JPWO2019225668A1 - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents
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Abstract
Description
第2の態様によると、撮像装置は、第1の態様の撮像素子と、前記第2信号に基づいて画像データを生成する生成部と、を備える。
図1は、第1の実施の形態に係る撮像素子を用いた撮像装置の構成を模式的に示す断面図である。撮像装置1は、撮像光学系2、撮像素子3、制御部4、レンズ駆動部5、および表示部6を備える。
図2(a)は、本発明の実施形態の撮像素子3を撮像面側から、すなわち図1の−Z側から見た図である。撮像素子3は、図2のx方向およびy方向に配列される複数の画素30を有している。図2では一部を省略して描いているが、画素30は、x方向およびy方向にそれぞれ例えば1000個以上に渡って多数配列されていても良い。
複数の画素30が配列された領域(撮像領域)の、図中の左端には水平制御部HCが設けられ、図中の上端には垂直制御部VCが設けられている。
図2では、説明を容易にするために1つの画素ブロックBCに相当する部分にハッチング付している。ただし、破線で示した各境界線BBにより囲まれる各領域がそれぞれ画素ブロックBCである。複数の画素30は分割されて、複数の画素ブロックBCの中に配列されている。
1つの画素ブロックBC内のx方向およびy方向の画素の配列数は、4個に限られるものではなく、6個や8個等の他の数であってもよい。x方向とy方向で配列数が異なっていても良い。
また、画素ブロックBCの外郭形状は図2に示した長方形に限られるものではなく、複数の画素30を包含する任意の形状であっても良い。この場合、境界線BBの形状は単純な直線ではなく、複数の直線が折れ曲がって接続された形状になる。
図2(b)に示したとおり、複数の画素30には、例えばR(赤)、G(緑)、B(青)の異なる分光特性を有する3つのカラーフィルタ(色フィルタ)のいずれかが設けられる。Rのカラーフィルタは主に赤色の波長域の光を透過し、Gのカラーフィルタは主に緑色の波長域の光を透過し、Bのカラーフィルタは主に青色の波長域の光を透過する。画素は、配置されたカラーフィルタによって異なる分光特性を有する。画素30には、赤(R)の光に感度を有する画素(以下、R画素Rと称する)と、緑(G)の光に感度を有する画素(以下、G画素Gと称する)と、青(B)の光に感度を有す画素(以下、B画素Bと称する)とがある。これらの画素30は、いわゆるベイヤー配列で配列されている。G画素GbはB画素Bと同じx方向に配置されたG画素であり、G画素GrはR画素Rと同じx方向に配置されたG画素である。
特殊画素ZZは、AF画素に限らず、感度が上述の撮像画素30cのいずれとも異なる画素であっても良い。また、分光特性が上述の撮像画素30cのいずれとも異なるカラーフィルタを有する画素であってもよい。
特殊画素ZZは、第1画素と解釈することもできる。これに対し、撮像画素30cは、第2画素と解釈することもできる。
複数の画素ブロックBCのうち少なくとも1つの画素ブロックBCは、画素ブロックBC2のように少なくとも1つの特殊画素ZZと複数の撮像画素30cで構成される。複数の画素ブロックBCのうち少なくとも1つの画素ブロックBCは、画素ブロックBC1のように全てが撮像画素30cで構成されていても良い。
4つの画素(Gb,Z2,R,Gr)は、いずれも基本的にはいわゆる4トランジスタ型のCMOS型撮像素子であるが、後述するとおり、いわゆる選択トランジスタの構成が通常の4トランジスタ型のCMOS型撮像素子とは異なっている。
あるいは、増幅トランジスタTAを、出力部(第2出力部)と解釈することもできる。第2出力部は、増幅トランジスタTAと、水平選択トランジスタTH2および垂直トランジスタTVの一方または両方を含めてもよい。
あるいは、増幅トランジスタTAを、出力部(第1出力部)と解釈することもできる。第2出力部は、増幅トランジスタTAと、水平選択トランジスタTH1および垂直トランジスタTVの一方または両方を含めてもよい。
また、水平選択線HSは、第2画素(撮像画素30c)の出力部である第2出力部(選択トランジスタTH2)を制御するので、第2制御線と解釈することもできる。
さらに、垂直選択線VSは、第3制御線と解釈することもできる。
例えば、表示部6にスルー画像(ライブビュー画像)を表示する場合や動画撮影を行う場合、制御部4は、複数の画素30の信号を加算した加算信号に基づいて画像データを生成する。加算信号に基づいた画像データは、撮像素子の総画素数よりも少ない画素数の画像データとなる。また、複数の画素30の信号を加算することにより各画素30の信号に混入するノイズが平滑化されるため、制御部4はよりノイズの少ない画像を生成することができる。画素ブロックBC内の任意の数の画素30の信号を加算するため、垂直制御部VCおよび水平制御部HCは、任意の数の画素30の信号を同時に出力線RWに出力させる。読出部は、同時に出力線RWに出力された、画素ブロックBC内の任意の数の画素30の信号を加算信号として読み出す。なお、任意の数の画素30は同時に出力線RWに信号を出力しなくともよい。任意の数の画素30は互いの信号が出力線RWに出力されている間に、互いの信号を出力すればよい。
例えば、図2(b)に示す画素ブロックBC2内の全てのR画素Rの信号を加算して出力させる場合、垂直制御部VCは、R画素に接続されている垂直選択線VS5およびVS7に、垂直選択トランジスタTVを導通させる信号を送る。垂直制御部VCは、例えば、電源電圧を供給する。一方、垂直制御部VCは、R画素に接続されていない垂直選択線VS6およびVS8に、垂直選択トランジスタTVを非導通にさせる信号を送る。垂直制御部VCは、例えば、接地電圧を供給する。
以上の垂直制御部VCおよび水平制御部HCの制御により、垂直選択線VS5およびVS7と、水平選択線HS2およびHS4とが交差する位置に配置されている4つのR画素Rは、垂直選択トランジスタTVおよび水平選択トランジスタTH2が共に導通状態となる。従って、これらの4つのR画素Rの信号は同時に出力線RWに出力される。4つのR画素Rの信号は出力線RWに同時に出力されることで加算される。読出部は、出力線RWに出力された、4つのR画素Rの信号を加算信号として読み出す。
画素ブロックBC2内の全てのB画素Bの信号を加算して出力させる場合、水平制御部HCは、水平選択トランジスタTH2を導通させる信号を水平選択線HS1に送る。さらに、水平制御部HCは、水平選択線HS1以外の水平選択線HSに水平選択トランジスタTH2を非導通にする信号を送ると共に、特殊水平選択線ZSに特殊水平選択トランジスタTH1を非導通にする信号を送る。
ただし、水平選択線HS3は、画素ブロックBC2とx方向に隣接する画素ブロックBC1等の他の画素ブロックBCと共用されているので、水平制御部HCが水平選択線HS3に送る信号は、他の画素ブロックBCでの読み出しに適した信号を送ることが好ましい。
このとき、出力線RWに出力されるG画素Gの信号に特殊画素Z1およびZ2の信号が混入しないように、水平制御部HCは特殊水平選択線ZSに特殊水平選択トランジスタTH1を非導通にする信号を送る。
各画素ブロックBCの読出部で読み出された信号は、不図示の出力回路を経て、撮像素子3から出力される。
また、1つの画素ブロックBCに、2つの読出部を設けてもよい。1つの出力線RWに2つの読出部を接続させることで、2つの読出部それぞれが特殊画素ZZの信号と撮像画素30cの信号とを読み出すようにしてもよい。これにより、読出部は、特殊画素ZZの信号と撮像画素30cの信号とを、それぞれ最適のゲイン等の読出条件で読み出すことができる。
第2半導体基板8には、画素下部30yに含まれる垂直選択トランジスタTV、水平選択トランジスタTH2、特殊水平選択トランジスタTH1、垂直選択線VS、水平選択線HS、特殊水平選択線ZSと、読出部および電流源CSなどが配置されている。
垂直制御部VCおよび水平制御部HCは、第1半導体基板7および第2半導体基板8のどちらに配置してもよい。
各画素30のカラーフィルタ73には、各画素の分光感度特性に合わせたカラーフィルタが配置されている。
特殊画素ZZの感度は、特殊画素ZZの受光部31の面積を撮像画素30cの受光部31の面積と異ならせる、または受光部31へのイオン注入の条件を異ならせることによって、撮像画素30cの感度と異ならせてもよい。
特殊画素ZZと撮像画素30cとの感度を異ならせることにより、特殊画素ZZおよび撮像画素30cは互いに異なる信号を出力する。異なる信号に基づいて画像データを生成することで、画像の画質(解像度、諧調、色)を向上させることができる。
特殊画素Z1は、カラーフィルタ73と第1半導体基板7の境界部に、受光部31の右側を遮光する遮光部75Rが設けられる。一方、特殊画素Z2は、その境界部に、受光部31の左側を遮光する遮光部75Lが設けられる。
この結果、特殊画素Z1およびZ2は、それぞれ異なる入射方向から入射する光に対する感度が低下し、逆に言えば、それぞれ異なる入射方向から入射する光に対する感度が相対的に高くなる。
なお、遮光部75R、75Lを設ける位置は、上述のカラーフィルタ73と第1半導体基板7の境界部に限られるわけではなく、マイクロレンズ74から第1半導体基板7までの間のどこかに設ければよい。
また、各画素30の信号の出力を制御する水平選択線HS、特殊水平選択線ZS、および垂直選択線VSは、水平方向(x方向)および垂直方向(y方向)に延在するものでなくてもよい。そして、水平選択線HS、特殊水平選択線ZS、および垂直選択線VSは、複数の画素30で共有されていなくもよい。
(1)以上の実施形態の撮像素子3は、光を光電変換して電荷を生成する第1光電変換部(第1画素ZZ中のフォトダイオードPD)と、第1光電変換部で生成された電荷に基づく第1信号を出力する第1出力部TH1と、光を光電変換して電荷を生成する複数の第2光電変換部(撮像画素30c中のフォトダイオードPD)と、第2光電変換部で生成された電荷に基づく第2信号を出力する複数の第2出力部TH2と、第1出力部TH1と複数の第2出力部TH2とが接続され、第1信号および第2信号の少なくとも1つが出力される出力線RWと、第1出力部TH1から出力線RWへの第1信号の出力を制御するための第1制御線(特殊水平選択線ZS)と、複数の第2出力部TH2から出力線RWへの第2信号の出力を制御するための第2制御線(水平選択線HS)と、を有している。
このような構成としたので、出力線RWに接続された複数の画素のうち、任意の1つまたは複数の画素の30の出力を選択して、出力線RWに出力させることができる。
(3)さらに、第1出力部TH1が第1信号を出力する間、第2出力部TH2は第2信号を出力しないよう第2制御線(水平選択線HS)を介して制御される構成とすることで、第1光電変換部に基づく第1信号の出力への、第2光電変換部に基づく第2信号の混入を防ぎ、より正確な信号を出力することができる。
(5)さらに、複数の第2出力部TH2が複数の第2信号を同時に出力する間、第1出力部TH1は第1信号を出力しないよう第1制御線(特殊水平選択線ZS)を介して制御される構成とすることで、第2光電変換部に基づく第2信号の出力への、第1光電変換部に基づく第1信号の混入を防ぎ、より正確な信号を出力することができる。
(7)さらに、第1制御線(特殊水平選択線ZS)と第2制御線(水平選択線HS)とは、第1方向に設けられ、第3制御線(垂直選択線VS)は、第1方向と交差する第2方向に設けられる構成とすることで、出力線RWから出力を読み出す画素30の選択を、簡便に行うことができる。
(9)さらに、第1出力部TH1は、焦点検出に用いる第1信号を出力し、第2出力部TH2は、画像生成に用いる第2信号を出力する構成とすることで、第1画素ZZを像面位相差合焦検出のための画素として使用することができる。
(11)さらに、第2光電変換部は、第1分光特性を有する第1フィルタを透過した光を光電変換する構成とすることで、撮像素子3に所望の分光感度を持たせることができる。
(12)さらに、第1光電変換部は、第1分光特性と異なる第2分光特性を有する第2フィルタを透過した光を光電変換する構成とすることで、第1画素(特殊画素ZZ)には、それに最適な分光感度を持たせることができる。
(14)さらに、制御部(選択トランジスタTV、TH1、TH2)は、第1光電変換部および複数の第2光電変換部を有する撮像部(画素上部30x)と積層されている構成としても良い。これにより、撮像部(画素上部30x)が配置される第1半導体基板7上に制御部(選択トランジスタTV、TH1、TH2)を配置する必要がなくなり、撮像部(画素上部30x)内の受光部31の面積および体積を十分な大きさに確保でき、撮像素子3の感度を向上することができる。
(16)さらに、読出部ADCは、第1信号および第2信号の少なくとも1つをアナログ信号からデジタル信号に変換する変換部である構成とすることにより、読出部ADCがデジタル信号を生成するため、読出部ADC以降の信号処理系の設計等が容易になる。
(18)さらに、第1読出部は第1信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する第1変換部であり、第2読出部は第2信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する第2変換部である構成とすることができる。この構成により、第1光電変換部と複数の第2光電変換部との出力を別々のアナログデジタルコンバータで変換することができ、それぞれの画素に対して最適な読み出しを行うことができる。
(20)実施形態の撮像装置は、以上の(1)から(19)のいずれかの構成の撮像素子3と、第2信号に基づいて画像データを生成する生成部4とを備えている。
この構成により、撮像素子3の出力線RWに接続された画素30のうち、任意の1つまたは複数の画素30の出力を選択して、その出力を出力線RWに出力させ、読み出すことができる。
日本国特許出願2018年第99061号(2018年5月23日出願)
7:第1半導体基板、8:第2半導体基板、BC,BC1,BC2:画素ブロック、HC:水平制御部、VC:垂直制御部、画素30、Gr,Gb:G画素、R:R画素、B:B画素、Z1,Z2:特殊画素、VS,VS1〜HS8:垂直選択線、HS,HS1〜HS4:水平選択線、ZS:特殊水平選択線、PD:フォトダイオード、TX:転送トランジスタ、TR:リセットトランジスタ、TA:増幅トランジスタ、TV:垂直選択トランジスタ、TH1:特殊水平選択トランジスタ、TH2:水平選択トランジスタ、RW:読み出し線、ADC:読出部、31:感光部、73:カラーフィルタ
Claims (20)
- 光を光電変換して電荷を生成する第1光電変換部と、
前記第1光電変換部で生成された電荷に基づく第1信号を出力する第1出力部と、
光を光電変換して電荷を生成する複数の第2光電変換部と、
前記第2光電変換部で生成された電荷に基づく第2信号を出力する複数の第2出力部と、
前記第1出力部と複数の前記第2出力部とが接続され、前記第1信号および前記第2信号の少なくとも1つが出力される出力線と、
前記第1出力部から前記出力線への前記第1信号の出力を制御するための第1制御線と、
複数の前記第2出力部から前記出力線への前記第2信号の出力を制御するための第2制御線と、
を備える撮像素子。 - 請求項1に記載の撮像素子において、
前記第1出力部は、前記第2出力部による前記第2信号の出力と異なるタイミングで、前記第1信号を出力する撮像素子。 - 請求項1または請求項2に記載の撮像素子において、
前記第1出力部が前記第1信号を出力する間、前記第2出力部は前記第2信号を出力しないよう前記第2制御線を介して制御される撮像素子。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記第2出力部が前記第2信号を出力する間、前記第1出力部は前記第1信号を出力しないよう前記第1制御線を介して制御される撮像素子。 - 請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の撮像素子において、
複数の前記第2出力部が複数の前記第2信号を同時に出力する間、前記第1出力部は前記第1信号を出力しないよう前記第1制御線を介して制御される撮像素子。 - 請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記第1出力部から前記出力線への前記第1信号の出力、および前記第2出力部から前記出力線への前記第2信号の出力の少なくとも一方を制御するための第3制御線を備え、
前記第1出力部は、前記第1制御線と前記第3制御線とを介して制御され、
前記第2出力部は、前記第2制御線と前記第3制御線とを介して制御される撮像素子。 - 請求項6に記載の撮像素子において、
前記第1制御線と前記第2制御線とは、第1方向に設けられ、
前記第3制御線は、前記第1方向と交差する第2方向に設けられる撮像素子。 - 請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記第1光電変換部に入射する光の一部を遮光する遮光部を有する撮像素子。 - 請求項1から請求項8までのいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記第1出力部は、焦点検出に用いる前記第1信号を出力し、
前記第2出力部は、画像生成に用いる前記第2信号を出力する撮像素子。 - 請求項1から請求項9までのいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記第1光電変換部は、前記第2光電変換部と異なる感度を有する光電変換部である撮像素子。 - 請求項1から請求項10までのいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記第2光電変換部は、第1分光特性を有する第1フィルタを透過した光を光電変換する撮像素子。 - 請求項1から請求項11までのいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記第1光電変換部は、第1分光特性と異なる第2分光特性を有する第2フィルタを透過した光を光電変換する撮像素子。 - 請求項1から請求項12までのいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記第1制御線と前記第2制御線とが接続され、前記第1出力部から前記出力線への前記第1信号の出力と、前記第2出力部から前記出力線への前記第2信号の出力を制御する制御部を備える撮像素子。 - 請求項13に記載の撮像素子において、
前記制御部は、前記第1光電変換部および複数の前記第2光電変換部を有する撮像部と積層されている撮像素子。 - 請求項1から請求項14までのいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記第1光電変換部および複数の前記第2光電変換部を有する撮像部と積層され、前記出力線から前記第1信号および前記第2信号の少なくとも1つを読み出す読出部を備える撮像素子。 - 請求項15に記載の撮像素子において、
前記読出部は、前記第1信号および前記第2信号の少なくとも1つをアナログ信号からデジタル信号に変換する変換部である撮像素子。 - 請求項1から請求項14までのいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記第1光電変換部および複数の前記第2光電変換部を有する撮像部と積層され、前記出力線から前記第1信号を読み出す第1読出部と、前記出力線から前記第2信号を読み出す第2読出部とを備える撮像素子。 - 請求項17に記載の撮像素子において、
前記第1読出部は、前記第1信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する第1変換部であり、
前記第2読出部は、前記第2信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する第2変換部である撮像素子。 - 請求項1から請求項18のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記第1出力部と前記第2出力部とは、選択トランジスタであり、
前記第1制御線と前記第2制御線は、前記選択トランジスタを制御するための制御線である撮像素子。 - 請求項1から請求項19までのいずれか一項に記載の撮像素子と、
前記第2信号に基づいて画像データを生成する生成部と、
を備える撮像装置。
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