JP4185615B2 - 撮像装置及びそれを用いた撮像システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は画像を撮像する撮像装置及びそれを用いた撮像システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光電変換部であるフォトダイオードに蓄積された信号電荷に対して所定の処理を施し垂直出力線に出力する撮像装置が存在する。
【０００３】
例えば光電変換部であるフォトダイオードに蓄積された信号電荷をＭＯＳトランジスタによって増幅して垂直出力線に出力する増幅手段を含む撮像装置がある。信号電荷を増幅する増幅手段は各々の画素中に存在するため、ゲインセルあるいはＡＰＳと呼ばれている。
【０００４】
ＡＰＳは画素中に増幅手段やその制御手段を有するため、光電変換部の画素に占める割合（面積率）、あるいは、光が入射する領域の画素に占める割合（開口率）は小さくなりがちである。従って撮像装置のダイナミックレンジ、感度、Ｓ／Ｎ比等は低下する恐れがある。
【０００５】
この問題は、増幅手段を含む画素ではなく、他の処理を行う手段を含む画素においても同様である。
【０００６】
増幅手段等による面積率、開口率の低下を防ぐ方法として、例えば特開昭６３−１００８７９号公報あるいは特開平９−４６５９６号公報に見られるように、複数の光電変換部で１つの増幅手段等を含む共通回路を共有する方法が提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開昭６３−１００８７９号公報あるいは特開平９−４６５９６号公報には光電変換部と共通回路との具体的な配置については開示されていなかった。
【０００８】
本発明は、解像度を低下させることなく、良好な性能を得ることができる、光電変換部と共通回路との配置を有する撮像装置を提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は上記の撮像装置に好適に用いられるノイズ除去手段を有する撮像装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、第１の手段として行方向及び列方向に配列された複数の画素と、複数の画素内の複数画素毎に共通接続した１つの共通回路とを有し、複数の画素からの信号は共通回路を介して垂直出力線に出力し、輝度信号を形成するために主成分となる色フィルタが設置された画素の画素ピッチを等しくするために隣接行又は隣接列で画素をずらして配置したことを特徴とする撮像装置を提供する。
【００１１】
また、第２の手段として、第１の手段として説明した撮像装置において、輝度信号を形成するために主成分となる色フィルタが設置された画素は、隣接行又は隣接列で３／２ピッチずらして配置したことを特徴とする撮像装置を提供する。
【００１２】
また、第３の手段として、第２の手段として説明した撮像装置において、共通回路の両側に前記画素を配置したことを特徴とする撮像装置を提供する。
【００１３】
また、第４の手段として、第３の手段として説明した撮像装置において、共通回路の１方の側の画素に設置された色フィルタは輝度信号を形成する主成分の色であり、他方の画素に設置された色フィルタは色差信号を形成する成分の色であることを特徴とする撮像装置を提供する。
【００１４】
また、第５の手段として、第１乃至第４の手段のいずれか１つで説明した撮像装置において、共通回路は、画素からの信号を増幅して出力する増幅手段を含むことを特徴とする撮像装置を提供する。
【００１５】
また、第６の手段として、第５の手段として説明した撮像装置において、共通回路は画素からの信号を増幅手段に転送する転送手段と、前記共通回路内をリセットするリセット手段を含む撮像装置を提供する。
【００１６】
また、第７の手段として、第１乃至第６の手段のいずれか１つで説明した撮像装置において、共通回路を介して出力された画素からの信号から、共通回路内のノイズ信号を除去するノイズ除去手段を有することを特徴とする撮像装置を提供する。
【００１７】
また、第８の手段として、第１乃至第７の手段のいずれか１つで説明した撮像装置と、撮像装置からの信号に基づいて輝度信号及び色差信号を形成する信号処理手段とを有することを特徴とする撮像システムを提供する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の説明に先だって本発明にいたる技術的背景について説明する。本実施形態においては、光電変換部であるフォトダイオードを１画素とする。
【００１９】
本発明者らは、前述した、特開昭６３−１００８７９号公報あるいは特開平９−４６５９６号公報に見られるような、複数画素で１つの共通回路の一例として増幅手段（アンプ）を共有する撮像装置における、画素レイアウトを検討した。
【００２０】
図１０に撮像装置の一例の画素レイアウト図を示す。本例は行方向（ａ₁₁，ａ₁₂，…の方向）及び列方向（ａ₁₁，ａ₂₁，…の方向）に配列された画素の２行毎に増幅手段を共有する例であり、２つのフォトダイオード２０３（ａ₁₁とａ₂₁、ａ₁₂とａ₂₂、ａ₃₁とａ₄₁、ａ₃₂とａ₄₂、…）の間に増幅手段２０４が配置されている。ここで２０１は２行分の繰返し単位セル、２０２は１列分の繰返し単位セルを示す。しかし、このような配置は図１０から明らかなように、フォトダイオードの配列が等ピッチとはならないため、次のような問題が生じる。
【００２１】
図１０に示すようにベイヤー配列のフイルタを配置した場合について考える。人間の眼に対して敏感な輝度（Ｙ）について考えると図１０の配列では少なくとも輝度（Ｙ）に対して最も寄与するＧが等ピッチ配列でない。つまり、Ｇのフィルタが配置されているフォトダイオードの配置を考えると、ａ₁₂とａ₂₃の距離とａ₂₃とａ₃₂の距離は異なっている。このように、輝度（Ｙ）に対して最も寄与するＧが等ピッチでない配列は、モアレ縞等の問題が発生し、人間の眼は著しく画像の劣化を感じるようになる。
【００２２】
本発明者らは上記の点に鑑み、さらに検討を進めた結果、以下に説明する撮像装置を見出した。
【００２３】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
【００２４】
図１は、フォトダイオードと共通回路の配置を示したものである。
【００２５】
図１からわかるように、フォトダイオードは隣接する行間で１／２ピッチずれた配置となっており、奇数行目では輝度信号を形成するために主成分となる色であるＧと色差信号を形成する成分の色であるＲが共通回路をはさんで向い合い、偶数行では輝度信号を形成するために主成分となる色であるＧと色差信号を形成する成分の色であるＢが共通回路をはさんで向かい合っている。このように、輝度（Ｙ）に対して最も寄与するＧが隣接行間で３／２ピッチずれた配置にすることによりＧは、行方向及び列方向において等ピッチの配置になり、モアレ縞等の問題が解消し、人間の眼にとって画像劣化を感じさせなくなる。
【００２６】
次に、図１の共通回路部分とその両側にあるフォトダイオードとで構成される単位セルの具体的なパターンレイアウト図を図２に示す。
【００２７】
図２に示すものは、単結晶シリコンプロセスで作成される。フォトダイオードの大きさは８μｍ角であり、４１の点線で示している。前述のように２つのフォトダイオードを１組として２次元アレー状に配置されている。上記２つのフォトダイオードの中央は前述の共通回路であり、左側はＧ、右側はＲ又はＢのフィルタが設置されるフォトダイオードである。図２は、共通回路の一例としてＭＯＳトランジスタを用いた増幅手段である。レイアウトルールは０．４μｍであり、光電変換部であるフォトダイオード４２の面積（面積率）、開口面積（開口率）は各々５７．９６μｍ² （６０．４％）、２８．８８μｍ² （３０．１％）であり、いずれも非常に高い値となっている。
【００２８】
４３はＧ用のフォトダイオード４２からの、５４はＲ／Ｂ用のフォトダイオード４２′からの電荷を転送するための転送ゲートであり、Ｌ＝０．４μｍ、Ｗ＝１．０μｍのＭＯＳ Ｔｒであり、上記フォトダイオード４２、４２′からフローティングディフュージョン４５（以下ＦＤ）に光蓄積電荷を転送する働きを示す。４７はＦＤを電源電圧Ｖ_DD端子５０の電位にリセットするためのリセットゲートである。４６はＭＯＳ型ソースフォロワーアンプの入力ゲートであり、上記電荷によってその電位を変え、Ｖ_DD端子５０から流れ込む電流を変調させる。
【００２９】
上記ＦＤと入力ゲートの合計容量は１０ｆＦ程度であり、上記フォトダイオードが大きい分だけ、前記容量値は大きな値となっている。上記変調を受けた信号電流は、最終的には選択的に信号電流を出力させる選択ゲート４８から垂直信号線４９に出力される。
【００３０】
又、５１、５２、５３、５４は所定の電位を供給するための走査線であり、それぞれ選択ゲート４８、転送ゲート４３、４４、リセットゲート４７に電位を供給する。
【００３１】
次に、上記で説明した撮像装置に好適に用いられるノイズ除去のための信号処理について説明する。
【００３２】
図３は、本実施形態の等価回路図である。ここで７２は共通回路、４２、４２′は画素であり、共通回路とその両側にある画素とで構成する単位セル７４の等価回路を図４に示す。単位セル４７は図２で示した単位セルのパターンレイアウトの等価回路である。
【００３３】
図４において５０はＶ_DD端子、４５はフローティングディフュージョン、６３はフローティングディフュージョンをリセットするためのリセット手段であるリセットＭＯＳ、６４、６４′は画素であるフォトダイオード４２、４２′からの光電荷をフローティングディフュージョンに転送するための転送手段である転送ＭＯＳ、６５はフローティングディフュージョンの電位変化を増幅して出力するための増幅手段である増幅ＭＯＳ、６６は増幅ＭＯＳからの出力を垂直出力線５７に選択的に出力するための選択手段である選択ＭＯＳである。また走査線５４、５１、５２、５３、はそれぞれリセットＭＯＳ６３、選択ＭＯＳ６６、転送ＭＯＳ６４、転送ＭＯＳ６４′をＯＮ／ＯＦＦさせるための電位を供給するためのものである。上記単位セルでは、６３、６４、６４′、６５、６６のＭＯＳによって共通回路を構成している。又、図２に示したパターンレイアウトにおいて、転送ゲート４３は転送ＭＯＳ６４のゲートに、転送ゲート４４は転送ＭＯＳ６４′のゲートに、リセットゲート４７はリセットＭＯＳ６３のゲート、選択ゲート４８は選択ＭＯＳ６６のゲートに相当する。
【００３４】
次に、図３、図４の回路図及び図５、図６のタイミングチャートを用いて、本実施形態のノイズ除去動作について説明する。
【００３５】
図５に示すように、垂直ブランキング期間を表わすクロックφＶ（ｎ）によって垂直走査が開始される。まず１行目のリセット線５４に印加される信号φＴＸ_RO-1が水平ブランキング期間（φＨＢＬがハイレベルの期間）中に活性化し、次いで２行目、３行目が同様に行われる。これにより、各行の画素がリセット電位であるＶ_DDにリセットされる（図５）。
【００３６】
各水平期間中には図６に示したように、期間Ｔ₁ では信号φＲＶがハイレベルとなって、垂直信号線４９に接続するリセット用トランジスタ８０がオンし、垂直信号線４９がリセットされる。それと共にφＴ_N 、φＴ_S1、φＴ_S2がハイレベルとなって各ゲートトランジスタ８２−１，８２−２，８２−３がオンし、信号読出用トランジスタ８４−１，８４−２，８４−３より前までの配線と蓄積容量８３−１，８３−２，８３−３（Ｃ_TN，Ｃ_TS1 ，Ｃ_TS2 ）が垂直信号線５７と導通し、同様にリセットされる。これにより、蓄積容量８３−１，８３−２，８３−３等に蓄積していた電荷が除去される。
【００３７】
次いで期間Ｔ₂ で、リセット線５４に印加される信号φＴＸ_ROがハイレベルとなって画素中のソースフォロワーアンプの入力ゲートであるフローティングゲートがＶ_DDにリセットされる。
【００３８】
次いで期間Ｔ₃ で、信号φＬがハイレベルとなって、垂直信号線４９に接続する接地用トランジスタ８１がオンし、垂直信号線５７が接地される。それと共にノイズ成分を蓄積するための蓄積容量Ｃ_TN８３−１を垂直信号線４９に接続するために、φＴ_N をハイレベルとし、ゲートトランジスタ８２−１をオンさせる。その時には行選択線６０に印加される信号φＳ０はハイレベルとなっており、フローテイィングゲートの電位（〜Ｖ_DD）に応じた電流がＶ_DD端子から蓄積容量Ｃ_TN８３−１へ向かって流れ込むことによって、蓄積容量Ｃ_TN８３−１はノイズ成分の電荷を保持するようになる。
【００３９】
次に期間Ｔ₄ で、Ｇ画素用走査線５３に印加される信号φＴＸ₀₀がハイレベルとなって画素中にあるＧ画素用転送ゲートがオンし、画素４２中の画像光に対応する蓄積電荷がフローティングゲートに転送される。その時には垂直信号線４９に接続される蓄積容量は、φＴ_N をロウレベル、φＴ_S1をハイレベルとすることで、ノイズ蓄積用の蓄積容量Ｃ_TNから信号蓄積用の蓄積容量Ｃ_TS1 となっており、ホトダイオードａ₁₁に相当する奇数列の信号の電荷が垂直信号線４９を介して蓄積容量Ｃ_TS1 に保持される。
【００４０】
次いで期間Ｔ₅ では、φＲＶがハイレベルとなって垂直信号線４９のみがリセットされる。他の回路はφＳ０、φＴ_N 〜φＴ_S2がロウレベルであるのでリセットの影響は受けず、その状態は保持されたままである。
【００４１】
次に期間Ｔ₅ と期間Ｔ₆ との間でリセット線５４に印加される信号φＴＸ_R0がハイレベルとなってフローティングディフュージョンがＶ_DDにリセットされる。
【００４２】
次に期間Ｔ₆ では、今度はＲ／Ｂ画素用走査線５２に印加される信号φＴｘ_Oeがハイレベルになって画素４２′の蓄積電荷がフローティングゲートに転送され、その時には垂直信号線４９に接続される蓄積容量は、φＴ_S2をハイレベルとすることで信号蓄積用の蓄積容量Ｃ_TS2 となっており、ホトダイオードａ₁₂に相当する偶数列の信号電荷が垂直信号線４９を介して蓄積容量Ｃ_TS2 に保持される。
【００４３】
このようにして１行分のノイズ成分、第一の信号、第二の信号の電荷が蓄積容量Ｃ_TN、Ｃ_TS1 、Ｃ_TS2 に各列毎に蓄積される。
【００４４】
次に期間Ｔ₇ においては、各列の蓄積容量Ｃ_TN〜Ｃ_TS2 に蓄積された電荷を各々順次増幅アンプ８６−１〜８６−３に転送するため、水平シフトレジスタ７１により水平走査パルスφＨｎを各列毎に順次ハイレベルとすることによって各列毎に配置されたゲートトランジスタ８４−１，８４−２，８４−３をオンし、各列毎の蓄積容量Ｃ_TN〜Ｃ_TS2 と増幅アンプ８６−１〜８６−３を導通させる。増幅アンプ８６−１〜８６−３からはノイズ成分と、第一の信号、第二の信号が出力され、差動アンプ８７−１によって第一の信号からノイズ成分が引かれたＧ成分が出力され、また差動アンプ８７−２によって第二の信号からノイズ成分が引かれたＲ／Ｂ成分が出力される。また期間Ｔ₇ は、フォトダイオードの光電荷蓄積が行われる期間でもある。
【００４５】
なお、期間Ｔ₅ と期間Ｔ₆ との間でリセット線５４に印加される信号φＴＸ_R0をハイレベルとせずに、リセットを行わない場合には、期間Ｔ₆ では、画素４２′の蓄積電荷が（画素４２からの転送電荷が残留している）フローティングゲートに転送され、画素４２に相当する信号と画素４２′に相当する信号との信号２成分の電荷が垂直信号線４９を介して蓄積容量Ｃ_TS2 に保持される。したがって１行分のノイズ成分、信号１成分、信号２成分の電荷を蓄積容量Ｃ_TN、Ｃ_TS1 、Ｃ_TS2 に各列毎に蓄積することができる。そして、期間Ｔ₇ において、増幅アンプ８６−１〜８６−３にノイズ成分と、信号１、信号２成分が出力され、差動アンプ８７−１によって信号１成分からノイズ成分が引かれたＧ成分が出力され、また差動アンプ８７−２によって信号２成分からノイズ成分が引かれたＲ／Ｂ成分が出力される。
【００４６】
上記実施形態では、隣接行間で画素をずらした配置のものについて述べたが、図７に示すように隣接列間で画素をずらすことにより、輝度信号を形成するための主成分であるＧ画素を等ピッチにするように配置してもよい。
【００４７】
さらに、上記実施形態では、共通回路として一つの増幅手段に対して複数の画素を配置して単位セルを構成しているが、増幅手段以外であっても、複数の画素からの信号を処理するもの、例えばＡ／Ｄ変換（米国特許第５４３１４２５号）や画像圧縮（テレビジョン学会誌ｖｏｌ５０，ｎｏ３，ｐｐ３３５−３３８，１９９５）などの信号処理回路でもよい。
【００４８】
図８に本発明の撮像装置を用いたシステムブロック図を示す。
【００４９】
光学系２１を経て入射した画像光は撮像装置２２上に結像する。撮像装置２２で光電変化された信号は信号処理回路２３で、Ｒ，Ｇ，Ｂ処理され、画像信号の記録系あるいは通信系２４へ記録あるいは接続される。撮像装置２２、信号処理２３、記録／通信号系はタイミング回路２５、システムコントロール２６で制御される。
【００５０】
記録された信号は必要によって再生系２７で再生され表示される。
【００５１】
図９は信号処理系２３の概略説明図である。
【００５２】
撮像装置２２からのＧ及びＲ／Ｂ信号はＤＳＰにより輝度信号と色差信号を形成される。輝度信号の低域成分は少なくとも隣接する２行のＲ，Ｇ，Ｂ信号から形成される。
【００５３】
輝度信号の高域成分は少なくとも隣接する２行のＧ信号の高域成分から形成される。これにより高解度で色再現の良い画像が得られる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、感度、解像度、ダイナミックレンジの広い撮像装置を得る事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の撮像装置の概略レイアウト図である。
【図２】本発明の撮像装置の具体的レイアウト図である。
【図３】本発明の撮像装置の等価回路図である。
【図４】本発明の撮像装置の等価回路図である。
【図５】本発明の撮像装置を動作させるためのタイミングチャートの図である。
【図６】本発明の撮像装置を動作させるためのタイミングチャートの図である。
【図７】本発明の撮像装置の概略レイアウト図である。
【図８】本発明の撮像装置を用いた撮像システム図である。
【図９】図７の撮像システムの信号処理系を示す図である。
【図１０】撮像装置の概略レイアウト図である。
【符号の説明】
２１ 光学系
２２ 撮像装置
２３ 信号処理系
４２ フォトダイオード
６３ リセットＭＯＳ
６４ 転送ＭＯＳ
６５ 増幅ＭＯＳ
６６ 選択ＭＯＳ
７２ 共通回路

Claims (14)

1. 行方向及び列方向に配列された複数の画素と、
   前記複数の画素内の行方向で両側に配置された２つの画素が共通接続された複数の共通回路とを有し、
   前記共通回路の一方の側の画素に設置された色フィルタは輝度信号を形成する主成分の色であり、他方の画素に設置された色フィルタは色差信号を形成する成分の色であり、
   前記複数の画素からの信号が前記共通回路を介して垂直出力線に出力される撮像装置であって、
   前記輝度信号を形成する主成分の色フィルタが配置された画素の隣接行の画素をずらして配置し、前記輝度信号を形成するために主成分となる色フィルタが設置された画素と前記隣接行の輝度信号を形成する主成分の色フィルタが配置された複数の画素との画素ピッチを等しくしたことを特徴とする撮像装置。
2. 行方向及び列方向に配列された複数の画素と、
   前記複数の画素内の列方向で両側に配置された２つの画素が共通接続された複数の共通回路とを有し、
   前記共通回路の一方の側の画素に設置された色フィルタは輝度信号を形成する主成分の色であり、他方の画素に設置された色フィルタは色差信号を形成する成分の色であり、
   前記複数の画素からの信号が前記共通回路を介して垂直出力線に出力される撮像装置であって、
   前記輝度信号を形成する主成分の色フィルタが配置された画素の隣接列の画素をずらして配置し、前記輝度信号を形成するために主成分となる色フィルタが設置された画素と前記隣接列の輝度信号を形成する主成分の色フィルタが配置された複数の画素との画素ピッチを等しくしたことを特徴とする撮像装置。
3. 請求項１あるいは請求項２において、輝度信号を形成する主成分となる色フィルタは緑のフィルタであることを特徴とする撮像装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項において、隣接行又は隣接列でずらした画素のずれ量は、画素ピッチの１／２であることを特徴とする撮像装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項において、前記共通回路は、前記画素からの信号を増幅して出力する増幅手段を含むことを特徴とする撮像装置。
6. 請求項５において、前記共通回路は前記画素からの信号を前記増幅手段に転送する転送手段と、前記共通回路内をリセットするリセット手段を含むことを特徴とする撮像装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか１項において、前記共通回路を介して出力された前記画素からの信号から、前記共通回路内のノイズ信号を除去するノイズ除去手段を有することを特徴とする撮像装置。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項の撮像装置と、
   前記撮像装置からの信号に基づいて輝度信号及び色差信号を形成する信号処理手段とを有することを特徴とする撮像システム。
9. 行方向及び列方向に配列された複数の画素と、
   前記複数の画素内の行方向で両側に配置された２つの画素が共通接続された複数の共通回路とを有し、
   前記共通回路の一方の側の画素に設置された色フィルタは緑であり、他方の画素に設置された色フィルタは赤又は青であり、
   前記複数の画素からの信号が前記共通回路を介して垂直出力線に出力される撮像装置であって、
   前記緑の色フィルタが配置された画素の隣接行の画素をずらして配置し、前記緑の色フィルタが設置された画素と前記隣接行の緑の色フィルタが配置された複数の画素との画素ピッチを等しくしたことを特徴とする撮像装置。
10. 行方向及び列方向に配列された複数の画素と、
    前記複数の画素内の列方向で両側に配置された２つの画素が共通接続された複数の共通 回路とを有し、
    前記共通回路の一方の側の画素に設置された色フィルタは緑であり、他方の画素に設置された色フィルタは赤又は青であり、
    前記複数の画素からの信号が前記共通回路を介して垂直出力線に出力される撮像装置であって、
    前記緑の色フィルタが配置された画素の隣接列の画素をずらして配置し、前記緑の色フィルタが設置された画素と前記隣接列の緑の色フィルタが配置された複数の画素との画素ピッチを等しくしたことを特徴とする撮像装置。
11. 請求項９あるいは請求項１０において、隣接行又は隣接列でずらした画素のずれ量は、画素ピッチの１／２であることを特徴とする撮像装置。
12. 請求項９乃至請求項１１のいずれか１項において、前記共通回路は、前記画素からの信号を増幅して出力する増幅手段を含むことを特徴とする撮像装置。
13. 請求項１２において、前記共通回路は前記画素からの信号を前記増幅手段に転送する転送手段と、前記共通回路内をリセットするリセット手段を含むことを特徴とする撮像装置。
14. 請求項９乃至請求項１３のいずれか１項において、前記共通回路を介して出力された前記画素からの信号から、前記共通回路内のノイズ信号を除去するノイズ除去手段を有することを特徴とする撮像装置。

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