JP2015005880A - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像素子を構成するパッケージサイズも小さくでき、撮像装置を構成した場合においてレイアウトの自由度が増すとともに、撮像素子のサイズが小さい撮像素子および撮像装置を提供する。
【解決手段】第１の画素領域ａ０２〜ｂ２３の光電変換素子の信号を、第１または第２の読み出し手段から出力し、第２の画素領域ａ００〜ｂ２１の光電変換素子の信号を、第１及び第２の読み出し手段から出力する読み出し構成とすることで、OBクランプ等に必要な第２の画素領域の光電変換素子の信号を、第１および第２の読み出し手段で読み出された第１の画素領域の光電変換素子の信号について兼用する。
【選択図】図２

Description

本発明は特にビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等に用いられる撮像素子に関し、特に撮像素子の画素配列からの信号読み出し構成部に関する。

一般的に撮像素子からの信号は暗電流の増大などにより、被写体光の受光信号に加えオフセット成分を含んで出力される。この出力の中から被写体光による信号のみを取り出すために、撮像素子の一部の画素を金属遮光膜で覆うことで、感光しない基準画素（OB画素）を配置している。撮像素子からの信号を画像信号として取り込む際、特許文献１に記載のように、前記基準画素（OB画素）が所定のレベルになるように、OBクランプと呼ばれる動作を行う。

図８は撮像素子の画素配置を示しており、同図を用いて前記OBクランプ動作を説明する。感光部である開口部の画素群（有効画素）に対して図の上方部分に基準画素VOB画素群、左側部分に基準画素HOB画素群を配置している。
画素からの信号は同図左上から右方向へ１行ずつ出力され、１行目の信号出力が終了すると２行目の信号を左から右方向へ順次出力する。（図中矢印）

この時、撮像素子の後段処理部により複数のVOB領域の画素信号に基づいてVOB領域の出力が所定のレベルになるようにクランプ動作を行う。続いて有効画素領域を含む行においては、複数のHOB領域の画素信号に基づいてHOB領域の出力が所定のレベルになるように、行毎にクランプ動作を行う。こうしてクランプされた信号は、クランプレベルを差し引くことで被写体光による受光信号にすることができる。

一方近年では立体的な画像の取得方法や表示方法として、特許文献２に記載のようなさまざまな方法が提案されている。

図９は、視差のある２つの画像を取得する方法を説明する図である。同図において、９１は撮影レンズの射出瞳、９２は撮像素子の受光素子の直上に配置されたマイクロレンズ、９３はA像受光素子、９４はB像受光素子であり、夫々撮影レンズの射出瞳５１のA像瞳９５で示される光束とB像瞳９６で示される光束を受光できる。また、A像受光素子９３、B像受光素子９４の２つの受光素子及び受光素子直上のマイクロレンズ９２で単位画素を構成し、この単位画素を格子状に配置することで撮像素子の受光部を形成している。

このような構成でA像受光素子９３からの出力のみで生成した画像とB像受光素子９４からの出力のみで生成した画像は、A像瞳とB像瞳の重心間距離Mの視差を持った画像となる。

ここで９６はA像受光素子９３への光の入射角とその強度分布を、９７はB像受光素子９４への光の入射角とその強度分布を示しており、横軸の左側が同図左方向からの入射角、右側が同図右方向からの入射角を示し、縦軸は入射光強度を示している。

図９の例では、A像受光素子９３、B像受光素子９４の２つの受光素子で単位画素を構成しているが、更に多数の受光素子で単位画素を構成させた例もある。

特開２００５−１７５９３０号公報 特開昭５８−２４１０５号公報

上記のようなOBクランプ動作は、特に低輝度被写体からの受光信号を正しく得るために厳しい精度が要求される。一般的には、複数の基準画素（OB画素）出力の平均値からクランプ目標値を算出してクランプ動作を行うことで、画素部のノイズの影響や基準画素の画素欠陥の影響などをなくすようにしている。特に高温環境下では暗電流が増大するとともにノイズや欠陥画素出力異常も増加するので、多くの基準画素数を平均化に用いてクランプ誤差を防止することは重要である。

しかしながら、基準画素を多く配置すると、半導体撮像素子のサイズが大きくなることによる装置のコストアップ、レイアウトの自由度が制限されるなどの問題がある。更に、図９で説明したような複数の受光素子によって単位画素を構成した撮像素子においては、A像信号とB像信号は別々に処理される。そのため、基準画素（OB画素）もA像受光素子用とB像受光素子用と別々に設ける必要があり、更なるコストアップやレイアウト自由度の制限につながる。

上記課題を解決するため、少なくとも一つの光電変換素子を含む単位画素が、第１の画素領域と第２の画素領域に二次元に配列された画素配列を有する撮像素子は、画素配列の光電変換素子の信号を単位画素の行ごとに読み出す第１の読み出し手段と第２の読み出し手段とを備え、第１の画素領域の光電変換素子の信号が第１の読み出し手段または第２の読み出し手段によって読み出され、第２の画素領域の光電変換素子の信号が第１の読み出し手段及び第２の読み出し手段によって読み出されるよう構成される。また、OBクランプ等に必要な第２の画素領域の受光素子の信号を、第１および第２の読み出し手段で読み出された第１の画素領域の光電変換素子の信号について兼用する。

本発明によれば、基準画素である光電変換素子からの出力を、複数の有効画素で兼用できるため、必要な画素数を十分確保しつつ総画素数つまり撮像素子のサイズを減らすことが可能である。そのため撮像素子を構成するパッケージサイズも小さくでき、撮像装置を構成した場合においてレイアウトの自由度が増すとともに、撮像素子のサイズが小さいため大幅なコストダウンが可能である。

本発明の実施例に係る撮像素子の画素の構成を示す図 本発明の実施例に係る撮像素子の構成を示す図 本発明の実施例に係る撮像素子の画素配列を説明するための図 本発明の実施例に係る撮像素子の出力画像を説明するための図 本発明の実施例に係る撮像素子の読み出し構成の概念図 本発明の実施例に係る撮像素子を適用した撮像装置の構成例を示す図 本発明の実施例に係る撮像素子の効果を説明するための図 クランプ動作を説明するための図 撮影光学系を説明するための図

［実施例］
図１は、本発明の実施例に係るＣＭＯＳ型撮像素子の画素部を説明するための図であり、例えば視差を持ったＡ画像（第１の画像）とＢ画像(第２の画像)を生成する複数の受光素子（画素）によって単位画素が構成されるＣＭＯＳ型撮像素子の画素構造を示している。具体的には、Ａ像受光素子（第１の受光素子）またはＢ像受光素子(第２の受光素子)の画素構成を示している。

同図において、光信号電荷を発生するフォトダイオード１０２ｐは、この例ではアノード側が接地されている。フォトダイオード１０２ｐのカソード側は、転送ＭＯＳトランジスタ１０２を介して不図示のフローティングディフュージョン（Ｃｆｄ）に接続されている。フローティングディフュージョンは、増幅ＭＯＳトランジスタ１０４のゲートに接続されている。また、上記増幅ＭＯＳトランジスタ１０４のゲートには、フローティングデフュージョンをリセットするためのリセットＭＯＳトランジスタ１０３のソースが接続されている。リセットＭＯＳトランジスタ１０３のドレインは、電源電圧ＶＤＤに接続されている。さらに、上記増幅ＭＯＳトランジスタ１０４は、ドレインが電源電圧ＶＤＤに接続され、ソースが選択ＭＯＳトランジスタ１０５のドレインに接続されている。

上記転送ＭＯＳトランジスタ１０２のゲート端子はPtx信号により駆動され、フォトダイオード１０２ｐの信号をフローティングディフュージョン及び増幅ＭＯＳトランジスタ１０４のゲートに転送する。リセットＭＯＳトランジスタ１０３のゲート端子はPres信号により駆動され、フローティングディフュージョン及びフォトダイオード１０２ｐをリセットする。選択ＭＯＳトランジスタ１０５のゲート端子はＰｓｅｌ信号により駆動され、信号はＶｏｕｔ端子から出力される。Ｖｏｕｔ端子は不図示の垂直出力線に接続され、増幅ＭＯＳトランジスタ１０４は選択ＭＯＳトランジスタ１０５を介して垂直出力線負荷と接続されることで、ソースフォロワアンプとして機能する。

図２は、図１で説明した受光素子（画素）をＡ像受光素子、Ｂ像受光素子とし、これら２つの受光素子で、図９に示すように単位画素を構成し、この単位画素を水平方向に４画素、垂直方向に３画素を配置したときの撮像素子の構成を示している。図において、ａ００〜ａ２３はそれぞれＡ像受光素子、ｂ００〜ｂ２３はそれぞれＢ像受光素子であり、例えば、画素ａ００とｂ００とによって単位画素が構成されている。また、画素ａ００〜ｂ２１は金属遮光膜（遮光手段）に覆われた感光しない基準画素（ＨＯＢ画素）、ａ０２〜ｂ２３は感光する有効画素である。各受光素子（画素）には垂直シフトレジスタ２４０から、行毎にｐｒｅｓ信号、ｐｔｘ信号、ｐｓｅｌ信号が供給され、行単位で順次走査される。

各受光素子出力は、電流源負荷２００が接続された垂直出力線を介して、列回路内の容量（ｃ０）２０１ａ、２０１ｂに入力される。２０３ａ、２０３ｂはオペアンプで、帰還容量（ｃｆ）２０２ａ、２０２ｂと容量（ｃ０）２０１ａ、２０１ｂにより反転増幅アンプを構成している。不図示のアナログスイッチにより帰還容量（ｃｆ）２０２ａ、２０２ｂの両端をショートすることにより、容量ｃ０、ｃｆのリセットおよび後段の容量ｃｔｓ、ｃｔｎのリセットを行う。オペアンプ２０３ａ、２０３ｂの出力は、パルスｐｔｓ，ｐｔｎで駆動されるアナログスイッチ２０８ａ、２０８ｂ、２０９ａ、２０９ｂを介して、夫々保持容量（ｃｔｓ）２１０ａ、２１０ｂ、（ｃｔｎ）２１１ａ、２１１ｂに保持される。なおここでは、前述の受光素子部のフローティングディフュージョン（Ｃｆｄ）をリセットした直後の信号を保持容量（ｃｔｎ）２１１ａ、２１１ｂに保持する。また、その後画素からの信号をフローティングディフュージョン（Ｃｆｄ）に転送した直後の信号を保持容量（ｃｔｓ）２１０ａ、２１０ｂに保持するものとする。

１行分の画素信号が列毎に保持容量（ｃｔｓ）２１０ａ、２１０ｂ、（ｃｔｎ）２１１ａ、２１１ｂに保持されると、水平走査部２３０ａ、２３０ｂによりパルスｐｈ（ｎ）が順次駆動される。これにより、アナログスイッチ２１４ａ、２１４ｂ、２１５ａ、２１５ｂが順次開閉される。これにより、１行分の画素信号が後段の差動型読み出しアンプ２１６ａ、２１６ｂに入力され外部に出力される。

ここで、本実施例の撮像素子は、有効画素ａ０２〜ｂ２３（第１の画素領域）のうちＡ像受光素子ａ０２〜ａ２３の出力は同図下方向、Ｂ像受光素子ｂ０２〜ｂ２３（第２１の画素領域）の出力は同図上方向に読み出される構成になっている。従って、差動型読み出しアンプ２１６ａからはＡ像受光素子からの有効画素信号が、差動型読み出しアンプ２１６ｂからはＢ像受光素子からの有効画素信号がそれぞれ出力される。

一方、基準画素（ＨＯＢ画素）ａ００〜ｂ２１（第２の画素領域）の出力については、同図上下方向から同時に読み出される構成になっている。この場合、増幅ＭＯＳトランジスタ１０４の負荷容量（ｃ０）が２０１ａ、２０１ｂの２つになるため時定数が若干増えるが、信号出力レベルの問題はない。

つまり、差動型読み出しアンプ２１６ａからは、基準画素信号がＡ像受光素子／Ｂ像受光素子の区別なく読み出されるとともに、Ａ像受光素子からの有効画素信号が読み出される。また、差動型読み出しアンプ２１６ｂからは、基準画素信号がＡ像受光素子／Ｂ像受光素子の区別なく読み出されるとともに、Ｂ像受光素子からの有効画素信号が読み出される。

図３〜図４は、図２の本実施例に係る撮像素子の二次元の画素配列とそれからの出力を示しており、図３は、撮像素子上の水平４画素、垂直３画素の受光素子配列を示し、これらは図２の画素ａ００〜ｂ２３に相当する。このような受光素子の配列を有する撮像素子の出力信号を示したのが図４（ａ）、（ｂ）である。図４の（ａ）は差動型読み出しアンプ２１６ａからの出力画像を、図４の（ｂ）は差動型読み出しアンプ２１６ｂからの出力画像を示している（図２についての説明参照）。

図５は、図２〜３に示した本実施例に係る撮像素子の読み出し構成の概要を、画素ａ００、ｂ００〜ａ０３、ｂ０３の１行分の画素配列について示した図である。図において、５０６は単位画素、５０５は単位画素の受光面に配置されたマイクロレンズであり、単位画素の複数の受光素子が一つのマイクロレンズに対応している。図では、４つの単位画素が配置されて１行を構成している。また、画素ａ００、ｂ００、ａ０１、ｂ０１はＨＯＢ部であるので、Ａ像用画素読み出し部５０８とＢ像用画素読み出し部５０７の両方に読出し、画素ａ０２、ａ０３はＡ像用画素読み出し部５０８（第１の読み出し手段）へ読み出す。また、画素ｂ０２、ｂ０３はＢ像用画素読み出し部５０７(第２の読み出し手段)へ読み出す。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、水平方向の有効画素信号は２画素だが、基準画素（ＨＯＢ画素）信号は４画素分あることがわかる。これは、図２のように基準画素（ＨＯＢ画素）の出力は上下２方向に出力し、有効画素信号は上下どちらか１方向にのみ出力するように構成しているためである。

このような出力構成にすることで基準画素（ＨＯＢ画素）信号を増やすことができ（この場合２倍）、平均化に用いる基準画素の数を増やせるのでクランプ動作を精度良く行うことができる。言い換えれば、Ａ像受光素子用の基準画素とＢ像受光素子用の基準画素を独立に配置し、上下どちらか１方向に読み出す場合に比べて、基準画素数を十分確保しつつ総画素数を減らすことが可能である。

クランプ動作は前述のように、被写体光による光電変換信号に加わる暗電流などによるオフセット変動を除去するための補正であるが、Ａ像受光素子とＢ像受光素子の暗電流差が一般的にほとんどないことから、本実施例の兼用する構成が効果的である。

［実施例の応用例］
図６は、図１〜５を用いて説明した本実施例に係る撮像素子を用いた撮像装置のブロック構成図である。

同図において、６０１はＣＭＯＳ型撮像素子であり、その構成は図２と同等であるとする。撮像素子は、不図示の撮影レンズを含む光学系で形成された被写体の光学像を、有効画素により撮像して画素信号を出力する。

６０２ａは撮像素子６０１からのＡ像受光素子信号を基準画素（ＨＯＢ画素）でクランプして補正した後、信号増幅してＡＤ変換等を行う信号処理部であるＡＦＥ（Analog Front End）である。６０２ｂは撮像素子６０１からのＢ像受光素子信号を基準画素（ＨＯＢ画素）でクランプした後、信号増幅してＡＤ変換等を行う信号処理部であるＡＦＥである。信号処理部６０２ａ、６０２ｂは、それぞれ後述するタイミング発生部６０４からタイミング信号を受け取り、それに従って動作する。６０３ａ、６０３ｂはＤＳＰ（Digital Signal Proseccer）であり、信号処理部６０２ａ、６０２ｂからの各データに対して各種補正処理等を行なう。また、後述する６０５ＣＰＵからの制御により、ＲＯＭ６０６ａ、６０６ｂ、ＲＡＭ６０７ａ、６０７ｂ等の各種メモリの制御、記録媒体６０８への映像データの書き込み処理を行なう。

６０４は、撮像素子６０１、信号処理部６０２ａ、６０２ｂ、ＤＳＰ６０３ａ、６０３ｂにクロック信号や制御信号を供給するタイミング発生部であるＴＧ（Timing Generator）であり、後述するＣＰＵ６０５により制御される。６０５はＤＳＰ６０３ａ、６０３ｂ、ＴＧ６０４の制御、及び測距部６１３、測光部６１４などの各部を使ったカメラ機能の制御を行なうＣＰＵである。ＣＰＵ６０５には６０９〜６１１の各スイッチが接続され、それぞれの状態に応じた処理が実行される。

６０６ａ、６０６ｂは、カメラの制御プログラムや補正テーブルなどを記憶するＲＯＭである。６０７ａ、６０７ｂは、ＤＳＰ６０３ａ、６０３ｂで処理される映像データや補正データを一時的に記憶するＲＡＭである。ＲＡＭ６０７ａ，ｂは、ＲＯＭ６０６ａ，ｂより高速アクセスが可能である。６０８は、撮影された映像を保存するコンパクトフラッシュカード等の記録媒体であり、不図示のコネクタを介してカメラと接続される。

６０９はカメラを起動させるための電源スイッチ、６１０は測光処理、測距処理、被写体映像をリアルタイムに外部に表示する所謂ＥＶＦ動作等の撮影準備動作開始を指示するシャッタースイッチＳＷ１である。また、６１１は不図示のミラー及びシャッターを駆動し、撮像素子６０１から読み出した信号を信号処理部６０２ａ，ｂ、ＤＳＰ６０３ａ，ｂを介して記録媒体６０８に書き込む一連の撮像動作の開始を指示するシャッタースイッチＳＷ２である。６１２はカメラの撮影モード（例えば通常モード、３Ｄモード、動画モードなど）を指示するためのモードダイアルスイッチ、６１３は被写体までの距離を検出し、被写体の光学像を形成する不図示の撮影レンズの焦点調節を行わせるための測距部である。６１４は、被写体輝度を測定し撮像素子への露光量を決定するための測光部、６１５は撮影した映像を外部に表示するための表示装置である。

ここで、破線で示した６５１ａは、撮像素子６０１から出力されたＡ像受光素子信号を処理する処理ブロック（第１の信号処理手段）、６５１ｂは撮像素子６０１から出力されたＢ像受光素子信号を処理する処理ブロック（第２の信号処理手段）である。これら処理ブロックによりＡ像画像とＢ像画像をそれぞれ生成して立体画像を形成することができる。

以上、図１乃至図６を用いて説明した本発明の構成によれば、クランプに使用する基準画素数を十分確保しつつ総画素数を減らすことが可能となる。図７（ａ）、（ｂ）はこの効果を説明するための図であり、図７（ａ）は、Ａ像受光素子用の基準画素とＢ像受光素子用の基準画素を独立に配置し、上下どちらか１方向に読み出す構成の撮像素子での画素配列を示す。一方、図７（ｂ）は基準画素（ＨＯＢ画素）の出力を上下２方向に出力する本発明に係る画素読み出し構成を有する撮像素子の画素の配列であり、図７（ａ）に比べて基準画素配列の水平方向のサイズを小さくできる。そのため、撮像素子を構成するパッケージサイズも小さくでき、図７（ｂ）のような画素配列の撮像装置を構成した場合において、レイアウトの自由度が増すとともに撮像素子のサイズが小さいため大幅なコストダウンが可能となる。

尚、図１〜図７では、受光素子（画素）をＡ像受光素子とＢ像受光素子とし、これら２つの受光素子で単位画素を構成した場合を説明したが、本発明はこの例に限定されるものではない。例えば、一つの受光素子を単位画素として構成した通常の画像を生成する撮像素子においても適用可能であり、同様の効果を得ることが可能である。つまり、有効画素の一つの信号の読み出しに対して基準画素からの出力を複数出力させることで同様の効果を得ることが可能である。

上記実施例は、本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならない。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することが可能である。

Claims (6)

1. 少なくとも一つの受光素子を含む単位画素が、第１の画素領域と第２の画素領域に二次元に配列された画素配列を有する撮像素子において、
   前記画素配列の受光素子の信号を単位画素の行ごとに読み出す第１の読み出し手段と第２の読み出し手段とを備え、
   前記第１の画素領域の受光素子の信号が前記第１の読み出し手段または第２の読み出し手段によって読み出され、前記第２の画素領域の受光素子の信号が前記第１の読み出し手段及び第２の読み出し手段によって読み出されるよう構成されていることを特徴とする撮像素子。
2. 前記単位画素は、第１の受光素子と第２の受光素子を含み、
   前記第１の読み出し手段は、前記第１の画素領域の第１の受光素子の信号および前記第２の画素領域の第１および第２の受光素子の信号を読み出すよう構成され、
   前記第２の読み出し手段は、前記第１の画素領域の第２の受光素子の信号および前記第２の画素領域の第１および第２の受光素子の信号を読み出すよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記第２の画素領域の単位画素は、受光素子の遮光手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像素子。
4. 各単位画素に対応して、前記単位画素の受光面に配置されたマイクロレンズをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の撮像素子。
5. 被写体の光学像を形成する撮影レンズと、
   前記光学像を撮像する請求項１乃至４のいずれか一項に記載の撮像素子と、
   前記第１の読み出し手段が読み出した信号に基づいて第１の画像を生成する第１の信号処理手段と、
   前記第２の読み出し手段が読み出した信号に基づいて第２の画像を生成する第２の信号処理手段と
   を備えることを特徴とする撮像装置。
6. 前記第１の信号処理手段および前記第２の信号処理手段は、前記第２の画素領域の受光素子の信号を用いて前記第１の画素領域の受光素子の信号を補正する補正手段を有することを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。

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