイクフィルタはシアン(Cy)、イエロー(Y
e)、マゼンタ(Mg)、及びグリーン(G)の要素が
あり、行ラインには、シアン(Cy)とイエロー(Y
e)の繰り返し及びマゼンタ(Mg)とグリーン(G)
の繰り返しとで構成される。このフィルタ配列ではシア
ン(Cy)とイエロー(Ye)の第1ラインと第3ライ
ンは同一レイアウトであるが、マゼンタ(Mg)とグリ
ーン(G)の第2ラインと第4ラインは1画素分ずらし
てある。これは人間工学的に輝度信号に最も比重がかか
るGフィルタを、半周期ずらすことにより動的解像力を
上げるためである。又、色差線順次方式にも、2行毎に
同時に読み出すことで色差信号が得られ、最適なカラー
フィルタ配列であり、一般に最も良く用いられているレ
イアウトでもある。
部平面図を示す。実際にはこの8画素単位で縦横方向に
複数個並べて数十万〜数百万の画素で構成されている。
図3において、16はnpnフォトトランジスタのベー
ス、17はエミッタ、18はエミッタと出力線のコンタ
クトである。また、図1に示したように、4はフォトト
ランジスタ1のエミッタ出力線で、5は垂直出力線で、
6は水平駆動線である。こうして光電変換に有効な面積
を有するフォトトランジスタ1のベース16に画像対象
の反射光を受けて、水平駆動線6により活性化され、エ
ミッタ17を通して出力線4を介して垂直出力線5によ
り反射光電荷を転送する。その後、チップ周辺に配置さ
れた蓄積容量9や水平走査回路14を含む読み出し回路
41の動作によって、各出力端子OUT1〜4から各色
信号を得ることができる。
画素の出力線を1画素隣りの垂直出力線に接続したこと
である。従来第2ラインのG出力と第4ラインのMg 出
力が同一垂直出力線に接続されていたが、本実施例では
第2ラインのG画素と第4ラインのG画素が同一垂直出
力線に接続されているため、全画素独立読み出し駆動に
おいて出力端で色が入れ換わることはなく、常に同一色
の出力が可能となった。
UT4には 水平同期期間 1H 2H 3H 4H 5H OUT1 Ye → Ye → Ye → Ye → Ye → OUT2 G → G → G → G → G OUT3 Cy → Cy → Cy → Cy → OUT4 Mg → Mg → Mg → Mg → と常に同色信号が得られる。
配列を視覚感覚に最もマッチした状態に保持した形態
で、各出力端子から常に同一色信号を出力するので、S
/N、動的解像度を全く劣下させずに信号処理回路の簡
単化が行える。又、補色モザイクフィルターの上記配列
で受光するので、オートホワイトバランスの精度も向上
できる。
概念的等価回路を図4に示す。本実施例においては、緑
色Gフィルタの変わりにW(ホワイト:白色)フィルタ
を用いた場合である。Wフィルタを用いることにより、
光透過率の差異から、感度向上を達成している。本実施
例において、WフィルタとMg フィルタを半周期ずらし
ているので、そのフィルタに対応する画素のエミッタ出
力線を隣接出力線に接続させた。本実施例においても、
信号処理の簡単化が行える。
1に示した動作と同様であり、各読み出し回路41から
は、本実施例において各出力端子OUT1〜OUT4に
は 水平同期期間 1H 2H 3H 4H 5H OUT1 Ye → Ye → Ye → Ye → Ye → OUT2 W → W → W → W → W OUT3 Cy → Cy → Cy → Cy → OUT4 Mg → Mg → Mg → Mg → と常に同色信号が得られる。
に、各出力端子には同一色の画像信号を得ることができ
るとともに、出力端子OUT2からは白色信号が出力さ
れ、イエロー、ホワイト、シアン、マジェンタの補色と
白色信号とをえることができるので、オレンジ・シアン
系のI軸と緑・マジェンタ系のQ軸とに分けて伝送する
カラー方式にとっては伝送処理が簡単で極めて有効であ
る。
概念等価回路を図5に示す。本実施例の場合、第1ライ
ン6ー1、第2ライン6ー2の色フィルタ配列と第3ラ
イン6ー3、第4ライン6ー4の色フィルタ配列を半周
期、即ち1画素分ずらしたことを特徴とする。本実施例
では、Cy+Mg=R+G+2B,Ye+G=R+2G
であるので、その色差は2B−G,……となり一つの色
差しか出力されないので、色差線順次駆動は難しい。し
かし、このフィルタ配置であると、各色フィルタが互い
にモザイク状に配置されているので、色の分解能がよく
なり、解像度は従来よりも向上する。
……から上段読み出し回路41を通して出力端子OUT
1からYe,OUT2からGの画素が、から垂直出力線
5ー1,5ー3……から下段読み出し回路41を通して
OUT3からCy,OUT4からMgの画素が出力され
る。こうして、MgとGの組合せだけでなく、CyとY
eの組合せについても、本基本パターンにおいて1画素
ずつずらして受光しているので、対象画像の動きに対す
る動的解像度が向上する。この場合、本基本パターンに
よる画素上の補色モザイクフィルターのパターン構成も
本画素40と同様なパターンに焼き付けてある。
の回路構成図を示す。本実施例では、BASISエリア
センサではなく、CMOSプロセスコンパチブル・エリ
アセンサに応用した場合である。図6において、21は
水平駆動線、22は垂直出力線、23は画素出力選択M
OSスイッチ、24は画素出力線、25は画素である。
また画素25上に図に示すように補色モザイクフィルタ
ーが備えられ、水平駆動線21ー4に接続された画素2
5ー41,25ー42,……が水平駆動線21ー2と1
画素分ずらされている。
成図を示す。図7(a)において、26はフォトダイオ
ードによる光電変換部、27はフォトゲート容量、28
は転送nMOSトランジスタ、29はリセットnMOS
トランジスタ、30は増幅用nMOSトランジスタアン
プである。光電変換部26はフォトゲート容量27の電
位で形成される空乏層であり、電位はフォトゲート容量
27に印加する電圧の制御パルス32で制御される。
イとしてリセットnMOSトランジスタ29を導通して
増幅用nMOSトランジスタアンプ30のゲートを電源
線37にリセットする。その後、制御パルス32にハイ
パルスを供給して光電変換部26を活性化する。次に、
制御パルス33にハイパルスを供給して転送nMOSト
ランジスタ28を導通して光電変換部26の対象画像の
光量に応じた光電荷を増幅用nMOSトランジスタアン
プ30のゲートに転送する。その光電荷は増幅用nMO
Sトランジスタアンプ30によって増幅されて、出力線
38に接続された画素出力選択MOSスイッチ23及び
画素出力線24を介して垂直出力線22に出力される。
その後は、図1にて示した読み出し回路41の走査と同
様に走査され、各画素の画像信号が出力される。
示した緑色G用の画素を白色W用の画素に置き換えるこ
とも可能であり、第3実施例に示した第1と第2の水平
駆動線に対して第3と第4の水平駆動線を1画素分ずら
した例と同様にずらすことができる。
同一のCMOSプロセスで形成するセンサにおいても、
本発明による元の補色モザイクフィルターの変更をする
ことなく、単位画素パターンのうち1ラインの画素配線
を1画素分ずらすことにより、全画素独立同色出力を行
うことが可能となった。また出力される画像信号は画素
内のMOSトランジスタで増幅されるので、ハイレベル
の画像信号となるばかりでなく、高S/Nの画像信号を
得ることができる。
第5実施例の画素構成図を示す。本実施例では第4実施
例のフォトゲート27と空乏層の光電変換領域26をP
nフォトダイオード31で形成したことを特徴とする。
本実施例においても画素出力線の結線のみを変えること
により全画素同色読み出しが可能となる。
イパルスを供給してリセット用nMOSトランジスタ2
9を導通して増幅用nMOSトランジスタアンプ30の
ゲートを電源線37にリセットする。その間Pnフォト
ダイオード31に対象画像の反射光量に応じた光電荷を
受光する。次に、制御パルス35にハイパルスを供給し
て転送nMOSトランジスタ28を導通してPnフォト
ダイオード31の光電荷を増幅用nMOSトランジスタ
アンプ30のゲートに転送する。その光電荷は増幅用n
MOSトランジスタアンプ30によって増幅されて、出
力線38に接続された画素出力選択MOSスイッチ23
及び画素出力線24を介して垂直出力線22に出力され
る。その後は、図1に示した読み出し回路41の走査と
同様に走査され、各画素の画像信号が各色毎の出力端子
に出力される。
第3実施例の場合と同様な画素パターンを適用できるこ
とは勿論である。
ドレス型センサとしてBASISとCMOSコンパチブ
ルセンサによって説明したが、XYアドレス型であれ
ば、他のSITセンサ、CMDセンサ、JFETセンサ
にも適用できることは当然である。
動的解像度向上のため補色モザイクフィルターを用いた
場合でも、水平走査回路、垂直走査回路による駆動方法
にかかわらず、常時、同色信号が各出力端子に出力でき
るので、本光電変換装置の後段の信号処理回路の簡略化
が図られ、オートホワイトバランスの精度向上が可能と
なる。また、フィルタの配列は従来のままで、OUT1
〜OUT4の出力端に常に同色の出力を行うことがで
き、画素の出力用に増幅型トランジスタを用いること
で、高S/Nの高画質な画像信号が得られる。
る。
る。
る。
る。
る。
図である。
Claims (12)
- 【請求項1】 4種のカラーフィルタのいずれかが備え
られた画素をマトリクス状に配列した光電変換装置であ
って、 4種のカラーフィルタA,B,C,Dを第1,第3水平
ラインの画素上にカラーフィルタA,B,A,B…と交
互に配列し、第2水平ラインの画素上にカラーフィルタ
C,D,C,D…と交互に配列し、第4水平ラインの画
素上はカラーフィルタD,C,D,C…と交互に配列し
てなるカラーフィルタアレイを備え、前記第2水平ライ
ンのm列目の画素と前記第4水平ラインのm+1列目の
画素とを共通の垂直ラインに接線することを特徴とする
光電変換装置。 - 【請求項2】 請求項1に記載の光電変換装置におい
て、前記4種のカラーフィルタの内C又はDがグリーン
であり、他がシアン、マゼンタ、イエローの補色である
ことを特徴とする光電変換装置。 - 【請求項3】 請求項1に記載の光電変換装置におい
て、前記光電変換部の光電変換素子がバイポーラトラン
ジスタであることを特徴とする光電変換装置。 - 【請求項4】 請求項1に記載の光電変換装置におい
て、前記光電変換部の光電変換素子がMOSトランジス
タであることを特徴とする光電変換装置。 - 【請求項5】 請求項1に記載の光電変換装置におい
て、前記光電変換部の光電変換素子がPnフォトダイオ
ードであることを特徴とする光電変換装置。 - 【請求項6】 A,B,C,Dの4種のカラーフィルタ
を画素上にモザイク状に備える光電変換装置であって、 前記カラーフィルタの構成を4行4列として且つ前記カ
ラーフィルタを第1行から第4行まで、順にABAB、
CDCD,ABAB,DCDCのパターンとし、前記第
2行のm列目の画素と第4行のm+1列目の画素とを共
通の垂直ラインに接線することを特徴とする光電変換装
置。 - 【請求項7】 請求項6に記載の光電変換装置におい
て、前記4行4列のカラーフィルタは補色モザイクフィ
ルターであることを特徴とする光電変換装置。 - 【請求項8】 請求項6に記載の光電変換装置におい
て、前記A,B,C,Dの4種のカラーフィルタはイェ
ロー、シアン、マジェンタ、グリーンであることを特徴
とする光電変換装置。 - 【請求項9】 請求項6に記載の光電変換装置におい
て、前記A,B,C,Dの4種のカラーフィルタはイェ
ロー、シアン、マジェンタ、ホワイトであることを特徴
とする光電変換装置。 - 【請求項10】 少なくともA,B,C,Dの4種のカ
ラーフィルタを画素上にモザイク状に備える光電変換装
置において、 前記カラーフィルタの構成を4行4列として且つ前記カ
ラーフィルタを第1行から第4行まで、順にABAB、
CDCD,BABA,DCDCのパターンとし、前記第
2行のm列目の画素と第4行のm+1列目の画素とを共
通の垂直ラインに接線することを特徴とする光電変換装
置。 - 【請求項11】 請求項1乃至10のいずれか1項に記
載の光電変換装置において、 マトリクス状に配列された画素を挟んで一方の側に設け
られた第1の読み出し回路と、他方に設けられた第2の
読み出し回路とを有し、 一つの垂直ライン毎に前記第1の読み出し回路及び前記
第2の読み出し回路のうち異なる前記読み出し回路に接
続されている ことを特徴とする光電変換装置。 - 【請求項12】 請求項11に記載の光電変換装置にお
いて、 前記第1の読み出し回路は、第1、第2の水平ラインを
有し、前記第2の読み出し回路は、第3、第4の水平ラ
インを有し、 前記カラーフィルタAを配置した複数の画素からの信号
は、前記第1の水平ラインから読み出され、前記カラー
フィルタBを配置した複数の画素からの信号は、前記第
3の水平ラインから読み出され、前記カラーフィルタC
を配置した複数の画素からの信号は、前記第2の水平ラ
インから読み出され、前記カラーフィルタDを配置した
複数の画素からの信号は、前記第4の水平ラインから読
み出されることを特徴とする 光電変換装置。
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