JP3863880B2 - 固体撮像装置およびカメラ - Google Patents

Description

本発明は、入射光を光電変換するための複数の単位画素が配列された固体撮像装置、およびそれが搭載されたデジタルカメラ等のカメラに関する。

固体撮像装置は、複数の単位画素で光電変換された信号を画像信号として取り出すことができるため、デジタルスチルカメラなどの携帯機器の画像入力素子としての用途が知られている。

図５は、加算回路を備えた従来の固体撮像装置の構成例（例えば特開平０９−２４７５３５号公報参照）を示す。この固体撮像装置は、複数の画素１が二次元状に配列された撮像領域２と、画素選択のための垂直シフトレジスタ３と、行選択線４と、垂直信号線５と、加算回路６と、水平シフトレジスタ７と、水平信号線８と、出力アンプ９を備えている。

撮像領域２では、垂直シフトレジスタ３により各行選択線４が順番に選択され、各行毎に画素１の信号が垂直信号線５に読み出された後、加算回路６に入力されて画素信号が加算されコンデンサーなどに蓄積される。その後、各加算回路６に蓄積された信号を水平シフトレジスタ７で順次選択して水平信号線８に加算信号を読出し、出力アンプ９から出力する。

加算回路６を具備する固体撮像装置では、光量が少ないときに信号量の少ない画素信号を複数加算することで信号量を増やし、高感度な画像を実現することができる。また、画素信号を加算することで解像度は低下するものの、出力アンプ９に読み出す画素信号の個数が少なくなるので、１フレームを読み出す時間が短くなり、固体撮像装置の動作が高速化される。

加算回路を備えた固体撮像装置は、前述したように複数の画像信号を加算して蓄積することで、高感度化および高速化を実現できるという特徴を有している。従来の加算回路を備えた固体撮像装置では、加算回路の面積が大きいため、加算回路６のコンデンサーなどに蓄積するとき複数の画素を単純に加算することができた。
特開平０９−２４７５３５号公報

しかしながら、近年、固体撮像装置の小型化の進展により画素の水平ピッチが６μｍ以下、最近では４．５μｍ以下となり、加算回路のコンデンサーなどの蓄積面積が急激に小さくなっている。また、低電圧化が進みコンデンサーなどに蓄積できる電圧が３Ｖ以下、最近では１．８Ｖ以下となり、最大電圧が制限されてきた。そのため、加算回路を備えた固体撮像装置において、高照度時に多量の信号電荷が発生した場合には、単純に画素信号を加算するとコンデンサーの電圧範囲内で加算信号を蓄積することができなくなり、高照度時の信号加算が不能となるダイナミックレンジの低下の問題が発生している。

本発明は、加算回路を具備することにより高感度が得られ、かつ高照度時における信号加算の動作不能が抑制されて、加算回路が広いダイナミックレンジを有する固体撮像装置、およびカメラを提供することを目的とする。

本発明の固体撮像装置は、複数の画素が配列された撮像領域と、前記撮像領域の信号が読み出される信号線を備える。上記課題を解決するため、前記画素のうちの２画素以上の信号を加算する加算回路を更に備え、前記加算回路の出力が前記信号線に読み出される。前記加算回路には、加算部、ゲイン調整部、および蓄積部が含まれ、前記加算部の出力は前記ゲイン調整部でゲイン調整されて前記蓄積部に蓄積される。前記撮像領域への入射光量の所定の基準値である基準光量に基づいて、前記加算回路のゲインは、前記入射光量が前記基準光量を越える場合に、前記入射光量が前記基準光量未満である場合よりも小さくなるように制御される。

上記構成の固体撮像装置は、２画素以上の信号を加算する加算回路を備え、基準光量より小さい低照度光量時には加算回路のゲインを大きく取ることで、低照度光量時の感度を大きくし、基準光量より大きい高照度光量時の加算回路のゲインを小さく取ることで、高照度光量時のダイナミックレンジを広く取ることができる。

本発明の固体撮像装置は、上記構成と同様の加算回路を備え、前記撮像領域への入射光量の少なくとも一部の範囲において、前記入射光量が多くなるに従い、前記加算回路のゲインが小さくなるように制御される構成とすることもできる。

この構成によれば、光量が多くなるにしたがって連続的にゲインを小さくすることにより、ダイナミックレンジをさらに広く取ることができる。また連続的にゲインが変ることで、ゲインの異なる画像のつなぎ部分の画質を大幅に改善できるため、高画質を実現することができる。

上記の構成において、前記加算回路を、前記撮像領域と前記信号線の間に配置することができる。

あるいは前記加算回路を、２個以上の単位画素の間に各々配置することができる。この構成によれば、撮像領域内の画素間に加算回路を備え、光量に応じてゲインを撮像領域内で調整することで、撮像領域以外の別の回路（たとえば、増幅回路など）の入力部のダイナミックレンジを越えることなく信号処理を行なうことができ、固体撮像装置全体のダイナミックレンジを大きくとることができる。

また上記の構成において、前記加算回路を複数個備え、少なくとも２個の前記加算回路は個別にゲインが調整される構成としてもよい。この構成によれば、各加算回路において各々個別にゲインを調整することができるため、撮像領域内の部分領域毎にゲイン調整ができることになり、撮像領域内の部分領域毎のダイナミックレンジを拡大することができ、更なる高画質を実現することができる。

上記のいずれかの構成において、前記撮像領域と前記信号線の間に、前記撮像領域に入射する光量を検知する光量検知回路を有し、前記光量検知回路の検知出力に応じて、前記加算回路のゲインが調整される構成とすることができる。または、２個以上の単位画素の間に配置され、それらの画素に入射する光量を検知する光量検知回路を有し、前記光量検知回路の検知出力に応じて、前記加算回路または前記平均回路のゲインが調整される構成とすることができる。

これらの構成によれば、固体撮像装置内に光量検知回路を設けることで、加算回路のゲインを瞬時に直接フィードバックできるため、高速化の実現や、ゲイン調整精度を向上による高画質化の実現が容易になる。

上記のいずれかの構成において好ましくは、複数の画素信号を平均する平均回路が前記加算回路に対応させて設けられ、前記入射光量が所定値よりも大きいときには、前記平均回路により複数の画素信号を平均化した出力が前記信号線に読み出される構成とする。この構成によれば、加算回路のゲインの調整で対応可能な範囲を超える量の光が入射した場合に、平均回路で平均化して出力することにより、ダイナミックレンジをさらに広く取ることができる。

また上記のいずれかの構成において好ましくは、Ｎ個の画素の信号を加算する際の前記加算回路の出力値が、（Ｎ個の信号を加算した値）／Ｎの値以下となるように、前記加算回路のゲインが制御される。

この構成によれば、加算回路の信号を蓄積するコンデンサーは、画素１個分の信号以下の信号量を蓄えることとなるため、通常の画素加算しない場合に1個の画素信号を蓄積するコンデンサーと、加算回路に利用するコンデンサーを、共通に使用することができ、回路を小型化できる。

また上記のいずれかの構成において好ましくは、Ｎ個の画素の信号を加算する際の前記加算回路の出力値が、（Ｎ個の信号を加算した値）より小さくかつ、（Ｎ個の信号を加算した値）／Ｎの値よりも大きいように、前記加算回路のゲインが制御される。

この構成によれば、Ｎ個の画素の信号を単純に加算した場合の出力電圧が大きくなることによる加算回路の飽和を解消でき、信号を蓄積するコンデンサーを小さくすることができる。また、加算により得られる出力電圧を画素1個分の出力電圧よりも大きくすることにより、高感度な画質を実現することができる。

上記のいずれかの構成の固体撮像装置を備えたカメラを構成することができる。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における固体撮像装置の全体構成図である。図５の従来例と同様の要素には同一の参照番号を付して、説明を簡略化する。この固体撮像装置は、撮像領域２と水平信号線８の間に、ゲインを調整できる加算回路１０が設けられている点が、図５の従来例と相違する。加算回路１０のゲインは、外部に設けられた総合ゲイン調整回路１１から出力されるゲイン調整信号により、調整される。総合ゲイン調整回路１１は、光量検知部１２の出力信号に基づきゲイン調整信号を生成する。光量検知部１２は、撮像領域２に入射する光量を直接、あるいは間接的に検知した信号を、総合ゲイン調整回路１１に供給する。

加算回路１０には、加算部１０ａ、平均化部１０ｂ、ゲイン調整部１０ｃ、および蓄積部１０ｄが含まれる。加算部１０ａは２画素の信号を加算する機能、平均化部１０ｂは２画素の信号を平均化する機能を有し、それぞれ２画素の信号が供給される。ゲイン調整部１０ｃは、ゲイン調整信号に基づき、加算部１０ａあるいは平均化部１０ｂの出力のゲインを調整する機能を有する。蓄積部１０ｄでは、コンデンサーにより加算部１０ａあるいは平均化部１０ｂの出力信号を蓄積する。

加算回路１０では、まず２列の信号の内、同一行の２画素が加算され、次に総合ゲイン調整回路１１から供給されるゲイン調整信号によりゲイン調整が行なわれる。最後に加算回路１０内にあるコンデンサーに信号が蓄積される。具体的なゲイン調整の例について、以下に説明する。

撮像領域２に入射する光量が少ない低照度の場合は、画素からの信号が少ないため加算回路１０内で直接２画素の信号を加算できる。さらに、ゲインを大きくした場合でも、加算回路１０内にあるコンデンサーに十分蓄積することができ、低照度の場合には高感度な出力を実現することができる。

撮像領域２に入射する光量が多い高照度の場合は、画素からの信号量が多いため、加算回路１０内で２画素の信号を加算するとレンジオーバーする可能性が高くなる。そのため、加算部１０ａのゲインを小さくして、蓄積部１０ｄのコンデンサーに、コンデンサーが飽和しない範囲で信号を蓄積する。従って、高照度の場合においても回路飽和することなく忠実に画素信号を抽出できるため、広いダイナミックレンジを確保することが可能となる。

撮像領域２に入射する光量が更に多く、例えばゲイン調整では飽和を回避できない場合には、加算部１０ａを機能させないようにする。その代わり、平均化部１０ｂにより２画素の信号を平均化して、蓄積部１０ｄに、コンデンサーが飽和しない範囲で信号を蓄積する。それにより、さらに広いダイナミックレンジを確保することが可能となる。

なお、平均化部１０ｂは必須ではなく、加算部１０ａのみを有する構成とすることもできる。平均化部１０ｂを持たない加算回路１０により、実用上十分な飽和抑制の効果を得ることは可能である。また、ゲイン調整部１０ｃにより、加算部１０ａあるいは平均化部１０ｂへ入力する前の信号のゲインを調整するように構成してもよい。

上記構成では、加算回路１０の総合出力ゲインは、（加算または平均値）×調整ゲインにより決定され、低照度と高照度で調整ゲインを切り換える方式により広いダイナミックレンジを実現している。これに対して、それぞれの照度に応じて連続的に総合出力ゲインを制御すれば、ゲインの異なる画像のつなぎ部分の画質を大幅に改善でき、高画質を実現することができるため、総合出力ゲインを連続的に調整することが好ましい。連続的な総合出力ゲインの制御は、撮像領域２への入射光量の全ての範囲において行う必要はない。撮像領域２への入射光量の少なくとも一部の範囲において、入射光量が多くなるに従い、加算回路１０のゲインが小さくなるように制御することにより、実用的に十分な効果が得られる。

また、上記構成では、全ての加算回路１０に対して、外部から一括して総合ゲインの調整を行なっている。これに対して、それぞれの加算回路１０において回路毎にゲインを調整する構成にすれば、撮像領域２内の部分領域毎にゲイン調整が可能になる。それにより、撮像領域２内の部分領域毎のダイナミックレンジを拡大することができ、更なる高画質が実現することができる。それぞれの加算回路１０毎にゲインを調整可能とするためには、例えば、光量検知部１２の出力信号を直接、加算回路１０に入力し、各加算回路１０のゲイン調整部１０ｃにより個別にゲイン調整を行えばよい。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における固体撮像装置の撮像領域内の一部を示す。この装置は、撮像領域２内の画素Ａ（ｎ）と画素Ｂ（ｎ）の間に加算回路１０を備えている。総合ゲイン調整回路１１からのゲイン調整信号に基づき、撮像領域２内で光量に応じてゲインを調整する構成となっている。

この構成によれば、撮像領域２外に別の外部回路（たとえば、増幅回路など）がある場合に、外部回路の入力部において回路のダイナミックレンジを越えることなく信号処理を行なうことができるので、固体撮像装置全体のダイナミックレンジを大きくとることができる。

また、総合ゲイン調整回路１１ではなく光量検知部１２の出力信号を各加算回路１０に入力し、各加算回路１０のゲイン調整部１０ｃにより、個別にゲイン調整を行うようにしてもよい。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における固体撮像装置の全体構成図である。この装置では、図１の構成に対して、撮像領域２と加算回路１０の間に、光量検知回路１２を設けた構成を有する。固体撮像装置内に光量検知回路１２を設けることで、加算回路１０の設定すべきゲイン値を迅速に獲得し、加算回路１０に直接供給できる。それにより、ゲイン調整の高速化や、ゲイン調整精度の向上による高画質化を実現することができる。

（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４における固体撮像装置の撮像領域内の一部を示す。この構成では、加算回路１０と光量検知回路１２とが、撮像領域２内の画素Ａ（ｎ）と画素Ｂ（ｎ）の間に設けられている。それにより、光量検知回路１２で光量が検出された後すぐに、撮像領域２内で加算回路１０の総合ゲインが調整される。したがって、総合ゲイン調整を最も高速にすることができ、さらにゲイン調整精度を最も向上することができるため、さらなる高画質化を実現することができる。

以上の実施の形態におけるゲインの調整の仕方は、例えば以下のようにすることができる。

第１の例としては、Ｎ個の画素の信号を加算する場合に、加算回路の出力値が、（Ｎ個の信号を加算した値）／Ｎの値以下となるように設定する。加算回路のゲインが１／Ｎに等しい場合には、Ｎ個の画素の信号を加算した後、１／Ｎのゲインを掛けた出力電圧は、各画素の出力をＭボルトとして、（Ｎ×Ｍ）×（１／Ｎ）＝Ｍとなる。従って、加算回路の信号を蓄積するコンデンサーは、画素1個分の出力電圧、すなわちＭボルトの出力電圧を蓄える大きさであればよい。したがって、ゲインが１／Ｎ以下であれば、コンデンサーは画素1個分の信号以下の信号量を蓄えることとなるため、通常の画素加算しない場合に1個の画素信号を蓄積するコンデンサーと、加算回路として利用するコンデンサーを、共通に使用することができ、回路を小型化することができる。

第２の例としては、Ｎ個の画素の信号を加算する場合に、加算回路の出力値が、（Ｎ個の信号を加算した値）より小さくかつ、（Ｎ個の信号を加算した値）／Ｎの値よりも大きいようにゲインを設定する。そのように設定すれば、Ｎ個の画素の信号（各画素出力がＭボルト）を単純に加算した場合の出力電圧が、（Ｎ×Ｍ）と大きくなるために発生する加算回路の飽和を解消できる。すなわち、加算回路の出力が（Ｎ×Ｍ）よりも小さくなるように設定することにより、加算回路において信号を蓄積するコンデンサーを、小さくすることができる。また、加算することによる出力電圧が（Ｎ×Ｍ）／Ｎよりも大きくなるようにゲインを設定して、画素1個分の出力電圧（Ｍボルトの出力電圧）よりも大きくすることにより、画像が明るくなり、高感度な画質を実現することができる。

本発明の固体撮像装置は、低照度光量時の感度を大きくし、基準光量より大きい高照度光量時の加算回路のゲインを小さく取ることで、高照度光量時のダイナミックレンジを広く取ることが可能であり、デジタルスチルカメラなどの携帯機器の画像入力素子として有用である。

本発明の実施の形態１における固体撮像装置の全体構成図 本発明の実施の形態２における固体撮像装置の撮像領域内要部の構成図 本発明の実施の形態３における固体撮像装置の全体構成図 本発明の実施の形態４における固体撮像装置の撮像領域内要部の構成図 従来例の加算回路を備えた固体撮像装置の構成図

符号の説明

１ 画素
２ 撮像領域
３ 垂直シフトレジスタ
４ 行選択線
５ 垂直信号線
６ 加算回路
７ 水平シフトレジスタ
８ 水平信号線
９ 出力アンプ
１０ 加算回路
１０ａ 加算部
１０ｂ 平均化部
１０ｃ ゲイン調整部
１０ｄ 蓄積部
１１ 総合ゲイン調整回路
１２ 光量検知部

Claims (11)

1. 複数の画素が配列された撮像領域と、前記撮像領域の信号が読み出される信号線を備えた固体撮像装置において、
   前記画素のうちの２画素以上の信号を加算する加算回路を更に備え、前記加算回路の出力が前記信号線に読み出され、
   前記加算回路には、加算部、ゲイン調整部、および蓄積部が含まれ、前記加算部の出力は前記ゲイン調整部でゲイン調整されて前記蓄積部に蓄積され、
   前記撮像領域への入射光量の所定の基準値である基準光量に基づいて、前記加算回路のゲインは、前記入射光量が前記基準光量を越える場合に、前記入射光量が前記基準光量未満である場合よりも小さくなるように制御されることを特徴とする固体撮像装置。
2. 複数の画素が配列された撮像領域と、前記撮像領域の信号が読み出される信号線を備えた固体撮像装置において、
   前記複数の画素のうちの２画素以上の信号を加算する加算回路を更に備え、前記加算回路の出力が前記信号線に読み出され、
   前記加算回路には、加算部、ゲイン調整部、および蓄積部が含まれ、前記加算部の出力は前記ゲイン調整部でゲイン調整されて前記蓄積部に蓄積され、
   前記撮像領域への入射光量の少なくとも一部の範囲において、前記入射光量が多くなるに従い、前記加算回路のゲインが小さくなるように制御されることを特徴とする固体撮像装置。
3. 前記加算回路が、前記撮像領域と前記信号線の間に配置された請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 前記加算回路が、２個以上の単位画素の間に各々配置された請求項１または２に記載の固体撮像装置。
5. 前記加算回路を複数個備え、少なくとも２個の前記加算回路は個別にゲインが調整される請求項１または２に記載の固体撮像装置。
6. 前記撮像領域と前記信号線の間に、前記撮像領域に入射する光量を検知する光量検知回路を有し、前記光量検知回路の検知出力に応じて、前記加算回路のゲインが調整される請求項３に記載の固体撮像装置。
7. ２個以上の単位画素の間に配置され、それらの画素に入射する光量を検知する光量検知回路を有し、前記光量検知回路の検知出力に応じて、前記加算回路のゲインが調整される請求項４に記載の固体撮像装置。
8. 複数の画素信号を平均する平均回路が前記加算回路に対応させて設けられ、前記入射光量が所定値よりも大きいときには、前記平均回路により複数の画素信号を平均化した出力が前記信号線に読み出される請求項１または２に記載の固体撮像装置。
9. Ｎ個の画素の信号を加算する際の前記加算回路の出力値が、
   （Ｎ個の信号を加算した値）／Ｎ
   の値以下となるように、前記加算回路のゲインが制御される請求項１または２に記載の固体撮像装置。
10. Ｎ個の画素の信号を加算する際の前記加算回路の出力値が、
    （Ｎ個の信号を加算した値）
    より小さくかつ、
    （Ｎ個の信号を加算した値）／Ｎ
    の値よりも大きいように、前記加算回路のゲインが制御される請求項１または２のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
11. 請求項１または２のいずれか１項に記載の固体撮像装置を備えたカメラ。
    

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