JP2017038311A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】感度の向上と、出力電荷の飽和の低減とを可能とする固体撮像装置を提供する。【解決手段】固体撮像装置は、画素領域および処理回路を備える。画素領域は、行列状に配列された画素群２０を備える。画素群２０は、画素で構成されている。画素は、光が通過する開口領域を備える。処理回路は、画素領域からの信号を処理する。処理回路は、画素群２０を構成する画素の画像信号を出力する。画素群２０を構成する画素は、第１画素および第２画素を含む。第１画素である通常画素２１は、第１の開口領域２３を備える。第２画素である遮光画素２２は、第２の開口領域２４を備える。第２の開口領域２４は、第１の開口領域２３より小さい。【選択図】図３

Description

本実施形態は、固体撮像装置に関する。

固体撮像装置は、低照度環境にある被写体を撮影するために、光に対する感度の向上を図るための画素構造が提案されている。固体撮像装置は、高い輝度の被写体に対しては、入射光に対する出力電荷の飽和を低減することが望まれている。

特開２００２−１６５２２６号公報

一つの実施形態は、感度の向上と、出力電荷の飽和の低減とを可能とする固体撮像装置を提供することを目的とする。

一つの実施形態によれば、固体撮像装置は、画素領域および処理回路を備える。画素領域は、行列状に配列された画素群を備える。画素群は、画素で構成されている。画素は、光が通過する開口領域を備える。処理回路は、画素領域からの信号を処理する。処理回路は、画素群を構成する画素の画像信号を出力する。画素群を構成する画素は、第１画素および第２画素を含む。第１画素は、第１の開口領域を備える。第２画素は、第２の開口領域を備える。第２の開口領域は、第１の開口領域より小さい。

図１は、第１の実施形態の固体撮像装置のブロック図である。 図２は、図１に示す固体撮像装置を備えるカメラシステムのブロック図である。 図３は、図１に示す画素領域に配列される画素群の模式図である。 図４は、図３に示す画素群を備える単位配列の模式図である。 図５は、第２の実施形態の固体撮像装置における単位配列を示す模式図である。 図６は、第２の実施形態における単位配列の第１変形例を示す模式図である。 図７は、第２の実施形態における単位配列の第２変形例を示す模式図である。 図８は、第３の実施形態の固体撮像装置における単位配列を示す模式図である。 図９は、第４の実施形態におけるカメラシステムの機能と、固体撮像装置の撮像モードとの関係の例を示す図である。

以下に図面を参照して、実施形態にかかる固体撮像装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の固体撮像装置のブロック図である。図２は、図１に示す固体撮像装置を備えるカメラシステムのブロック図である。カメラシステム１は、カメラモジュール２を備える電子機器であって、例えば車載カメラである。カメラシステム１は、カメラ付き携帯端末、デジタルカメラ等の電子機器であっても良い。

カメラシステム１は、カメラモジュール２および後段処理部３を備える。カメラモジュール２は、撮像光学系４および固体撮像装置５を備える。後段処理部３は、イメージシグナルプロセッサ（ＩＳＰ）６、記録部７および表示部８を備える。

撮像光学系４は、被写体からの光を取り込む。撮像光学系４は、被写体像を結像させる撮像レンズ（図示省略）を備える。固体撮像装置５は、被写体像を撮像する。固体撮像装置５は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサである。固体撮像装置５は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）であっても良い。

ＩＳＰ６は、固体撮像装置５からの画像信号への信号処理を実施する。ＩＳＰ６は、デモザイク処理、ホワイトバランス調整、カラーマトリクス処理、ガンマ補正等の各種信号処理を実施する。記録部７は、ＩＳＰ６での信号処理を経た画像を記憶媒体等へ記録する。記録部７は、ユーザの操作等に応じて、表示部８へ画像信号を出力する。

表示部８は、ＩＳＰ６からの画像信号、あるいは記録部７から読み出された画像信号に応じて、画像を表示する。表示部８は、例えば、液晶ディスプレイである。カメラシステム１は、ＩＳＰ６での信号処理を経たデータに基づき、カメラモジュール２のフィードバック制御を実施する。

固体撮像装置５は、画素領域１１、制御回路１２、行走査回路１３、列走査回路１４、カラム処理回路１５および撮像処理回路１６を備える。画素領域１１は、複数の画素で構成される画素群が行列状に配列された領域である。各画素は、光電変換素子であるフォトダイオードを備える。画素は、光電変換素子への入射光が通過する開口領域を備える。光電変換素子は、入射光量に応じた信号電荷を生成する。画素は、入射光量に応じて生成された信号電荷を蓄積する。

制御回路１２、行走査回路１３、列走査回路１４、カラム処理回路１５および撮像処理回路１６は、画素領域１１が実装されているチップ上に集積された周辺回路部を構成する。固体撮像装置５の駆動のための各種データおよびクロック信号は、チップ外部のＩＳＰ６から、撮像処理回路１６を経て制御回路１２へ供給される。

制御回路１２は、クロック信号に応じて、周辺回路部の駆動を制御するための各種パルス信号を生成する。制御回路１２は、駆動タイミングを指示するパルス信号を、行走査回路１３、列走査回路１４、カラム処理回路１５および撮像処理回路１６のそれぞれに供給する。

行走査回路１３は、シフトレジスタおよびアドレスデコーダ等を備える。画素駆動回路である行走査回路１３は、画素領域１１の画素へ駆動信号を供給する。制御回路１２は、垂直同期信号に応じたパルス信号を、行走査回路１３へ供給する。行走査回路１３は、画素信号が読み出される画素行を、制御回路１２からのパルス信号に応じて順次選択する。行走査回路１３は、選択された画素行において画素ごとに順次読み出し信号を供給することによる読み出し走査を行う。読み出し信号は、入射光量に応じて生成された画素信号を画素から読み出すための駆動信号である。

行走査回路１３は、画素ごとへの読み出し信号の供給に先行して、各画素へのリセット信号の供給による掃き出し走査を行う。リセット信号は、光電変換素子に残存されている電荷を排出させるための駆動信号である。各画素は、リセット信号が供給されたときから読み出し信号が供給されるまでの間、入射光量に応じて生成された信号電荷を蓄積する。

駆動信号は、行走査回路１３から各画素へ、画素駆動線１８を通じて伝送される。画素駆動線１８は、画素領域１１の画素行ごとに設けられている。画素行は、行方向（水平方向）へ配列された画素からなる。

画素信号は、各画素からカラム処理回路１５へ、垂直信号線１９を通じて伝送される。垂直信号線１９は、画素群の列ごとに設けられている。カラム処理回路１５は、垂直信号線１９を伝送した画素信号を単位回路（図示省略）にて処理する。単位回路は、画素群の列ごとに設けられている。

カラム処理回路１５は、画素信号へ、固定パターンノイズの低減のための相関二重サンプリング処理（ＣＤＳ）を施す。カラム処理回路１５は、アナログ信号である画素信号へ、デジタル信号への変換であるＡＤ変換を施す。カラム処理回路１５は、ＣＤＳおよびＡＤ変換以外の処理を実施しても良い。カラム処理回路１５は、ＣＤＳおよびＡＤ変換を経た画素信号を、単位回路ごとに保持する。

列走査回路１４は、シフトレジスタおよびアドレスデコーダ等を備える。制御回路１２は、水平同期信号に応じたパルス信号を、列走査回路１４へ供給する。列走査回路１４は、画素信号を読み出す画素列を、制御回路１２からのパルス信号に応じて順次選択する。カラム処理回路１５は、列走査回路１４による選択走査に応じて、各単位回路に保持されている信号を順次出力する。

撮像処理回路１６は、カラム処理回路１５からの信号を成分とする画像信号を処理する処理回路である。撮像処理回路１６は、キズ補正、ノイズリダクション、シェーディング補正、ホワイトバランス調整およびハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）合成等の各種信号処理を実施する。

固体撮像装置５は、撮像処理回路１６での処理を経た画像信号をチップ外部へ出力する。カメラシステム１は、本実施形態において固体撮像装置５内で実施するものとした信号処理を、画素領域１１と同じチップ上の周辺回路部以外の回路で実施しても良い。信号処理は、周辺回路部に代えて、例えば後段処理部３のＩＳＰ６が実施しても良い。カメラシステム１は、周辺回路部で実施するものとした信号処理を、周辺回路部とＩＳＰ６の双方で実施しても良い。周辺回路部およびＩＳＰ６は、本実施形態で説明する信号処理以外の信号処理を実施しても良い。

図３は、図１に示す画素領域に配列される画素群の模式図である。画素群２０は、４個の画素を備える。４個の画素は、行方向へ２個、および列方向へ２個の行列をなす。４個の画素は、３個の通常画素２１と１個の遮光画素２２である。第２画素である遮光画素２２は、遮光部２５を備える。遮光部２５は、遮光画素２２の入射面に設けられている。

遮光画素２２は、第２の開口領域２４を備える。遮光部２５は、第２の開口領域２４の周囲の領域を遮光する。３個の通常画素２１は、それぞれ第１の開口領域２３を備える。第２の開口領域２４は、第１の開口領域２３より小さい。第２の開口領域２４の面積は、第１の開口領域２３の面積の半分未満とする。画素群２０内における遮光画素２２の位置は、各画素群２０において共通である。

遮光部２５は、光を反射させる材料、例えばタングステンおよびアルミニウム等の金属材料で構成されている。遮光部２５は、金属材料以外の反射性部材であっても良い。遮光部２５は、光吸収性の材料、例えば黒色の顔料を含む部材であっても良い。

画素群２０を構成する４個の画素は、画素の構成要素であるＭＯＳトランジスタを共有している。４個の画素は、いわゆる２Ｖ２Ｈの画素共有構造を構成する。４個の画素は、例えば、ＭＯＳトランジスタである転送トランジスタ、フローティングディフュージョン（ＦＤ）、リセットトランジスタ、増幅トランジスタおよび行選択トランジスタを共有している。

画素群２０は、画素ごとの光電変換素子である４個のフォトダイオード（ＰＤ）を備える。ＰＤは、入射光量に応じた信号電荷を生成する。転送トランジスタは、行走査回路１３からの駆動信号である読み出し信号に応じて、ＰＤからＦＤへ信号電荷を転送する。ＦＤは、転送トランジスタによって転送された信号電荷を、電位へ変換する。

増幅トランジスタは、ＦＤの電位変化を増幅し、画素信号とする。リセットトランジスタは、行走査回路１３からの駆動信号であるリセット信号に応じて、ＦＤの電荷を排出するとともに、ＦＤの電位を一定レベルに初期化する。固体撮像装置５は、画素共有構造を備えることで、画素ごとにＭＯＳトランジスタを配置する場合に比べて、画素ピッチを縮小できる。

画素は、ＰＤで発生させた信号電荷が蓄積容量に達することで、さらに光を入射させても出力電荷が一定となる飽和状態となる。画素群２０に光を照射させ続けた場合に、遮光画素２２は、遮光部２５で光が遮蔽される分、通常画素２１より遅れて出力電荷が飽和することになる。遮光画素２２は、通常画素２１に比べて、高い輝度の被写体に対する出力電荷の飽和を低減可能とする。通常画素２１は、遮光画素２２に比べて多くの光が取り込まれる。通常画素２１は、遮光画素２２に比べて高い感度で光を検出できる。

固体撮像装置５は、画素群２０にて行方向へ配列された２個の画素からの信号をそれぞれ異なるタイミングで読み出し可能とされている。固体撮像装置５は、例えば、画素行ごとに２つの画素駆動線１８が配置されている。画素群２０のうち同時に駆動信号が供給された画素からは、同時に信号が読み出される。画素群２０は、駆動信号が供給された画素からの電荷が互いに足し合されてなる画素信号を、垂直信号線１９へ出力する。撮像処理回路１６には、画素群２０を構成する画素の信号成分が統合された画像信号が入力される。

なお、固体撮像装置５は、画素群２０の各画素からの電荷が画素共有構造によって足し合わせられるものに限られない。固体撮像装置５は、画素群２０の各画素から垂直信号線１９へ個別に読み出された画素信号の電圧を互いに平均化させるものであっても良い。固体撮像装置５は、カラム処理回路１５の単位回路あるいは撮像処理回路１６にて、画素群２０の各画素からの画素信号の電圧を平均化させても良い。いずれの場合も、撮像処理回路１６は、画素群２０を構成する画素の信号成分が統合された画像信号を出力する。

図４は、図３に示す画素群を備える単位配列の模式図である。４個の画素群２０は、画素領域１１における単位配列３０を構成する。４個の画素群２０は、行方向へ２個、および列方向へ２個の行列をなす。画素領域１１には、行方向および列方向へ複数の単位配列３０が配列されている。

単位配列３０は、２個のＷ画素群２０Ｗ、１個のＲ画素群２０Ｒおよび１個のＢ画素群２０Ｂを備える。２個のＷ画素群２０Ｗは、単位配列３０において互いに斜向かいに配置される。Ｒ画素群２０ＲおよびＢ画素群２０Ｂは、単位配列３０において互いに斜向かいに配置される。単位配列３０は、ベイヤー配列のＧ画素、Ｒ画素およびＢ画素が、それぞれＷ画素群２０Ｗ、Ｒ画素群２０ＲおよびＢ画素群２０Ｂに置き換えられたものである。

第１画素群であるＲ画素群２０Ｒは、３個の通常画素２１Ｒと１個の遮光画素２２Ｒを備える画素群２０である。通常画素２１Ｒおよび遮光画素２２Ｒは、いずれも第１色光である赤色光を検出する画素である。通常画素２１Ｒおよび遮光画素２２Ｒは、赤色光を選択的に透過させるカラーフィルタ（図示省略）を備える。

第２画素群であるＢ画素群２０Ｂは、３個の通常画素２１Ｂと１個の遮光画素２２Ｂを備える画素群２０である。通常画素２１Ｂおよび遮光画素２２Ｂは、いずれも第２色光である青色光を検出する画素である。通常画素２１Ｂおよび遮光画素２２Ｂは、青色光を選択的に透過させるカラーフィルタ（図示省略）を備える。

第３画素群であるＷ画素群２０Ｗは、３個の通常画素２１Ｗと１個の遮光画素２２Ｗを備える画素群２０である。通常画素２１Ｗおよび遮光画素２２Ｗは、いずれも白色光を検出する画素である。白色光は、可視領域全般における波長の光を含む。通常画素２１Ｗおよび遮光画素２２Ｗは、白色光を透過させる透明フィルタ（図示省略）を備える。

通常画素２１Ｗは、他の通常画素２１Ｒおよび２１Ｂに比べて、広い波長域の光を検出する。通常画素２１Ｗは、単位配列３０を構成する画素のうち光感度が最も高い輝度検出画素である。なお、本実施形態において、単位領域３０は、第３色光である緑色光を検出する画素を含まない。

固体撮像装置５は、画素群２０の４つの画素のうち信号が読み出される画素の選択を互いに異ならせた複数のモードでの撮像を行う。ＩＳＰ６は、例えばプログラムに応じたモード信号を固体撮像装置５へ供給する。固体撮像装置５は、モード信号に応じて撮像モードを切り換える。制御回路１２は、モード信号に応じて、周辺回路部の制御を切り換える。

固体撮像装置５は、例えば、ＩＳＰ６で実行されるプログラムに応じて、第１モードと第２モードを交互に切り換える。固体撮像装置５は、カメラシステム１へのユーザの操作に応じてＩＳＰ６から供給されたモード信号により、モードを切り換え可能としても良い。

固体撮像装置５は、第１モードでは、画素群２０の４つの画素すべてからの信号を読み出す。第１モードを指示するモード信号が制御回路１２へ入力されると、制御回路１２は、画素群２０の２つの画素行を同時に選択させるパルス信号を、行走査回路１３へ供給する。行走査回路１３は、制御回路１２からのパルス信号に応じて、２つの画素行を同時に選択する。行走査回路１３は、画素領域１２の画素行を２つずつ順次選択する選択走査を行う。行走査回路１３は、選択された２つの画素行の画素へ駆動信号を供給する。

画素群２０の３つの通常画素２１と１つの遮光画素２２からは、同時に信号が読み出される。画素群２０は、３つの通常画素２１と１つの遮光画素２２からの各電荷が加算されてなる画素信号を、垂直信号線１９へ出力する。撮像処理回路１６は、画素群２０を構成する３つの通常画素２１および１つの遮光画素２２の信号成分を統合させた画像信号を処理し、処理された画像信号を出力する。

固体撮像装置５は、第１モードでは、画素群２０の全ての画素にて取り込まれた光を検出する。固体撮像装置５は、高い感度で被写体像を取り込むことができる。第１モードでの撮像は、低照度環境にある被写体を撮像する場合に適している。カメラシステム１は、第１モードでの撮像により、暗いところにある物体を高い精度で認識することが可能となる。

固体撮像装置５は、第２モードでは、画素群２０の４つの画素のうち、遮光画素２２からの信号を読み出す。第２モードを指示するモード信号が制御回路１２へ入力されると、制御回路１２は、画素群２０のうち遮光画素２２を含む１つの画素行を選択させるパルス信号を、行走査回路１３へ供給する。

行走査回路１３は、制御回路１２からのパルス信号に応じて、遮光画素２２を含む１つの画素行を選択する。行走査回路１３は、遮光画素２２を含む画素行の選択と遮光画素２２を含まない画素行のスキップとを繰り返す選択走査を行う。行走査回路１３は、選択された画素行のうち、遮光画素２２へ駆動信号を供給する。行走査回路１３は、選択された画素行のうち、通常画素２１へは駆動信号を供給しない。

画素群２０では、１つの遮光画素２２からは信号が読み出される一方、３つの通常画素２１からは信号が読み出されない。画素群２０は、１つの遮光画素２２からの画素信号を、垂直信号線１９へ出力する。撮像処理回路１６は、画素群２０のうち１つの遮光画素２２からの信号成分からなる画像信号を処理し、処理された画像信号を出力する。

固体撮像装置５は、第２モードでは、画素群２０のうち遮光画素２２で取り込まれた光を検出する。固体撮像装置５は、入射光に対する出力電荷の飽和を低減することができる。第２モードでの撮像は、高い輝度の被写体を撮像する場合に適している。カメラシステム１は、第２モードでの撮像により、光を発生する物体および光を反射する物体を、高い精度で認識することが可能となる。

カメラシステム１は、光を発生する物体での電源周波数に起因して画像の明暗が変化する、いわゆるフリッカを生じさせることがある。カメラシステム１は、電子シャッタ時間を調節することで、フリッカを低減させることがある。固体撮像装置５は、フリッカ低減のために電子シャッタ時間を長くした場合に、各画素群２０の遮光画素２２を使用することで、出力電荷の飽和を効果的に抑制させることができる。

通常画素２１Ｗの信号成分をｗ_Ｈ、遮光画素２２Ｗの信号成分をｗ_Ｌとすると、第１モードでの撮像の場合、Ｗ画素群２０Ｗにより検出された画素信号は、３ｗ_Ｈ＋ｗ_Ｌと表される。通常画素２１Ｒの信号成分をｒ_Ｈ、遮光画素２２Ｒの信号成分をｒ_Ｌとすると、Ｒ画素群２０Ｒにより検出された画素信号は、３ｒ_Ｈ＋ｒ_Ｌと表される。通常画素２１Ｂの信号成分をｂ_Ｈ、遮光画素２２Ｂの信号成分をｂ_Ｌとすると、Ｂ画素群２０Ｂにより検出された画素信号は、３ｂ_Ｈ＋ｂ_Ｌと表される。

第２モードでの撮像の場合、ｗ_Ｈ＝０，ｒ_Ｈ＝０，ｂ_Ｈ＝０である。Ｗ画素群２０Ｗ、Ｒ画素群２０ＲおよびＢ画素群２０Ｂにより検出された画素信号は、それぞれｗ_Ｌ，ｒ_Ｌ，ｂ_Ｌと表される。カラム処理回路１５は、Ｗ画素群２０Ｗ、Ｒ画素群２０ＲおよびＢ画素群２０Ｂからの画素信号を成分とする画像信号を出力する。

撮像処理回路１６は、Ｗ（白），Ｒ（赤）およびＢ（青）の各色成分の光の検出結果である画像信号を、ベイヤー配列に応じたＲＡＷ画像信号へ変換する。ＲＡＷ画像信号は、Ｒ（赤），Ｇ（緑）およびＢ（青）の信号成分からなる。

撮像処理回路１６は、次に説明する第１手法および第２手法のいずれかを選択して、Ｗ，ＲおよびＢの画像信号からＲ，ＧおよびＢの画像信号への変換を行う。撮像処理回路１６は、第１手法を選択する場合、Ｗ画素群２０Ｗにより検出された画素信号をそのままＧの信号成分として使用する。撮像処理回路１６は、Ｗ画素群２０Ｗにより検出された画素信号が、Ｗ光に含まれる第３色光であるＧ光の信号成分として用いられた画像信号を出力する。

撮像処理回路１６は、例えば第１のモードの撮像にて、第１手法による信号変換を実施したとする。撮像処理回路１６は、Ｗ画素群２０ＷにおけるＧの信号成分ｇとして、Ｗ画素群２０Ｗにより検出された画素信号である３ｗ_Ｈ＋ｗ_Ｌを使用する。

また、撮像処理回路１６は、Ｒ画素群２０ＲにおけるＲの信号成分ｒには、Ｒ画素群２０Ｒにより検出された画素信号である３ｒ_Ｈ＋ｒ_Ｌを使用する。撮像処理回路１６は、Ｂ画素群２０ＢにおけるＢの信号成分ｂには、Ｂ画素群２０Ｂにより検出された画素信号である３ｂ_Ｈ＋ｂ_Ｌを使用する。

第１手法による信号変換の場合、ＲＡＷ画像信号のうちＧの信号成分に、Ｗ画素群２０Ｗで検出された信号のうちＧ以外の色成分についての輝度情報が残存される。固体撮像装置５は、Ｗ画素群２０Ｗで検出された輝度情報の損失を低減できる。

撮像処理回路１６は、第２手法を選択する場合、Ｗ画素群２０Ｗにより検出された画素信号から、Ｗ画素群２０Ｗの位置におけるＲおよびＢの信号成分を減算する。Ｗ画素群２０Ｗの位置におけるＲの信号成分は、Ｒ画素群２０Ｒにより検出された画素信号の補間により求められる。Ｗ画素群２０Ｗの位置におけるＢの信号成分は、Ｂ画素群２０Ｂにより検出された画素信号の補間により求められる。

撮像処理回路１６は、例えば第１のモードの撮像にて、第２手法による信号変換を実施したとする。撮像処理回路１６は、Ｗ画素群２０ＷにおけるＧの信号成分ｇとして、ｇ＝ｗ−ｒ’−ｂ’を使用する。ｗは、Ｗ画素群２０ＷにおけるＷの信号成分であって、３ｗ_Ｈ＋ｗ_Ｌとする。ｒ’は、Ｗ画素群２０Ｗの位置におけるＲの信号成分とする。ｂ’は、Ｗ画素群２０Ｗの位置におけるＢの信号成分とする。Ｒ画素群２０Ｒの位置におけるＲの信号成分ｒ、およびＢ画素群２０Ｂの位置におけるＢの信号成分ｂについては、第１手法の場合と同様とする。

第２手法による信号変換の場合、Ｗ画素群２０Ｗで検出された信号から、演算によりＧの信号成分を求める。カメラシステム１は、ＩＳＰ６での信号処理を経て、高い色再現性を備える画像を得ることができる。第２手法による信号変換は、感度より色再現性の重視が望まれる場合に適している。第１手法による信号変換は、色再現性より感度の重視が望まれる場合に適している。

固体撮像装置５は、撮影時の照度に応じて、第１手法および第２手法のいずれかを選択しても良い。固体撮像装置５は、照度センサ（図示省略）による照度の検出結果、あるいはアナログゲイン等に応じて、第１手法および第２手法の選択を行っても良い。

固体撮像装置５は、低照度環境では、第１手法による信号変換を実施する。これにより、固体撮像装置５は、暗いところにある被写体を高い感度で撮像できる。固体撮像装置５は、高照度環境では、第２手法による信号変換を実施する。これにより、固体撮像装置５は、明るいところにある被写体に対し高い色再現性を得るための撮像が可能となる。

固体撮像装置５は、感度向上と出力電荷の飽和の低減とを、画素群２０のうち信号が読み出される画素の選択と、ＨＤＲ合成の組み合わせによって実現しても良い。固体撮像装置５は、電子シャッタ時間あるいはアナログゲイン等に応じて感度を異ならせた撮像を実施する。固体撮像装置５は、ＨＤＲ合成により、露出不足および露出過多との双方を低減させることができる。

ＩＳＰ６は、撮像処理回路１６からのＲＡＷ画像信号へのデモザイク処理により、カラーのビットマップ画像を生成する。ＩＳＰ６は、デモザイク処理として、各色の信号成分の補間により、各画素群２０の位置における各色の信号値を生成する。ＩＳＰ６は、デモザイク処理後の画像信号へのカラーマトリクス処理により、色再現性を高めるための調整を行う。

第１の実施形態によれば、固体撮像装置５は、画素群２０に通常画素２１と遮光画素２２とを設け、信号が読み出される画素の選択を異ならせて撮像を行う。固体撮像装置５は、画素群２０の多くの画素が選択されることで、高い感度での撮像ができる。固体撮像装置５は、遮光画素２２を使用することで、入射光に対する出力電荷の飽和を低減することができる。固体撮像装置５は、単位配列３０にＷ画素群２１Ｗを含めたことで、高い感度での撮像ができる。これにより、固体撮像装置５は、感度の向上と、出力電荷の飽和の低減という効果を得ることができる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態の固体撮像装置における単位配列を示す模式図である。第１の実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態の固体撮像装置５の画素領域１１は、図５に示す単位領域４０が行方向および列方向へ配列されて構成されている。単位配列４０は、４個の画素群２０を備える。４個の画素群２０は、行方向へ２個、および列方向へ２個の行列をなす。

単位配列４０は、２個のＧ画素群４１Ｇ、１個のＲ画素群４１Ｒおよび１個のＢ画素群４１Ｂを備える。２個のＧ画素群４１Ｇは、単位配列４０において互いに斜向かいに配置される。Ｒ画素群４１ＲおよびＢ画素群４１Ｂは、単位配列４０において互いに斜向かいに配置される。単位配列４０は、ベイヤー配列のＧ画素、Ｒ画素およびＢ画素が、それぞれＧ画素群２０Ｇ、Ｒ画素群２０ＲおよびＢ画素群２０Ｂに置き換えられたものである。

Ｇ画素群４１Ｇは、１個の通常画素２１Ｗ、２個の通常画素２１Ｇおよび１個の遮光画素２２Ｇを備える画素群２０である。通常画素２１Ｇおよび遮光画素２２Ｇは、いずれも緑色光を検出する画素である。通常画素２１Ｇおよび遮光画素２２Ｇは、緑色光を選択的に透過させるカラーフィルタ（図示省略）を備える。

Ｒ画素群４１Ｒは、１個の通常画素２１Ｗ、２個の通常画素２１Ｒおよび１個の遮光画素２２Ｒを備える画素群２０である。Ｂ画素群４１Ｂは、１個の通常画素２１Ｗ、２個の通常画素２１Ｂおよび１個の遮光画素２２Ｂを備える画素群２０である。画素群２０内における通常画素２１Ｗの位置は、各画素群２０において共通である。

本実施形態でも、固体撮像装置５は、画素群２０の４つの画素のうち信号が読み出される画素の選択を互いに異ならせた複数のモードでの撮像を行う。固体撮像装置５は、第１モードでは、画素群２０の４つの画素すべてからの信号を読み出す。固体撮像装置５は、第２モードでは、画素群２０の４つの画素のうち、遮光画素２２からの信号を読み出す。

第１モードでの撮像の場合、Ｇ画素群２０Ｇにより検出された画素信号は、２ｇ_Ｈ＋ｇ_Ｌ＋ｗ_Ｈと表される。ｇ_Ｈは通常画素２１Ｇの信号成分とする。ｇ_Ｌは遮光画素２２Ｇの信号成分とする。ｗ_Ｈは通常画素２１Ｗの信号成分とする。Ｒ画素群２０Ｒにより検出された画素信号は、２ｒ_Ｈ＋ｒ_Ｌ＋ｗ_Ｈと表される。ｒ_Ｈは通常画素２１Ｒの信号成分とする。ｒ_Ｌは遮光画素２２Ｒの信号成分とする。Ｂ画素群２０Ｂにより検出された画素信号は、２ｂ_Ｈ＋ｂ_Ｌ＋ｗ_Ｈと表される。ｂ_Ｈは通常画素２１Ｂの信号成分とする。ｂ_Ｌは遮光画素２２Ｂの信号成分とする。

第２モードでの撮像の場合、ｇ_Ｈ＝０，ｒ_Ｈ＝０，ｂ_Ｈ＝０，ｗ_Ｈ＝０である。Ｇ画素群２０Ｇ、Ｒ画素群２０ＲおよびＢ画素群２０Ｂにより検出された画素信号は、それぞれｇ_Ｌ，ｒ_Ｌ，ｂ_Ｌと表される。カラム処理回路１５は、Ｇ画素群２０Ｇ、Ｒ画素群２０ＲおよびＢ画素群２０Ｂからの画素信号を成分とする画像信号を出力する。撮像処理回路１６は、Ｒ，ＧおよびＢの信号成分からなるＲＡＷ画像信号が、カラム処理回路１５から入力される。

図６は、第２の実施形態における単位配列の第１変形例を示す模式図である。画素領域１１には、本変形例の単位配列４２が、図５に示す単位配列４０に代えて配列される。単位配列４２は、２個のＧ画素群４３Ｇ、１個のＲ画素群４３Ｒおよび１個のＢ画素群４３Ｂを備える。

Ｇ画素群４３Ｇは、１個の通常画素２１Ｇ、２個の通常画素２１Ｗおよび１個の遮光画素２２Ｇを備える画素群２０である。Ｒ画素群４３Ｒは、１個の通常画素２１Ｒ、２個の通常画素２１Ｗおよび１個の遮光画素２２Ｒを備える画素群２０である。Ｂ画素群４３Ｂは、１個の通常画素２１Ｂ、２個の通常画素２１Ｗおよび１個の遮光画素２２Ｂを備える画素群である。画素群２０内における２つの通常画素２１Ｗの位置は、各画素群２０において共通である。

固体撮像装置５は、画素群２０に２つの通常画素２１Ｗが設けられることで、画素群２０に１つの通常画素２１Ｗが設けられる場合に比べて、さらに高い感度での撮像が可能となる。

図７は、第２の実施形態における単位配列の第２変形例を示す模式図である。画素領域１１には、本変形例の単位配列４４が、図５に示す単位配列４０に代えて配列される。単位配列４４は、２個のＧ画素群４５Ｇ、１個のＲ画素群４５Ｒおよび１個のＢ画素群４５Ｂを備える。

Ｇ画素群４５Ｇは、３個の通常画素２１Ｗおよび１個の遮光画素２２Ｇを備える画素群２０である。Ｒ画素群４５Ｒは、３個の通常画素２１Ｗおよび１個の遮光画素２２Ｒを備える画素群２０である。Ｂ画素群４５Ｂは、３個の通常画素２１Ｗおよび１個の遮光画素２２Ｂを備える画素群２０である。画素群２０内における３つの通常画素２１Ｗの位置は、各画素群２０において共通である。

固体撮像装置５は、画素群２０に３つの通常画素２１Ｗが設けられることで、画素群２０に１つあるいは２つの通常画素２１Ｗが設けられる場合に比べて、さらに高い感度での撮像が可能となる。

第２の実施形態によれば、固体撮像装置５は、画素群２０の多くの画素が選択されることによる高い感度での撮像ができる。固体撮像装置５は、遮光画素２２を使用することで、入射光に対する出力電荷の飽和を低減することができる。固体撮像装置５は、各画素群２０に通常画素２１Ｗを含めたことで、高い感度での撮像ができる。これにより、固体撮像装置５は、感度の向上と、出力電荷の飽和の低減という効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
図８は、第３の実施形態の固体撮像装置における単位配列を示す模式図である。第１および第２の実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態の固体撮像装置５の画素領域１１は、図８に示す単位領域５０が行方向および列方向へ配列されて構成されている。単位配列５０は、４個の画素群２０を備える。４個の画素群２０は、行方向へ２個、および列方向へ２個の行列をなす。単位配列５０は、２個のＧ画素群５１Ｇ、１個のＲ画素群５１Ｒおよび１個のＢ画素群５１Ｂを備える。

Ｇ画素群５１Ｇは、３個の通常画素２１Ｇおよび１個の遮光画素２２Ｇを備える画素群２０である。Ｒ画素群５１Ｒは、３個の通常画素２１Ｒおよび１個の遮光画素２２Ｒを備える画素群２０である。Ｂ画素群５１Ｂは、３個の通常画素２１Ｂおよび１個の遮光画素２２Ｂを備える画素群２０である。

本実施形態でも、固体撮像装置５は、画素群２０の４つの画素のうち信号が読み出される画素の選択を互いに異ならせた複数のモードでの撮像を行う。固体撮像装置５は、第１モードでは、画素群２０の４つの画素すべてからの信号を読み出す。固体撮像装置５は、第２モードでは、画素群２０の４つの画素のうち、遮光画素２２からの信号を読み出す。

第１モードでの撮像の場合、Ｇ画素群２０Ｇにより検出された画素信号は、３ｇ_Ｈ＋ｇ_Ｌと表される。ｇ_Ｈは通常画素２１Ｇの信号成分とする。ｇ_Ｌは遮光画素２２Ｇの信号成分とする。Ｒ画素群２０Ｒにより検出された画素信号は、３ｒ_Ｈ＋ｒ_Ｌと表される。ｒ_Ｈは通常画素２１Ｒの信号成分とする。ｒ_Ｌは遮光画素２２Ｒの信号成分とする。Ｂ画素群２０Ｂにより検出された画素信号は、３ｂ_Ｈ＋ｂ_Ｌと表される。ｂ_Ｈは通常画素２１Ｂの信号成分とする。ｂ_Ｌは遮光画素２２Ｂの信号成分とする。

第３の実施形態の単位配列５０は、図４に示す単位配列３０のうち２つのＷ画素群２０ＷをいずれもＧ画素群５１Ｇに置き換えたものである。単位配列５０では、通常画素２１Ｇが、他の画素に比べて最も光感度を持つ輝度検出画素とされる。

なお、第３の実施形態の単位配列５０は、２つのＧ画素群５１Ｇの一方を、Ｗ画素群２０Ｇに置き換えたものであっても良い。

第１、第２および第３の実施形態において、固体撮像装置５は、輝度検出画素である通常画素２１Ｗおよび通常画素２１Ｇの少なくともいずれかに代えて、Ｇ光より広い波長域の光を検出するワイドグリーン（ＷＧ）画素を備えていても良い。ＷＧ画素は、Ｇ画素と同様に、例えば波長５５０ｎｍ付近において最大感度を示す。ＷＧ画素の分光感度特性を表す関数の半値幅は、Ｇ画素の分光感度特性を表す半値幅より大きい。固体撮像装置５は、ＷＧ画素を備える場合も、高い感度での撮像が可能となる。

第３の実施形態によれば、固体撮像装置５は、画素群２０の多くの画素が選択されることによる高い感度での撮像ができる。固体撮像装置５は、遮光画素２２を使用することで、入射光に対する出力電荷の飽和を低減することができる。これにより、固体撮像装置５は、感度の向上と、出力電荷の飽和の低減という効果を得ることができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態では、第１、第２および第３の実施形態の固体撮像装置５における撮像モードの用途について説明する。ここでは、固体撮像装置５を備えるカメラシステム１が、自動車の前方における物体を検出する車載カメラである場合を例とする。

図９は、第４の実施形態におけるカメラシステムの機能と、固体撮像装置の撮像モードとの関係の例を示す図である。カメラシステム１は、連続する４つのフレームＦ１〜Ｆ４において、検知対象とする物を変更しながら、自動車の前方空間を監視する。カメラシステム１は、４つのフレームＦ１〜Ｆ４の取り込みを順次繰り返し、前方空間の監視を継続する。

カメラシステム１は、フレームＦ１の撮影により、自動車が車線を大きく逸脱したときに警報を発生させる車線逸脱警報機能のための動作を行う。カメラシステム１は、道路の車線を検知対象とする。固体撮像装置５は、フレームＦ１では、第３モードでの撮像を実施する。

固体撮像装置５は、第３モードでは、画素群２０のうち３つの通常画素２１からの信号を読み出し、遮光画素２２からの信号の読み出しを停止する。固体撮像装置５は、３つの通常画素２１を使用することで、道路における車線の像を高いコントラストで検出可能とする。固体撮像装置５は、車線を正確に識別可能な画像を取得できる。

カメラシステム１は、フレームＦ２の撮影により、前方の道路標識への注意を音声あるいはディスプレイ表示等により運転者へ促す道路標識認識機能のための動作を行う。カメラシステム１は、自動車の前方にある道路標識あるいは信号機等を検知対象とする。

固体撮像装置５は、フレームＦ２では、第２モードでの撮像を実施する。第２モードは、第１の実施形態における第２モードと同様とする。固体撮像装置５は、第２モードでは、画素群２０のうち遮光画素２２からの信号を読み出し、３つ通常画素２１からの信号の読み出しを停止する。

固体撮像装置５は、光に照らされた道路標識あるいは光を射出する信号機の像を検出する場合に、出力電荷の飽和を抑制できる。固体撮像装置５は、道路標識および信号機を正確に識別可能な画像を取得できる。固体撮像装置５は、フリッカ低減のために電子シャッタ時間を長くした場合も、出力電荷の飽和を効果的に抑制させることができる。

カメラシステム１は、フレームＦ３の撮影により、オートマチックハイビーム機能のための動作を行う。カメラシステム１は、オートマチックハイビーム機能では、検知対象である物体が認識された場合に、自動車に搭載されているヘッドライトのハイビームとロービームとを自動で切り換える。カメラシステム１は、前方を走る自動車、および対向車線を走る自動車等を検知対象とする。

固体撮像装置５は、フレームＦ３では、第１モードでの撮像を実施する。第１モードは、第１の実施形態における第１モードと同様とする。固体撮像装置５は、第１モードでは、画素群２０の４つの画素すべてからの信号を読み出す。

固体撮像装置５は、かかる第１モードでの撮像により、夜間における自動車等の検知対象を正確に識別可能な画像を取得できる。第１の実施形態の場合、固体撮像装置５は、フレームＦ３では、第１手法による信号変換を実施しても良い。撮像処理回路１６は、第１手法による信号変換では、Ｗ画素群２０Ｗにより検出された画素信号をそのままＧの信号成分として使用する。これにより、固体撮像装置５は、夜間において対象物を高い感度で撮像できる。

カメラシステム１は、フレームＦ４の撮影により、前方の歩行者への注意を音声あるいはディスプレイ表示等により運転者へ促す歩行者検知機能のための動作を行う。カメラシステム１は、歩行者を検知対象とする。

固体撮像装置５は、フレームＦ４では、第１モードでの撮像を実施する。固体撮像装置５は、かかる第１モードでの撮像により、歩行者を正確に識別可能な画像を取得できる。第１の実施形態の場合、固体撮像装置５は、夜間において第１手法による信号変換を実施し、昼間において第２手法による信号変換を実施しても良い。撮像処理回路１６は、第２手法による信号変換では、Ｗ画素群２０Ｗで検出された信号からＲおよびＢの信号成分を減算することで、Ｇの信号成分を求める。

固体撮像装置５は、夜間において第１手法による信号変換を実施することで、歩行者を高い感度で撮像できる。カメラシステム１は、暗い場所の歩行者を正確に識別することができる。カメラシステム１は、昼間において第２手法による信号変換を実施することで、歩行者を高い色再現性で撮影できる。カメラシステム１は、日中の明るい場所の歩行者を正確に識別することができる。

本実施形態で説明するカメラシステム１の機能と画素群２０における画素の選択との関係は、適宜変更しても良い。固体撮像装置５は、本実施形態で説明するカメラシステム１の機能以外に対しても、所望とする画像を撮影するために画素群２０の画素を適宜選択するものであっても良い。第４の実施形態によれば、固体撮像装置５は、カメラシステム１による検知対象を正確に識別可能な画像を取得できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

５ 固体撮像装置、１１ 画素領域、１６ 撮像処理回路、２０ 画素群、２１ 通常画素、２２ 遮光画素、２３ 第１の開口領域、２４ 第２の開口領域、３０，４０，４２，４４，５０ 単位配列。

Claims (6)

1. 光が通過する開口領域を備える画素で構成される画素群が行列状に配列された画素領域と、
   前記画素領域からの信号を処理し、前記画素群を構成する画素の画像信号を出力する処理回路と、を備え、
   前記画素群を構成する画素は、第１の開口領域を備える第１画素と、前記第１の開口領域より小さい第２の開口領域を備える第２画素と、を含むことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記第２画素は、前記第２の開口領域以外の領域を遮光する遮光部を備えることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 行方向および列方向へ配列された画素群が、前記画素領域における単位配列を構成し、
   前記単位配列は、前記単位配列内の画素のうち光感度が最も高い前記第１画素である輝度検出画素と、前記第２画素とで構成される画素群を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 行方向および列方向へ配列された画素群が、前記画素領域における単位配列を構成し、
   前記単位配列を構成する各画素群は、前記単位配列内の画素のうち光感度が最も高い前記第１画素である輝度検出画素を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
5. 前記単位配列は、第１色光を検出する第１画素および第２画素で構成される第１画素群と、第２色光を検出する第１画素および第２画素で構成される第２画素群と、前記輝度検出画素を備える第３画素群と、を備え、
   前記処理回路は、前記第３画素群により検出された信号が、前記輝度検出画素が検出する光に含まれる第３色光の信号成分として用いられた画像信号を出力することを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
6. 前記輝度検出画素は、可視領域全般における波長の光を含む白色光を検出する前記第１画素であることを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の固体撮像装置。