JP5326751B2 - 固体撮像装置、固体撮像装置の信号処理方法および電子機器 - Google Patents
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Description
縦横のサイズが異なる長方画素が複数配置され、当該長方画素を隣り合う複数個組み合わせることによって縦横のサイズが同じ正方画素となる画素アレイ部を有する固体撮像装置において、
前記複数個の長方画素を組として当該複数個の長方画素から信号を読み出し、
前記複数個の長方画素から読み出される複数の信号を処理して一つの信号として出力するようにする。
1.本発明が適用される固体撮像装置(CMOSイメージセンサの例)
2.本実施形態の特徴部分
3.変形例
4.電子機器(撮像装置の例)
図1は、本発明が適用される固体撮像装置、例えばX−Yアドレス型固体撮像装置の一種であるCMOSイメージセンサのシステム構成の概略を示すシステム構成図である。ここで、CMOSイメージセンサとは、CMOSプロセスを応用して、または部分的に使用して作成されたイメージセンサである。
上述した構成のCMOSイメージセンサ10において、本実施形態では、単位画素の縦横比を1:1(正方画素)以外、即ち単位画素の形状を縦横のサイズが異なる長方形(長方画素)にする。そして、当該単位画素を隣り合う複数個組み合わせることによって縦横のサイズが同じ正方画素となるようにし、これら組となる複数個の単位画素から一つの信号を出力することを特徴とする。
図2は、実施例1に係る画素アレイ部12の画素配列の一例を示す構成図である。図2に示すように、画素アレイ部12には、光電変換素子を含む単位画素30が多数行列状に2次元配置されている。ここで、単位画素30は、横(行方向)のサイズが縦(列方向)のサイズの2倍長い、即ち縦横のピッチ比が1:2のいわゆる横長の長方画素となっている。
ここで、実施例1に係る画素アレイ部12の画素配列、即ちG,B,G,B,……の色配列と、R,G,R,G,……の色配列とが2行ごとに繰り返される画素配列に対する走査方法について、図3を用いて説明する。この走査は、図1の垂直駆動部13による駆動の下に実行される。なお、図3を用いて説明する走査方法は公知の走査方法である。
続いて、上述した走査方法による走査の下に、実施例1に係る画素アレイ部12の各画素30から出力される信号を処理するカラム処理部14について説明する。カラム処理部14は、画素アレイ部12の画素列に対応して設けられた単位回路の集合である。以下、カラム処理部14を構成する単位回路の個々をカラム回路と呼ぶこととする。
判定回路142は、画素の飽和レベルを判定基準とし、奇数行の画素から来た信号が飽和していないかを判定し、飽和していないレベルのときはフラグFLに論理“0”を、飽和しているレベルのときはフラグFLに論理“1”を書き込む。そして、判定回路142は、CDS回路141から受けた信号と共にフラグFLをAD変換回路143に送る。
判定回路142は、偶数行の画素から来た信号に対して判定処理を行わず、当該信号を奇数行の画素の信号に対する判定結果、即ちフラグFLの値と共にAD変換回路143に送る。AD変換回路143は、判定回路142からフラグFLの値と共に偶数行の画素の信号を受け取ると、フラグFLが論理“1”のときにだけ動作し、偶数行の画素の信号をAD変換してラッチ144に渡す。
以下に、n=2以外、例えばn=3の場合、即ち互いに感度が異なる3つの画素を組とする場合を例に挙げて、変形例1に係るカラム処理(カラム回路14Aの信号処理)として説明する。
判定回路142は、画素の飽和レベルを判定基準とし、1行目の画素から来た信号が飽和していないかを判定し、飽和していないレベルのときはフラグFLに論理“0”を、飽和しているレベルのときはフラグFLに論理“1”を書き込む。そして、判定回路142は、CDS回路141から受けた信号と共にフラグFLをAD変換回路143に送る。
判定回路142は、2行目の画素から来た信号に対して判定処理を行わず、当該信号を1行目の画素の信号に対する判定結果、即ちフラグFLの値と共にAD変換回路143に送る。AD変換回路143は、判定回路142からフラグFLの値と共に2行目の画素の信号を受け取ると、当該フラグFLの値に関わらず動作し、2行目の画素の信号をAD変換する。このとき、AD変換回路143は、フラグFLが論理“0”のときにはAD変換結果をラッチ144´のラッチ2に書き込み、フラグFLが論理“1”のときには、ラッチ144´のラッチ1が空き状態にあるために、当該ラッチ1にAD変換結果を書き込む。
判定回路142は、3行目の画素から来た信号に対して判定処理を行わず、当該信号を1行目の画素の信号に対する判定結果、即ちフラグFLの値と共にAD変換回路143に送る。AD変換回路143は、判定回路142からフラグFLの値と共に3行目の画素の信号を受け取ると、フラグFLが論理“1”のときにだけ動作し、3行目の画素の信号をAD変換する。
まず、判定回路142は、CDS回路141でCDS処理されたi行目の画素の信号が飽和しているか否かを判定し、判定結果をフラグFLに書き込む。具体例2の場合と同様に、判定回路142は、S/H回路146′(S/H回路1,2)に対しての制御も行う。具体的には、i行目の画素の信号が飽和していなければ、判定回路142はS/H回路1を動作させ、i行目の画素の信号を保持させる。i行目の画素の信号が飽和していれば、判定回路142はS/H回路1,2とも動作させない。
判定回路142は、フラグFLの値を参照し、i行目の画素の信号が飽和していた場合には、CDS回路141でCDS処理されたi+1行目の画素の信号をS/H回路1に取り込ませる。i行目の画素の信号が飽和していなかった場合には、判定回路142は、CDS回路141でCDS処理されたi+1行目の画素の信号をS/H回路2に取り込ませる。
判定回路142は、フラグFLの値を参照し、i行目の画素の信号が飽和していた場合には、CDS回路141でCDS処理されたi+2行目の画素の信号をS/H回路2に取り込ませる。i行目の画素の信号が飽和していなかった場合には、判定回路142は、S/H回路1,2とも動作させない。
次に、AD変換回路143は、S/H回路1に保持されていた信号をAD変換処理して演算回路147に渡す。次いで、AD変換回路143は、S/H回路2に保持されていた信号をAD変換処理して演算回路147に渡す。
Si×(1−α1)+Si+1×r1×α1
なる演算処理を行ってその演算結果を保持する。
Si+1×r1×(1−α2)+Si+2×r2×α2
なる演算処理を行ってその演算結果を保持する。
図15は、実施例1に係る画素回路の構成の一例を示す回路図である。図15に示すように、上下2画素30U,30Lは、光電変換素子であるフォトダイオード(PD)31U,31Lと、転送トランジスタ32U,32Lとを別々に有している。そして、上下2画素30U,30Lは、回路素子の一部、例えばリセットトランジスタ33、選択トランジスタ34および増幅トランジスタ35の3つのトランジスタを上下2画素間で共有する構成を採っている。
ところで、CMOSイメージセンサでは、感度を上げるために、オンチップカラーフィルタ40の上にオンチップレンズを画素毎に置くことが多い。本実施例1の場合は、単位画素30の形状が横長であるために、オンチップレンズで上手に集光することが難しい。その理由は、オンチップレンズは円形でないと作成が難しいことや、そもそもレンズというものは円形でないと集光が難しいことによる。
このオンチップレンズによる集光の問題を解決するには、裏面入射型や光電変換膜積層型の画素構造として、開口率を100%とし、オンチップレンズを用いない画素構造を採ることが好ましい。裏面入射型は、配線層と反対側から入射光を取り込む構造のものである。光電変換膜積層型は配線層よりも入射光側に積層された光電変換膜にて光電変換を行う構造のものである。以下に、一例として、裏面入射型の画素構造について説明する。
上記実施例1では、シャッタ走査を奇数行と偶数行とで違えて、蓄積時間の差によって上下2画素の感度を違えるとしたが、それ以外の感度を違える方法を採用してもよい。例えば、偶数行のみND(neutral density filter)フィルタを貼り付けたり、図17に示すように、奇数行の単位画素30のみにオンチップレンズ49を設けたりすることで、上下2画素の感度を違えることができる。ここで、NDフィルタとは、色に影響を与えずに、可視域の光量をほぼ均一に減光させる光量調整フィルタである。
図18は、実施例2に係る画素アレイ部12の画素配列の一例を示す構成図である。図18に示すように、画素アレイ部12には、光電変換素子を含む単位画素30が多数行列状に2次元配置されている。ここで、単位画素30は、縦(列方向)のサイズが横(行方向)のサイズの2倍長い、即ち縦横のピッチ比が2:1のいわゆる縦長の長方画素となっている。
ここで、実施例2に係る画素アレイ部12の画素配列、即ちG,R,G,R,……の色配列と、B,G,B,G,……の色配列とが2列ごとに繰り返される画素配列に対する走査方法について、図19を用いて説明する。この走査は、図1の垂直駆動部13による駆動の下に実行される。
図20は、実施例2に係る画素回路の構成の一例を示す回路図であり、図中、図15と同等部分には同一符号を付して示している。
図21は、実施例2に係るカラム回路14Bの構成の一例を示すブロック図であり、図中、図4と同等部分には同一符号を付して示している。
実施例2では、画素回路の一部を左右2画素30o,30e間で共有するとしたが、本実施例3では、大判のCMOSイメージセンサを前提として、左右2画素30o,30e間で画素回路の一部を共有しない構成を採る。大判のCMOSイメージセンサのようにプロセスに余裕がある場合には、画素回路の一部を共有しなくても、隣り合う左右2画素30o,30e間のオフセットや感度の特性を揃えることができる。画素の配列およびカラーコーディングについては実施例2の場合と同じである。
図22は、実施例3に係る画素回路の構成の一例を示す回路図であり、図中、図20と同等部分には同一符号を付して示している。
同じ行でも奇数列と偶数列とで別配線の転送線1211o,1211eにて転送駆動するようにすることで、シャッタについては奇数列と偶数列で別々に走査して、読み出しについては奇数列と偶数列で同時に行うことができる。図23に走査手順を示す。図23に示すように、シャッタについては奇数列と偶数列で別々に行われるが、読み出しについては1行同時に行われる。
図24は、実施例3に係るカラム回路14Cの構成の一例を示すブロック図であり、図中、図4と同等部分には同一符号を付して示している。
以上説明した実施例1〜3では、単位画素30として、縦横のサイズ比が1:2(2:1)の長方画素を用い、上下または左右の2画素を組とするとしたが、これに限られるものではない。例えば、縦横のサイズ比が1:3、1:4、…とし、上下または左右の3画素、4画素、…を組として、3画素や4画素の信号を扱うことも可能である。
本発明に係る固体撮像装置は、画像取込部(光電変換部)に固体撮像装置を用いる電子機器全般に搭載して用いることができる。電子機器としては、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置(カメラシステム)や、携帯電話機などの撮像機能を有する携帯端末装置や、画像読取部に固体撮像装置を用いる複写機などが挙げられる。なお、電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、即ちカメラモジュールを撮像装置とする場合もある。
図26は、本発明に係る電子機器の一つである例えば撮像装置の構成の一例を示すブロック図である。図26に示すように、本発明に係る撮像装置100は、レンズ群101等を含む光学系、撮像素子102、カメラ信号処理部であるDSP回路103、フレームメモリ104、表示装置105、記録装置106、操作系107および電源系108等を有している。そして、DSP回路103、フレームメモリ104、表示装置105、記録装置106、操作系107および電源系108がバスライン109を介して相互に接続された構成となっている。
Claims (17)
- 縦横のサイズが異なる長方画素が複数配置され、当該長方画素を隣り合う複数個組み合わせることによって縦横のサイズが同じ正方画素となる画素アレイ部と、
前記複数個の長方画素を組として当該複数個の長方画素から読み出される複数の信号を一つの信号として出力する処理を行う信号処理部と、
を備え、
前記複数の信号は、高感度の画素の信号と低感度の画素の信号の2つの信号であり、
高感度の画素と低感度の画素とは、オンチップレンズの有無によって互いに感度が異なる固体撮像装置。 - 前記複数個の長方画素の縦横短い方の画素ピッチは、前記画素アレイ部へ入射光を取り込む光学系の解像度よりも小さい請求項1に記載の固体撮像装置。
- 前記複数個の長方画素は、同色のカラーフィルタを持つ請求項1に記載の固体撮像装置。
- 前記信号処理部は、前記高感度の画素の信号が飽和していないレベルのときは当該高感度の画素の信号を出力し、前記高感度の画素の信号が飽和しているレベルのときは前記低感度の画素の信号を出力する請求項1に記載の固体撮像装置。
- 前記複数個の長方画素は、画素回路を構成する回路素子の一部を共有する請求項1に記載の固体撮像装置。
- 前記複数個の長方画素は、配線が形成される層と反対側から入射光を取り込む裏面入射型の画素構造、または配線が形成される層よりも入射光側に積層された光電変換膜にて光電変換を行う光電変換膜積層型の画素構造である請求項1に記載の固体撮像装置。
- 画素が行列状に2次元配置された画素アレイ部と、
前記画素アレイ部からn個(2≦n)の画素を組として当該n個の画素から順番に読み出されるn個の信号が所定値以上か否かを前記n個の信号の読み出しの都度判定する判定回路を有し、当該判定回路の判定結果を基にn個よりも少ないm個(1≦m<n)の信号について所定の信号処理を行う信号処理部と、
を備え、
前記複数の信号は、高感度の画素の信号と低感度の画素の信号の2つの信号であり、
高感度の画素と低感度の画素とは、オンチップレンズの有無によって互いに感度が異なる固体撮像装置。 - 前記n個の信号は、前記判定回路に対して感度の高い画素の信号から入力され、
前記信号処理部は、前記n個の信号のうち、前記判定回路によって前記所定値以上と判定された信号については前記所定の信号処理を行わない請求項7に記載の固体撮像装置。 - 前記信号処理部は、前記m個の信号が前記n個の信号のうちどの信号に由来するかを識別する情報を保持する請求項7に記載の固体撮像装置。
- 前記信号処理部は、前記画素アレイ部の画素列ごとに配されている請求項7に記載の固体撮像装置。
- 前記信号処理部は、前記m個の信号を保持し、前記n個の信号を読み出した後に前記m個の信号について前記所定の信号処理を行う請求項7に記載の固体撮像装置。
- 前記信号処理部は、前記所定の信号処理を行った後の前記m個の信号についてダイナミックレンジを拡大するための演算処理を行う請求項11に記載の固体撮像装置。
- 縦横のサイズが異なる長方画素が複数配置され、当該長方画素を隣り合う複数個組み合わせることによって縦横のサイズが同じ正方画素となる画素アレイ部を備え、
前記複数の信号は、高感度の画素の信号と低感度の画素の信号の2つの信号であり、
高感度の画素と低感度の画素とは、オンチップレンズの有無によって互いに感度が異なる固体撮像装置の信号処理に当たって、
前記複数個の長方画素を組として当該複数個の長方画素から信号を読み出し、
前記複数個の長方画素から読み出される複数の信号を処理して一つの信号として出力する固体撮像装置の信号処理方法。 - 前記高感度の画素の信号が飽和していないレベルのときは当該高感度の画素の信号を用いて映像信号を生成し、
前記高感度の画素の信号が飽和しているレベルのときは前記低感度の画素の信号を用いて映像信号を生成する請求項13に記載の固体撮像装置の信号処理方法。 - 前記一つの信号は、正方格子の信号である請求項13に記載の固体撮像装置の信号処理方法。
- 縦横のサイズが異なる長方画素が複数配置され、当該長方画素を隣り合う複数個組み合わせることによって縦横のサイズが同じ正方画素となる画素アレイ部を有し、前記複数個の長方画素を組として当該複数個の長方画素から読み出される複数の信号を処理して一つの信号として出力する固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の撮像面に入射光を取り込む光学系と、
を具備し、
前記複数の信号は、高感度の画素の信号と低感度の画素の信号の2つの信号であり、
高感度の画素と低感度の画素とは、オンチップレンズの有無によって互いに感度が異なる電子機器。 - 前記複数個の長方画素の縦横短い方の画素ピッチは、前記光学系の解像度よりも小さい請求項16に記載の電子機器。
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