JP2007088732A

JP2007088732A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP2007088732A
Application number: JP2005273955A
Authority: JP
Inventors: Masaru Osada; 勝長田
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2007-04-05

Abstract

【課題】フォトダイオードを複数に分割した各分割画素におけるシェーディング補正効果のズレを小さくする。
【解決手段】第１分割画素２と第２分割画素３とに分割された所定形状のフォトダイオード１が受光面上に複数配列形成された固体撮像素子において、前記受光面を該受光面の中心位置Ｏを中心として複数エリアに区分し、異なる区分内のフォトダイオード１は、前記所定形状の配置方向が中心位置Ｏを中心として点対称となるように形成され、同一区分内のフォトダイオード１は前記所定形状が同一配置方向となるように形成される。
【選択図】図１

Description

本発明はＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサの様な固体撮像素子に係り、特に、１つ１つの画素を構成するフォトダイオードが複数に分割形成されている固体撮像素子に関する。

デジタルカメラ等に搭載される固体撮像素子は、入射光を光電変換するフォトダイオードを多数備えており、また、下記特許文献１は、各フォトダイオードを、主画素と副画素とに２分割した固体撮像素子を開示している。

図８は、斯かる構成の固体撮像素子受光面１００を示し、中心部の点線枠１０１内の拡大表面模式図を図９に示す。尚、図９中のＯ点は、固体撮像素子受光面１００の中心位置を示す。図９に示す固体撮像素子はＣＣＤ型であり、偶数行の各フォトダイオード（光電変換素子）１に対して奇数行の各フォトダイオード１が水平方向に１／２ピッチずらして配置され、各フォトダイオード１から読み出された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送路（図示せず）が、垂直方向の各フォトダイオード１を避けるように蛇行配置される構成をとっている。

各フォトダイオード１は、図示する例では、フォトダイオード１の面積の約４／５を占める主画素（高感度画素ともいう。）２と、残りの約１／５を占める副画素（低感度画素ともいう。）３とに領域分割されており、主画素２に蓄積された電荷と副画素３に蓄積された電荷とを別々に上記の垂直転送路に読み出し転送することができるようになっている。尚、図中のＲ，Ｇ，Ｂは、各フォトダイオード１に積層されたカラーフィルタ赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）を示している。尚、主画素２と副画素３とを分割する面積比は任意であり、上記の例に限るものではない。

特開２００３―２１８３４３号公報

図９に示す固体撮像素子では、各フォトダイオード１の主画素２と副画素３との分割線を設ける位置が、全フォトダイオード１で同一となっている。図示の例では、フォトダイオードの右上側を副画素３に分割形成してある。

固体撮像素子の各フォトダイオード１の上には、カラーフィルタやマイクロレンズ等が積層され、多画素化が進展した近年の固体撮像素子では、各フォトダイオードの上に夫々形成される光通路は狭い隘路となっている。このため、固体撮像素子受光面１００の中心では入射光は真っ直ぐにフォトダイオードに入るが、固体撮像素子受光面１００の周辺部では、入射光は斜めに入射することになる。

このため、固体撮像素子受光面１００の周辺領域では光の斜め入射に対応してフォトダイオード上の光通路を中心方向に向くように斜めに形成したり、周辺領域での入射光量不足に起因して発生するシェーディングを画像データ信号処理時にシェーディング補正する様にしている。

しかしながら、図９に示す様に、各フォトダイオード１の主画素２に対する副画素３の分割位置が、固体撮像素子受光面１００の右上領域，右下領域，左上領域，左下領域で同一であるため、面積の大きい主画素のシェーディング補正効果と面積の小さい副画素のシェーディング補正効果とがずれてくるという問題が生じる。

本発明の目的は、フォトダイオードを複数に分割した各分割画素におけるシェーディング補正効果のズレを小さくできる固体撮像素子を提供することにある。

本発明の固体撮像素子は、第１分割画素と第２分割画素とに分割された所定形状のフォトダイオードが受光面上に複数配列形成された固体撮像素子において、前記フォトダイオードの前記所定形状の配置方向が前記受光面の中心位置を中心として点対称となるように前記複数のフォトダイオードが形成されていることを特徴とする。

本発明の固体撮像素子は、第１分割画素と第２分割画素とに分割された所定形状のフォトダイオードが受光面上に複数配列形成された固体撮像素子において、前記受光面を該受光面の中心位置を中心として複数エリアに区分し、異なる区分内の前記フォトダイオードは、前記所定形状の配置方向が前記中心位置を中心として点対称となるように形成され、同一区分内の前記フォトダイオードは前記所定形状が同一配置方向となるように形成されていることを特徴とする。

本発明の固体撮像素子は、前記第１分割画素の面積に対して前記第２分割画素の面積が小さいことを特徴とする。

本発明の固体撮像素子は、前記受光面に配列形成された偶数行の前記フォトダイオードに対して奇数行の前記フォトダイオードが１／２ピッチづつずれていることを特徴とする。

本発明の固体撮像素子は、前記受光面上に前記フォトダイオードが正方格子状に配列形成されていることを特徴とする。

本発明の固体撮像素子は、ＣＣＤ型であることを特徴とする。

本発明の固体撮像素子は、前記受光面の上側と下側に夫々水平転送路が設けられ、該受光面の上半分の領域の前記フォトダイオードから読み出された信号電荷は前記上側の水平転送路まで転送され、該受光面の下半分の領域の前記フォトダイオードから読み出された信号電荷は前記下側の水平転送路まで転送されることを特徴とする。

本発明の固体撮像素子は、ＭＯＳ型であることを特徴とする。

本発明によれば、各フォトダイオードの第１分割画素と第２分割画素の分割形状が偏っていても、受光面の位置によってフォトダイオードの分割形状が受光面中心位置を中心として対称となるように形成するため、第１分割画素と第２分割画素の各画像データのシェーディング補正効果にズレがなくなり、良好な撮像画像を得ることができる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の表面模式図である。本実施形態では、固体撮像素子受光面を、中心点Ｏを中心に放射状に、右上領域，右下領域，左上領域，左下領域の４エリアに４分割している。

本実施形態の固体撮像素子では、図９で説明したと同様に、フォトダイオード１を主画素２と副画素３とに２分割しているのであるが、右上領域においては、副画素３の分割位置を右上側とし、右下領域においては、副画素３の分割位置を右下位置とし、左上領域においては、副画素３の分割位置を左上位置とし、左下領域においては、副画素３の分割位置を左下位置としている。

即ち、本実施形態では、固体撮像素子受光面を複数領域に分割し、各領域における分割画素位置を、受光面中心Ｏに対して対称となるように配置したことを特徴とする。

図２は、図１の受光面中心Ｏ周りの拡大模式図である。各フォトダイオード１の両脇には夫々蛇行する垂直転送電極５が設けられており、１つのフォトダイオード１の右側（左側）には、２枚の垂直転送電極５が配置されている。この２枚の垂直転送電極の各々と主画素２，副画素３との間に、夫々信号電荷読出ゲート（図２に黒丸で示す。）６，７が設けられている。

図３は、上述した固体撮像素子を搭載するデジタルスチルカメラのブロック構成図である。撮影レンズ１０，光学ローパスフィルタ１１，図示しないメカニカルシャッタの背面部に上述した固体撮像素子１２が配置される。

固体撮像素子１２の出力はアナログ処理回路（相関二重サンプリング回路ＣＤＳやゲインコントロールアンプＧＣＡ）１３で処理された後、ＡＤ変換器１４でデジタルデータに変換され、信号処理部１５で信号処理される。

デジタルスチルカメラ全体を統括制御するＣＰＵ１６は、タイミング発生器１７を制御し、タイミング発生器１７から出力される電子シャッタ信号等の各種タイミング信号がドライバ１８を介して固体撮像素子１２に与えられ、固体撮像素子１２が駆動制御される。同様に、タイミング発生器１７から出力される各種タイミング信号により、アナログ処理回路１３や、ＡＤ変換器１４や、信号処理回路１５が制御される。

信号処理回路１５は、ＣＰＵ１６との間で信号を授受しながら画像処理を行い、再生した画像データの縮小画像を表示部１９に表示したり、ＪＰＥＧデータ等に圧縮した画像データを記録メディア２０に格納する。尚、符号２１は、ＣＰＵ１６に対してユーザ指示を入力する操作キーである。

図４は、デジタルスチルカメラが固体撮像素子１２から画像データを読み出すシーケンス図である。デジタルカメラのメカニカルシャッタが開いている間（主／副露光期間）に主画素２と副画素３とに夫々信号電荷が蓄積され、メカニカルシャッタが閉じたとき露光が終了する。

信号電荷の読出前に、垂直転送路を掃き出し駆動して垂直転送路上の不要電荷を排出し、その後、主画素２の信号電荷（主画素データ）を垂直転送路に読み出して水平転送路まで転送し、水平転送路を転送して固体撮像素子から出力する。次に、副画素３の信号電荷（副画素データ）を垂直転送路に読み出し、同様にして固体撮像素子から出力する。

図５は、デジタルスチルカメラが固体撮像素子１２から画像データを読み出し信号処理する処理手順を示すフローチャートである。固体撮像素子１２の全フォトダイオード１の主画素２，副画素３の全てから画像データを読み出す場合には、全画素読みモードが選択される（ステップＳ１）。

次に主／副画素読みがスタートし（ステップＳ２）、図４で説明した様に、先ず、主画素データが垂直転送路に読み出されて水平転送路まで転送され、次に水平転送路上を転送されて固体撮像素子１２から出力され（ステップＳ３）、図示しない画像メモリ等に書き込まれる。

主画素データの読み出し後に、今度は副画素データが垂直転送路に読み出されて水平転送路まで転送され、次に水平転送路上を転送されて固体撮像素子１２から出力され（ステップＳ４）、図示しない画像メモリ等に書き込まれる。

次に、固体撮像素子受光面を図１に示す様に４エリアに分割したことに起因し、分割領域の空間位置合わせ処理を行う（ステップＳ５）。

本実施形態では、図２に示す様に、中心点Ｏを通る垂直転送路ａには、主画素２からも副画素３からも画像データは読み出されないため、この位置の画像データは空白になってしまう。そこで、この空白部分を削除し、右上，右下領域の画素で撮像された画像と、左上，左下領域の画素で撮像された画像の空間位置合わせを行う。

また、同様に、中心点Ｏを挟んだ上側の右上，左上領域と、下側の右下，左下領域との空間位置合わせも必要となる。即ち、図２で示す様に、上側領域内の、例えば副画素３間の転送電極膜数はｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４の４枚であるが、中心点Ｏを挟んで垂直方向に並ぶ副画素３間では、転送電極膜数は、ｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４，ｃ５と５枚となり、固体撮像素子受光面の全領域の画素データを一律のタイミングで垂直転送路上を転送させると、横一行分の空白行が生じてしまう。そこで、この空白行を削除し、上領域の画素による撮像画像と下領域の画素による撮像画像の空間位置合わせを行う。

尚、この分割領域の空間位置合わせ処理は、画像メモリに書き込まれた画像データを処理することで行っても良いが、固体撮像素子から画像データを読み出すときに垂直転送路，水平転送路の転送タイミングを制御することで上記の空白部分を削除することでもよい。

次のステップＳ６では、主画素から読み出された画像データと副画素から読み出された画像データとを加算合成し、撮像画像の広ダイナミックレンジ化を行う。

図６は、撮像画像の広ダイナミックレンジ化処理の説明図である。図中の特性線Ｉは、主画素２の光電変換特性であり、特性線IIは副画素の光電変換特性である。主画素２の出力は、特性線Ｉに示す様に、被写体輝度（横軸）が低輝度のとき輝度に応じてリニアに上昇し、ある輝度以上で飽和する。これに対し、副画素３の出力は、特性線IIに示す様に、飽和輝度が主画素２に対して４倍に設定され、飽和出力は、主画素２の飽和出力の１／４に設定される。この違いは、主画素２と副画素３の面積比によるものであり、主画素２に対して副画素３の感度は１／１６となる。

そこで、主画素２が飽和点に達した以後、副画素３の光電変換特性IIのうちリニアに変化する部分II’を加算することで、主画素２が検出できない高輝度範囲内における輝度の差を画像に表すことができ、ダイナミックレンジの広い撮像画像が再生される。

以上述べた実施形態の固体撮像素子によれば、主画素２の画像データに対するシェーディング補正効果と、副画素３の画像データに対するシェーディング補正効果とのズレを無くすことができるため、良好でしかも広ダイナミックレンジの画像を得ることができる。

図７は、本発明の別実施形態に係る固体撮像素子の表面模式図である。本実施形態では、固体撮像素子受光面の上側，下側の夫々に第１，第２の水平転送路（ＨＣＣＤ）を設けている。そして、受光面の下側領域（右下領域，左下領域）の主画素２，副画素３の画像データは第１水平転送路まで垂直転送路上を転送させた後、この第１水平転送路上を転送させて固体撮像素子から出力させる構成になっている。また、受光面の上側領域（右上領域，左上領域）の主画素２，副画素３の画像データは第２水平転送路まで垂直転送路上を転送させた後、この第２水平転送路上を転送させて固体撮像素子から出力させる構成になっている。

この固体撮像素子の画像データ読み出し方法でも、図１に示す実施形態の固体撮像素子と同様の効果を得ることができる。

尚、上述した実施形態では、ＣＣＤ型で且つ所謂ハニカム画素配置（偶数行の画素に対して奇数行の画素を１／２ピッチずらして配置した画素配置）の固体撮像素子を例に説明したが、各画素を正方格子状に配置し、各画素を複数の分割画素に分割する構成でも良いことはいうまでもない。また、ＣＣＤ型ではなく、ＣＭＯＳ型などの他の形式の固体撮像素子でも良いことはいうまでもなく、ＣＭＯＳ型であれば、主画素，副画素の夫々に信号読出線を設ければ良い。

本発明に係る固体撮像素子は、フォトダイオードを複数に分割した各分割画素におけるシェーディング補正効果のズレを小さくできるので、デジタルカメラ等に搭載する固体撮像素子として有用である。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の表面模式図である。図１に示す固体撮像素子の中心位置周りの拡大模式図である。図１に示す固体撮像素子を搭載したデジタルスチルカメラのブロック構成図である。図３に示すデジタルスチルカメラにおける固体撮像素子からの画像データ読み出しシーケンス図である。図３に示すデジタルスチルカメラが実行する処理手順を示すフローチャートである。図１に示す主画素と副画素の光電変換特性を示すグラフである。本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子の表面模式図である。固体撮像素子受光面を示す平面図である。従来の固体撮像素子の表面模式図である。

符号の説明

１フォトダイオード（光電変換素子）
２主画素
３副画素
５転送電極膜
６主画素の信号電荷読出ゲート
７副画素の信号電荷読出ゲート
Ｏ受光面の中心位置

Claims

第１分割画素と第２分割画素とに分割された所定形状のフォトダイオードが受光面上に複数配列形成された固体撮像素子において、前記フォトダイオードの前記所定形状の配置方向が前記受光面の中心位置を中心として点対称となるように前記複数のフォトダイオードが形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
第１分割画素と第２分割画素とに分割された所定形状のフォトダイオードが受光面上に複数配列形成された固体撮像素子において、前記受光面を該受光面の中心位置を中心として複数エリアに区分し、異なる区分内の前記フォトダイオードは、前記所定形状の配置方向が前記中心位置を中心として点対称となるように形成され、同一区分内の前記フォトダイオードは前記所定形状が同一配置方向となるように形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
前記第１分割画素の面積に対して前記第２分割画素の面積が小さいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像素子。
前記受光面に配列形成された偶数行の前記フォトダイオードに対して奇数行の前記フォトダイオードが１／２ピッチづつずれていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の固体撮像素子。
前記受光面上に前記フォトダイオードが正方格子状に配列形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
ＣＣＤ型であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の固体撮像素子。
前記受光面の上側と下側に夫々水平転送路が設けられ、該受光面の上半分の領域の前記フォトダイオードから読み出された信号電荷は前記上側の水平転送路まで転送され、該受光面の下半分の領域の前記フォトダイオードから読み出された信号電荷は前記下側の水平転送路まで転送されることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像素子。
ＭＯＳ型であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の固体撮像素子。