JP2008042298A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 グローバルシャッター機能を有し、感度特性差の補正を容易に行え高画質な画像信号を得ることの可能な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 撮像光学系１によって結像される位置が略同一とみなされる位置に配置された単位画素を構成する第１の画素と第２の画素の各信号を独立に出力可能な固体撮像素子２と、該固体撮像素子の第１の画素と第２の画素のＡ／Ｄ変換された信号から第１及び第２の画素の感度特性差の補正データを算出する感度差補正データ算出回路９と、第１及び第２の画素の感度特性差を補正するためのＡ／Ｄ変換された第２の画素信号を感度差補正データで補正する感度差補正回路５と、Ａ／Ｄ変換された第１の画素信号と感度差補正データで補正された第２の画素信号との差分をとる差動回路６を備えて固体撮像装置を構成する。
【選択図】 図５

Description

この発明は、一括シャッター（以下、グローバルシャッターという）機能を有する固体撮像装置、特にグローバルシャッター機能を有し高画質の撮影データが得られるようにした固体撮像装置に関する。

従来、ＭＯＳ型固体撮像装置における画素信号の読み出しには、一般的にはＸＹアドレス読み出し方式が用いられている。次にＭＯＳ型固体撮像装置の構成及びそのＸＹアドレス読み出し方式について、図11，図12，図13を用いて説明する。図11は、ＭＯＳ型固体撮像装置に用いられる一般的な画素構成を示している。図11において、600 は単一画素を示す。606 は光電変換素子であるフォトダイオード、602 はフォトダイオード606 で発生した信号電荷をメモリ605 に転送するための転送トランジスタ、601 はメモリ605 及びフォトダイオード606 をリセットするためのリセットトランジスタ、604 はメモリ605 の電圧レベルを増幅し読み出すためのアンプ（増幅トランジスタ）、603 は画素を選択し、垂直信号線614 にアンプ604 の出力を伝えるための選択トランジスタをそれぞれ示している。ここで、フォトダイオード606 以外は遮光されている。

また、図11において、610 は画素電源であり、アンプ604 のドレイン側及びリセットトランジスタ601 のドレイン側に電気的に接続されている。611 は１行分の画素をリセットするためのリセット線であり、１行分の画素のリセットトランジスタ601 のゲートにそれぞれ電気的に接続されている。612 は１行分の画素の信号電荷をそれぞれの画素のメモリ605 に転送するための転送線であり、１行分の転送トランジスタ602 のゲートにそれぞれ電気的に接続されている。613 は１行分の画素を選択するための選択線であり、１行分の選択トランジスタ603 のゲートにそれぞれ電気的に接続されている。このように４個のトランジスタを用いた画素構成（以下４Tr画素と称する）により、光電変換機能、リセット機能、増幅読み出し機能、一時メモリ機能、選択機能を実現している。

図12は、ＸＹアドレス読み出し方式の固体撮像装置の一般的な基本構成を示したものである。受光部は、前記図11に示した画素構成の画素600 をｍ行×ｎ列に配列した画素アレイ700 によって構成されている。垂直走査回路704 は、行選択信号φＳＥＬｉと行リセット信号φＲＳｉ及び行転送信号φＴｘｉを、画素アレイ700 に出力しながら走査する。このとき、行選択信号φＳＥＬｉは、選択線613 を介してｉ行目の画素の選択トランジスタ603 のゲートに伝達され、行リセット信号φＲＳｉは、リセット線611 を介してｉ行目の画素のリセットトランジスタ601 のゲートに伝達され、行転送信号φＴＸｉは、転送線612 を介してｉ行目の画素の転送トランジスタ602 のゲートに伝達される。

第ｉ行の画素の信号を読み出す場合には、垂直走査回路704 から第ｉ行目の行選択信号φＳＥＬｉが画素アレイ700 に入力され、第ｉ行の画素のフォトダイオード606 をリセットする場合には、垂直走査回路704 から第ｉ行目の行リセット信号φＲＳｉ及び行転送信号φＴＸｉが画素アレイ700 に入力され、第ｉ行の画素のメモリ605 をリセットする場合には、垂直走査回路704 から第ｉ行目の行リセット信号φＲＳｉが画素アレイ700 に入力され、第ｉ行の画素の信号電荷をメモリ605 に転送する場合には、垂直走査回路704 から第ｉ行目の行転送信号φＴＸｉが画素アレイ700 に入力される。

選択されたｉ行の画素の信号は、行並列処理回路701 でＦＰＮ（固定パターンノイズ）キャンセル等の処理が行われた後、ラインメモリ702 に処理結果が記憶される。その後、水平走査回路703 が水平走査信号φＨｊ（ｊ＝１，２，３，・・・ｎ）を出力することにより、ラインメモリ702 に記憶された１行分の画素信号を水平選択スイッチを介して順次選択しながら走査し、読み出す。この処理を第１行から第ｍ行まで順次行うことにより、画素アレイ700 の全画素の信号を走査し、読み出すことができるようになっている。

図13は、このようなＸＹアドレス読み出し方式の固体撮像装置の駆動タイミングを示したタイミングチャートである。Ｔ１の期間に注目して駆動動作について説明する。垂直走査回路704 から行選択信号φＳＥＬ１が出力され、次いで行リセット信号φＲＳ１が出力されることで、第１行目の画素が選択され、画素のリセットレベルが読み出される。更に垂直走査回路704 から行転送信号φＴＸ１が出力されることで、第１行目のフォトダイオード606 で発生した信号電荷がメモリ605 に転送され、画素の信号レベルが読み出される。その後行リセット信号φＲＳ１及び行転送信号φＴＸ１が出力されてフォトダイオード606 及びメモリ605 のリセットが行われる。ここで読み出される信号の蓄積期間は、前フレームでフォトダイオード606 をリセットした直後から転送するまでの図中Ｔａで示す期間となる。また、Ｔ１期間中信号レベルとリセットレベルの差分処理を行い、ラインメモリ702 にその信号が記憶される。その後、水平走査回路703 を動作させ、水平走査信号φＨｊ（ｊ＝１，２，３，・・・ｎ）を出力することにより、１行目の信号を出力する。以降、各行について同様の動作が行われる。

このような通常のＸＹアドレス読み出し方式においては、信号を蓄積する時刻が画素アレイの行毎に異なるため、より具体的には、最初に読み出す第１行と最後に読み出す第ｍ行とでは最大で１フレーム分時刻が異なるために、高速移動物体を撮影したときに画像が歪むという問題が生じる。

このような通常のＸＹアドレス読み出し方式における上記問題点を解決する手法として、グローバルシャッター読み出し方式がある。次に、この読み出し方法について簡単に説明する。図14は、図11及び図12に示したものと同じ基本構成の固体撮像装置において、グローバルシャッター動作を行うときの駆動タイミングを示す。

まず、垂直走査回路704 から全行の行リセット信号φＲＳ１〜φＲＳｍ及び行転送信号φＴＸ１〜φＴＸｍが同時に出力されることで、全行分の画素のフォトダイオード606 がリセットされる。その後、一定の信号蓄積期間をおいて、垂直走査回路704 から全行の行転送信号φＴＸ１〜φＴＸｍが同時に出力されることで、全行分の画素のフォトダイオード606 に一定期間内に蓄積された信号電荷がメモリ605 に全行同時に転送される。このような動作によりグローバルシャッター動作が行われる。

次いで、メモリ605 に記憶された信号の１行ずつの読み出しを開始する。まず垂直走査回路704 から行選択信号φＳＥＬ１が出力されることで、第１行目の画素が選択され、画素の信号レベルが読み出される。更に垂直走査回路704 から行リセット信号φＲＳ１が出力されることで、第１行目のメモリ605 がリセットされ、画素のリセットレベルが読み出される。第１行目の画素の信号レベル及びリセットレベルの読み出しが終了すると、第２行目の画素が選択され、信号レベル及びリセットレベルが読み出される。この信号読み出し走査を第ｍ行まで行うことで、１フレームの信号読み出しが行われる。説明を簡単にするため、水平走査回路703 の水平走査信号φＨｊの図示は省略したが、水平走査信号φＨｊ（ｊ＝１，２，３，・・・ｎ）は第ｉ行目の信号読み出しから第ｉ＋１行の信号読み出しまでの間に出力されている。なお、４Tr画素を用いた固体撮像装置において、グローバルシャッター動作を行わせているものとしては、例えば特開２００２−３２０１４１号公報開示のものがある。
特開２００２−３２０１４１号公報

しかしながら、全画素のフォトダイオードの一括リセットと一定期間（露光期間）内に蓄積された信号電荷のメモリへの一括転送とを行い、その後メモリより順次信号読み出しを行う従来のグローバルシャッター技術は、光電変換信号をフォトダイオードより暗電流の発生が桁違いに大きいメモリに、最長で１フレーム時間保持しておく必要があるため、光電変換信号に大きな暗電流信号が重畳されてしまい、フォトダイオードをリセットする際に生じるノイズ（以下、ＫＴＣノイズという）を取り除くことができないという問題点がある。したがって撮像信号出力は、従来の線順次で信号を読み出すローリングシャッター方式に比べ、Ｓ／Ｎが格段に悪く、デジタルスチルカメラやムービカメラなど、高画質が要求される製品の固体撮像装置には適用が困難であった。

本発明は、従来のグローバルシャッター方式の固体撮像装置における上記問題点を解消するためになされたもので、暗電流やＫＴＣノイズの影響によって撮像信号出力のＳ／Ｎを劣化させることなく、グローバルシャッター機能を実現することの可能な固体撮像装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、撮像光学系によって結像される位置が同一と見なされる位置に配置された光電変換素子を含む第１の画素と第２の画素とからなる単位画素を二次元状に配列した画素部と、前記画素部に配列された各単位画素の前記全ての第１の画素の光電変換素子と、前記全ての第２の画素の光電変換素子とを各々独立して同時にリセットするためのリセット制御手段と、前記第１の画素の光電変換素子と前記第２の画素の光電変換素子の信号の差分信号を得るための差分信号出力手段とを有する固体撮像装置であって、前記リセット制御手段により、前記画素部の全ての第１の画素の光電変換素子の信号のリセットを行った後、所望の露光時間後に前記画素部の全ての第２の画素の光電変換素子の信号のリセットを行い、前記リセット制御手段による全ての前記第２の画素の光電変換素子の信号のリセット直後より、第１の画素の光電変換素子と第２の画素の光電変換素子の信号を、同時、もしくはほぼ同時にそれぞれ読み出し、前記差分信号出力手段により、それらの差分信号を撮像信号として出力するように構成されている固体撮像装置において、前記第１の画素の光電変換素子と第２の画素の光電変換素子との特性差を補正するための特性差補正手段を備えていることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る固体撮像装置において、前記特性差補正手段は、前記第１の画素の光電変換素子及び第２の画素の光電変換素子の感度特性の比を感度差補正データとして用いる感度差補正部を少なくとも有していることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１に係る固体撮像装置において、前記感度差補正部は、前記第１の画素又は第２の画素の画素信号に対して前記感度差補正データに基づいて補正を行うことを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項２又は３に係る固体撮像装置において、前記感度差補正データは、前記第１の画素及び第２の画素の光電変換素子に対する蓄積条件及び撮像光学系条件を同一にして取得することを特徴とするものである。

請求項５に係る発明は、請求項２〜４のいずれか１項に係る固体撮像装置において、前記感度差補正データは、撮影条件に応じて変更可能であることを特徴とするものである。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか１項に係る固体撮像装置において、シェーディング補正手段を更に設けていることを特徴とするものである。

本発明によれば、第１の画素の光電変換素子と第２の画素の光電変換素子の特性差を補正するための特性差補正手段を設けているので、グローバルシャッター機能を有し暗電流によるＦＰＮやＫＴＣノイズのない高画質の画像信号を得ることが可能な固体撮像装置を実現できる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

まず、本発明に係る固体撮像装置の実施例の説明に先立って、本発明に係る固体撮像装置の基本となる構成について説明する。図１は、基本構成に係る固体撮像装置の画素構成を示す回路構成図である。図１において、100 は単位画素を示し、この単位画素100 は、従来の４Tr構成の単位画素において、フォトダイオードを２つ設け、それに対応して２つの転送トランジスタを設けた構成となっている。すなわち、第１のフォトダイオード106-1 及び第２のフォトダイオード106-2 と、第１及び第２のフォトダイオード106-1 ，106-2 で発生した信号電荷をメモリ105 にそれぞれ転送するための第１及び第２の転送トランジスタ102-1 ，102-2 と、メモリ105 と第１及び第２のフォトダイオード106-1 ，106-2 をリセットするためのリセットトランジスタ101 と、メモリ105 の電圧レベルを増幅し読み出すための増幅トランジスタ104 と、画素を選択し垂直信号線114 に増幅トランジスタ104 の出力を伝えるための選択トランジスタ103 とで構成されている。そして、ここでは第１及び第２のフォトダイオード106-1 ，106-2 は、同一半導体基板上に同じ大きさで光学的に同じとみなされる結像位置に配置されており、この第１及び第２のフォトダイオード106-1 ，106-2 以外は遮光されている。

なお、図１において、110 は画素電源であり、増幅トランジスタ104 のドレイン側とリセットトランジスタ101 のドレイン側に電気的にそれぞれ接続されている。111 は、１行分の画素をリセットするためのリセット線であり、１行分の画素のリセットトランジスタ101 のゲートに電気的に接続されている。112-1 ，112-2 は、１行分の画素の第１のフォトダイオード106-1 及び第２のフォトダイオード106-2 の信号電荷をそれぞれの画素のメモリ105 に転送するための第１及び第２の転送線であり、１行分の画素の第１及び第２の転送トランジスタ102-1 ，102-2 のゲートにそれぞれ電気的に接続されている。113 は、１行分の画素を選択するための選択線であり、１行分の選択トランジスタ103 のゲートに電気的に接続されている。

図２は、図１に示した構成の単位画素100 をｍ行×ｎ列に配列した画素アレイ200 を備えた基本構成に係る固体撮像装置の全体構成を示すブロック構成図である。図２において、204 は、行リセット信号φＲＳ−ｉと、第１及び第２の転送信号φＴＸ１−ｉ，φＴＸ２−ｉと、行選択信号φＳＥＬ−ｉとを、それぞれリセット線111 ，第１及び第２の転送線112-1 ，112-2 ，選択線113 に出力しながら、画素アレイ200 を走査する垂直走査回路であり、また201-1 は、１行分の画素の第１のフォトダイオード106-1 からの画素信号のＦＰＮキャンセル等の処理を行う第１の行並列処理回路、202-1 は第１の行並列処理回路201-1 の処理結果を記憶する第１のラインメモリ、203 は第１のラインメモリ202-1 に記憶された１行分の第１のフォトダイオード106-1 の画素信号を選択スイッチを介して順次選択しながら走査し、第１のアンプ205-1 を通して出力する第１の水平走査回路である。

また、201-2 は１行分の画素の第２のフォトダイオード106-2 からの画素信号のＦＰＮキャンセル等の処理を行う第２の行並列処理回路、202-2 は第２の行並列処理回路201-2 の処理結果を記憶する第２のラインメモリ、203-2 は第２のラインメモリ202-2 に記憶された１行分の第２のフォトダイオード106-2 の画素信号を選択スイッチを介して順次選択しながら走査し、第２のアンプ205-2 を通して出力する第２の水平走査回路である。206 は第１のアンプ205-1 から出力される第１のフォトダイオード106-1 からの画素信号と第２のアンプ205-2 から出力される第２のフォトダイオード106-2 からの画素信号の差分信号を出力させるための差分信号出力手段である。なお、ここで第１及び第２の水平走査回路は兼用させてもよい。

次に、このように構成されている基本構成に係る固体撮像装置の動作を、図３のタイミングチャートを参照しながら説明する。まず、時刻ｔ１において、画素アレイ200 の全行に対して、リセット信号φＲＳ−ｉ及び第１の転送信号φＴＸ１−ｉを入力し、全画素の第１のフォトダイオード106-1 及びメモリ105 を一括リセットする。次いで、所定時間（露光時間）経過後の時刻ｔ２において、全行に対してリセット信号φＲＳ−ｉ及び第２の転送信号φＴＸ２−ｉを入力し、全画素の第２のフォトダイオード106-2 及びメモリ105 を一括リセットする。

次いで、時刻ｔ３において、１行目の選択信号φＳＥＬ−１を入力し、続いて１行目の第１及び第２の転送信号φＴＸ１−１，φＴＸ２−１をそれぞれ入力して、１行目の画素の第１及び第２のフォトダイオード106-1 ，106-2 の画素信号を選択読み出す。そして、それぞれ第１及び第２の行並列処理回路201-1 ，201-2 で処理して、その処理結果を第１及び第２のラインメモリ202-1 ，202-2 に記憶する。次いで、時刻ｔ４〜ｔ５の期間に、第１及び第２のラインメモリ202-1 ，202-2 に記憶されている１行目の画素信号が、第１及び第２の水平走査回路203-1 ，203-2 により同時に読み出され、差分信号出力手段206 に入力され、差分処理により第１及び第２のフォトダイオード106-1 ，106-2 の差分信号が１行目の画素信号として出力される。以下同様にして、２行目以降の画素信号が順次出力される。

この際、第１のフォトダイオード106-1 の一括リセット時刻ｔ１から、１行目の次の第１の転送信号φＴＸ１−１が入力されるまでの期間が第１のフォトダイオード106-1 の信号蓄積期間Ｔ１となり、第２のフォトダイオード106-2 の一括リセット時刻ｔ２から１行目の次の第２の転送信号φＴＸ２−１が入力されるまでの期間が、第２のフォトダイオード106-2 の信号蓄積期間Ｔ２となる。そして、２度目の第１及び第２の転送信号φＴＸ１−１，φＴＸ２−１が入力される時間差Δｔは、期間（Ｔ１−Ｔ２）に比べて非常に短いので、差分信号出力手段206 から出力される第１及び第２のフォトダイオード106-1 ，106-2 の差分信号は、第１のフォトダイオード106-1 の信号蓄積期間Ｔ１と第２のフォトダイオード106-2 の信号蓄積期間Ｔ２との差、つまり第１のフォトダイオード106-1 の一括リセット時刻（ｔ１）と第２のフォトダイオード106-2 の一括リセット時刻（ｔ２）との間の所定期間（露光期間）における蓄積電荷による信号だけとなる。

これにより、全画素の露光時間を揃えることができ、一括露光信号が得られる。そして、この実施例における信号読み出し方式自体は、従来のローリングシャッター方式と同じであるから、暗電流の問題はなくなり、ＫＴＣノイズもなくなり、暗電流やＫＴＣノイズの影響によって撮像信号出力のＳ／Ｎを劣化させることなく、グローバルシャッター機能を実現可能な固体撮像装置が得られる。

上記基本構成では、単位画素としては、従来の４Tr構成の画素において、フォトダイオードを２つ設け、それに対応して２つの転送トランジスタを設け、メモリとリセットトランジスタと増幅トランジスタと選択トランジスタとは、２つのフォトダイオード及び２つの転送トランジスタに対して共通に兼用させた構成のものを示したが、単位画素としては、従来の４Tr構成の画素を単純に２つ組み合わせた構成のもの、つまり４Tr構成の第１の画素と第２の画素とで構成したものを用いてもよい。

また上記基本構成では、単位画素における第１のフォトダイオードと第２のフォトダイオードとを同じ大きさとして電気的な特性等は同じものとして説明した。しかしながら、画素の感度を大にし、且つ飽和電荷量を大にするためには、主たるフォトダイオードを大きく構成することがあり、また第１のフォトダイオードと第２のフォトダイオードが同じ大きさとしても、特性にばらつきがあり、両者に特性差が生じる場合がある。

このように、２つのフォトダイオードに特性差がある場合には、第１のフォトダイオードの信号から第２のフォトダイオードの信号を差分信号出力手段で差し引く際に、第１及び第２のフォトダイオードの特性差の補正を行う特性差補正手段を設け、いずれかのフォトダイオードの信号を補正して差し引くように構成する必要がある。

次に、２つのフォトダイオードに特性差がある場合、例えば画素感度を高め飽和電荷量を大にするため第１のフォトダイオードのサイズを大きくし第２のフォトダイオードのサイズを小さくした場合に、両者の信号を、差分信号出力手段に入力して差分出力させる前に、補正する必要があることについて、図４に基づいて、更に詳細に説明する。図４は、フォトダイオードの電荷蓄積時間に対する出力特性を示す図で、図４において、直線ａはサイズを大きくして感度を大にした第１のフォトダイオードの出力特性を示し、直線ｂはサイズの小さい第２のフォトダイオードの傾斜の小さい出力特性を示している。なお、ｔ１は第２のフォトダイオードの蓄積開始時刻を示している。

第１のフォトダイオードと第２のフォトダイオードとは、上記のように出力特性が異なるため、同じ電荷蓄積時間でも、蓄積電荷量は異なることになり、出力信号を補正せず、このままの状態で両者のフォトダイオードから直接差分信号を得ようとすると、蓄積時間により差分出力に変動が生じる。そこで、特性差補正手段により、サイズの小さい第２のフォトダイオードの信号出力特性ｂをゲイン調整等で補正して、点線ｂ′で示すように補正する。そして、特性ａで示す第１のフォトダイオードの信号と、特性ｂ′で示す第２のフォトダイオードの補正信号との差分を求めることにより、直線ｃで示すように一定の差分信号を得ることができる。これにより、例えば感度が大で飽和電荷量を大にした画像信号を得ることができることになる。

次に、本発明に係る固体撮像装置の具体的な実施例について説明する。図５は、実施例１に係る固体撮像装置の構成を示すブロック構成図である。図５において、１は撮影のための撮像光学系であり、光学系制御回路12により焦点距離や絞りが制御される。２は撮像光学系１によって結像される位置が略同一と見なされる位置に配置された単位画素を構成する第１の画素及び第２の画素の各々の信号を独立に出力することができる、前記基本構成で示したと同等の構成を備えた固体撮像素子であり、その駆動は駆動回路８により前記基本構成で示したと同様な動作も行えるように制御されるようになっている。３，４は固体撮像素子２の出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換装置であり、第１の画素と第２の画素にそれぞれの信号用に接続されている。５は第１の画素と第２の画素の感度特性の差を補正する感度差補正回路であり、撮像データを取得する場合に、第２の画素のＡ／Ｄ変換された信号を感度差補正データ格納メモリ10に格納されている感度差補正データを使って補正するものである。

また、６は差動回路であり、Ａ／Ｄ変換された第１の画素の信号と感度差補正回路５により補正された第２の画素の信号の差分を取るものである。７は信号処理回路であり、差動回路６で差分された信号を処理するものであり、13は前記信号処理回路７で処理された信号を一時的に記憶するメモリ装置、14は最終的な画像を記録する記録装置である。また、９は感度差補正データ算出回路であり、感度差補正データを取得する場合に、Ａ／Ｄ変換された第１の画素の信号と第２の画素の信号が入力され、それらの信号から感度差補正データを算出する。11は固体撮像装置全体の制御をつかさどる制御装置で、撮像光学系１の制御、固体撮像素子２の駆動、補正データ算出から補正までの補正動作の制御、撮像から信号処理、記録までの撮像動作の制御等の全てをつかさどるものである。

次に、上記構成の実施例１に係る固体撮像装置の動作について説明する。この固体撮像装置には、大別して感度特性差を補正するための感度差補正データ取得動作と撮影動作とがあり、感度差補正データ取得動作は、次の手順で行われる。
（１）まず制御装置11の指示により、駆動回路８は、第１の画素と第２の画素の露光時間が同一となるように固体撮像素子２の駆動を制御する。
（２）そのときに取得した固体撮像素子２の第１の画素と第２の画素の画像信号を、それぞれＡ／Ｄ変換装置３，４でデジタル信号に変換する。
（３）デジタル化された第１の画素と第２の画素の信号は、感度差補正データ算出回路９に入力される。
（４）感度差補正データ算出回路９では、ある第１の画素（ｉ）の信号をＳ１（ｉ），ある第２の画素（ｉ）の信号をＳ２（ｉ）とすると、第１の画素と第２の画素の画素数（ｎ）分の出力比（感度比）Ｓ１（ｉ）／Ｓ２（ｉ） （ｉ＝１〜ｎ）を算出する。ここで求める出力比は、撮像光学系１によって結像される位置が略同一と見なされる位置に配置された第１の画素と第２の画素の出力比である。
（５）（４）のステップで算出した第１の画素と第２の画素の出力比を１画像分の感度差補正データとして、感度差補正データ格納メモリ10に格納する。

図６に、感度差補正データ取得動作時における、ある第１の画素（ｉ）と第２の画素（ｉ）の信号の露光時間に対する変化の様子を示す。ここでは、第１の画素（ｉ）と第２の画素（ｉ）では感度が異なり、第１の画素（ｉ）の方が感度が高い場合を示しており、第１の画素の信号変化をｍで、第２の画素の信号変化をｎで示している。感度差補正データ取得動作時は、第１の画素（ｉ）と第２の画素（ｉ）の露光時間及び撮像光学条件は同一であるので、露光時間終了時の各々の信号レベル差が感度差に相当し、この比を感度差補正データとして用いることができる。

次に、撮影動作の手順について説明する。
（１）まず制御装置11の指示により、駆動回路８は、前記参照例で示したように、第１の画素と第２の画素の露光時間が異なるように固体撮像素子２の駆動を制御する。ここで、第１の画素と第２の画素に対する露光条件の違いは、露光時間であり、焦点距離や絞りといった撮像光学系の条件は同一である。
（２）そのときに取得した固体撮像素子２の第１の画素と第２の画素の画像信号を、それぞれＡ／Ｄ変換装置３，４でデジタル信号に変換する。
（３）デジタル化された第２の画素の信号は、感度差補正回路５に入力され、感度差補正データ格納メモリ10に格納されている感度差補正データの内、最も適切なデータを乗算して補正を行う。このときのある第２の画素（ｉ）をＳ22（ｉ）とすると、補正後の信号は、Ｓ22（ｉ）×Ｓ１（ｉ）／Ｓ２（ｉ） （ｉ＝１〜ｎ）となる。ここで、最も適切なデータとは、感度差補正データ取得時の撮像光学系の条件が撮影動作時のそれとほぼ同等な時のデータである。
（４）デジタル化された第１の画素の信号と補正後の第２の画素の信号を、差動回路５に入力し、差分を取る。このときのある第１の画素（ｉ）の信号をＳ11（ｉ）とすると、差分後の信号は、Ｓ11（ｉ）−Ｓ22（ｉ）×Ｓ１（ｉ）／Ｓ２（ｉ） （ｉ＝１〜ｎ）となる。この信号は、第１の画素と第２の画素の露光時間差に依存した信号となる。
（５）差分信号は、信号処理回路７に入力され、色処理、補間処理、γ処理などが施され、最終的な撮影データは記録装置14に保存される。

このように実施例１に係る固体撮像装置においては、第１の画素と第２の画素の感度特性差を補正することが可能であるので、第１の画素と第２の画素に感度特性のばらつきや差があっても、それらが補正された高品質の撮影データが取得できる。また、第１の画素と第２の画素の感度特性差を補正するのに最適な補正データを使うことが可能であるので、撮像光学系の焦点距離や絞りなどの条件が変わっても、常に高品質の撮影データが取得できる。

次に、実施例２について説明する。図７は、実施例２に係る固体撮像装置の構成を示すブロック構成図である。この実施例は、感度差補正を第１の画素のデジタル化された信号に対して行われるように構成したものであり、したがって、感度差補正回路５を第１の画素の出力信号側に配置している点で図５に示した実施例１と相違しているのみで、他の構成は実施例１と同じである。

このように構成したことにより、感度差補正データ取得動作においては、第１の画素と第２の画素の画素数（ｎ）分の出力比（感度比）Ｓ２（ｉ）／Ｓ１（ｉ） （ｉ＝１〜ｎ）を算出して、これを１画像分の感度差補正データとし、また撮影動作時には、デジタル化された第１の画素の信号が感度差補正回路５に入力され、上記感度差補正データを乗算して補正後の信号を、Ｓ11（ｉ）×Ｓ２（ｉ）／Ｓ１（ｉ） （ｉ＝１〜ｎ）とし、差分後の信号は、｛Ｓ11（ｉ）×Ｓ２（ｉ）／Ｓ１（ｉ）−Ｓ22（ｉ）｝×Ｓ１（ｉ）／Ｓ２（ｉ） （ｉ＝１〜ｎ）となる点が、実施例１の動作と異なるのみで、他の動作は実施例１と同様である。したがって、このように構成された実施例２においても、実施例１と同様な作用効果が得られる。

上記実施例１及び２においては、第１の画素と第２の画素は同一半導体基板上に設けたもの（単板構成のもの）を示したが、撮像光学系によって結像される位置が略同一と見なされる位置に配置されれば、第１の画素と第２の画素は必ずしも同一の半導体基板上ではなく，異なる半導体基板上に形成されていてもよい。すなわち、第１の画素として用いる画素を備えた第１の固体撮像素子と第２の画素として用いる画素を備えた第２の固体撮像素子とからなる２板構成の固体撮像素子として、ハーフミラーなどを用いて被写体光を入射させるように構成してもよい。

また、補正データ取得動作をいつ行うかは、特に限定されず、例えば出荷時に行ってもよいし、撮影動作の都度行ってもよい。また、補正データは、撮像光学系の焦点距離や絞り条件毎に、また撮影レンズ交換可能な場合は撮像レンズ毎に持つことが望ましい。但し、全ての条件で持たなくても、ある条件でのデータを代用したり、他の条件でのデータから作成することも可能である。

また、１画像分の感度補正データは、撮像光学系１によって結像される位置が略同一と見なされる位置に配置された第１の画素と第２の画素毎の出力比からなることが望ましい。ただし、ある任意の領域における出力比の平均値を代表値として持つことも可能である。この場合の任意領域は、１ケ所でも複数ケ所でもかまわない。

また第１の画素又は第２の画素の信号の補正方法、差分方法は、第１の画素と第２の画素の露光条件の違いに対応して適切な方法をとる必要があることは言うまでもない。

上記実施例１及び２で示した構成の固体撮像装置では、第１の画素と第２の画素の補正を行うことができるので、高品質な撮影データが得られる。但し、基本的には第２の画素の感度特性を第１の画素の特性に合わせ込んでいるだけなので、第１の画素の感度が画素部領域内でばらついている場合の補正まではできない。この画素部領域内のばらつきをここでは、シェーディングと呼ぶ。

かかるシェーディングを補正できるようにしたものを実施例３として説明する。図８は、実施例３に係る固体撮像装置の構成を示すブロック構成図である。この実施例に係る固体撮像装置は、図５に示した実施例１に係る固体撮像装置において、シェーディング補正回路15を差動回路６の後に設け、対応してシェーディング補正データ格納メモリ16を新たに設けた構成となっている。また、補正データ算出回路90は、シェーディング補正データ算出回路90-1と感度差補正データ算出回路90-2とから構成されている。

次に、上記構成の固体撮像装置の動作について説明する。この固体撮像装置においては、大別して感度差補正データ取得動作と、シェーディング補正データ取得動作と、撮影動作とがあるが、感度差補正データ取得動作は、実施例１に係る固体撮像装置と同様であるので、シェーディング補正データ取得動作と撮影動作について説明する。

シェーディング補正データ取得動作は、次の手順で行われる。
（１）まず制御装置11の指示により、駆動回路８は、第１の画素の画像信号が得られるように固体撮像素子２の駆動を制御する。
（２）その状態で均一な被写体を撮像し、取得した固体撮像素子２の第１の画素の画像信号をＡ／Ｄ変換装置３でデジタル信号に変換する。
（３）デジタル化された第１の画素の信号は、シェーディング補正データ算出回路90-1に入力される。
（４）シェーディング補正データ算出回路90-1では、画素部領域中央のある第１の画素（ｉ）の信号を１に規格化したときの他の領域の出力レベルを求め、その逆数を算出する。
（５）（４）のステップで算出した結果を１画像分のシェーディング補正データとして、シェーディング補正データ格納メモリ16に格納する。

図９の（Ａ）は、シェーディング補正データ取得動作時に取得した第１の画素の画像を示し、図９の（Ｂ）は、図９の（Ａ）に示した画像における画面中央部の水平方向（０−Ｘ）のシェーディング（信号レベル）の様子を示している。また図10の（Ａ），（Ｂ）は、図９の（Ａ）に示す画像から画素部領域中央のある画素の信号を１に規格化し、その逆数から算出したシェーディング補正データを示しており、図10の（Ａ）は１画像分のシェーディング補正データ、図10の（Ｂ）は画面中央部の水平方向（０−Ｘ）のシェーディング補正データを示している。

次に、撮影動作の手順について説明する。
（１）まず制御装置11の指示により、駆動回路８は、実施例１と同様に第１の画素と第２の画素の露光時間が異なるように固体撮像素子２の駆動を制御する。ここで、第１の画素と第２の画素に対する露光条件の違いは、露光時間であり、焦点距離や絞りといった撮像光学系の条件は同一である。
（２）そのときに取得した固体撮像素子２の第１の画素と第２の画素の画像信号を、それぞれＡ／Ｄ変換装置３，４でデジタル信号に変換する。
（３）デジタル化された第２の画素の信号は、感度差補正回路５に入力され、感度差補正データ格納メモリ10に格納されている感度差補正データの内、最も適切なデータを乗算して補正を行う。このときのある第２の画素（ｉ）の信号をＳ22（ｉ）とすると、補正後の信号は、Ｓ22（ｉ）×Ｓ１（ｉ）／Ｓ２（ｉ） （ｉ＝１〜ｎ）となる。ここで、最も適切なデータとは、感度差補正データ取得時の撮像光学系の条件が撮影動作時のそれとほぼ同等な時のデータである。
（４）デジタル化された第１の画素の信号と補正後の第２の画素の信号を、差動回路６に入力し、差分を取る。このときのある第１の画素（ｉ）の信号をＳ11（ｉ）とすると、差分後の信号は、Ｓ11（ｉ）−Ｓ22（ｉ）×Ｓ１（ｉ）／Ｓ２（ｉ） （ｉ＝１〜ｎ）となる。この差分信号は、第１の画素と第２の画素の露光時間差に依存した信号となる。
（５）上記差分信号は、シェーディング補正回路に入力され、シェーディング補正格納メモリ16に格納されているシェーディング補正データの内、最も適切なデータを乗算してシェーディング補正を行う。ここで、最も適切なデータとは、シェーディング補正データ取得時の撮像光学系の条件が撮影動作時のそれとほぼ同等なときのデータである。
（６）シェーディング補正された信号は、信号処理回路７に入力され，色処理、補間処理、γ処理などが施され、最終的な撮影データは、記録装置14に保存される。

このように、上記実施例３に係る固体撮像装置においては、第１の画素と第２の画素の感度特性差の補正に加え、シェーディングの補正も可能となり、より高品質な撮影データが取得できる。また、シェーディング補正においても、撮像光学系の焦点距離や絞りなどの条件が変わったとしても、常に高品質な撮影データが取得できる。

なお、シェーディング補正用の補正データも、撮像光学系の焦点距離や絞り条件毎に、また撮像レンズ交換可能な場合は、撮像レンズ毎に持つことが望ましい。但し、全ての条件に対して補正データを持たなくても、ある条件での補正データを代用したり、他の条件での補正データから作成することも可能である。また、上記実施例３では、差分信号に対してシェーディング補正を行う場合を示したが、第１の画素のシェーディング補正をまず行い、次いで感度差補正及び差分動作を行ってもよいし、最初に第１の画素及び第２の画素のシェーディングを補正した後、感度差補正及び差分動作を行うことも可能である。

本発明に係る固体撮像装置の基本構成における画素構成を示す回路構成図である。 上記固体撮像装置の基本構成の全体構成を示すブロック構成図である。 図２に示した基本構成に係る固体撮像装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。 ２つのフォトダイオードに特性差がある場合の電荷蓄積時間に対する出力特性を示す図である。 本発明に係る固体撮像装置の実施例１の構成を示すブロック構成図である。 図５に示した実施例１において、感度差補正データ取得時の動作説明図である。 実施例２に係る固体撮像装置の構成を示すブロック構成図である。 実施例３に係る固体撮像装置の構成を示すブロック構成図である。 出力画像のシェーディング態様を示す図である。 シェーディング補正データ例を示す図である。 従来のＭＯＳ型固体撮像装置の画素構成を示す回路構成図である。 従来のＸＹアドレス読み出し方式のＭＯＳ型固体撮像装置の全体構成を示すブロック構成図である。 図12に示したＭＯＳ型固体撮像装置のＸＹアドレス読み出し方式の動作を説明するためのタイミングチャートである。 図12に示したＭＯＳ型固体撮像装置をグローバルシャッター読み出し方式で動作させた場合のタイミングチャートである。

符号の説明

１ 撮像光学系
２ 固体撮像素子
３，４ Ａ／Ｄ変換装置
５ 感度差補正回路
６ 差動回路
７ 信号処理回路
８ 駆動回路
９ 感度差補正データ算出回路
10 感度差補正データ格納メモリ
11 制御装置
12 光学系制御回路
13 メモリ
14 記録装置
15 シェーディング補正回路
16 シェーディング補正データ格納メモリ
90 補正データ算出回路
90-1 シェーディング補正データ算出回路
90-2 感度差補正データ算出回路

Claims (6)

1. 撮像光学系によって結像される位置が同一と見なされる位置に配置された光電変換素子を含む第１の画素と第２の画素とからなる単位画素を二次元状に配列した画素部と、前記画素部に配列された各単位画素の前記全ての第１の画素の光電変換素子と、前記全ての第２の画素の光電変換素子とを各々独立して同時にリセットするためのリセット制御手段と、前記第１の画素の光電変換素子と前記第２の画素の光電変換素子の信号の差分信号を得るための差分信号出力手段とを有する固体撮像装置であって、
   前記リセット制御手段により、前記画素部の全ての第１の画素の光電変換素子の信号のリセットを行った後、所望の露光時間後に前記画素部の全ての第２の画素の光電変換素子の信号のリセットを行い、前記リセット制御手段による全ての前記第２の画素の光電変換素子の信号のリセット直後より、第１の画素の光電変換素子と第２の画素の光電変換素子の信号を、同時、もしくはほぼ同時にそれぞれ読み出し、前記差分信号出力手段により、それらの差分信号を撮像信号として出力するように構成されている固体撮像装置において、
   前記第１の画素の光電変換素子と第２の画素の光電変換素子との特性差を補正するための特性差補正手段を備えていることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記特性差補正手段は、前記第１の画素の光電変換素子及び第２の画素の光電変換素子の感度特性の比を感度差補正データとして用いる感度差補正部を少なくとも有していることを特徴とする請求項１に係る固体撮像装置。
3. 前記感度差補正部は、前記第１の画素又は第２の画素の画素信号に対して前記感度差補正データに基づいて補正を行うことを特徴とする請求項２に係る固体撮像装置。
4. 前記感度差補正データは、前記第１の画素及び第２の画素の光電変換素子に対する蓄積条件及び撮像光学系条件を同一にして取得することを特徴とする請求項２又は３に係る固体撮像装置。
5. 前記感度差補正データは、撮影条件に応じて変更可能であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に係る固体撮像装置。
6. シェーディング補正手段を更に設けていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に係る固体撮像装置。

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