JP4678583B2

JP4678583B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP4678583B2
Application number: JP2005087397A
Authority: JP
Inventors: 正紀舟木
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2025-03-25
Also published as: JP2006270658A

Description

本発明は固体撮像装置に係り、特にＣＭＯＳイメージセンサによる固体撮像素子を用いた固体撮像装置に関する。

図９は従来の撮像装置の一例のブロック図を示す。同図において、撮像対象からの光２１は撮像光学系２２、光学ローパスフィルタ２３をそれぞれ透過して従来の固体撮像素子２４に入射して光電変換される。固体撮像素子２４により光電変換して得られた信号電荷に基づく映像信号は、信号処理回路２５に供給されて所定の信号処理が行われた後記録媒体あるいは外部出力端子２６へ出力される。

ここで、ＣＣＤ（Charge Coupled Devise:電荷結合素子）やＣＭＯＳイメージセンサを代表とする従来の固体撮像素子２４においては、一定の画素ピッチで規則的に配列された多数の画素のそれぞれにより光電変換して得られた信号電荷に基づいて、映像信号を取得するが、このとき折り返し歪みが発生するという問題がある。

そこで、従来は、この問題を避けるために、図９に示すように、固体撮像素子２４と撮影光学系２２の間に光学ローパスフィルタ２３を挟み、光学ローパスフィルタ２３により入射光を帯域制限してから従来の固体撮像素子２４に入射することで、折り返し歪みを低減することが一般に行われている。しかしながら、このような光学ローパスフィルタ２３は、光学系が厚くなる、コストアップになる、という問題がある。

そこで、光学ローパスフィルタ２３を使わずに、折り返し歪みを低減する固体撮像素子が従来から提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１記載の従来の固体撮像素子においては、画素の間に、光電変換領域側からの光の少なくとも一部を他の光電変換領域へ反射する反射部や、周囲の画素に光を分散させる仕組みを設け、光学ローパスフィルタを不要にする工夫がなされている。

特開２００３−９２３９２号公報

しかしながら、特許文献１記載の従来の固体撮像素子では、反射部や、周囲の画素に光を分散させる仕組みに作り込む構造であるため、光学系が厚くなる、コストアップになるという問題がある。

本発明は上記の点に鑑みなされたもので、コストアップにならない簡便な方法で光学ローパスフィルタを不要とし得る固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、行方向及び列方向にそれぞれ所定のピッチで配置された複数のフォトダイオード、前記複数のフォトダイオードの行間及び列間にそれぞれ前記所定のピッチの２倍のピッチで配置され、周囲のフォトダイオードから第１の転送回路を介して転送された信号電荷を混合して第１の画像データを生成し、さらに前記第１の画像データを前記列方向に延在する第１の出力線に出力する複数の第１の出力回路、及び、前記複数のフォトダイオードの行間及び列間にそれぞれ前記所定のピッチの２倍のピッチで配置され、かつ、前記第１の出力回路に対して前記行間及び前記列間にそれぞれ前記所定のピッチずらして配置され、周囲のフォトダイオードから前記第１の転送回路とは異なる第２の転送回路を介して転送された信号電荷を混合して第２の画像データを生成し、さらに前記第２の画像データを前記列方向に延在する、前記第１の出力線とは異なる第２の出力線に出力する複数の第２の出力回路、を有し、隣り合う第１の出力回路と第２の出力回路との間に位置するフォトダイオードが、前記第１の転送回路と前記第２の転送回路をそれぞれ介して前記隣り合う第１の出力回路と第２の出力回路に共通に接続されたＣＭＯＳイメージセンサと、前記第１の画像データと前記第２の画像データとを互いに補完して合成し、前記所定のピッチの解像度を有する合成画像データを生成する合成画像生成部と、を備え、前記隣り合う第１の出力回路と第２の出力回路との間に位置するフォトダイオードに蓄積された信号電荷は、前記隣り合う第１の出力回路及び第２の出力回路のうちの一方に向けて第１の期間に転送され、前記隣り合う第１の出力回路及び第２の出力回路のうちの他方に向けて前記第１の期間とは異なる第２の期間に転送されることを特徴とする。

この発明では、第１の出力回路から出力される第１の画像データと、第２の出力回路から出力される第２の画像データとを合成することにより、データ補完された合成画像データを得ることができる。

本発明によれば、任意の位置にあるフォトダイオードの信号電荷は半画素ずれた第１及び第２の画像データの両方に用いられており、光学的ローパスフィルタを使ったときと同じ効果の画像データが得られるため、コストアップにならない簡便な方法により光学的ローパスフィルタを不要にできる。

次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。図１は本発明になる固体撮像素子の一実施の形態の構造を示す。同図において、白四角で示すフォトダイオードＰＤが２次元的に一定のピッチでマトリクス状に配列されている。隣接する２個のフォトダイオードＰＤの間に、フォトダイオードＰＤで光電変換して得られた信号電荷を電気信号に変換し、電気信号を出力する出力回路が配置されている。この出力回路は１１ａと１１ｂの２種類があり、１１ａ、１１ｂともにフォトダイオードＰＤの２個分の配置ピッチで配列されている。

また、出力回路１１ａ、１１ｂはそれぞれ行方向、列方向で１個分のフォトダイオードＰＤの配置ピッチだけずれて配置されている。１個のフォトダイオードＰＤは隣接する２つの出力回路１１ａ、１１ｂと、２つの転送回路１２ａ、１２ｂによりどちらの出力回路にも電荷を転送できるようになっている。ただし、一番外周にあるフォトダイオードＰＤは例外的に１個の出力回路（図１では１１ａ）にしか繋がっていない。出力回路１１ａ、１１ｂはその周囲の４個のフォトダイオードＰＤに、４つの転送回路１２ａ又は１２ｂを別々に介して繋がっており、４個分のフォトダイオードＰＤの信号電荷を混合してその電気信号を出力できるようになっている。

次に、このような構造の本実施の形態の固体撮像素子の動作について説明する。まず、ある期間には出力回路１１ａによる信号だけを読み出す。図２にそれを示す。出力回路１１ａに繋がる転送回路１２ａだけを駆動し、破線で囲んだ４つのフォトダイオードＰＤで得られた信号電荷を出力回路１１ａに転送し、ここで電気信号に変換して出力する。すなわち、図２に波線で囲んだ１個の出力回路１１ａの読み出し範囲１３ａが一つの画素として機能する。以下、出力回路１１ａの情報だけを使って作る画像データを画像ａとする。

それに続く別の期間では、図３に示すように、出力回路１１ｂに繋がる転送回路１２ｂだけを駆動し、破線で囲んだ４つのフォトダイオードＰＤで得られた信号電荷を出力回路１１ｂに転送し、ここで電気信号に変換して出力する。すなわち、図３に波線で囲んだ１個の出力回路１１ｂの読み出し範囲１３ｂが一つの画素として機能する。以下、出力回路１１ｂの情報だけを使って作る画像データを画像ｂとする。

これにより、上記の画像ａと画像ｂは、図７で示したように、半画素分だけずれている。これはいわゆる画素ずらしになっており、出力回路１１ａを使って構成した画像ａのデータと、出力回路１１ｂを使って構成した画像ｂのデータを既知の補完方法を使い、データ補完し、合成画像を得ることができる。合成した画像の解像度はフォトダイオードＰＤの配置ピッチと同じになる。

さて、ある１個のフォトダイオードＰＤに注目すると、そのフォトダイオードＰＤの信号電荷は、半画素ずれた画像ａ、ｂの両方に貢献している。従って、これは光学的ローパスフィルタを使った場合と同じ効果を示す。すなわち、光学ローパスフィルタが空間的に光を隣接フォトダイオードに分散させているのに対して、本発明では光を時間的に分散させていることになるからである。

なお、外周１個分のフォトダイオードＰＤに繋がった出力回路１１ａ又は１１ｂの情報は、フォトダイオードＰＤが１つの出力回路１１ａ又は１１ｂにしか繋がっていないために、他の出力回路と異なってしまうので、使用できない。

図４は本発明になる固体撮像素子の一実施の形態の詳細回路図を示す。図４では、図１と同じだけ、出力回路１１ａを３×３分、出力回路１１ｂを２×２分示す。この固体撮像素子の動作を説明するのにｍ行ｎ列目の出力回路１１ａｍｎの動作を例にとって示す。なお、今後、記号の中のｍ、ｎは１以上の自然数で、ｍ行ｎ列目であることを示している。また、ａは出力回路１１ａ、ｂは出力回路１１ｂであることを示している。

一つの出力回路１１ａｍｎは、図５に示すように、３つのＭＯＳ型電界効果トランジスタＴｒ.ＲＳａｍｎ、Ｔｒ.ＡＭＰａｍｎ及びＴｒ.ＳＬａｍｎで構成されている。トランジスタＴｒ．ＲＳａｍｎはリセット・トランジスタで、ドレインが電源に、ソースがフローティングディフュージョンＦＤａｍｎに、ゲートが配線ＲＳａｍに繋がっている。トランジスタＴｒ．ＡＭＰａｍｎは増幅用トランジスタで、ドレインが電源に、ソースがセレクト・トランジスタＴｒ．ＳＬａｍｎのドレインに、ゲートがフローティングディフュージョンＦＤａｍｎに繋がっている。トランジスタＴｒ．ＳＬａｍｎはセレクト・トランジスタで、ドレインが増幅用トランジスタＴｒ．ＡＭＰａｍｎのソースに、ドレインが縦方向の出力線に、ゲートが配線ＳＬａｍに繋がっている。

出力回路１１ａｍｎの周辺の４つのフォトダイオードはＰＤ（ａｍｎ，ｂ（ｍ−１）（ｎ−１））、ＰＤ（ａｍｎ，ｂ（ｍ−１）ｎ）、ＰＤ（ａｍｎ，ｂｍ（ｎ−１））、ＰＤ（ａｍｎ，ｂｍｎ）である。ここでＰＤ（ｘ，ｙ）のｘとｙは、このフォトダイオードを共用している出力回路を示している。たとえば、ＰＤ（ａｍｎ，ｂｍｎ）であれば、出力回路１１ａｍｎと出力回路１１ｂｍｎで共用していることを示している。

同様に、フォトダイオードの非接地側端子に繋がっている転送トランジスタは、ＴＧ（ｘ，ｙ）のように表現されている。この転送トランジスタは、フォトダイオードＰＤ（ｘ，ｙ）に繋がっており、また出力回路ｘのフローティングディフュージョンに繋がっていることを示す。逆に出力回路ｙに繋がっている転送トランジスタはＴＧ（ｙ，ｘ）のように、ｘとｙの順番を逆にする。

例えば、フォトダイオードＰＤ（ａｍｎ，ｂｍｎ）に繋がっているＴＧ（ａｍｎ，ｂｍｎ）はドレインが出力回路１１ａｍｎのフローティングディフュージョンＦＤａｍｎに繋がっており、ソースがＰＤ（ａｍｎ，ｂｍｎ）に繋がっている。転送トランジスタＴＧ（ａｍｎ，b(m-1)(n-1)）、ＴＧ（ａｍｎ，b(m-1)n）、ＴＧ（ａｍｎ，bm(n-1)）、ＴＧ（ａｍｎ，ｂｍｎ）のゲートは、配線ＴＧａｍ又はＴＧａｍ’に繋がっている。図５では便宜上ＴＧａｍとＴＧａｍ’の２つの配線に分かれて表現されているが、ＴＧａｍとＴＧａｍ’は同じ動作をすることが後で示される。なお、図５の全てのトランジスタはＮチャネルのＭＯＳ型ＦＥＴとする。

出力回路１１ａｍｎが出力している出力線ａｎには、縦方向に多数の出力回路１１ａが繋がっている。しかし、それらの出力回路１１ａは便宜上、図５には描かれていない。どの出力回路１１ａの出力が出力線ａｎに出力されるかは、配線ＳＬａｍを介してゲートに制御信号が印加されるセレクト・トランジスタＴｒ・ＳＬａｍｎがオンになったｍ行目の出力回路１１ａｍｎだけが出力されているとしている。

出力線ａｎには、電流源負荷Ｌａｎ、スイッチＳＷａｎ１、ＳＷａｎ２が繋がっており、さらにスイッチＳＷａｎ１、ＳＷａｎ２はキャパシタＣａｎ１、Ｃａｎ２を介して接地されている。キャパシタＣａｎ１、Ｃａｎ２の非接地側端子はアンプＡＭＰａｎの入力に接続されており、ＡＭＰａｎの出力はスイッチＳＷａｎ３を通して、最終的なチップ全体の出力に繋がっている。

この画素１個分のタイミングチャートを図６に示す。図６（Ｄ）に示す配線ＳＬａｍの制御信号が時刻ｔ１でハイレベルになり、出力回路１１ａのｍ行目すべてを選択すると、ｎ列目の出力回路１１ａｍｎも選択される。このとき、まず、配線ＲＳａｍのリセット信号が時刻ｔ１からｔ２までの一定時間、図６（Ｃ）に示すようにハイレベルになり、リセット・トランジスタＴｒ.ＲＳａｍｎがオンとされるため、フローティングディフュージョンＦＤａｍｎがリセットされる。

次に、スイッチＳＷａｎ１が図６（Ｇ）に示すように時刻ｔ３から一定時間オンするので、キャパシタＣａｎ１にリセット時の出力が記録される。次に、配線ＴＧａｍとＴＧａｍ’の制御信号が図６（Ａ）、（Ｅ）にそれぞれ示すように、時刻ｔ４から一定期間ハイレベルになり、転送トランジスタＴＧ（ａｍｎ，ｂ（ｍ−１）（ｎ−１））、ＴＧ（ａｍｎ，ｂ（ｍ−１）ｎ）、ＴＧ（ａｍｎ，ｂｍ（ｎ−１））、ＴＧ（ａｍｎ，ｂｍｎ）がオンし、フォトダイオードＰＤ（ａｍｎ，ｂ（ｍ−１）（ｎ−１））、ＰＤ（ａｍｎ，ｂ（ｍ−１）ｎ）、ＰＤ（ａｍｎ，ｂｍ（ｎ−１））、ＰＤ（ａｍｎ，ｂｍｎ）から電荷がフローティングディフュージョンＦＤａｍｎに転送される。

その後、図６（Ｈ）に示すように時刻ｔ５から一定時間、スイッチＳＷａｎ２がオンされ、これにより直前にフローティングディフュージョンＦＤａｍｎに転送されていた４個のフォトダイオードからの合成信号電荷による信号が、増幅用トランジスタＴｒ．ＡＭＰａｍｎのソースからセレクタ・トランジスタＴｒ・ＳＬａｍｎのドレイン、ソース、スイッチＳＷａｎ２をそれぞれ介してキャパシタＣａｎ２に供給されて記録される。キャパシタＣａｎ１とＣａｎ２の電圧差が信号となる。

その後、１列目から順々に出力され、ｎ列目になったところでスイッチＳＷａｎ３が図６（Ｉ）に示すように時刻ｔ７でオンされるため、ＡＭＰａｎにより増幅されたキャパシタＣａｎ１とＣａｎ２の電圧の差の電圧がスイッチＳＷａｎ３を介して出力される。

なお、配線ＴＧｂ（ｍ−１）’とＴＧｂｍの信号は、図６（Ｂ）、（Ｆ）に示すように、ずっとローレベル（Ｌｏｗ）のままで、フォトダイオードの電荷が出力回路１１ｂ側に転送されることはない。このような過程が全ての出力回路１１ａの行について順々に行われ、出力回路１１ａによる画像ａが得られる。引き続き、出力回路１１ｂによる画像ｂについても上記と同様の動作により得られる。

図８は本発明の固体撮像装置の一実施の形態のブロック図を示す。同図において、撮像対象からの光は撮像光学系２２を透過して、図１及び図４に示した構成の本発明の固体撮像素子１５に入射して光電変換される。固体撮像素子１５により光電変換して得られた信号電荷に基づく映像信号は、合成画像取得手段１６に供給され、ここで画像ａのデータ１６１と画像ｂのデータ１６２とが、図７で説明したように合成されて合成画像データ１６３とされた後、信号処理回路２５に供給されて所定の信号処理が行われた後記録媒体あるいは外部出力端子２６へ出力される。

このように、この撮像装置では、従来必要だった撮影光学系２２と固体撮像素子の間に挟んだ、光学ローパスフィルタ２３が不要になる。その一方で、画像ａと画像ｂを合成する合成画像取得手段１６が新たに必要になる。しかし、この合成画像取得手段１６は単純な合成回路で構成でき、特許文献１に記載されたような反射部などに比べてかなり安価に構成できる。従って、本発明の固体撮像素子１５を用いることで、コストアップにならない簡便な方法で光学ローパスフィルタを不要にできる。

本発明の固体撮像素子の一実施の形態の構造図である。本発明の固体撮像素子中の出力回路１１ａによる画素読み出し範囲説明図である。本発明の固体撮像素子中の出力回路１１ｂによる画素読み出し範囲説明図である。本発明の固体撮像素子の一実施の形態の詳細回路図である。本発明の一実施の形態の画素１個分の回路（ｍ行ｎ列目の出力回路）とそのＣＤＳ回路図である。図５の動作説明用タイミングチャートである。本発明における画像データの合成方法を説明する図である。本発明の固体撮像装置の一実施の形態のブロック図である。従来の撮像装置の一例のブロック図である。

符号の説明

１１ａ、１１ｂ、１１ａ１１〜１１ａ３３、１１ａｍｎ出力回路
１２ａ、１２ｂ転送回路
１３ａ１個の出力回路１１ａの読み出し範囲
１３ｂ１個の出力回路１１ｂの読み出し範囲
１５本発明の固体撮像素子
１６合成画像取得手段
ＰＤ、ＰＤ(amn,b(m-1)(n-1))、ＰＤ(amn,b(m-1)n)、ＰＤ(amn,bm(n-1))、ＰＤ(amn,bmn) フォトダイオード
Ｔｒ.ＲＳamn リセット・トランジスタ
Ｔｒ.ＡＭＰamn 増幅用トランジスタ
Ｔｒ.ＳＬamn セレクト・トランジスタ
ＦＤamn フローティングディフュージョン
ＴＧ(b(m-1)(n-1),amn)、ＴＧ(amn,b(m-1)(n-1))、ＴＧ(amn,b(m-1)n)、ＴＧ(b(m-1)n,amn)、ＴＧ(bm(n-1),amn)、ＴＧ(amn,bm(n-1))、ＴＧ(amn,bmn)、ＴＧ(bmn,amn) 転送トランジスタ

Claims

行方向及び列方向にそれぞれ所定のピッチで配置された複数のフォトダイオード、
前記複数のフォトダイオードの行間及び列間にそれぞれ前記所定のピッチの２倍のピッチで配置され、周囲のフォトダイオードから第１の転送回路を介して転送された信号電荷を混合して第１の画像データを生成し、さらに前記第１の画像データを前記列方向に延在する第１の出力線に出力する複数の第１の出力回路、及び、
前記複数のフォトダイオードの行間及び列間にそれぞれ前記所定のピッチの２倍のピッチで配置され、かつ、前記第１の出力回路に対して前記行間及び前記列間にそれぞれ前記所定のピッチずらして配置され、周囲のフォトダイオードから前記第１の転送回路とは異なる第２の転送回路を介して転送された信号電荷を混合して第２の画像データを生成し、さらに前記第２の画像データを前記列方向に延在する、前記第１の出力線とは異なる第２の出力線に出力する複数の第２の出力回路、
を有し、
隣り合う第１の出力回路と第２の出力回路との間に位置するフォトダイオードが、前記第１の転送回路と前記第２の転送回路をそれぞれ介して前記隣り合う第１の出力回路と第２の出力回路に共通に接続されたＣＭＯＳイメージセンサと、
前記第１の画像データと前記第２の画像データとを互いに補完して合成し、前記所定のピッチの解像度を有する合成画像データを生成する合成画像生成部と、
を備え、
前記隣り合う第１の出力回路と第２の出力回路との間に位置するフォトダイオードに蓄積された信号電荷は、前記隣り合う第１の出力回路及び第２の出力回路のうちの一方に向けて第１の期間に転送され、前記隣り合う第１の出力回路及び第２の出力回路のうちの他方に向けて前記第１の期間とは異なる第２の期間に転送されることを特徴とする固体撮像装置。