JP4844305B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
グローバルシャッタ型CMOSセンサは、半導体基板上に形成された第1導電型のウェル、及びウェルにおける所定の第1の領域とは異なる第2の領域に形成されてウェルに接続する第2導電型の埋め込み部を有し、光学像を光電変換して電荷を蓄積するフォトダイオードと、第1の領域上にゲート酸化膜を介して形成されたリング状ゲート電極と、リング状ゲート電極の中央開口部に対応するウェル内の領域に形成された第1導電型の第1ソース部と、第1ソース部の周囲にリング状ゲート電極の外周に達しないように、かつ、ゲート酸化膜に接しないようにウェル内に埋め込まれて形成されて第1ソース部に接続しフォトダイオードから転送された電荷を蓄積する第2導電型のソース近傍領域部と、ウェルにおける第1の領域とは異なる第3の領域に第1ソース部及びソース近傍領域部に離間して形成された第1導電型の第1ドレイン部とを有し、ソース近傍領域部に蓄積された電荷を撮像信号として出力するリング状ゲートトランジスタと、第1の領域上に、リング状ゲート電極の一部を覆うように形成された転送ゲート電極を有し、埋め込み部を第2ソース部とし、ソース近傍領域部を第2ドレイン部とし、フォトダイオードに蓄積された電荷をリング状ゲートトランジスタへ全画素一斉に転送する転送ゲートトランジスタと、を画素毎に備え、
転送ゲート電極からリング状ゲート電極までのゲート酸化膜の直下にはウェルが連続して存在しており、転送ゲート電極及びリング状ゲート電極の各電位に応じて転送ゲート電極とリング状ゲート電極との間のウェルの表層部に電荷転送のバリアが発生又は消失し、グローバルシャッタ型CMOSセンサは、フォトダイオードにおける電荷の蓄積を、次の電荷転送が開始されるまで撮像信号の出力期間中も継続して行い、撮像信号をフレーム毎に連続して出力することを特徴とする。
入力されたオーディオ信号を符号化して音声符号化データを生成する音声符号化手段と、グローバルシャッタ型CMOSセンサによる動画撮像中の任意のタイミングで、静止画の撮影の開始を指示する静止画撮像タイミング信号を出力するタイミング信号発生手段と、少なくとも動画符号化データ及び音声符号化データを多重化した多重化信号を生成し、静止画符号化データ入力時は動画符号化データ及び音声符号化データに静止画符号化データを更に多重化した多重化信号を生成する多重化手段と、を更に備えていることを特徴とする。
被写体対象の立体画像の左目用入力光が入射する第2のグローバルシャッタ型CMOSセンサと、を備え、
信号処理手段は、第1のグローバルシャッタ型CMOSセンサから出力される右目用撮像信号と予測信号との差信号に基づいて、動き補償予測を用いた所定の符号化を行って右目用の第1の符号化画像データを生成する第1の画像符号化手段と、第2のグローバルシャッタ型CMOSセンサから出力される左目用撮像信号と予測信号との差信号に基づいて、動き補償予測を用いた所定の符号化を行って左目用の第2の符号化画像データを生成する第2の画像符号化手段と、第1の画像符号化手段及び第2の画像符号化手段の一方で生成される符号化画像データを局部復号して、その局部復号画像と左目用撮像信号又は右目用撮像信号との差分をとって予測信号を生成し、その予測信号を第1の画像符号化手段及び第2の画像符号化手段のそれぞれに供給する予測信号生成手段と、第1の符号化画像データ及び第2の符号化画像データを所定のサイズにパケット化後に多重化して立体画像符号データを生成して出力する多重化手段と、を有し、第1及び第2の画像符号化手段と予測信号生成手段と多重化手段とは同一チップ内に配置されていることを特徴とする。
図1は本発明になる撮像装置の第1の実施の形態のブロック図を示す。同図において、撮像装置100は符号化データ出力機能を備えており、1チップ化されている点に特徴がある。ここで、「1チップ化」とは、同一の半導体基板に形成されていること、あるいは複数の半導体基板に形成された各半導体チップを積層化などで一体化した構造になっていることをいう。
最初に行うのは全画素一斉にフォトダイオード(図3(A)の50、図4の64等)からリング状ゲート電極(図3の45)のソース近傍p型領域(図3の47)にホールを転送することである。そのため、図5(B)に示すように転送ゲート電位制御回路72から出力される転送ゲート制御信号がVddからLow2に下がり、転送ゲート電極(図3の41)の電位がLow2となり、転送ゲートMOSFET65がオン状態になる。
Low≦Low1≦Vg1≦Vdd (ただし、Low<Vdd)
なる不等式が成立する電位である。また、上記の期間(4)ではスイッチSW1が図5(I)に示すようにオフ、スイッチSW2が同図(J)に示すようにオン、スイッチsc1が同図(M)に示すようにオン、スイッチsc2が同図(N)に示すようにオフとされる。この結果、リング状ゲートMOSFET63のソースに接続されたソースフォロア回路が働き、リング状ゲートMOSFET63のソース電位は、図5(L)に示すように期間(4)ではS2(=Vg1−Vth1)となる。ここで、Vth1とはバックゲート(ソース近傍p型領域47)にホールがある状態での、リング状ゲートMOSFET63のしきい値電圧である。このソース電位S2がオンとされているスイッチsc1を通してキャパシタC1に記憶される。
ただし、期間(4)とは異なり、図5(M)、(N)に示すように、スイッチsc1はオフ、スイッチsc2はオンとする。リング状ゲート電極は図5(K)に示すように期間(4)と同じVg1とする。しかし、この期間(6)では直前の期間(5)でホールが基板に排出されていて、ソース近傍p型領域47にはホールが存在しないので、リング状ゲートMOSFET63のソース電位は、図5(L)に示すように期間(6)ではS0(=Vg1−Vth0)となる。ここでVth0は、バックゲート(ソース近傍p型領域47)にホールがない状態でのリング状ゲートMOSFET63のしきい値電圧である。
ホールが完全に排出されたときのソース電極電位は、High1−Vth0になる。この方法では、ソース電位制御回路75のうち、Highsを供給するトランジスタを削減することができ、その結果、チップ面積を減らすことができる。
図7は本発明になる撮像装置の第2の実施の形態のブロック図を示す。本実施の形態の撮像装置は、主に動画像を撮影・記録・再生する為の撮像装置の構成を示すものである。図7において、図示しない被写体の光学像は、光学レンズ135によりグローバルシャッタ型CMOSセンサ136の撮像面上に結像されて電気信号である撮像信号に変換される。このグローバルシャッタ型CMOSセンサ136は、前述した図3に示した構造と同一構造であり、図4と共に説明したように、2次元マトリクス状に規則的に配置されたm行n列の全画素のフォトダイオードに同時に蓄積された電荷(ホール)が、図5に示したタイミングチャートに従って、対応する画素のリング状ゲート電極の下のソース近傍p型領域47に一斉に転送された後、各行単位で順次に画素信号が撮像信号として読み出される。
図12は本発明になる撮像装置の第3の実施の形態のブロック図を示す。同図に示すように、本実施の形態の撮像装置160は、被写体からの光学像を撮像素子162の撮像面にサイズに対応するように縮小して結像させる縮小光学系161と、結像した被写体光学像を光電変換して撮像信号を出力する高精細の撮像素子162と、撮像信号に対して、所定の信号処理を行って映像信号を出力する信号処理装置163とからなり、信号処理装置163の出力映像信号は従来と同様の表示手段164にて画像表示される。
図15は本発明になる撮像装置の第3の実施の形態のブロック図を示す。本実施の形態は、動画をムービーで撮影中に、ユーザからのタイミング情報により動画録画を中断することなく、デジカメ静止画データを記録する機能を備えた撮像装置である。図15において、被写体からの入射光は外部レンズ191及び内部レンズ192をそれぞれ透過して、後述する構造のグローバルシャッタ型CMOSセンサ194に入射して光電変換される。この実施の形態では、動画用と静止画用の両用で撮像するので、高解像度が要求される静止画に解像度を合わせるようにグローバルシャッタ型CMOSセンサ194の仕様を決定する。グローバルシャッタ型CMOSセンサ194は、図3の構造であり、図4に示した等価回路で示され、また図5のタイミングチャートで示した動作を行う。
図16は本発明になる撮像装置の第5の実施の形態のブロック図を示す。同図中、図6と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。この実施の形態の撮像装置は、1チップ化されていなくてもよいが、好ましくは全体が1チップ化されている。図16において、被写体からの入射光は、グローバルシャッタ型CMOSセンサ214により光電変換されて撮像信号がA/D変換器215でデジタル信号に変換された後、動き補償予測器131と減算器121に供給される。グローバルシャッタ型CMOSセンサ214は、図3に示した構造であり、図4及び図5と共に説明したように、2次元マトリクス状に規則的に配置されたm行n列の全画素のフォトダイオードに同時に蓄積された電荷(ホール)が、対応する画素のリング状ゲート電極の下のソース近傍p型領域47に一斉に転送された後、各行単位で順次に画素信号がアナログ信号の撮像信号として読み出される。
図17は本発明になる撮像装置の第6の実施の形態のブロック図を示す。本実施の形態は、立体映像撮像用撮像装置であって、全体が1チップで構成されている。同図において、被写体対象の立体画像の右目用入力光が図示しないレンズ光学系を経てグローバルシャッタ型CMOSセンサ220Rに結像されて光電変換される一方、上記の立体画像の左目用入力光が図示しないレンズ光学系を経てグローバルシャッタ型CMOSセンサ220Lに結像されて光電変換される。
図19は本発明になる撮像装置の第7の実施の形態のブロック図を示す。同図中、図16と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。本実施の形態は監視用途に供するようにした撮像装置(所謂監視カメラ)であり、グローバルシャッタ型CMOSセンサ214の画像情報を処理する画像情報処理手段と、その処理された画像情報から異常を判定する異常判定手段とを有し、異常時にアラーム信号を出力するものであり、全体が1チップで構成されている。
図21は本発明になる撮像装置の第8の実施の形態のブロック図を示す。本実施の形態は、ネットワーク監視カメラとしての撮像装置の例で、グローバルシャッタ型CMOSセンサ253、A/D変換器254及び画像処理部255からなる部分270が1チップで構成されている。画像処理部255は、図1に示したメモリ105、デジタル画像調整部106、画像情報検出部107、エンコーダ部108などから構成されている。
45 リング状ゲート電極
46 n+型ソース領域
47 ソース近傍p型領域
48 n+型ドレイン領域
49 埋め込みp-型領域
50、64 フォトダイオード
51 転送ゲート電極
52、66 ドレイン電極配線
53、69 リング状ゲート電極配線
54、74 ソース電極配線(出力線)
55、71 転送ゲート電極配線
61 画素敷き詰め領域
62 画素
63 リング状ゲートMOSFET
65 転送ゲートMOSFET
100 1チップ化した撮像装置
103、194、253 グローバルシャッタ型CMOSセンサ
104、144、177〜180 A/D変換部
105、146、182 メモリ
106、147、183 デジタル画像調整部
107、148、184 画像情報検出部
108、149、185 エンコーダ部
110 AGC回路
111 縦縞補正回路
112 シェーディング補正回路
113 暗電流補正回路
114 白キズ、黒キズ補正回路
115 手振れ補正回路
116 フィルタ補正回路
117 ガンマ補正回路
118 輪郭強調処理回路
119 ホワイトバランス回路
137、163 1チップ化した信号処理装置
138 信号記録再生装置
150 デコーダ部
162 4つの分割撮像領域を有するグローバルシャッタ型の撮像素子
197 解像度変換器
201 静止画撮像タイミング信号発生器
202 管理データメモリ
203 音声符号化器
204 静止画符号化器
205 動画符号化器
206 静止画ズーム情報発生器
207、233 多重化器
220R 右目用グローバルシャッタ型CMOSセンサ
220L 左目用グローバルシャッタ型CMOSセンサ 235 分離化器
243 立体表示装置
255 画像処理部
256 画像蓄積メモリ
257 制御用マイクロコンピュータ(マイコン)
258 通信処理部
Claims (9)
- 被写体の光学像を複数の全画素のフォトダイオードに露光の開始と終了のタイミングが全画素同時となるように露光して光電変換して得た電荷を全画素に蓄積した後、前記露光の期間に蓄積した電荷を各画素から撮像信号として順次出力するグローバルシャッタ型CMOSセンサと、
前記撮像信号を符号化して符号化データを生成する画像符号化手段を有する信号処理手段と、
を同一チップ内に備え、
前記グローバルシャッタ型CMOSセンサは、
半導体基板上に形成された第1導電型のウェル、及び前記ウェルにおける所定の第1の領域とは異なる第2の領域に形成されて前記ウェルに接続する第2導電型の埋め込み部を有し、前記光学像を光電変換して電荷を蓄積するフォトダイオードと、
前記第1の領域上にゲート酸化膜を介して形成されたリング状ゲート電極と、前記リング状ゲート電極の中央開口部に対応する前記ウェル内の領域に形成された第1導電型の第1ソース部と、前記第1ソース部の周囲に前記リング状ゲート電極の外周に達しないように、かつ、前記ゲート酸化膜に接しないように前記ウェル内に埋め込まれて形成されて前記第1ソース部に接続し前記フォトダイオードから転送された前記電荷を蓄積する第2導電型のソース近傍領域部と、前記ウェルにおける前記第1の領域とは異なる第3の領域に前記第1ソース部及び前記ソース近傍領域部に離間して形成された第1導電型の第1ドレイン部とを有し、前記ソース近傍領域部に蓄積された電荷を前記撮像信号として出力するリング状ゲートトランジスタと、
前記第1の領域上に、前記リング状ゲート電極の一部を覆うように形成された転送ゲート電極を有し、前記埋め込み部を第2ソース部とし、前記ソース近傍領域部を第2ドレイン部とし、前記フォトダイオードに蓄積された前記電荷を前記リング状ゲートトランジスタへ全画素一斉に転送する転送ゲートトランジスタと、
を画素毎に備え、
前記転送ゲート電極から前記リング状ゲート電極までの前記ゲート酸化膜の直下には前記ウェルが連続して存在しており、前記転送ゲート電極及び前記リング状ゲート電極の各電位に応じて前記転送ゲート電極と前記リング状ゲート電極との間の前記ウェルの表層部に電荷転送のバリアが発生又は消失し、前記グローバルシャッタ型CMOSセンサは、前記フォトダイオードにおける電荷の蓄積を、次の電荷転送が開始されるまで前記撮像信号の出力期間中も継続して行い、前記撮像信号をフレーム毎に連続して出力することを特徴とする撮像装置。 - 前記信号処理手段は、
前記グローバルシャッタ型CMOSセンサから出力された前記撮像信号に対して、撮像画像の濃度むらであるシェーディングを補正するシェーディング補正手段と、前記グローバルシャッタ型CMOSセンサの画素毎に得られている暗電流レベルの情報から画素毎に撮像信号レベルを調整する暗電流補正手段と、前記グローバルシャッタ型CMOSセンサの予め得られている欠陥画素を、隣接する画素情報で置き換えて欠陥を目立たなくするキズ補正手段と、前記撮像信号に対して手振れによる画素ずれ情報に基づいてその画素ずれを補正する方向に画像として切り出す領域をずれた画素数分だけずらす手振れ補正手段と、前記撮像信号に対して所定の計算式に従ったガンマ補正を行うガンマ補正手段と、前記撮像信号に対してエッジ部を強調する輪郭補正手段と、赤、緑、赤の光の三原色の撮像信号レベルをそれぞれ調整してホワイトバランス調整を行うホワイトバランス手段とのうち、少なくとも一の手段を含む画像調整手段を更に有することを特徴とする請求項1記載の撮像装置。 - 前記信号処理手段は、
前記撮像信号の、ある瞬間の画像と次の瞬間の画像とを比較し、その比較結果に基づき予め定めた画像領域の全体が同じ画素数だけずれているときに手振れが生じたと判断して画素のずれ量の手振れ検出信号を少なくとも生成して前記画像調整手段へ出力する画像検出手段を、更に有することを特徴とする請求項2記載の撮像装置。 - 前記画像符号化手段は、前記撮像信号に対して所定の信号処理を行って画像信号を生成して出力すると共に、その画像信号を所定の符号化方式により符号化して第1の符号化画像データを生成して出力し、
前記信号処理手段は、外部から入力された第2の符号化画像データを復号し、復号画像信号として出力する画像復号化手段を更に有し、
前記画像符号化手段から出力された前記第1の符号化画像データを記録媒体に記録し、前記記録媒体から再生した符号化画像データを前記第2の符号化画像データとして前記画像復号化手段へ供給する信号記録再生手段と、
前記信号処理手段から出力される前記画像信号又は前記復号画像信号を表示する信号表示手段と、
を更に備えていることを特徴とする請求項1記載の撮像装置。 - 前記グローバルシャッタ型CMOSセンサは、複数の読み出し領域に分割された撮像領域を有し、
前記信号処理手段は、前記複数の読み出し領域から並列に出力された複数の前記撮像信号に対して、所定の信号処理を行い、表示手段に適した信号形態に変換して出力する信号変換手段を有し、
前記被写体の光学像を前記グローバルシャッタ型CMOSセンサの前記撮像領域上に結像する光学系を更に備えていることを特徴とする請求項1記載の撮像装置。 - 前記画像符号化手段は、前記グローバルシャッタ型CMOSセンサから出力された前記撮像信号を所定の符号化方式で符号化して動画符号化データを生成する動画符号化手段と、静止画撮像タイミング信号が入力されたときに、前記グローバルシャッタ型CMOSセンサから出力された前記撮像信号を所定の符号化方式で符号化して静止画符号化データを生成する静止画符号化手段とを有し、
入力されたオーディオ信号を符号化して音声符号化データを生成する音声符号化手段と、
前記グローバルシャッタ型CMOSセンサによる動画撮像中の任意のタイミングで、静止画の撮影の開始を指示する前記静止画撮像タイミング信号を出力するタイミング信号発生手段と、
少なくとも前記動画符号化データ及び前記音声符号化データを多重化した多重化信号を生成し、前記静止画符号化データ入力時は前記動画符号化データ及び前記音声符号化データに前記静止画符号化データを更に多重化した多重化信号を生成する多重化手段と、
を更に備えていることを特徴とする請求項1記載の撮像装置。 - 被写体対象の立体画像の右目用入力光が入射する第1の前記グローバルシャッタ型CMOSセンサと、
前記被写体対象の立体画像の左目用入力光が入射する第2の前記グローバルシャッタ型CMOSセンサと、
を備え、
前記信号処理手段は、
前記第1のグローバルシャッタ型CMOSセンサから出力される右目用撮像信号と予測信号との差信号に基づいて、動き補償予測を用いた所定の符号化を行って右目用の第1の符号化画像データを生成する第1の画像符号化手段と、
前記第2のグローバルシャッタ型CMOSセンサから出力される左目用撮像信号と前記予測信号との差信号に基づいて、動き補償予測を用いた所定の符号化を行って左目用の第2の符号化画像データを生成する第2の画像符号化手段と、
前記第1の画像符号化手段及び前記第2の画像符号化手段の一方で生成される符号化画像データを局部復号して、その局部復号画像と前記左目用撮像信号又は前記右目用撮像信号との差分をとって前記予測信号を生成し、その予測信号を前記第1の画像符号化手段及び前記第2の画像符号化手段のそれぞれに供給する予測信号生成手段と、
前記第1の符号化画像データ及び前記第2の符号化画像データを所定のサイズにパケット化後に多重化して立体画像符号データを生成して出力する多重化手段と、
を有し、前記第1及び第2の画像符号化手段と前記予測信号生成手段と前記多重化手段とは同一チップ内に配置されていることを特徴とする請求項1記載の撮像装置。 - 前記画像符号化手段は、前記グローバルシャッタ型CMOSセンサから出力された前記撮像信号と予測信号との差信号に基づいて、動き補償予測を用いた所定の符号化を行って符号化画像データを生成し、
前記動き補償予測により得られる動きベクトル情報を用いて、被写体画像に所定変位以上の動きがあるか否か監視し、前記所定変位以上の動きがあった時に異常判定してアラーム信号を生成して出力する異常判定手段を更に備え、
前記画像符号化手段及び前記異常判定手段は同一チップ内に配置されていることを特徴とする請求項1記載の撮像装置。 - 前記グローバルシャッタ型CMOSセンサから出力されて前記画像処理手段により処理された監視対象の被写体の撮像信号をネットワークへ送出する通信処理手段を更に備えていることを特徴とする請求項1記載の撮像装置。
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