(57)【要約】固体撮像装置１Ａは、画素Ｃが二次元配列された画素アレイＰを有する撮像部２と、画素アレイＰ上に配置された複数のレンズ３ａを有するレンズ部３と、電気信号ＳＥを用いて画像を生成する画像生成部４Ａと、を備える。撮像部２は、撮像領域Ｔを一つ含む画素アレイＰを複数有する。画像生成部４Ａは、電気信号ＳＥが有するノイズを低減するために、撮像領域Ｔ間で互いに対応する画素Ｃごとに電気信号ＳＥを平均化して画像を生成する。
2014024922.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受けた光に対応した電気信号をトランジスタを介して提供する画素が二次元配列された画素アレイを有する撮像部と、
前記画素アレイ上に配置された複数のレンズを有するレンズ部と、
前記電気信号を用いて画像を生成する画像生成部と、
を備え、
前記撮像部は、前記レンズ部により被写体像が結像される撮像領域を複数含む前記画素アレイを一つ、又は、前記撮像領域を一つ含む前記画素アレイを複数有し、
前記画像生成部は、前記電気信号が有するノイズを低減するために、前記撮像領域間で互いに対応する前記画素ごとに前記電気信号を平均化して前記画像を生成する、固体撮像装置。
【請求項２】
前記撮像部は、Ｍ個（Ｍは２以上の整数）の前記画素アレイを有し、
前記画素は、
受けた光に対応した電荷を生成する光電変換部と、
前記光電変換部に並設され前記電荷が転送される浮遊拡散部と、
前記浮遊拡散部に転送された前記電荷が排出される排出部と、
前記浮遊拡散部に接続され、前記浮遊拡散部の電位に対応した前記電気信号を前記トランジスタを介して提供する出力部と、を含み、
前記画素アレイを複数有する前記撮像部における変換利得は、前記画素アレイを一つ有する前記撮像部における前記変換利得のＭ倍以上に設定する、請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記トランジスタは、ＭＯＳＦＥＴであり、
前記ＭＯＳＦＥＴのチャネル長は、前記光電変換部と前記浮遊拡散部との間の長さ、又は、前記浮遊拡散部と前記排出部との間の長さよりも小さい、請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記画像生成部は、
前記画素から提供された前記電気信号の分散を算出する算出部と、
前記各画素の前記分散に基づいて平均値の分散が最小となる前記撮像領域の組み合わせを選択する選択部と、
前記撮像領域の組み合わせに基づいて、前記撮像領域間で互いに対応する前記画素ごとに前記電気信号を平均化して前記画像を統合する統合部と、を有する請求項１〜３の何れか一項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記画像生成部は、
前記画素から提供されたそれぞれの前記電気信号に適用される重み係数を提供する係数算出部と、
前記重み係数を前記画素から提供された前記電気信号の値に乗じて得た値を前記撮像領域間で互いに対応する前記画素ごとに平均化して前記画像を統合する統合部と、を有する請求項１〜３の何れか一項に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、映像信号のランダムノイズ除去を行う構成を有する固体撮像装置が記載されている。この固体撮像装置は、画素アレイと、画素アレイから映像信号を読み出すための出力回路とを備えている。固体撮像装置は、２つの出力回路が接続された画素アレイを有している。２つの出力回路から出力された２つの映像信号は、加算平均等の処理がなされ、映像信号からノイズが除去される。【０００３】
特許文献２には、装置の薄型化を図ることができる撮像装置が記載されている。この撮像装置は、複数のエリアセンサと、エリアセンサのそれぞれに被写体像を結像する複数のマイクロレンズとを備えている。エリアセンサに結像される被写体像は被写体の全体像である。複数のマイクロレンズは互いに異なる焦点距離を有している。画像を生成する時には、焦点距離が合った被写体像が結像されたエリアセンサの出力を用いる。従って、焦点調整を行うためのマイクロレンズの移動機構を省くことが可能となり、装置の薄型化を図ることができる。【０００４】
特許文献３には、被写体とマイクロレンズアレイとの距離が大きい場合であっても解像度の高い画像を取得可能な画像入力装置が記載されている。この画像入力装置は、マイクロレンズとマイクロレンズに対応する被写体像が結像される受光セルとが組み合わされた構成を複数備えている。マイクロレンズと受光セルとの相対的な位置関係は、組み合わせ毎に異なっている。従って、被写体とマイクロレンズとの距離が大きい場合であっても、各受光セルには異なる被写体像が結像されるため、画像の解像度を向上させ得る。【０００５】
特許文献４には、３次元ライトフィールドを取得するシステムが記載されている。このシステムは、３次元ライトフィールドデータを必要とする、テレビ及びデジタルエンターテインメントに対して使用できる３次元ディスプレイシステムである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１６５９１３号公報
【特許文献２】特開２００４−１４６６１９号公報
【特許文献３】特開２０００−３２３５４号公報
【特許文献４】特開２００８−２５９１７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
デジタルカメラやカムコーダなどの撮像システムにおいて、低ノイズ、高感度、高ダイナミックレンジの全てを満たすことは、いまだに解決されていない大きな課題である。これら撮像システムには、光子１個を識別可能なノイズレベルを実現することが望まれている。そのためにはアナログデジタル変換器等のノイズを含めて入力換算ノイズとして０．１電子ｒｍｓ（量子効率１００％の場合に、光子に換算して０．１個ｒｍｓ）のノイズレベルが要求される。しかしながら、現在の商用機では、１電子ｒｍｓ程度に留まっている。【０００８】
上記問題点に鑑みて、本発明は、ノイズを低減することが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面に係る固体撮像装置は、受けた光に対応した電気信号をトランジスタを介して提供する画素が二次元配列された画素アレイを有する撮像部と、画素アレイ上に配置された複数のレンズを有するレンズ部と、電気信号を用いて画像を生成する画像生成部と、を備え、撮像部は、レンズ部により被写体像が結像される撮像領域を複数含む画素アレイを一つ、又は、撮像領域を一つ含む画素アレイを複数有し、画像生成部は、電気信号が有するノイズを低減するために、撮像領域間で互いに対応する画素ごとに電気信号を平均化して画像を生成する。【００１０】
上記固体撮像装置は、複数のレンズを含むマルチアパーチャ構造を有しているため、被写体像が撮像された画像データからなるマルチアパーチャ画像が得られる。そして、画像生成部では、撮像領域間で互いに対応する画素ごとに電気信号を平均化するため、画素から提供された電気信号に含まれるノイズが低減される。従って、上記固体撮像装置によれば、ノイズを低減した画像を得ることができる。【００１１】
上記固体撮像装置の撮像部は、Ｍ個（Ｍは２以上の整数）の画素アレイを有し、画素は、受けた光に対応した電荷を生成する光電変換部と、光電変換部に並設され電荷が転送される浮遊拡散部と、浮遊拡散部に転送された電荷が排出される排出部と、浮遊拡散部に接続され、浮遊拡散部の電位に対応した電気信号をトランジスタを介して提供する出力部と、を含み、画素アレイを複数有する撮像部における変換利得は、画素アレイを一つ有する撮像部における変換利得のＭ倍以上に設定する。このような構成によれば、光電変換部で生成された電荷１個当たりの出力電圧値を大きくすることができる。従って、電気信号に含まれるノイズ割合を小さくすることができる。【００１２】
上記固体撮像装置のトランジスタは、ＭＯＳＦＥＴであり、ＭＯＳＦＥＴのチャネル長は、光電変換部と浮遊拡散部との間の長さ、又は、浮遊拡散部と排出部との間の長さよりも小さい。このような構成によれば、電圧・電流の利得を示すトランスコンダクタンスを高くすることができるため、出力部の周波数帯域を広げ、後段のカラムアンプで帯域制限することにより低ノイズ化することができる。【００１３】
上記固体撮像装置の画像生成部は、画素から提供された電気信号の分散を算出する算出部と、各画素の分散に基づいて平均値の分散が最小となる撮像領域の組み合わせを選択する選択部と、撮像領域の組み合わせに基づいて、撮像領域間で互いに対応する画素ごとに電気信号を平均化して画像を合する統合部と、を有する。このような構成によれば、互いに対応する一又は複数の画素から提供された電気信号を平均化して統合画像の画素値を得るため、ノイズレベルを全体的に低減することができる。さらに、電気信号の平均化は、平均値の分散が最小となる撮像領域の組み合わせを用いて実施されるので、比較的大きいノイズを有する画素から提供された電気信号が画像の統合に用いる電気信号から排除される。従って、例えばランダムテレグラフシステムノイズのように比較的大きいノイズを発生する画素が含まれていても、ノイズを好適に低減することができる。【００１４】
上記固体撮像装置の画像生成部は、画素から提供されたそれぞれの電気信号に適用される重み係数を提供する係数算出部と、重み係数を画素から提供された電気信号の値に乗じて得た値を撮像領域間で互いに対応する画素ごとに平均化して画像を統合する統合部と、を有する。このような構成によれば、互いに対応する一又は複数の画素から提供された電気信号を平均化して統合画像の画素値を得るため、ノイズレベルを全体的に低減することができる。さらに、電気信号の平均化は、重み係数が乗算された電気信号の値を用いるため、比較的大きいノイズを有する画素から提供された電気信号には小さい重み係数を乗算することにより、統合画像に及ぼす影響を抑制することができる。従って、例えばランダムテレグラフシステムノイズのように比較的大きいノイズを発生する画素が含まれていても、ノイズを好適に低減することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ノイズを低減することが可能な固体撮像装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態の固体撮像装置の構成を示す図である。
【図２】画素ユニットとレンズ部との配置を示す図である。
【図３】画像生成部を構成するハードウエアの一例を示す図である。
【図４】画素ユニットの構成を説明するための図である。
【図５】第１実施形態の固体撮像装置に内蔵される画素の構造の一例を示す図である。
【図６】第１実施形態の処理フローを説明するための図である。
【図７】画素ユニットの一例を示す図である。
【図８】画素アレイの一例を示す図である。
【図９】第１実施形態の処理フローを説明するための図である。
【図１０】第１実施形態の処理フローを説明するための図である。
【図１１】第１実施形態の処理フローを説明するための図である。
【図１２】第２実施形態の固体撮像装置の構成を示す図である。
【図１３】第２実施形態の処理フローを説明するための図である。
【図１４】第３実施形態の固体撮像装置の構成を示す図である。
【図１５】第３実施形態の固体撮像装置に内蔵される画素の構造の一例を示す図である。
【図１６】第３実施形態の固体撮像装置の効果を説明するための図である。
【図１７】変形例を説明するための図である。
【図１８】変形例を説明するためのフロー図である。
【図１９】実施例を説明するための図である。
【図２０】実施例を説明するための図である。
【図２１】実施例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る固体撮像装置１Ａの構成を示すブロック図である。図１に示されるように、固体撮像装置１Ａは、受けた光に対応した電気信号をトランジスタを介して提供する撮像部２と、複数のレンズ３ａを有するレンズ部３と、撮像部２から出力された信号を用いて画像を生成する画像生成部４Ａとを有している。
【００１９】
撮像部２は、被写体等からの光に基づく電気信号を生成する複数の画素アレイＰを含む画素ユニット６を有している。図２は、画素ユニット６とレンズ部３との配置を示す斜視図である。画素ユニット６は、正方格子状に配置された複数の画素アレイＰを有している。レンズ部３は、正方格子状に配置された複数のレンズ３ａを有している。これら複数のレンズ３ａは、複数の画素アレイＰのそれぞれに対応する位置に配置され、画素アレイＰに被写体像を結像する。このような画素アレイＰ及びレンズ３ａの配置によれば、画素アレイＰのそれぞれには、被写体像が結像される一つの撮像領域Ｔが設定される（図４参照）。すなわち、本実施形態の画素アレイＰは１つの撮像領域Ｔを有している。そして、本実施形態の撮像部２は、画素アレイＰを複数有している。従って、撮像部２からは、被写体が撮像された複数の画像データが提供される。なお、これら複数の画素アレイＰとレンズ部３とを有する構成は、マルチアパーチャ構造と呼ばれる。また、複数の画素アレイＰを有する撮像部２から得られた複数の画像データをマルチアパーチャ画像と呼ぶ。
【００２０】
なお、図２には、１６個の画素アレイＰが配置された画素ユニット６が示されているが、画素ユニット６が有する画素アレイＰの数は１６個に限定されることはない。画素ユニット６が有する画素アレイＰの数は１６個以下であってもよいし、１６個以上であってもよい。また、図２には、１６個のレンズ３ａが配置されたレンズ部３が示されているが、レンズ部３が有するレンズ３ａの数は１６個に限定されることはない。レンズ部３が有するレンズ３ａの数は１６個以下であってもよいし、１６個以上であってもよい。
【００２１】
図１に示すように、画素アレイＰは、１つのチップとして構成されている。このチップには、複数の画素Ｃと、画素Ｃの動作を制御する制御回路７と、画素Ｃから出力される電気信号ＳＥを処理する信号処理回路８とが設けられている。このような構成を有する画素アレイＰによれば、１つのイメージセンサである画素アレイＰ内において、Ａ／Ｄ変換処理や増幅処理等の信号処理が実行されるためノイズが低減される。制御回路７は、画素Ｃを制御するための制御信号ＳＣを生成する。例えば、制御回路７は、電気信号ＳＥを出力する行を選択する制御信号ＳＣを生成し駆動線ＬＤに出力する。駆動線ＬＤは、複数の転送スイッチ駆動線、リセットスイッチ駆動線、及び行選択スイッチ駆動線等を含んでいる。制御回路７は、複数のブロックに分割されて画素Ｃの周辺に配置されている。
【００２２】
信号処理回路８は、各画素Ｃから電気信号ＳＥを行毎に読み出す読み出し回路、サンプルホールド回路及び／又はノイズキャンセル回路、Ａ／Ｄ変換回路等を含んでいる。サンプルホールド回路は、リセットレベルに対応した信号と、信号レベルに対応した信号とを保持する。ノイズキャンセル回路は、リセットレベルと信号レベルとの差を生成して、画素のリセットノイズをキャンセルする。信号処理回路８は、電気信号ＳＥに対して所定の信号処理がなされた画像信号ＳＧを生成し、画像生成部４Ａに出力する。
【００２３】
なお、本実施形態の撮像部２は、上述した構成に限定されることはなく、例えば、制御回路７や信号処理回路８が画素アレイＰの外部に設けられる構成であってもよい。例えば、撮像部２が、複数の画素アレイＰを有する一つのチップである画素ユニット６と、画素ユニット６に含まれる画素アレイＰの全てを制御する制御回路７と、画素ユニット６に含まれる全ての画素アレイＰから出力される電気信号ＳＥを処理する信号処理回路８とを有する構成であってもよい。このような構成によれば、画素Ｃの制御や電気信号ＳＥの処理は、画素アレイＰごとではなく、複数の画素アレイＰ間において実行される。
【００２４】
画像生成部４Ａは、撮像部２の信号処理回路８から出力される画像信号ＳＧを用いて画像を生成するものである。画像生成部４Ａは、機能的構成要素である標準化部９と、算出部１１と、選択部１２と、記憶部１３と、統合部１４とを有している。標準化部９は、撮像部２から出力された画像信号ＳＧに対して所定の標準化処理を行う。標準化処理には、例えば、歪曲の補正、結像倍率の補正、画像サイズを統一するための切り出し、位置合わせ等の処理がある。算出部１１は、画素アレイＰの画素が有するノイズの分散を算出し、その結果を選択部１２に出力する。選択部１２は、算出部１１から出力された各画素の分散に基づいて、平均値の分散が最小となる撮像領域Ｔの組み合わせを選択する。対応する画素ごとの撮像領域Ｔの組み合わせの情報は、記憶部１３に出力され、記憶される。記憶部１３は、撮像部２から出力された画像信号ＳＧの統合に用いる情報を記憶している。統合部１４は、記憶部１３に記憶されている情報に基づいて、撮像部２から出力された画像信号ＳＧを１つの画像データに統合する。
【００２５】
画像生成部４Ａは、例えば、図３に示すコンピュータ９０を用いて実現される。コンピュータ９０は、画像生成部４Ａを構成するハードウエアの一例である。コンピュータ９０は、ＣＰＵを具備しソフトウエアによる処理や制御を行なうサーバ装置、パーソナルコンピュータ等の各種データ処理装置を含んでいる。コンピュータ９０は、ＣＰＵ９１、主記憶装置であるＲＡＭ９２及びＲＯＭ９３、入力デバイスであるキーボード及びマウス等の入力装置９４、ディスプレイ、プリンタ等の出力装置９６、ネットワークカード等のデータ送受信デバイスである通信モジュール９７、ハードディスク等の補助記憶装置９８などを含むコンピュータシステムとして構成されている。図１に示す機能的構成要素は、ＣＰＵ９１、ＲＡＭ９２等のハードウエア上に所定のコンピュータソフトウェアを読み込ませることにより、ＣＰＵ９１の制御のもとで入力装置９４、出力装置９６、通信モジュール９７を動作させるとともに、ＲＡＭ９２や補助記憶装置９８におけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。
【００２６】
図４は、画素ユニット６の構成を説明するための図である。画素ユニット６は、Ｍ個の画素アレイＰを有している。複数の画素アレイＰは、正方格子状に二次元配列されている。それぞれの画素アレイＰは、複数の画素Ｃを有している。画素Ｃは、受けた光に対応した電気信号ＳＥをトランジスタを介して提供する。複数の画素Ｃは、正方格子状に二次元配列されている。
【００２７】
画素Ｃについて説明する。図５は、固体撮像装置１Ａに内蔵される画素Ｃの構造の一例を示す図である。画素Ｃは、光電変換部１６と、信号読出部１７と、出力部１８とを有している。画素Ｃの構造は、ＣＭＯＳイメージセンサで利用されているｐｉｎフォトダイオードを用いた４トランジスタ方式のアクティブピクセルセンサ（ＡＰＳ）である。また、画素Ｃは、低ノイズ化のために浮遊拡散部の静電容量を小容量化し、浮遊拡散部における電荷―電圧の変換利得を高めている。さらに、低ノイズ化のために、出力部１８における周波数帯域を広げると共に後段のカラムアンプで帯域を制限している。このような構成を実現する為に、浮遊拡散部の電圧を読み出す出力部１８のソースフォロワ回路を構成するトランジスタに低電圧ＭＯＳＦＥＴを用いている。
【００２８】
光電変換部１６は、受けた光に対応した電荷を生成する。光電変換部１６は、埋め込み型のフォトダイオードＰＤを含んでいる。フォトダイオードＰＤは、半導体基板１９の主面１９ａに埋め込まれて設けられている。フォトダイオードＰＤは、半導体基板１９の主面１９ａに設けられた比較的浅いｐ＋型半導体領域ＡＮと、ｐ＋型半導体領域ＡＮの直下に設けられた比較的深いｎ型半導体領域ＫＤとを含んでいる。ｐ＋型半導体領域ＡＮとｎ型半導体領域ＫＤとはｐｎ接合Ｊを形成している。このｐｎ接合Ｊは半導体基板１９に埋め込まれているので、フォトダイオードＰＤの暗電流は非常に小さい。ｐ＋型半導体領域ＡＮは半導体基板１９を介して接地されている。ｎ型半導体領域ＫＤはトランジスタＭ１のソースと共用され、これによりフォトダイオードＰＤはトランジスタＭ１に接続されている。
【００２９】
信号読出部１７は、光電変換部１６に隣接して並設されている。信号読出部１７は、出力部１８を介して電気信号ＳＥを信号線ＬＥに出力する。電気信号ＳＥは、光電変換部１６から信号読出部１７の浮遊拡散領域に転送された電荷に対応している。信号読出部１７は、第１障壁部２１、浮遊拡散部ＦＤ、第２障壁部２２、及び排出部ＤＲを含んでいる。
【００３０】
第１障壁部２１は、フォトダイオードＰＤに隣接して並設されている。第１障壁部２１は、ｐ型半導体によって形成され、所定の電位障壁を形成する。第１障壁部２１の表面には、絶縁層１９ｂを介してゲート電極２３が接続されている。浮遊拡散部ＦＤは、第１障壁部２１に隣接して並設されている。浮遊拡散部ＦＤは、ｎ＋半導体２４によって形成され、その表面には出力部１８の入力端１８ｎが接続される。このような構成により、フォトダイオードＰＤのｎ型半導体領域ＫＤをソース、浮遊拡散部ＦＤをドレイン、ゲート電極２３をゲートとするトランジスタＭ１が形成されている。このトランジスタＭ１により、第１障壁部２１の電位障壁の大きさがゲート電極２３から第１障壁部２１に印可される転送信号ＴＸにより制御される。これにより、フォトダイオードＰＤにおいて生成された電荷が浮遊拡散部ＦＤに転送される。
【００３１】
第２障壁部２２は、浮遊拡散部ＦＤに隣接して並設されている。第２障壁部２２は、ｐ型半導体によって形成され、所定の電位障壁を形成している。第２障壁部２２の表面には、絶縁層１９ｂを介してゲート電極２６が接続されている。排出部ＤＲは、第２障壁部２２に隣接して並設されている。排出部ＤＲは、ｎ＋半導体２５によって形成され、その表面には高電位電源ＶＲＳＴが接続されている。このような構成によれば、浮遊拡散部ＦＤをソース、排出部ＤＲをドレイン、ゲート電極２６をゲートとするトランジスタＭ２が形成される。さらに、ゲート電極２６が駆動線ＬＲに接続されることにより、トランジスタＭ２は信号読出部１７に転送された電荷をリセットするためのリセットスイッチとして動作する。すなわち、ゲート電極２６を介して第２障壁部２２に印可されるリセット信号ＲＳＴにより、第２障壁部２２の電位障壁の大きさが制御される。これにより、浮遊拡散部ＦＤに転送された電荷が排出部ＤＲに排出されるので、浮遊拡散部ＦＤの電荷がリセットされる。
【００３２】
出力部１８は、浮遊拡散部ＦＤに転送された電荷に基づく電位に応じた電気信号ＳＥを提供する。出力部１８は、トランジスタＭ３，Ｍ４を含み、いわゆるソースフォロワアンプの回路構成をなしている。トランジスタＭ３，Ｍ４は、読出アンプとして機能する。トランジスタＭ３のゲートは浮遊拡散部ＦＤに接続され、ドレインは高電位電源ＶＤＤＡに接続され、ソースはトランジスタＭ４のドレインに接続されている。トランジスタＭ４は、選択スイッチとして機能する。トランジスタＭ４のゲートは駆動線ＬＳに接続され、ドレインはトランジスタＭ３のソースに接続され、ソースは信号線ＬＥに接続されている。
【００３３】
ところで、通常、固体撮像装置１Ａの製造において微細ＣＭＯＳプロセスを用いる場合であっても、画素Ｃのアナログ部分であるトランジスタＭ１，Ｍ２には、信号振幅を確保するために３．３Ｖ耐圧のＭＯＳＦＥＴを用いることがある。このトランジスタＭ１，Ｍ２では、ゲート電極２３，２６における絶縁層１９ｂの膜厚が大きく、チャネル長さＬ１，Ｌ２が長く設定されている。ここで、チャネル長さＬ１は、フォトダイオードＰＤと浮遊拡散部ＦＤを構成するｎ＋半導体２４との間の長さである。また、チャネル長さＬ２は、浮遊拡散部ＦＤを構成するｎ＋半導体２４と排出部ＤＲを構成するｎ＋半導体２５の間の長さである。この場合にトランジスタＭ１，Ｍ２の最小チャネル長さは、例えば０．４μｍ程度である。
【００３４】
ここで、出力部１８のトランジスタＭ３，Ｍ４を、トランジスタＭ１，Ｍ２と同様の３．３Ｖ耐圧のＭＯＳＦＥＴとすると、電圧・電流の利得を示すトランスコンダクタンス（以下「ｇｍ」ともいう）を高くすることができないため、低ノイズ化が困難になる。
【００３５】
そこで、本実施形態のトランジスタＭ３，Ｍ４には、トランジスタＭ１，Ｍ２よりも小さい製造プロセスルールを適用した低電圧微細ＭＯＳＦＥＴを用いる。トランジスタＭ３，Ｍ４には、例えば、最小チャネル長さが０．１８μｍである１．８Ｖ耐圧のＭＯＳＦＥＴを用いる。すなわち、トランジスタＭ３，Ｍ４の製造には、０．１８μｍのプロセスを用いる。この場合、トランジスタＭ３，Ｍ４の最小チャネル長は、トランジスタＭ１，Ｍ２の半分程度となる。トランジスタＭ３，Ｍ４の製造においては、製造ばらつきを考慮し、チャネル長さは、最小チャネル長に対して１０％〜数１０％程度大きくした長さに設定する。このような微細ＭＯＳＦＥＴを用いたトランジスタＭ３，Ｍ４を有する出力部１８によれば、画像ソースフォロワの周波数帯域を広げ、後段のカラムアンプで帯域制限することにより低ノイズ化することができる。
【００３６】
本実施形態における変換利得は、浮遊拡散部ＦＤの静電容量やトランジスタＭ１〜Ｍ４の寄生容量、ソースフォロワアンプであるトランジスタＭ３，Ｍ４における電圧利得による低減効果等に基づくものである。本実施形態の画素Ｃが有する変換利得は、一例として、撮像部２が有する画素アレイＰの数がＭ個（Ｍは２以上の整数）であるとき、画素アレイＰを一つ有する撮像部における変換利得のＭ倍以上に設定するとよい。例えば、変換利得は、１００μＶ／ｅ−〜１ｍＶ／ｅ−（一電荷あたり１００マイクロボルト〜一電荷あたり１ミリボルト）のオーダーに設定される。
【００３７】
ここで、変換利得の一部をなす浮遊拡散部ＦＤの静電容量について説明する。浮遊拡散部ＦＤは、フォトダイオードＰＤから転送された電荷量と、浮遊拡散部ＦＤにおける静電容量とに基づいて、電荷量を電気信号ＳＥ１に変換して出力する。電荷量Ｑ、浮遊拡散部ＦＤの実効静電容量ＣＦＤ、及び電気信号ＳＥ１の電圧ΔＶとの関係は、下記式（１）により示される。下記式（１）によれば、電圧ΔＶは、電荷量Ｑに比例し、実効静電容量ＣＦＤに反比例する。従って、浮遊拡散部ＦＤにおける電荷―電圧の利得を高めるためには、例えば、浮遊拡散部ＦＤの実効静電容量ＣＦＤを小さくすればよい。なお、浮遊拡散部ＦＤにおける電荷―電圧の利得は、本実施形態における変換利得の一部をなす。
【数１】
2014024922.tif 000003
【００３８】
浮遊拡散部ＦＤの実効静電容量ＣＦＤは、下記式（２）に示すように、飽和電子数（ｑ・Ｎ）と、電気信号ＳＥの最大振幅（Ｖｐｐ）に基づいて設定される。浮遊拡散部ＦＤの実効静電容量ＣＦＤは、半導体基板１９及びｎ＋半導体２４の不純物プロファイルや濃度、製造プロセスに依存する。本実施形態の浮遊拡散部ＦＤは、一例として、０．１ｆＦ〜１ｆＦオーダーの実効静電容量ＣＦＤを有する。浮遊拡散部ＦＤの実効静電容量ＣＦＤをこのように設定することにより、電荷１個当たりの出力電圧値を高めることができる。
【数２】
2014024922.tif 000004
【００３９】
以上説明した固体撮像装置１Ａにおける画素Ｃの動作について説明する。まず、画素Ｃに光Ｈが入射すると、フォトダイオードＰＤにおいて電荷が生成される。電荷が生成されると、転送スイッチ駆動線ＬＴを介して制御回路７からゲート電極２３に所定の正電圧を有する転送信号ＴＸが印可される。このとき、第１障壁部２１の電位障壁の高さが低下するので、フォトダイオードＰＤのポテンシャル井戸から浮遊拡散部ＦＤのポテンシャル井戸に電荷が転送される。なお、浮遊拡散部ＦＤのポテンシャル井戸の深さは、フォトダイオードＰＤのポテンシャル井戸の深さよりも深くされているので、電荷の完全転送が実現される。
【００４０】
浮遊拡散部ＦＤに電荷が転送されると、浮遊拡散部ＦＤの実効静電容量ＣＦＤ及び浮遊拡散部ＦＤに転送された電荷量に対応して浮遊拡散部ＦＤの電位が変化する。そして、行選択スイッチ駆動線ＬＳを介して制御回路７からトランジスタＭ４のゲートに制御信号ＳＣが印可される。これにより、出力部１８のトランジスタＭ３，Ｍ４を介して浮遊拡散部ＦＤの電位が、出力部１８を介して電気信号ＳＥとして信号線ＬＥに出力される。
【００４１】
次に、本実施形態の固体撮像装置１Ａによる撮影の処理フローについて説明する。図６は、第１実施形態の処理フローを説明するための図である。処理フローは、マルチアパーチャ画像の撮影前に実施される前処理工程（工程Ｓ１）と、マルチアパーチャ画像の撮影時に実施される後処理工程（工程Ｓ３）とを含んでいる。
【００４２】
図７は、処理フローを説明する為に用いる画素ユニット６の一例を示す図である。画素ユニット６は、Ｍ個（Ｍは２以上の整数）の画素アレイＰを有している。画素ユニット６において、最下段且つ左端の画素アレイＰをＰ（１）とし、最上段且つ右端の画素アレイＰをＰ（Ｍ）としている。なお、この画素アレイＰの符号付けは説明の便宜上のものであり、他の規則に従って符号を付してもよい。
【００４３】
図８は、処理フローを説明する為に用いる画素アレイＰの一例を示す図である。画素アレイＰ（１）は、Ｘ×Ｙ個の画素Ｃを有している。画素アレイＰ（１）において、最下段且つ左端の画素ＣをＣ（１，１）とし、最下段且つ右端の画素ＣをＣ（Ｘ，１）とし、最上段且つ左端の画素ＣをＣ（１，Ｙ）とし、最上段且つ右端の画素ＣをＣ（Ｘ，Ｙ）としている。なお、この画素Ｃの符号付けは説明の便宜上のものであり、他の規則に従って符号を付してもよい。
【００４４】
前処理工程Ｓ１では、複数の画素アレイＰで取得された複数の画像を１つの画像に統合するために必要な情報を取得する。必要な情報とは、画素Ｃ単位ごとの撮像領域Ｔの組み合わせである。すなわち、画像の統合に用いられる撮像領域Ｔは、画素Ｃごとに選択される。本実施形態では、画素アレイＰのそれぞれが１つの撮像領域Ｔを有しているため、必要な情報は画素Ｃが有するノイズが最小となる画素アレイＰの組み合わせの情報となる。組み合わせの情報の一例として、画素Ｃ（１，１）では、画素アレイＰ（１），Ｐ（３）…Ｐ（ｍ）の画素アレイＰが選択される。また、別の画素Ｃ（ｘ，ｙ）では、別の画素アレイＰの組み合わせである画素アレイＰ（２），Ｐ（６）…Ｐ（Ｍ）が選択される。なお、これらの組み合わせ情報は、説明の便宜上のものであり、画素Ｃ（１，１）及び別の画素Ｃ（ｘ，ｙ）の画素値を統合する為に選択される画素アレイＰの組み合わせは上記以外の画素アレイのＰが選択されてもよい。まず、撮像部２で撮像されたマルチアパーチャ画像の歪みを除去するためのカメラキャリブレーションを実施する（工程Ｓ５）。この工程Ｓ５では、レンズ部３を構成するレンズ３ａをピンホールレンズと仮定し、焦点距離、レンズ３ａの光軸と画素アレイＰとの交点、歪曲パラメータ等を推定する。また、この工程Ｓ５は、一般的に、市松模様状のチェスボードや水玉模様のテストパターンを用いて実施する。
【００４５】
次に、固体撮像装置１Ａを暗箱等に配置して、画素Ｃに光を入射させない状態にする。そして、この状態において所定数の暗時画像Ｇ（ｍ，ｒ）を取得する（図９（ａ）参照）。ここで、ｍは画素ユニット６における画素アレイＰの位置を示す符号であり、ｒは暗時画像Ｇの取得数である。例えば、暗時画像Ｇの取得数ｒは、５枚以上であり、好ましくは１００枚以上である。
【００４６】
次に、それぞれの画素アレイＰにおいて取得された暗時画像Ｇを、キャリブレーション（工程Ｓ５）で推定されたパラメータに基づいて標準化する（工程Ｓ７）。この工程Ｓ７は、主として画像生成部４Ａの標準化部９により実行される。この工程Ｓ７では、それぞれの暗時画像Ｇの歪曲を補正する。また、この工程Ｓ７では、それぞれのレンズ３ａが有する焦点距離の違いによる結像倍率の違いを補正する。この補正では、複数の画素アレイＰにおいて基準とする画素アレイＰがあらかじめ設定される。また、この工程Ｓ７では、レンズ３ａの光軸と画素アレイＰとの交点を暗時画像Ｇの中心として、同じサイズになるように暗時画像Ｇを切り出す。この工程Ｓ７により、標準化された暗時画像ＧＤが得られる。標準化された暗時画像ＧＤでは、各画素アレイＰの画像の対応画素が同一の座標上にある。
【００４７】
次に、暗時画像ＧＤの画素Ｃ毎に暗時ノイズの分散を算出する（工程Ｓ９）。この工程Ｓ９は、画像生成部４Ａの算出部１１において実行される。この暗時ノイズは、フォトダイオードＰＤの暗電流によるショットノイズ、信号読出部１７及び出力部１８における読み出しノイズ等を含んでいる。暗時ノイズの分散σ２は、それぞれの画素Ｃから出力される電気信号ＳＥのばらつきを示すものである。
【００４８】
図９（ｃ）は、暗時ノイズを示すグラフの一例である。図９（ｃ）の（ア）部は、画素アレイＰ（１）で撮像された暗時画像ＧＤ（１）において、画素Ｃ（１，Ｙ）（図９（ｂ）参照）が有する画素値を縦軸とし、横軸を暗時画像ＧＤの数としたグラフである。この画素Ｃはσ２（１）の分散を有している。図９（ｃ）の（イ）部は、画素アレイＰ（２）で撮像された暗時画像ＧＤ（２）において、画素アレイＰ（２）に対応する画素Ｃ（１，Ｙ）（図９（ｂ）参照）が有する画素値を縦軸とし、横軸を暗時画像ＧＤの数としたグラフである。この画素Ｃはσ２（２）の分散を有している。図９（ｃ）の（ウ）部は、画素アレイＰ（Ｍ）で撮像された暗時画像ＧＤ（Ｍ）において、画素アレイＰ（Ｍ）に対応する画素Ｃ（１，Ｙ）（図９（ｂ）参照）が有する画素値を縦軸とし、横軸を暗時画像ＧＤの数としたグラフである。この画素Ｃはσ２（Ｍ）の分散を有している。図９（ｃ）の（ア）〜（ウ）を確認すると、画素アレイＰ間で互いに対応する画素Ｃからは異なる暗時ノイズを有する電気信号ＳＥが出力されていることがわかる。工程Ｓ９では、上述した工程を繰り返し、画素Ｃ（１，１）〜Ｃ（Ｘ，Ｙ）のそれぞれの暗時ノイズの分散σ２を算出する。
【００４９】
なお、暗時画像Ｇを標準化する工程Ｓ７及び暗時ノイズの分散σ２を算出する工程Ｓ９は、工程Ｓ９を工程Ｓ７の前に実施してもよい。
【００５０】
次に、画素Ｃ単位で暗時ノイズの大きさが最小となるように画素アレイＰの組み合わせを決定する（工程Ｓ１１）。この工程Ｓ１１は、画像生成部４Ａの選択部１２において実行される。以下、工程Ｓ１１について、画素Ｃ（１，Ｙ）における画素値を生成するための画素アレイＰの組み合わせを決定する工程を一例として説明する。
【００５１】
図１０（ａ）に示すように、工程Ｓ９により、画素アレイＰの間で互いに対応する画素Ｃ（１，Ｙ）の分散σ２（１）〜σ２（Ｍ）が算出される。画素アレイＰ（１）の画素Ｃの分散σ２は、σ２（１）である。画素アレイＰ（２）の画素Ｃの分散σ２は、σ２（２）である。画素アレイＰ（３）の画素Ｃの分散σ２は、σ２（３）である。画素アレイＰ（ｍ）の画素Ｃの分散σ２は、σ２（ｍ）である。画素アレイＰ（Ｍ）の画素Ｃの分散σ２は、σ２（Ｍ）である。
【００５２】
次に、図１０（ｂ）に示すように、分散σ２が小さい順に並び替える。本実施形態では、分散σ２は、σ２（ｍ）が最も小さく、σ２（３）、σ２（２）、σ２（１）、σ２（Ｍ）の順に大きくなるものとする。
【００５３】
次に、図１１に示すように、分散σ２の値が小さいものから順に画素値を平均した場合の分散値Ｍｅを、下記式（３）を用いて算出する。ここで、下記式（３）において、Ａ＝｛１，２，…，Ｍ｝であり、画素アレイＰの集合を示す。また、下記式（３）において、Ａ’⊆Ａであり、Ｎ’はＡ’の要素数を示す。また、本実施形態における暗時ノイズは、ガウス分布に従うものとする。
【数３】
2014024922.tif 000005
【００５４】
まず、上記式（３）と、分散σ２が最も小さいσ２（ｍ）及びその次に小さいσ２（３）とを用いて分散値Ｍｅ（２）を算出する。次に、上記式（３）と、σ２（ｍ）、σ２（３）及びσ２（２）を用いて分散値Ｍｅ（３）を算出する。以下同様に、分散値Ｍｅの算出に用いる分散σ２の数を１つづつ増やし、それぞれの分散値Ｍｅを算出することにより、画素値の平均値の分散値Ｍｅ（１）〜Ｍｅ（Ｍ）が得られる。なお、画素平均値の分散値Ｍｅ（１）は、分散の値が最も小さいσ２（ｍ）であるとする。これら分散値Ｍｅ（１）〜Ｍｅ（Ｍ）において最も小さい値となる画素アレイＰの組み合わせが、画素Ｃ（１，Ｙ）における画素値を生成するための画素アレイＰの組み合わせとなる。選択された画素Ｃには、所定の方法によりフラグ付けがなされる。
【００５５】
後処理工程Ｓ３では、前処理工程Ｓ１で取得された情報に基づいて、撮像部２により撮像されたマルチアパーチャ画像を１つの画像に合成する。
【００５６】
まず、固体撮像装置１Ａを用いてマルチアパーチャ画像を撮像する（工程Ｓ１３）。次に、各画素アレイＰにおける画像を標準化処理する（工程Ｓ１５）。この工程Ｓ１５では、工程Ｓ７における処理のように、歪曲の補正、結像倍率の補正、画像サイズを統一するための切り出し、位置合わせ等の処理が実施される。そして、標準化処理されたそれぞれの画素アレイＰにおける画像データと、記憶部１３に記憶された画素アレイＰの組み合わせ情報とに基づいて、マルチアパーチャ画像を１つの画像に統合する。この工程Ｓ１７は、画像生成部４Ａの統合部１４において実行される。画素アレイＰの画素値をＰｉとすると、合成画素値は、下記式（４）により算出される。以上の工程によりノイズが低減された画像が得られる。なお、必要があれば、統合された画像に対してバイラテラルフィルタなどのノイズ低減フィルタ処理を実施して最終的な出力画像としてもよい。
【数４】
2014024922.tif 000006
【００５７】
固体撮像装置１Ａの効果について説明する。固体撮像装置１Ａは、複数のレンズ３ａを含むマルチアパーチャ構造を有しているため、被写体像が撮像された画像データからなるマルチアパーチャ画像が得られる。そして、画像生成部４Ａでは、撮像領域Ｔ間で互いに対応する画素Ｃごとに電気信号ＳＥを平均化するため、画素Ｃから提供された電気信号ＳＥに含まれるノイズが低減される。従って、上記固体撮像装置１Ａによれば、ノイズを低減した画像を得ることができる。
【００５８】
ところで、ＣＭＯＳイメージセンサの画素では、画素の読出しトランジスタが発生するノイズの影響が大きくなっている。特に、ランダムテレグラフシグナルノイズ（ＲＴＳノイズ）が観測されている。ＲＴＳノイズは、界面準位に電子が捕獲されることによりフラットバンド電圧がシフトすることに起因している。ＲＴＳノイズが発生する画素では、出力がランダムに変動する。特に、微細化されたＭＯＳＦＥＴでは、ＲＴＳノイズが増加する虞がある。微細化ＭＯＳＦＥＴでは、不純物分布のばらつきにより一時的かつ局所的に閾値が高くなり、微小領域の特性が全体の特性を支配する。本実施形態の固体撮像装置１Ａは、出力部１８に微細化されたＭＯＳＦＥＴを用いているので、帯域制限により低ノイズ化することができる。一方、固体撮像装置１Ａの画素Ｃは、微細化されたＭＯＳＦＥＴを用いるので、ＲＴＳノイズを生じる可能性が高まっている。しかし、ＲＴＳノイズが発生する画素Ｃが含まれていたとしても、平均化の過程において、ＲＴＳノイズといった比較的大きいノイズが発生する画素Ｃから提供される電気信号ＳＥは、画像の統合に用いられることがない。従って、微細化ＭＯＳＦＥＴの適用によるＲＴＳノイズの影響を抑制し、入力換算ノイズを低減することができる。
【００５９】
本実施形態の固体撮像装置１Ａは、マルチアパーチャ構造を有している。このような構成によれば、合成実効画素サイズを大きくすることができる。従って、単一の露光時間であっても、大きい飽和電子数と、超高感度とを両立させることができる。
【００６０】
本実施形態の固体撮像装置１Ａは、画素アレイＰを複数備えている。このような構成によれば、一部の画素アレイＰに欠陥画素が含まれている場合には、欠陥画素を含む画素アレイＰの電気信号ＳＥを用いることなく、その他の画素アレイＰの電気信号ＳＥに基づいて画像を統合する。従って、欠陥画素による補完が不要であるため、１画素サイズの極めて微弱な光を発する微小物体を検出することができる。
【００６１】
ところで、レンズの開口を大きくする、即ちレンズのＦ値を小さくすることで、より多くの光を取り込み、カメラシステムの感度を向上する手法がある。しかし、レンズの開口を大きくすると、レンズの収差補正のために複数のレンズが必要となる。従って、レンズを含む光学系の重量の増加、製造コストの増加、可搬性の低下等の問題が生じる虞がある。また、一般に、Ｆ値を１以下とすることは、収差補正の点から非常に困難である。これに対して、本実施形態の固体撮像装置１Ａは、複数のレンズ３ａを有するレンズ部３を備えている。軽量且つＦ値が大きいレンズ３ａを複数用いることにより、光学系の実効的な明るさを向上させ、Ｆ値を０に近づけることができる。例えば、Ｆ値が１．４であるレンズ３ａを３行×３列配置したレンズ部３は、実効Ｆ値が０．４７となる。
【００６２】
また、固体撮像装置には暗電流の大きい欠陥画素が必ずいくつかは存在する。これらの画素から提供される電気信号は、画像の統合に利用することができない。従って、欠陥画素の周囲にある画素から提供される電気信号を用いて補完する必要があるために、情報が欠落する。情報が欠落する場合には、例えば、微小物体を検出することができない。これに対して、本実施形態の固体撮像装置１Ａは、複数の画素アレイＰを有しているので、被写体像が撮像された複数の画像データが得られる。従って、欠陥画像における電気信号を補完する必要がないため、情報の欠落を防止することができる。
【００６３】
（第２実施形態）
第２実施形態に係る固体撮像装置１Ｂについて説明する。固体撮像装置１Ｂは、選択部１２に代えて係数算出部１５を有する点で固体撮像装置１Ａと相違する。撮像部の構成は、第１実施形態の撮像部２と同様であるため、詳細な説明は省略する。以下、係数算出部１５について詳細に説明する。
【００６４】
図１２は、二次元イメージセンサである第２実施形態の固体撮像装置１Ｂの構成を示す図である。図１２に示すように、固体撮像装置１Ｂは、撮像部２と、レンズ部３と、画像生成部４Ｂとを有している。画像生成部４Ｂは、標準化部９と、算出部１１と、係数算出部１５と、記憶部１３Ｂと、統合部１４Ｂとを有している。係数算出部１５は、算出部１１から出力されたノイズの分散に基づいて、それぞれの撮像領域Ｔにおける互いに対応する画素Ｃにおける平均値の分散が最小となるように重み係数ｗｉを算出する。算出された重み係数ｗｉは記憶部１３Ｂに出力され、記憶される。記憶部１３Ｂは、撮像部２から出力された画像信号ＳＧの統合に用いる情報を記憶している。本実施形態における画像信号ＳＧの統合に用いる情報とは、各画素Ｃの電気信号に乗算される重み係数である。統合部１４Ｂは、記憶部１３Ｂに記憶されている情報に基づいて、撮像部２から出力された画像信号ＳＧを１つの画像データに統合する。
【００６５】
図１３は、第２実施形態における処理フローを説明するための図である。第２実施形態における処理フローは、前処理工程Ｓ２において、第１実施形態の暗時画像Ｇの画素Ｃ毎に暗時ノイズの分散を算出する工程（工程Ｓ９）に代えて、画素Ｃ単位で平均値の分散が最小となるように重み係数を算出する工程（工程Ｓ１０）を有する点で、第１実施形態の処理フローと相違する。
【００６６】
第２実施形態の処理では、カメラキャリブレーションの実施（工程Ｓ５）、暗時画像Ｇの標準化（工程Ｓ７）、撮像領域Ｔの画素Ｃごとに暗時ノイズの分散の算出（工程Ｓ９）を行う。次に、重み係数ｗｉを算出する（工程Ｓ１０）。この工程Ｓ１０は、主として画像生成部４Ｂの係数算出部１５により実行される。工程Ｓ１０では、下記式（５）に示すように、分散σｉ２に重み係数ｗｉを乗算した値を対応する全ての画素Ｃに亘って平均化し、平均値が最小となるそれぞれの重み係数ｗｉを算出する。それぞれの画素Ｃの分散σｉ２に乗算される重み係数ｗｉは、下記式（６）を用いて算出する。なお、重み係数ｗｉは、下記式（７）を満たすものである。
【数５】
2014024922.tif 000007
【数６】
2014024922.tif 000008
【数７】
2014024922.tif 000009
【００６７】
後処理工程Ｓ３では、前処理工程Ｓ２で取得された情報に基づいて、撮像部２により撮像されたマルチアパーチャ画像を１つの画像に合成する。まず、固体撮像装置１Ｂを用いてマルチアパーチャ画像を撮像する（工程Ｓ１３）。次に、各画素アレイＰにおける画像を標準化処理する（工程Ｓ１５）。そして、標準化処理されたそれぞれの画素アレイＰにおける画像データと、記憶部１３Ｂに記憶された重み係数ｗｉとに基づいて、マルチアパーチャ画像を１つの画像に統合する（工程Ｓ１７）。この工程Ｓ１７は、主として画像生成部４Ｂの統合部１４Ｂにおいて実行される。画素アレイＰの画素値をＰｉとすると、合成画素値は、下記式（８）により算出される。以上の工程によりノイズが低減された画像が得られる。
【数８】
2014024922.tif 000010
【００６８】
本実施形態の固体撮像装置１Ｂにおいても、固体撮像装置１Ａと同様の効果を得ることができる。
【００６９】
（第３実施形態）
第３実施形態に係る固体撮像装置１Ｃについて説明する。図１４は、二次元イメージセンサである第３実施形態の固体撮像装置１Ｃの構成を示す図である。固体撮像装置１Ｃは、信号処理回路８が出力処理部８ａを有している点で固体撮像装置１Ａと相違する。出力処理部８ａは、後述する２つの出力部１８ａ，１８ｂから提供される電気信号ＳＥａ，ＳＥｂを処理する。処理の内容は、後述する。
【００７０】
図１５は、第３実施形態の固体撮像装置１Ｃに内蔵される画素Ｃｃの構造の一例を示す図である。図１５に示すように、固体撮像装置１Ｃは、主として画素３Ｃが２つの出力部１８ａ，１８ｂを有している点で、第１実施形態に係る固体撮像装置１Ａと相違する。画素Ｃｃは、第１出力部１８ａと、第２出力部１８ｂとを有している。第１出力部１８ａは、トランジスタＭ３ａ，Ｍ３ｂに加え、さらにトランジスタＭ５ａを有している。このトランジスタＭ５ａは、トランジスタＭ３ａが有する寄生容量を低減する為に用いられる。トランジスタＭ５ａのゲートは後述するトランジスタＭ４ｂのゲートに接続されている。トランジスタＭ５ａのドレインは高電位電源ＶＤＤＡに接続されている。トランジスタＭ５ａのソースはトランジスタＭ３ａのソースに接続されている。
【００７１】
第２出力部１８ｂは、３つのトランジスタＭ３ｂ，Ｍ４ｂ，Ｍ５ｂを有している。トランジスタＭ３ｂのゲートは浮遊拡散部ＦＤに接続され、ドレインは高電位電源ＶＤＤＡに接続され、ソースはトランジスタＭ４ｂのドレイン及びトランジスタＭ５ｂのソースに接続されている。トランジスタＭ４ｂのゲートはトランジスタＭ５ａのゲート及び駆動線ＬＳｂに接続され、ドレインはトランジスタＭ３ｂのソースに接続され、ソースは信号線ＬＥｂに接続されている。トランジスタＭ５ｂのゲートはトランジスタＭ４ａのゲート及び駆動線ＬＳａに接続され、ドレインは高電位電源ＶＤＤＡに接続され、ソースはトランジスタＭ３ｂのソース及びトランジスタＭ４ｂのドレインに接続されている。
【００７２】
第１及び第２出力部１８ａ，１８ｂによる電気信号ＳＥａ，ＳＥｂの読出し動作について説明する。まず、第１駆動線ＬＳａを介して制御信号が第１出力部１８ａのトランジスタＭ４ａと、第２出力部１８ｂのトランジスタＭ５ｂに入力される。このとき、第１出力部１８ａを介して第１電気信号ＳＥａが信号線ＬＥａに出力される。また、第２出力部１８ｂでは、読出しアンプであるトランジスタＭ３ｂのソースに高電圧が印可されるので、トランジスタＭ３ｂのゲート直下が空乏化される。次に、第２駆動線ＬＳｂを介して制御信号が第１出力部１８ａのトランジスタＭ５ａと、第２出力部１８ｂのトランジスタＭ４ｂに入力される。このとき、第２出力部１８ｂを介して第２電気信号ＳＥｂが信号線ＬＥｂに出力される。また、第１出力部１８ａでは、読出しアンプであるトランジスタＭ３ａのソースに高電圧が印可されるので、トランジスタＭ３ａのゲート直下が空乏化される。
【００７３】
第１及び第２出力部１８ａ，１８ｂを構成する各トランジスタＭ３ａ〜Ｍ５ａ，Ｍ３ｂ〜Ｍ５ｂは、それぞれ異なるノイズを有している。従って、第１出力部１８ａから読み出された第１電気信号ＳＥａに含まれるノイズと、第２出力部１８ｂから読み出された第２電気信号ＳＥｂに含まれるノイズとを取得し、ノイズを低減し得る組み合わせを決定する。例えば、第１電気信号ＳＥａを単独で用いる場合、第２電気信号ＳＥｂを単独で用いる場合、第１及び第２電気信号ＳＥａ，ＳＥｂを算術平均等する場合がある。これらの処理内容は、画素Ｃｃごとに予め決定され、信号処理回路８に記憶される。そして、各画素Ｃｃから電気信号ＳＥａ，ＳＥｂを読み出す場合に、予め定められた処理内容が実行される。この処理は、主として信号処理回路８の出力処理部８ａにおいて実行される。
【００７４】
従って、これら第１及び第２出力部１８ａ，１８ｂを有する画素Ｃｃでは、第１出力部１８ａから第１電気信号ＳＥａが提供され、第２出力部１８ｂから第２電気信号ＳＥｂが提供される。
【００７５】
図１６は、読出しアンプであるトランジスタＭ３ａ，Ｍ３ｂを示している。Ｍ３ａ，Ｍ３ｂは、ゲート７１ｇ、ソース７１ｓ、ドレイン７１ｄを含んでいる。ここで、読出しアンプであるトランジスタＭ３ａ，Ｍ３ｂのゲート７１ｇの直下を空乏化させない場合には、ゲート７１直下にチャネル７２があるため容量７３がそのまま存在する。この容量７３は、ノイズの低減を阻害するおそれがある（図１６（ａ）参照）。一方、トランジスタＭ３ａ，Ｍ３ｂのソース７１ｓに電圧を印可してゲート７１ｇの直下を空乏化させた場合（図１６（ｂ）参照）には、ゲート７１ｇの容量７４が空乏層７６の容量に直列に結合される。容量の直列結合によれば、合成された容量は見かけ上低減する。従って、ノイズを低減することができる。このように、第３実施形態の固体撮像装置１Ｃでは、読出しに用いていない出力部のトランジスタのソースに高い電圧を与えてゲート直下を空乏化させることにより、浮遊拡散部ＦＤの電位ノードの寄生容量が増加して変換利得が低下する、すなわち入力換算ノイズが増加することを抑制している。
【００７６】
固体撮像装置１Ｃの画素Ｃｃでは、第１出力部１８ａから第１電気信号ＳＥａを読み出す場合には、読出しに使用しない第２出力部１８ｂのトランジスタＭ３ｂのゲート直下を空乏化させる。従って、第１電気信号ＳＥａのノイズを低減させることができる。また、第２出力部１８ｂから第２電気信号ＳＥｂを読み出す場合には、読出しに使用しない第１出力部１８ａのトランジスタＭ３ａのゲート直下を空乏化させる。従って、第２電気信号ＳＥｂのノイズを低減させることができる。従って、固体撮像装置１Ｃによれば、さらにノイズを低減した画像を得ることができる。
【００７７】
（変形例１）
本発明の固体撮像装置１Ａは、前述した実施形態に限定されるものではない。上述した第１〜第３実施形態では、画素アレイＰは１つの撮像領域Ｔを有し、撮像部２は画素アレイＰを複数有していた。しかし、本発明に係る固体撮像装置は、画素アレイＰが複数の撮像領域Ｔを有し、撮像部２が画素アレイＰを１つ有していてもよい。図１７は、変形例１の撮像部２における画素アレイＰと撮像領域Ｔとを示す図である。変形例１の撮像部８１は、１つの画素アレイＰを有している。また、画素アレイＰ上には、複数のレンズ３ａが配置されている。複数の撮像領域Ｔはレンズ３ａに対応している。このような構成によれば、レンズ部３により被写体像が結像される撮像領域Ｔが１つの画素アレイＰに複数設定される。従って、この撮像部２から提供される電気信号ＳＥによれば、一つの画像が得られる。そして、この画像には、複数の被写体が撮影されている。すなわち、変形例１では、１つのイメージセンサを分割して用いている。このような構成であっても、ノイズが低減された画像を得ることができる。
【００７８】
（変形例２）
また、上述した第１〜第３実施形態では、固体撮像装置１Ａ〜１Ｃと被写体との間の距離が固定であった。しかし、固体撮像装置１Ａ〜１Ｃと被写体との間の距離は固定である必要はなく、任意の距離に変化してもよい。図１８は、固体撮像装置１Ａ〜１Ｃと被写体との間の距離が変化する場合の変形例２に係る処理フローを示す図である。処理フローは、撮影前に実施される前処理工程（工程Ｓ２１）と、撮影時に実施される後処理工程（工程Ｓ２３）とを含んでいる。
【００７９】
変形例２の処理フローは、撮像領域Ｔの組み合わせを決定する工程Ｓ１１が前処理工程Ｓ２１で実施されず、後処理工程Ｓ２３で実施される点で第１実施形態の処理フローと相違する。また、変形例２の処理フローは、後処理工程Ｓ２３において、固体撮像装置１Ａ〜１Ｃと被写体との距離を推定する工程Ｓ１４を有する点で第１実施形態の処理フローと相違する。
【００８０】
マルチアパーチャ画像を撮影している間に固体撮像装置１Ａ〜１Ｃと被写体との距離が変化する場合には、それぞれの撮像領域Ｔにおいて互いに対応する画素Ｃは、撮影状況に依存して変化する。従って、マルチアパーチャ画像を撮影するごとに、それぞれの撮像領域Ｔにおける画素Ｃ同士の対応関係を算出し、その結果に基づいて、画素Ｃ毎に暗示ノイズの平均値の分散が最小となる撮像領域Ｔの組み合わせを決定する。また、工程Ｓ１４では、各撮像領域Ｔごとに撮像された画像の間において、位置合わせを実施してもよい。この場合、拡大率はフーリエ変換、ｌｏｇ−ｐｏｌａｒ変換後のスペクトルに基づいて補正する。また、位置合わせには、位相限定相関法や特徴点を用いる方法を採用することもできる。さらに、固体撮像装置１Ａ〜１Ｃと被写体との距離を推定する工程Ｓ１４では、デプスマップを用いてもよい。
【００８１】
（変形例３）
また、第１〜第３実施形態では、画素Ｃは、小容量化された浮遊拡散部ＦＤと、微細化されたトランジスタＭ３，Ｍ４とを有していた。しかし、固体撮像装置１Ａが有する画素Ｃは、小容量化された浮遊拡散部ＦＤと、微細化されたトランジスタＭ３，Ｍ４とを有する画素に限定されることはない。また、トランジスタＭ３，Ｍ４には、トランジスタＭ１，Ｍ２と同じチャネル長を有するＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。このような画素を有する固体撮像装置においても、ノイズが低減された画像を得ることができる。
【００８２】
（変形例４）
また、前述した第１〜第３実施形態では、フォトダイオードＰＤの暗電流によるショットノイズや信号読出部１７及び出力部１８におけるアンプノイズをパワーで加算して、統一的に暗示ノイズとして処理した。このような処理によれば、画素ごとに電気信号を平均化する工程において、第１実施形態に記載した選択平均法、第２実施形態に記載した加重平均法のいずれも適用することができる。一方、アンプに起因するノイズと暗電流に起因するノイズとをそれぞれ別々に処理してもよい。まず、アンプに起因するノイズと暗電流に起因するノイズとを、蓄積時間を変更することにより分離する。次に、アンプに起因するノイズに注目して選択平均法により画像の合成に用いる画素アレイＰを選択する。また、暗電流に起因するノイズに注目して選択平均法により画像の合成に用いる画素アレイＰを選択する。そして、アンプに起因するノイズに注目して選択された画素アレイＰと、暗電流に起因するノイズに注目して選択された画素アレイＰとにおいて共通する画素アレイＰを用いて画像を合成する。
【００８３】
（実施例１）
本発明に係る固体撮像装置について、ノイズを低減する効果をシミュレーションにより確認した。シミュレーションに用いた固体撮像装置のモデルは、撮像部２が３行×３列に配置された９個の画素アレイＰを有している。それぞれの画素アレイＰは、２００行×２００列に配置された画素Ｃを有している。それぞれの画素Ｃは、発明者らが開発した低ノイズイメージセンサが有するノイズの実測値を有するものとした。図１９（ｄ）は、原画像のデータに対してフォトンショットノイズと、実測したセンサノイズを加えたシミュレーション画像である。
【００８４】
画像を統合するために実施される互いに対応する画素Ｃごとに電気信号を平均化するための手法として、第１実施形態の固体撮像装置１Ａで用いた選択平均法を用いた。ここで、選択平均法とは、電気信号ＳＥの平均化において、統合後の各画素Ｃの分散が最小になるように１つ以上の画素アレイＰを選択し、選択された画素アレイＰの画素値の平均値を統合画像の画素値とする方法である。さらに、比較例として、画素Ｃごとに電気信号を平均化するための手法として、単純平均法及び最小ノイズ選択法を用いた。ここで、単純平均法とは、電気信号ＳＥの平均化において、全ての画素アレイＰの画素値を用いて画素値の平均値を統合画像の画素値とする方法である。また、最小ノイズ選択法とは、分散が最小である画素アレイの画素のみを選択して当該画素の画素値を統合画像の画素値とする方法である。
【００８５】
図１９（ａ）は、単純平均法を用いて処理した画像である。図１９（ａ）を確認すると、ノイズは全体的に低減できているが、ＲＴＳノイズ又は暗電流のショットノイズに起因するごま塩状のノイズがあることが確認された。図１９（ｂ）は、最小ノイズ選択法を用いて処理した画像である。図１９（ｂ）を確認すると、ごま塩状のノイズは無いが、全体的にノイズレベルが高いことが確認された。
【００８６】
これらに対して、図１９（ｃ）は、選択平均法を用いて処理した画像である。図１９（ｃ）に示すように、選択平均法を用いて処理した場合には、比較例よりもノイズが低減され、ＲＴＳノイズ又は暗電流のショットノイズによるごま塩状のノイズのノイズは確認されなかった。従って、比較例による方法よりもノイズを低減できることがわかった。
【００８７】
（実施例２）
本発明に係る固体撮像装置について、ノイズの分布をシミュレーションにより確認した。シミュレーションに用いた固体撮像装置のモデルは、実施例１と同様である。また、実施例１のように、比較例として単純平均法と最小ノイズ選択法を用いた場合のノイズの分布を確認した。
【００８８】
図２０は、入力換算ノイズの分布を示している。図２０は、横軸が入力換算ノイズを示し、縦軸が入力換算ノイズを有する画素の数を示している。ここで、入力換算ノイズとは、撮像部３から出力される電気信号ＳＥにおけるノイズの大きさを、ソースフォロワアンプのゲイン等で割り戻して電荷の数に換算したものである。入力換算ノイズは、光電変換部１６で生成された電荷から、画像信号ＳＧとして撮像部２から出力されるまでの間のトータルゲインで、ノイズの量を割り戻すことにより算出される。
【００８９】
図２０のグラフＨ１は、平均化処理を実施する前の画像が有するノイズの分布である。グラフＨ１では、ノイズの分布のピークＰＫ１は１．０２電子ｒｍｓであった。また、グラフＨ１では、ノイズレベルが１０電子ｒｍｓ程度の比較的大きいノイズを有する画素の存在が確認された。
【００９０】
図２０のグラフＨ２は、単純平均法による処理を実施した画像が有するノイズの分布である。グラフＨ２では、ノイズの分布のピークＰＫ２は０．４７電子ｒｍｓであり、処理前よりもノイズが低減されていることが確認された。しかしながら、グラフＨ２では、１〜１０電子ｒｍｓの大きさのノイズを有する画素の存在が確認された。
【００９１】
図２０のグラフＨ３は、最小ノイズ選択法による処理を実施した画像が有するノイズの分布である。グラフＨ３では、ノイズの分布のピークＰＫ３は０．８４電子ｒｍｓであり、処理前よりもノイズが低減されていることが確認された。
【００９２】
図２０のグラフＨ４は、選択平均法による処理を実施した画像が有するノイズの分布である。グラフＨ４では、ノイズの分布のピークＰＫ４は０．４６電子ｒｍｓであり、処理前よりもノイズが低減されていることが確認された。また、ピークの入力換算ノイズ値は単純平均法と同等であった。一方、グラフＨ４では、単純平均法のグラフＨ２では確認された１〜１０電子ｒｍｓの大きさのノイズは確認されなかった。従って、選択平均法による処理が最もノイズを低減できることがわかった。また、１電子ｒｍｓを下回る低ノイズ化が可能であることがわかった。
【００９３】
（実施例３）
本発明に係る固体撮像装置について、選択平均法を用いた場合のノイズの分布を実施例２とは別のシミュレーションにより確認した。シミュレーションに用いた固体撮像装置のモデルは、実施例１と同様である。比較例として、単純平均法、最小ノイズ選択法、中央値選択法を用いた場合のノイズの分布を確認した。また、マルチアパーチャ構造により実現される合成Ｆ値と同等の明るさを有するシングルアパーチャ構造の撮像装置において想定されるノイズの分布も確認した。
【００９４】
図２１は、入力換算ノイズの分布を示している。図２１は、横軸が実効的な光学ゲインで規格化した入力換算ノイズを示し、縦軸が入力換算ノイズを有する画素の数を示している。
【００９５】
グラフＨ５は、平均化処理を実施する前の画像が有するノイズの分布である。ノイズの分布のピークＰＫ５は０．８１電子ｒｍｓであった。グラフＨ６は、単純平均法による処理を実施した画像が有するノイズの分布である。ノイズの分布のピークＰＫ６は０．３０電子ｒｍｓであった。グラフＨ７は、最小ノイズ選択法による処理を実施した画像が有するノイズの分布である。ノイズの分布のピークＰＫ７は０．６８電子ｒｍｓであった。グラフＨ８は、選択平均法による処理を実施した画像が有するノイズの分布である。ノイズの分布のピークＰＫ８は０．３０電子ｒｍｓであった。
【００９６】
グラフＨ９は、画像の合成時に中央値を選択する中央値選択法による処理を実施した画像が有するノイズの分布である。ノイズの分布のピークＰＫ９は０．４０電子ｒｍｓであった。ＲＴＳノイズは除去されているがノイズのピークＰＫ９は、選択平均法におけるノイズの分布のピークＰＫ８よりも大きいことがわかった。
【００９７】
グラフＨ１０は、シングルアパーチャ構造の撮像装置において想定されるノイズの分布である。ノイズの分布のピークＰＫ１０は０．１４電子ｒｍｓであった。ノイズピークＰＫ１０は最も小さいがＲＴＳノイズが残存していることがわかった。画素の微細化が進むとこのＲＴＳノイズ成分が大きくなり、画質が劣化することが予想される。
【符号の説明】
【００９８】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…固体撮像装置、２，８１…撮像部、３…レンズ部、３ａ…レンズ，４Ａ，４Ｂ…画像生成部、１１…算出部、１２…選択部、１３，１３Ｂ…記憶部、１４，１４Ｂ…統合部、１５…係数算出部、１６…光電変換部、１８…出力部、１８ａ…第１出力部、１８ｂ…第２出力部、Ｃ，Ｃｃ…画素、ＤＲ…排出部、ＦＤ…浮遊拡散部、Ｈ…光、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ３ａ，Ｍ３ｂ，Ｍ４，Ｍ４ａ，Ｍ４ｂ，Ｍ５ａ，Ｍ５ｂ…トランジスタ、Ｐ…画素アレイ、ＳＥ，ＳＥ１，ＳＥａ…電気信号、Ｔ…撮像領域。
【図１】
2014024922.tif 000011
【図２】
2014024922.tif 000012
【図３】
2014024922.tif 000013
【図４】
2014024922.tif 000014
【図５】
2014024922.tif 000015
【図６】
2014024922.tif 000016
【図７】
2014024922.tif 000017
【図８】
2014024922.tif 000018
【図９】
2014024922.tif 000019
【図１０】
2014024922.tif 000020
【図１１】
2014024922.tif 000021
【図１２】
2014024922.tif 000022
【図１３】
2014024922.tif 000023
【図１４】
2014024922.tif 000024
【図１５】
2014024922.tif 000025
【図１６】
2014024922.tif 000026
【図１７】
2014024922.tif 000027
【図１８】
2014024922.tif 000028
【図１９】
2014024922.tif 000029
【図２０】
2014024922.tif 000030
【図２１】
2014024922.tif 000031
【手続補正書】
【提出日】平成26年5月28日(2014.5.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受けた光に対応した電気信号をトランジスタを介して提供する画素が二次元配列された画素アレイを有する撮像部と、
前記画素アレイ上に配置された複数のレンズを有するレンズ部と、
前記電気信号を用いて画像を生成する画像生成部と、
を備え、
前記撮像部は、前記レンズ部により被写体像が結像される撮像領域を複数含む前記画素アレイを一つ、又は、前記撮像領域を一つ含む前記画素アレイを複数有し、
前記画像生成部は、前記電気信号が有するノイズを低減するために、前記撮像領域間で互いに対応する前記画素ごとに前記電気信号を平均化して前記画像を生成し、
前記画像生成部は、
前記画素から提供された前記電気信号の分散を算出する算出部と、
前記各画素の前記分散に基づいて平均値の分散が最小となる前記撮像領域の組み合わせを選択する選択部と、
前記撮像領域の組み合わせに基づいて、前記撮像領域間で互いに対応する前記画素ごとに前記電気信号を平均化して前記画像を統合する統合部と、を有する固体撮像装置。
【請求項２】
前記撮像部は、Ｍ個（Ｍは２以上の整数）の前記画素アレイを有し、
前記画素は、
受けた光に対応した電荷を生成する光電変換部と、
前記光電変換部に並設され前記電荷が転送される浮遊拡散部と、
前記浮遊拡散部に転送された前記電荷が排出される排出部と、
前記浮遊拡散部に接続され、前記浮遊拡散部の電位に対応した前記電気信号を前記トランジスタを介して提供する出力部と、を含み、
前記画素アレイを複数有する前記撮像部における変換利得は、前記画素アレイを一つ有する前記撮像部における前記変換利得のＭ倍以上に設定する、請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記トランジスタは、ＭＯＳＦＥＴであり、
前記ＭＯＳＦＥＴのチャネル長は、前記光電変換部と前記浮遊拡散部との間の長さ、又は、前記浮遊拡散部と前記排出部との間の長さよりも小さい、請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
受けた光に対応した電気信号をトランジスタを介して提供する画素が二次元配列された画素アレイを有する撮像部と、
前記画素アレイ上に配置された複数のレンズを有するレンズ部と、
前記電気信号を用いて画像を生成する画像生成部と、
を備え、
前記撮像部は、前記レンズ部により被写体像が結像される撮像領域を複数含む前記画素アレイを一つ、又は、前記撮像領域を一つ含む前記画素アレイを複数有し、
前記画像生成部は、前記電気信号が有するノイズを低減するために、前記撮像領域間で互いに対応する前記画素ごとに前記電気信号を平均化して前記画像を生成し、
前記撮像部は、Ｍ個（Ｍは２以上の整数）の前記画素アレイを有し、
前記画素は、
受けた光に対応した電荷を生成する光電変換部と、
前記光電変換部に並設され前記電荷が転送される浮遊拡散部と、
前記浮遊拡散部に転送された前記電荷が排出される排出部と、
前記浮遊拡散部に接続され、前記浮遊拡散部の電位に対応した前記電気信号を前記トランジスタを介して提供する出力部と、を含み、
前記画素アレイを複数有する前記撮像部における変換利得は、前記画素アレイを一つ有する前記撮像部における前記変換利得のＭ倍以上に設定する、固体撮像装置。
【請求項７】
前記トランジスタは、ＭＯＳＦＥＴであり、
前記ＭＯＳＦＥＴのチャネル長は、前記光電変換部と前記浮遊拡散部との間の長さ、又は、前記浮遊拡散部と前記排出部との間の長さよりも小さい、請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記画像生成部は、
前記画素から提供されたそれぞれの前記電気信号に適用される重み係数を提供する係数算出部と、
前記重み係数を前記画素から提供された前記電気信号の値に乗じて得た値を前記撮像領域間で互いに対応する前記画素ごとに平均化して前記画像を統合する統合部と、を有する請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記画像生成部は、
前記画素から提供されたそれぞれの前記電気信号に適用される重み係数を提供する係数算出部と、
前記重み係数を前記画素から提供された前記電気信号の値に乗じて得た値を前記撮像領域間で互いに対応する前記画素ごとに平均化して前記画像を統合する統合部と、を有する請求項７に記載の固体撮像装置。
【国際調査報告】
2014024922.tif 000032
2014024922.tif 000033
2014024922.tif 000034