JP4006075B2 - Cmosセンサ及び撮像システム - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、色フィルタアレイを介して撮像素子に入射した入射光よりカラー画像信号を生成するCMOSセンサ及びこれを備える撮像システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
カラー撮像装置においては、撮像素子よりカラー画像を得るために入射光は色フィルタを介して撮像素子に入射される。色フィルタの種類には、原色フィルタと補色フィルタがある。色フィルタの色は、原色フィルタの場合にはレッド、グリーン、ブルーの3色であるが、補色フィルタの場合には、シアン、イエロ、マゼンダ、グリーンである。シアンの色フィルタは可視光範囲において赤色光のみを遮断し、イエロの色フィルタは可視光範囲において青色光のみを遮断し、マゼンダの色フィルタは可視光範囲において緑色光のみを遮断し、グリーンの色フィルタは緑色光のみを透過する。
【0003】
補色フィルタの場合、シアンの色フィルタを介して撮像素子で得られた信号をCy、イエロの色フィルタを介して撮像素子で得られた信号をYe、マゼンダの色フィルタを介して撮像素子で得られた信号をMg、グリーンの色フィルタで得られた信号をGとすると、輝度信号Yは、
Y=Ye+G+Cy+Mg ・・・(1)
青の色差信号CBは、
CB=(G+Ye)−(Mg+Cy) ・・・(2)
赤の色差信号CRは、
CR=(Cy+G)−(Ye+Mg) ・・・(3)
と表される。
【0004】
図10は、第1の従来例による色フィルタのパターン図である。このパターンは水平方向に2画素、垂直方向に4画素の周期性を持つ。この色フィルタを使用した場合には、輝度信号Yは水平方向に2画素、垂直方向に2画素の2×2のブロック内のCy、Ye、Mg、Gを用いて式(1)の演算をすることにより得られる。同様に青の色差信号CB、赤の色差信号CRも、2×2のブロック内のCy、Ye、Mg、Gを用いて各々式(2)、(3)の演算をすることにより得られる。
【0005】
図11は、第2の従来例による色フィルタのパターン図である。このパターンは水平方向に2画素、垂直方向に8画素の周期性を持つ。この色フィルタを使用した場合には、輝度信号Yは水平方向に2画素、垂直方向に2画素の2×2のブロック内のCy、Ye、Mg、Gを用いて式(1)の演算をすることにより得られる。同様に青の色差信号CB、赤の色差信号CRも、2×2のブロック内のCy、Ye、Mg、Gを用いて各々式(2)、(3)の演算をすることにより得られる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
撮像装置をディジタルスティルカメラに使用する場合に、シャッターを押す前に、解像度を犠牲にして高速読み出しを行い、読み出した画像信号を基に例えば液晶ファインダなどのファインダに画像を表示したり、アイリスの調整やホワイトバランスの調整に使う。ところが、図10の色フィルタを使用した上で、撮像素子として従来のCCDを使用した場合に、垂直方向に1画素毎に間引いて画素信号を読み出して解像度を犠牲にして高速読み出しを図っても、例えばシアン、イエロのみの信号しか得られず、撮像素子の出力を基にホワイトバランスを調整することができない。
【0007】
また、図10の色フィルタを使用したうえで、撮像素子として従来のCCDを使用した場合には、垂直方向に隣接する2つの画素のデータが加算された後に、素子内で転送されて出力されるので、画素データは、ペアを組んだ状態で撮像素子から出力される。すなわち、例えば、図10において、(C1、R1)の画素と(C1、R2)の画素とのペアが出力された後に、(C2、R1)の画素と(C2、R2)の画素とのペアが出力され、同様に行R1、R2の続く列の画素が続いて出力され、続いて、(C1、R3)の画素と(C1、R4)の画素とのペアが出力された後に、(C2、R3)の画素と(C2、R4)の画素とのペアが出力され、同様に行R3、R4の続く列の画素が続いて出力される。従って、このような出力を利用すると、式(2)の演算は、例えば、R1、R2に対しては行えるが、R3、R4に対しては行えない。同様に、式(3)の演算は、例えば、R3、R4に対しては行えるが、R1、R2に対しては行えない。従って、各色の色差信号は4行の撮像素子に対して1行だけしか得られない。従って、色差信号の垂直方向の解像度が低下する。
【0008】
図11の色フィルタを使用したうえで、撮像素子として従来のCCDを使用した場合には、高速読み出しモードで読み出した信号をホワイトバランスの調整に使用することはできる。
【0009】
ところが、図11の色フィルタを使用したうえで、撮像素子として従来のCCDを使用した場合には、垂直方向に隣接する2つの画素のデータが加算された後に、素子内で転送されて出力されるので、画素データは、ペアを組んだ状態で撮像素子から出力される。すなわち、例えば、図11において、(C1、R1)の画素と(C1、R2)の画素とのペアが出力された後に、(C2、R1)の画素と(C2、R2)の画素とのペアが出力され、同様に行R1、R2の続く列の画素が続いて出力され、続いて、(C1、R3)の画素と(C1、R4)の画素とのペアが出力された後に、(C2、R3)の画素と(C2、R4)の画素とのペアが出力され、同様に行R3、R4の続く列の画素が続いて出力される。従って、このような出力を利用すると、式(2)の演算は、例えば、R1、R2、R3、R4に対しては行えるが、R5、R6、R7、R8に対しては行えない。同様に、式(3)の演算は、例えば、R5、R6、R7、R8に対しては行えるが、R1、R2、R3、R4に対しては行えない。従って、各色の色差信号は8行の撮像素子に対して2行だけしか得られない。従って、色差信号の垂直方向の解像度が低下する。
【0010】
本発明は、水平方向、垂直方向共に解像度が高い画像信号が得られるCMOSセンサ及びこれを備える撮像システムを提供することを目的とする。
【0011】
また、本発明は、簡易カラー表示、オートフォーカス、オートホワイトバランスに使用できる画像信号を高速に出力できるモードと高解像度の画像を出力できるモードなどのマルチモードを備えるCMOSセンサ及びこれを備える撮像システムを提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、4色の色フィルタアレイを介して撮像素子に入射した入射光よりカラー画像信号を生成するCMOSセンサにおいて、前記色フィルタアレイは、2行×2列の周期性を持ち、2行×2列の周期単位の中で、4個の色フィルタの色は全て異なり、前記4個の色フィルタは、可視光範囲において緑色光のみを透過するGフィルタと、可視光範囲において青色光のみを遮断するYeフィルタと、可視光範囲において緑色光のみを遮断するMgフィルタと、可視光範囲において赤色光のみを遮断するCyフィルタとであり、Gフィルタの垂直方向に隣接してCyフィルタが配置され、Gフィルタの水平方向に隣接してYeフィルタが配置され、Cyフィルタの水平方向に隣接し、且つ、Yeの垂直方向に隣接してMgフィルタが配置され、当該CMOSセンサの内部に、水平方向に相互に隣接する2つの画素の信号をそれぞれ保持するコンデンサと、これらのコンデンサに保持された信号を足し合わせるためのスイッチと、該足し合わされた信号の差分を垂直方向に相互に隣接する行間で得ることにより青の色差信号を得るための差動増幅器と、垂直方向に相互に隣接する2つの画素の信号をそれぞれ保持するコンデンサと、これらのコンデンサに保持された信号を足し合わせるためのスイッチと、該足し合わされた信号の差分を水平方向に相互に隣接する列間で得ることにより赤の色差信号を得るための差動増幅器と、を備えることを特徴とするCMOSセンサが提供される。
【0013】
上記のCMOSセンサにおいて、4行×1列の領域の全信号の加算値を読み出す手段を備えるようにしてもよい。
【0014】
上記のCMOSセンサにおいて、1行×4列の領域の全信号の加算値を読み出す手段を備えるようにしてもよい。
【0018】
本発明の第2の観点によれば、上記のCMOSセンサを備えることを特徴とする撮像システムが提供される。
【0044】
【発明の実施の形態】
[実施形態1]
図1は、実施形態1による色フィルタのパターン図である。このパターンは水平方向に2画素、垂直方向に2画素の周期性を持つ。水平方向に2画素、垂直方向に2画素のパターンの中で、第1行には左から順にG、Yeの色フィルタが並び、第2行には左から順にCy、Mgが並ぶ。なお、色フィルタのパターンは左右又は上下が反転していても良い。
【0045】
輝度信号Y、青の色差信号CB、赤の色差信号CRは、様々な形状の領域のCy、Y、Mg、Gを用いて各々式(2)、(3)の演算をすることにより得られる。図2は、水平方向に2個、垂直方向に2個の基本パターンを並べた色フィルタのパターン図である。図2を参照しながら、具体的な読み出し方法について説明する。
【0046】
[読み出し1]
色差信号CBを、撮像素子から出力される系列:
(G1+Ye1),(Cy1+Mg1),(G2+Ye2),(Cy2+Mg2),
(G3+Ye3),(Cy3+Mg3),(G4+Ye4),(Cy4+Mg4),・・・
の隣接するペアより求める。例えば、
CB1=(G1+Ye1)-(Cy1+Mg1)
CB2=(G2+Ye2)-(Cy2+Mg2)
CB3=(G3+Ye3)-(Cy3+Mg3)
CB4=(G4+Ye4)-(Cy4+Mg4)
である。
【0047】
色差信号CRを、撮像素子から出力される系列:
(G1+Cy1),(Ye1+Mg1),(G2+Cy2),(Ye2+Mg2),
(G3+Cy3),(Ye3+Mg3),(G4+Cy4),(Ye4+Mg4),・・・
の隣接するペアより求める。例えば、
CR1=(G1+Cy1)-(Ye1+Mg1)
CR2=(G2+Cy2)-(Ye2+Mg2)
CR3=(G3+Cy3)-(Ye3+Mg3)
CR4=(G4+Cy4)-(Ye4+Mg4)
である。読み出し方法1によれば、色差信号CB、CRは、水平方向、垂直方向共に2画素に1個得られるので、高解像度となる。
【0048】
[読み出し2]
輝度信号Yを、撮像素子から出力される系列:
(G1+Cy1+G3+Cy3),(Ye1+Mg1+Ye3+Mg3),
(G2+Cy2+G4+Cy4),(Ye2+Mg2+Ye4+Mg4),・・・
より求める。例えば、
Y1=(G1+Cy1+G3+Cy3)+(Ye1+Mg1+Ye3+Mg3)
Y2=(G2+Cy2+G4+Cy4)+(Ye2+Mg2+Ye4+Mg4)
である。読み出し方法2によれば、輝度信号Yは、水平方向に2画素毎に1個得られる。また、輝度信号Yのレベルが高くなる。この方法に生成された輝度信号Yは、特に被写体が細かい縦縞パターンなどの水平方向の解像度が高いものであり、且つ、被写体が低輝度であるときのオートフォーカス用検出信号として用いるのに適する。
【0049】
[読み出し3]
輝度信号Yを、撮像素子から出力される系列:
(G1+Ye1+G2+Ye2),(Cy1+Mg1+Cy2+Mg2),・・・
(G3+Ye3+G4+Ye4),(Cy3+Mg3+Cy4+Mg4),・・・
より求める。例えば、
Y1=(G1+Ye1+G2+Ye2)+(Cy1+Mg1+Cy2+Mg2)
Y2=(G3+Ye3+G4+Ye4)+(Cy3+Mg3+Cy4+Mg4)
である。読み出し方法3によれば、輝度信号Yは、垂直方向に2画素毎に1個得られるので、垂直方向に高解像度となる。従って、この方法に生成された輝度信号Yは、特に被写体が細かい横縞パターンなどの水平方向の解像度が高いものであるときのオートフォーカス用検出信号として用いるのに適する。
【0050】
[読み出し4]
色差信号CBを、撮像素子から出力される系列:
(G1+Ye1),(Cy1+Mg1),(G2+Ye2),(Cy2+Mg2),・・・
の隣接するペアより求める。例えば、
CB1=(G1+Ye1)-(Cy1+Mg1)
CB2=(G2+Ye2)-(Cy2+Mg2)
である。
【0051】
色差信号CRを、撮像素子から出力される系列:
(G3+Cy3),(Ye3+Mg3),(G4+Cy4),(Ye4+Mg4),・・・
の隣接するペアより求める。例えば、
CR1=(G3+Cy3)-(Ye3+Mg3)
CR2=(G4+Cy4)-(Ye4+Mg4)
である。読み出し方法4によれば、色差線順次の信号が得られる。また、読み出し方法4は、被写体が動画であるときに適する。これは読み出し1に比べて読み出し信号の数が半分であるからである。
【0052】
[読み出し5]
色差信号CBを、撮像素子から出力される系列:
(G1+Ye1),(Cy1+Mg1),(G2+Ye2),(Cy2+Mg2),・・・
の隣接するペアより求める。例えば、
CB1=(G1+Ye1)-(Cy1+Mg1)
CB2=(G2+Ye2)-(Cy2+Mg2)
である。
【0053】
色差信号CRを、撮像素子から出力される系列:
(G2+Cy2),(Ye2+Mg2),(G4+Cy4),(Ye4+Mg4),・・・
の隣接するペアより求める。例えば、
CR1=(G2+Cy2)-(Ye2+Mg2)
CR2=(G4+Cy4)-(Ye4+Mg4)
である。読み出し方法5は、被写体が動画であるときに適する。
【0054】
また、読み出し1に比べて、読み出す色差信号の画素数が半分になるので、高速で画像信号を出力することができる。
【0055】
[読み出し6]
色差信号CBは読み出し5と同様にして得る。
【0056】
色差信号CRを、撮像素子から出力される系列:
(G1,Cy1),(Ye1,Mg1),(G3,Cy3),(Ye3,Mg3),・・・
の隣接するペアより求める。例えば、
CR1=(G1+Cy1)-(Ye1+Mg1)
CR2=(G3+Cy3)-(Ye3+Mg3)
である。読み出し方法6は、被写体が動画であるときに適する。
【0057】
また、読み出し1に比べて、読み出す色差信号の画素数が半分になるので、高速で画像信号を出力することができる。
【0058】
[読み出し7]
色差信号CBは読み出し5と同様にして得る。
【0059】
色差信号CRを、撮像素子から出力される系列:
(G1,Cy1),(Ye1,Mg1),(G2,Cy2),(Ye2,Mg2),・・・
の隣接するペアより求める。例えば、
CR1=(G1+Cy1)-(Ye1+Mg1)
CR2=(G2+Cy2)-(Ye2+Mg2)
である。読み出し方法7は、被写体が動画であるときに適する。
【0060】
また、読み出し1に比べて、読み出す色差信号の画素数が半分になるので、高速で画像信号を出力することができる。
【0061】
更に、色差信号CBと色差信号CRとを同一の領域から求めることを特徴とする。
【0062】
[読み出し8〜11]
色差信号CBを、撮像素子から出力される系列:
(G1+Ye1),(Cy1+Mg1),(G3,Ye3),(Cy3,Mg3),・・・
の隣接するペアより求める。例えば、
CB1=(G1+Ye1)-(Cy1+Mg1)
CB2=(G3,Ye3)-(Cy3,Mg3)
である。
【0063】
色差信号CRは読み出し4〜7と同様にして得る。読み出し方法8〜11は、被写体が動画であるときに適する。
【0064】
また、読み出し1に比べて、読み出す色差信号の画素数が半分になるので、高速で画像信号を出力することができる。
【0065】
[読み出し12]
色差信号CBを、撮像素子から出力される系列:
(G1+Ye1),(Cy1+Mg1),・・・
の隣接するペアより求める。例えば、
CB1=(G1+Ye1)-(Cy1+Mg1)
である。
【0066】
色差信号CRを、撮像素子から出力される系列:
(G4,Cy4),(Ye4,Mg4),・・・
の隣接するペアより求める。例えば、
CR1=(G4+Cy4)-(Ye4+Mg4)
である。読み出し方法12は、被写体が動画であるときに適する。
【0067】
また、読み出し1に比べて、読み出す色差信号の画素数が1/4になるので、高速で画像信号を出力することができる。
【0068】
[読み出し13]
輝度信号Yを、撮像素子から出力される系列:
(G1+Ye1),(Cy1+Mg1),(G2+Ye2),(Cy2+Mg2),
(G3+Ye3),(Cy3+Mg3),(G4+Ye4),(Cy4+Mg4),・・・
の隣接するペアより求める。例えば、
Y1=(G1+Ye1)+(Cy1+Mg1)
Y2=(G2+Ye2)+(Cy2+Mg2)
Y3=(G3+Ye3)+(Cy3+Mg3)
Y4=(G4+Ye4)+(Cy4+Mg4)
である。
【0069】
[読み出し14]
輝度信号Yを、撮像素子から出力される系列:
(G1+Cy1),(Ye1+Mg1),(G2+Cy2),(Ye2+Mg3),
(G3+Cy3),(Ye3+Mg3),(G4+Cy4),(Ye4+Mg4),・・・
の隣接するペアより求める。例えば、
Y1=(G1+Cy1)+(Ye1+Mg1)
Y2=(G2+Cy2)+(Ye2+Mg2)
Y3=(G3+Cy3)+(Ye3+Mg3)
Y4=(G4+Cy4)+(Ye4+Mg4)
である。
【0070】
なお、以上の読み出しを、例えば、基本パターン単位、或いは複数の基本パターン単位で空間的に間引いて行い、読み出しの高速化を図ることができる。
【0071】
[実施形態2]
次に、撮像素子として、いわゆるCMOSセンサを使用した場合の実施形態1で説明した読み出し方法を実現するための回路構成を説明する。
【0072】
図3は、実施形態2によるCMOSセンサの構成を示す回路図である。本実施形態によるCMOSセンサは、垂直方向に隣接する2個の光検出素子の検出光量の平均値とその隣の列で垂直方向に隣接する2個の光検出素子の検出光量の平均値との差分を出力する第1の出力系列と、水平方向に隣接する2つの光検出素子の検出光量の平均値とその隣の行の水平方向に隣接する2つの光検出器の検出光量の平均値の差分を出力する第2の出力系列とを備える。従って、本実施形態によるCMOSセンサは実施形態1の読み出し1を行うことができる。
【0073】
図3を参照すると、1は垂直方向に順次アクティブになる信号であって、各行のコントロール信号をイネーブルさせるためのイネーブル信号を発生する垂直走査回路、100は入射されてきた光を電荷に変換する光検出素子としてのフォトダイオード、101は光検出素子101で発生した浮遊拡散領域に転送する転送用トランジスタ、102は光検出器100で発生した電荷を一時的に蓄積する拡散浮遊領域、103はトランジスタ104のゲートに蓄積された電荷を放電するリセット用トランジスタ、104はアンプ用トランジスタ、121はスイッチ用トランジスタ、112は端子7より印加される電圧で決まる定電流源用トランジスタ、105はコンデンサ109、110、117,118の電荷を放電するためのトランジスタ、106は、トランジスタ104のソースとコンデンサ109とを繋ぐ分配用トランジスタ、トランジスタ107はトランジスタ104のソースとコンデンサ110とを繋ぐ分配用トランジスタ、109、110はトランジスタ104からの供給電圧により充電されるラインメモリとして機能するコンデンサ、108はコンデンサ109の蓄積電荷とコンデンサ110の蓄積電荷とを平均化をコントロールするための平均化用トランジスタ、111はラインメモリ109の電圧を差動増幅器122の前段のバッファ123に印加させるためのスイッチトランジスタ、122はコンデンサ109の電圧とコンデンサ109'の電圧との差分を増幅する差動増幅器、113はトランジスタ104のソースとコンデンサ117とを接続するスイッチトランジスタ、114はトランジスタ104のソースとコンデンサ118とを接続するスイッチトランジスタ、117、118は、トランジスタ104のソースから供給される電流により充電されるラインメモリとしてのコンデンサ、115はコンデンサ117の蓄積電荷とコンデンサ117'の蓄積電荷の平均化をコントロールするためのスイッチトランジスタ、116はコンデンサ118の蓄積電荷とコンデンサ118'の蓄積電荷との平均化をコントロールするためのスイッチコンデンサ、119はラインメモリ117の電圧を差動増幅器の前段のバッファ128に印加させるためのスイッチトランジスタ、127はコンデンサ117の電圧とコンデンサ118'の電圧との差分を増幅する差動増幅器である。定電流源用トランジスタ112は行単位に活性化され、トランジスタ104と対でアンプを構成する。
【0074】
図4は図3に示すCMOSセンサの動作タイミングを表すタイミングチャートである。図3と図4を参照しながら、図3に示すCMOSセンサの動作を以下に説明する。
【0075】
T201において、端子11のパルスはHIGH状態でM端子30、31、50、51のパルスがHIGHになり、ラインメモリ109,110,117、118は全て初期電位にリセットされる。また、端子2からの垂直走査回路1のスタートパルス、端子3からの走査パルスがHIGHになり、垂直走査回路1が走査を開始し、第1行目が選択される。端子8からはHIGHパルスが入力され、画素部の浮遊拡散領域がリセットされる。T202において、端子8のリセットパルスが立ち下がり、1行目の画素の浮遊拡散領域が電気的に浮遊状態になる。T203において、端子9にHIGHパルスが入力され、第1行目の光検出器から浮遊拡散領域への転送が行われる。T204において、端子10、30、50にHIGHパルスが入力され、1行目の光検出器で検出された光量に比例した電圧がアンプ104によりコンデンサ109、117に読み出される。T205において、垂直走査パルス3が立ち下がる。T206において、垂直パルス3が再び立ち上がり、第2行目が選択される。T207で端子8のリセットパルスが立ち下がり、2行目の画素の浮遊拡散領域が電気的に浮遊状態になる。T208において、T203と同様に、端子9にHIGHパルスが入力され、第2行目の光検出器から浮遊拡散領域への転送が行われる。T209において、T204のときと同様に、端子10、31、51にHIGHパルスが入力されて、2行目の光検出器で検出された光量に比例した電圧が2行目のアンプ104によりコンデンサ110、118に読み出される。T210において、端子40、60,61にHIGHパルスが入力され、ラインメモリ上で蓄積電荷の平均化が行われる。T211から水平走査回路4が動作を開始し、平均化された後の電圧が水平方向に順次差動アンプ122、127に印加される。差動アンプ122、127からは、青の色差信号CB、赤の色差信号CRが出力される。更に、端子70,71又は80,81をオペアンプ等により構成される加算器(不図示)により加算することにより輝度信号も得られる。
【0076】
また、スイッチ108による平均化を行わなず全行の信号をコンデンサ109に一時蓄積すれば、出力端子71から奇数列の1画素毎の出力信号を得ることができる。同様に、偶数番列の1画素毎の出力信号は出力端子70から得ることができる。
【0077】
[実施形態3]
図5は、実施形態3によるCMOSセンサの構成を示す回路図である。本実施形態によるCMOSセンサは、水平方向に隣接する2個の光検出素子の検出光量の平均値、又は水平方向に隣接する4個の光検出素子の検出光量の平均値と出力する出力系列を備える。従って、本実施形態によるCMOSセンサの2つの出力の和をとることにより、実施形態1の読み出し3を行うことができる。
【0078】
図7において、実施形態3のCMOSセンサと同一部分には同一番号を付して重複する説明は省略する。301は、コンデンサ109の蓄積電荷とコンデンサ109'の蓄積電荷を平均化をコントロールするためのスイッチトランジスタ、302は、コンデンサ110の蓄積電荷とコンデンサ110'の蓄積電荷を平均化をコントロールするためのスイッチトランジスタ、301'は、コンデンサ109"の蓄積電荷とコンデンサ109"'の蓄積電荷を平均化をコントロールするためのスイッチトランジスタ、302'は、コンデンサ110"の蓄積電荷とコンデンサ110"'の蓄積電荷を平均化をコントロールするためのスイッチトランジスタ、303は、コンデンサ109'の蓄積電荷とコンデンサ109"の蓄積電荷を平均化をコントロールするためのスイッチトランジスタ、304は、コンデンサ110'の蓄積電荷とコンデンサ110"の蓄積電荷を平均化をコントロールするためのスイッチトランジスタである。但し、スイッチ301、301'、303が連動すれば、これらは、コンデンサ109,109'、109"、109"'の蓄積電荷を平均化する。すなわち、例えば、スイッチ301、301'をオンにした後で、又はオンにするときにスイッチ303をオンにすれば、これらは、コンデンサ109、109'、109"、109"'の蓄積電荷を平均化する。また、スイッチ302、302'、304が連動すれば、これらは、コンデンサ110,110'、110"、110"'の蓄積電荷を平均化する。すなわち、例えば、スイッチ302、304'をオンにした後で、又はオンにするときにスイッチ304をオンにすれば、これらは、コンデンサ110、110'、110"、110"'の蓄積電荷を平均化する。
【0079】
図6は図5に示すCMOSセンサの動作タイミングを表すタイミングチャートである。図5と図6を参照しながら、図5に示すCMOSセンサの動作を以下に説明する。
【0080】
T401において、端子2からの垂直走査回路1のスタートパルス、端子3からの走査パルスがHIGHになり、垂直走査回路1が走査を開始し、第1行目が選択される。端子8からはHIGHパルスが入力され、画素部の浮遊拡散領域がリセットされる。T402において、端子8のリセットパルスが立ち下がり、1行目の画素の浮遊拡散領域が電気的に浮遊状態になる。T403において、端子9にHIGHパルスが入力され、第1行目の光検出器から浮遊拡散領域への転送が行われる。T404において、端子10、50にHIGHパルスが入力され、1行目の光検出器で検出された光量に比例した電圧がアンプ104によってコンデンサ109に読み出される。T405において、垂直走査パルス3が立ち下がる。T406において、垂直パルス3が再び立ち上がり、第2行目が選択される。T407で端子8のリセットパルスが立ち下がり、2行目の画素の浮遊拡散領域が電気的に浮遊状態になる。T408において、T403と同様に、端子9にHIGHパルスが入力され、第2行目の光検出器から浮遊拡散領域への転送が行われる。T409において、T404のときと同様に、端子10、51にHIGHパルスが入力されて、2行目の光検出器で検出された光量に比例した電圧が2行目のアンプ104によってコンデンサ110に読み出される。T410において、端子60,61、90,91にHIGHパルスが入力され、ラインメモリ上でコンデンサ109、109'、109"、109"'の蓄積電荷の平均化及びコンデンサ110、110'、110"、110"'の蓄積電荷の平均化が行われる。T411から水平走査回路4が動作を開始し、平均化された後の電圧が水平方向に順次出力される。なお、輝度信号の出力を目的としているため、図5では出力端子は出力端子16の1系統のみであるが、図5と同様に出力線を複数設けることにより、色差信号を得ることも可能である。
【0081】
[実施形態4]
図7は、実施形態4によるCMOSセンサの構成を示す回路図である。本実施形態によるCMOSセンサは、垂直方向に隣接する2個の光検出素子の検出光量の平均値、又は垂直方向に隣接する4個の光検出素子の検出光量の平均値と出力する出力系列を備える。従って、本実施形態によるCMOSセンサの2つの出力の和をとることにより実施形態1の読み出し2を行うことができる。
【0082】
図7において、実施形態3のCMOSセンサと同一部分には同一番号を付して重複する説明は省略する。501、502、503、504は各々トランジスタ104から供給される電流をコンデンサ508、509、510、511に振り分けて供給するための分配用トランジスタ508は1行目の光検出器からの信号を蓄積するためのコンデンサ、509は2行目の光検出器からの信号を蓄積するためのコンデンサ、510は3行目の光検出器からの信号を蓄積するためのコンデンサ、511は4行目の光検出器からの信号を蓄積するためのコンデンサ、505は、コンデンサ508の蓄積電荷とコンデンサ509の蓄積電荷を平均化をコントロールするためのスイッチトランジスタ、506は、コンデンサ509の蓄積電荷とコンデンサ510の蓄積電荷を平均化をコントロールするためのスイッチトランジスタ、507は、コンデンサ510の蓄積電荷とコンデンサ511の蓄積電荷を平均化をコントロールするためのスイッチトランジスタである。但し、スイッチ505、506、507が連動すれば、これらは、コンデンサ508、509、510、511の蓄積電荷を平均化する。すなわち、例えば、スイッチ505、507をオンにした後で、又はオンにするときにスイッチ506をオンにすれば、これらは、コンデンサ508,509,510、511の蓄積電荷を平均化する。
【0083】
図8は図7に示すCMOSセンサの動作タイミングを表すタイミングチャートである。図7と図8を参照しながら、図7に示すCMOSセンサの動作を以下に説明する。
【0084】
T601において、端子2からの垂直走査回路1のスタートパルス、端子3からの走査パルスがHIGHになり、垂直走査回路1が走査を開始し、第1行目が選択される。端子8からはHIGHパルスが入力され、画素部の浮遊拡散領域がリセットされる。T602において、端子8のリセットパルスが立ち下がり、1行目の画素の浮遊拡散領域が電気的に浮遊状態になる。T603において、端子9にHIGHパルスが入力され、第1行目の光検出器から浮遊拡散領域への転送が行われる。T604において、端子10、30にHIGHパルスが入力され、1行目の光検出器で検出された光量に比例した電荷がコンデンサ508に蓄積される。T605において、垂直走査パルス3が立ち下がる。T606において、垂直パルス3が再び立ち上がり、第2行目が選択される。T607で端子8のリセットパルスが立ち下がり、2行目の画素の浮遊拡散領域が電気的に浮遊状態になる。T608において、T603と同様に、端子9にHIGHパルスが入力され、第2行目の光検出器から浮遊拡散領域への転送が行われる。T609において、T604のときと同様に、端子10、31にHIGHパルスが入力されて、2行目の光検出器で検出された光量に比例した電荷がコンデンサ509に蓄積される。同様にしてT610において端子10、32にHIGHパルスが入力されて、3行目の光検出器で検出された光量に比例した電荷がコンデンサ510に蓄積される。更に、T611において端子10、33にHIGHパルスが入力されて、4行目の光検出器で検出された光量に比例した電荷がコンデンサ511に蓄積される。T612において、端子40、41にHIGHパルスが入力され、ラインメモリ上でコンデンサ508、509、510、511の蓄積電荷の平均化が行われる。T613から水平走査回路4が動作を開始し、平均化された後の電圧が水平方向に順次出力される。出力端子70からは第1行から第4行までの光検出器の検出光量の平均値に比例した電圧が列方向に順次出力される。
【0085】
また、スイッチ506による平均化を行わなければ、第1列と第2列との平均値を出力端子70から得ることができ、第3列と第4列との平均値を出力端子71から得ることができ、第1列と第2列との平均値と第3列と第4列との平均値との差分を出力端子72から得ることができる。
【0086】
図3から8を用いて説明した駆動において、画素の光信号を読み出す前に、拡散浮遊領域のリセット電圧を別のラインメモリに読み出しても良い。この電圧と光信号出力との差分をとることにより、トランジスタ104の閾値電圧のばらつきによる出力電圧のばらつきを除去することができる。従って、各光検出素子で検出した光量による信号にばらつきによるノイズ成分が混入しないS/Nの高い信号を得ることができる。
【0087】
また、垂直/水平走査を1ブロック毎、又は複数ブロック毎に間引き走査を行うことにより、更に、圧縮した信号が得られる。
【0088】
更に、別種の光電変換素子を用いても上記の実施形態と同様な効果を得ることができる。
【0089】
更に、上記の実施形態では色フィルタとして、イエロYe、マゼンダMg、シアンCy、グリーンGの4色の色フィルタを使用するとしたが、輝度信号又は色差信号が得られるものであれば、他のフィルタを使用してもよい。
【0090】
[実施形態5]
図9は、実施形態5による撮像素子を含む撮像システムの構成を示す図である。
【0091】
図9においては、まず、CMOSセンサ等の撮像素子91内のそれぞれの画素からの信号に対して、撮像装置91内において色差信号や輝度信号を作るために加算などの演算をするのではなく、それぞれの画素からの信号はそのまま撮像素子91から出力している。そして、それらの信号はA/D変換器92によってA/D変換され、ディジタル信号としてメモり93に記憶される。それから、コンピュータ94がメモリ93内のディジタル信号に対して演算を施す。ここで、コンピュータ94を起動させるためのソフトウェアはプログラムを格納した記録媒体を用いることも可能である。記録媒体としては、例えば、フロッピーディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、磁気テープ、半導体メモリ等がある。
【0092】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、例えば読み出し1のモードを利用すれば水平方向、垂直方向共に解像度が高い色差信号を持ったカラー画像信号が得られる。
【0093】
また、本発明によれば、同一の色フィルタパターンを用いながらも様々な読み出し方法があるので、簡易カラー表示、オートフォーカス、オートホワイトバランスに使用できる画像信号を高速に出力できるモードや高解像度の画像信号を出力するモードなどのマルチモードに対応できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1による色フィルタのパターン図である。
【図2】本発明の実施形態1による読み出しを説明するための図である。
【図3】本発明の実施形態2による撮像素子の回路図である。
【図4】図3の動作タイミング例を示すタイミング図である。
【図5】本発明の実施形態3による撮像素子の回路図である。
【図6】図5の動作タイミング例を示すタイミング図である。
【図7】本発明の実施形態4による撮像素子の回路図である。
【図8】図7の動作タイミング例を示すタイミング図である。
【図9】本発明の実施形態5による撮像素子を含む撮像システムの構成を示す図である。
【図10】従来例による色フィルタのパターン図である。
【図11】別の従来例による色フィルタのパターン図である。
【符号の説明】
100 光検出器
101 転送用トランジスタ
102 拡散浮遊領域
103 リセット用トランジスタ
104 アンプ用トランジスタ
106、107、501、502、503、504 分配用トランジスタ
121 スイッチ用トランジスタ
105 放電用トランジスタ
108、115,116、301、302,303、304、505、506、507 平均化用トランジスタ
109、110、117、118 コンデンサ(ラインメモリ)
122,127 差動アンプ
Claims (4)
- 4色の色フィルタアレイを介して撮像素子に入射した入射光よりカラー画像信号を生成するCMOSセンサにおいて、前記色フィルタアレイは、2行×2列の周期性を持ち、2行×2列の周期単位の中で、4個の色フィルタの色は全て異なり、前記4個の色フィルタは、可視光範囲において緑色光のみを透過するGフィルタと、可視光範囲において青色光のみを遮断するYeフィルタと、可視光範囲において緑色光のみを遮断するMgフィルタと、可視光範囲において赤色光のみを遮断するCyフィルタとであり、
Gフィルタの垂直方向に隣接してCyフィルタが配置され、Gフィルタの水平方向に隣接してYeフィルタが配置され、Cyフィルタの水平方向に隣接し、且つ、Yeの垂直方向に隣接してMgフィルタが配置され、
当該CMOSセンサの内部に、
水平方向に相互に隣接する2つの画素の信号をそれぞれ保持するコンデンサと、これらのコンデンサに保持された信号を足し合わせるためのスイッチと、該足し合わされた信号の差分を垂直方向に相互に隣接する行間で得ることにより青の色差信号を得るための差動増幅器と、
垂直方向に相互に隣接する2つの画素の信号をそれぞれ保持するコンデンサと、これらのコンデンサに保持された信号を足し合わせるためのスイッチと、該足し合わされた信号の差分を水平方向に相互に隣接する列間で得ることにより赤の色差信号を得るための差動増幅器と、
を備えることを特徴とするCMOSセンサ。 - 請求項1に記載のCMOSセンサにおいて、4行×1列の領域の全信号の加算値を読み出す手段を備えることを特徴とするCMOSセンサ。
- 請求項1に記載のCMOSセンサにおいて、1行×4列の領域の全信号の加算値を読み出す手段を備えることを特徴とするCMOSセンサ。
- 請求項1乃至3に記載のCMOSセンサを備えることを特徴とする撮像システム。
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