(57)【要約】【課題】固体撮像素子の各画素領域のうち、中央部の画素領域において最も感度の高い光電変換領域よりも、周辺部の画素領域において最も感度の高い光電変換領域の方を高感度とすることで、シェーディングの補正を可能とする。【解決手段】半導体基板１１の主面に沿った二つの異なる方向のうち少なくとも一方向に３個以上の画素領域２１を有し、前記各画素領域２１に複数個の光電変換領域３１を有し、前記各画素領域２１内に備えられた光電変換領域３１は互いに感度が異なるものからなる固体撮像装置１において、前記各画素領域２１のうち中央部の画素領域２１ｃにおいて最も感度の高い光電変換領域３１１−Ｂよりも、前記各画素領域２１のうち周辺部の画素領域２１ｓにおいて最も感度の高い光電変換領域３１１−Ｂ’、３１１−Ｂ’’の方が、感度が高いものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の主面に沿った二つの異なる方向のうち少なくとも一方向に３個以上の画素領域を有し、
前記各画素領域に複数個の光電変換領域を有し、
前記各画素領域内に備えられた光電変換領域は互いに感度が異なるものからなる
固体撮像装置において、
前記各画素領域のうち中央部の画素領域において最も感度の高い光電変換領域よりも、前記各画素領域のうち周辺部の画素領域において最も感度の高い光電変換領域の方が、感度が高い
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記各画素領域は平面上に配列され、
前記各画素領域のそれぞれには前記複数個の光電変換領域が同数ずつ互いに異なる感度のものが備えられ、
前記複数個の光電変換領域はｎ個（ただしｎは２以上の整数）の光電変換領域であり、
前記各画素領域内の感度が１番目に高い光電変換領域同士からｎ番目に感度の高い光電変換領域同士まで、それぞれ当該各画素領域内の同様なる位置に配列されている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記各画素領域の光入射側にはそれぞれ集光レンズが備えられ、
前記各集光レンズは、前記各画素領域の最も感度の高い光電変換領域の上部に具備され、かつ前記中央部の画素領域において最も感度の高い光電変換領域よりも前記周辺部の画素領域において最も感度の高い光電変換領域の方の感度が高くなるように形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記各集光レンズは、前記中央部の画素領域上に設けられた集光レンズよりも、前記周辺部の画素領域上に設けられた集光レンズの方が大きく形成されている
ことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記集光レンズは、前記中央部の画素領域上に設けられた集光レンズよりも、前記周辺部の画素領域上に設けられた集光レンズの方が、配列された前記各画素領域の列方向または行方向または行方向と列方向を組み合わせた斜め方向にずらして形成されている
ことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記各画素領域の光入射側にはそれぞれ集光レンズが備えられた固体撮像装置において、
前記各画素領域のうち中央部の画素領域に照射される光の斜め入射光成分よりも前記各画素領域のうち周辺部の画素領域に入射される光の斜め入射光成分の方が多いことによって生じるシェーディングのうち、前記各画素領域において最も感度の高い光電変換領域同士によって生じるシェーディングが補正されるように、
前記各画素領域のうち中央部の画素領域内部における最も感度の高い光電変換領域よりも、前記各画素領域のうち周辺部の画素領域内部における最も感度の高い光電変換領域の方が、高い感度を有するものからなる
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記固体撮像装置の内部もしくは外部に前記各画素領域によって光電変換された信号を処理する信号処理回路を具備した固体撮像装置において、
前記信号処理回路は、各画素領域の中央部の画素領域と周辺部の画素領域とにおいてｆ値に対応させたゲインの補正を行う
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記信号処理回路は、前記各画素領域の最も感度の高い光電変換領域以外で生じるシェーディングを補正するもので、
前記各画素領域の最も感度の高い光電変換領域以外で出力される信号または前記信号に信号処理を加えた信号を、前記画素領域ごとに定められた係数倍積算させる積算回路と、
前記各画素領域の最も感度の高い光電変換領域以外で出力される信号または前記信号に信号処理を行った信号と、前記係数倍積算させた信号とを加算する加算回路と
を有していることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項９】
固体撮像装置の複数の画素領域によって光電変換された信号を処理するもので、固体撮像装置の内部もしくは外部に備えられた信号処理回路において、
前記信号処理回路は、各画素領域の中央部の画素領域と周辺部の画素領域とにおいてｆ値に対応させたゲインの補正を行う
ことを特徴とする信号処理回路。
【請求項１０】
前記信号処理回路は、前記各画素領域の最も感度の高い光電変換領域以外で出力される信号または前記信号に信号処理を行った信号を、前記画素領域ごとに定められた係数倍積算させる増幅回路と、
前記各画素領域の最も感度の高い光電変換領域以外で出力される信号または前記信号に信号処理を加えた信号と、前記係数倍積算させた信号とを加算する積算回路と
を有していることを特徴とする請求項９記載の信号処理回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感度補正が容易な固体撮像装置および信号処理回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のＣＣＤ（Charge Coupled Device）固体撮像素子は、２次元状に配置した光電変換部より出力される蓄積電荷を、インタライン転送方式またはプログレッシブ転送方式により順次出力して撮像結果を出力するようになされている。この種のＣＣＤ固体撮像素子を図４の平面図によって説明する。
【０００３】
図４に示すように、ＣＣＤ固体撮像素子１０１は、光電変換部１０２がマトリックス状に配置されるとともに、水平方向に連続する上記光電変換部１０２の間に、垂直転送素子１０３が配置され、この垂直転送素子１０３の下端に、水平転送素子１０４が配置されている。ここで光電変換部１０２は、入射光を光電変換して蓄積電荷を生成するものである。各垂直転送素子１０３は、例えば４相の駆動パルスにより駆動され、各光電変換部１０２の蓄積電荷を一定周期で読み出し、読み出した蓄積電荷を水平転送素子１０４に順次転送するものである。水平転送素子１０４は、例えば２相の駆動パルスにより駆動されて、垂直転送素子１０３より転送される蓄積電荷を電荷検出部１０５に向かって順次転送し、最終水平転送電極ＬＨより電荷検出部１０５に出力するものである。電荷検出部１０５は、出力ゲートＨＯＧを介してフローティングディフュージョン部ＦＤに蓄積電荷を蓄積し、増幅回路１０６を介して電気信号として出力するものである。また電荷検出部１０５には、上記フローティングディフュージョン部ＦＤに隣接してリセットゲートＲＧおよびリセットドレインＲＤが順次形成されていて、必要に応じてフローティングディフュージョン部ＦＤの蓄積電荷を放電するものである。これによりＣＣＤ固体撮像素子１０１では、各光電変換部１０２により生成された蓄積電荷を電気信号に変換して出力するようになる。
【０００４】
ところで、現在のＣＣＤ固体撮像素子においては、チップサイズの縮小や多画素化のためにセルサイズの縮小が図られているが、セルサイズ縮小にともない光電変換部および垂直転送素子が小さくなり、このことによりダイナミックレンジが低下している。そこで、ダイナミックレンジの改善が求められている。
【０００５】
ダイナミックレンジ改善の１つの方法として、高感度の光電変換部と低感度の光電変換部とを隣接して配置し、ＣＣＤ固体撮像素子１より出力される撮像信号を外部回路により処理する方法を提案している（例えば、非特許文献１参照。）。ＣＣＤ固体撮像素子１０１の隣接する光電変換部１０２において、電荷蓄積時間を異なる時間に設定することにより、高感度の光電変換部と低感度の光電変換部とを形成する。さらに隣接する高感度の光電変換部と低感度の光電変換部とで１対の画素を形成するように、外部回路において、この高感度の光電変換部と低感度の光電変換部とから得られる撮像信号を加算する。このとき高感度の光電変換部より出力される撮像信号においては、一定のスライスレベルでスライスして加算するというものである。
【０００６】
【非特許文献１】菰淵寛仁、山田隆博、福本彰、松田祐二、桝川雅之、寺川澄雄著  「広ダイナミックレンジ『Ｈｙｐｅｒ−Ｄ  ＣＣＤ』」画像電子学会誌  第２５巻  第４号  １９９６年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする問題点は、ＣＣＤ固体撮像素子に入射する光は画素中央部に入射する光よりも周辺部の画素に入射する光の方が斜め入射光成分の比率が高いため、単純に中央部における光電変換部と周辺領域における光電変換領域を同じように形成した場合、斜め入射光成分の方が散乱しやすく集光しにくい等の理由から光電変換効率が劣化し結果として、感度が低くなるといった現象が生じる点である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の固体撮像装置は、半導体基板の主面に沿った二つの異なる方向のうち少なくとも一方向に３個以上の画素領域を有し、前記各画素領域に複数個の光電変換領域を有し、前記各画素領域内に備えられた光電変換領域は互いに感度が異なるものからなる固体撮像素子において、前記各画素領域のうち中央部の画素領域において最も感度の高い光電変換領域よりも、前記各画素領域のうち周辺部の画素領域において最も感度の高い光電変換領域の方が、感度が高いことを最も主要な特徴とする。
【０００９】
本発明の信号処理回路は、固体撮像装置の複数の画素領域によって光電変換された信号を処理するもので、固体撮像装置の内部もしくは外部に備えられた信号処理回路において、前記信号処理回路は、各画素領域の中央部の画素領域と周辺部の画素領域とにおいてｆ値に対応させたゲインの補正を行うことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の固体撮像装置は、各画素領域のうち中央部の画素領域において最も感度の高い光電変換領域よりも、各画素領域のうち周辺部の画素領域において最も感度の高い光電変換領域の方が、感度が高いため、固体撮像装置の中央部よりも周辺部に入射される光の方が斜め入射光の成分が多いことによって生じるいわゆるシェーディングの内、個々の画素領域の最も感度の高い光電変換領域同士によって生じるシェーディングを補正することができるので、固体撮像装置の撮像画像の高品質化が図れるという利点がある。
【００１１】
本発明の信号処理回路は、各画素領域の中央部の画素領域と周辺部の画素領域とにおいてｆ値に対応させたゲインの補正を行うため、例えば、各画素領域の中央部の画素領域と周辺部の画素領域とにおいて、各画素領域の最も感度の高い光電変換領域に合わせてシェーディングを起こりにくくすると、感度の低い光電変換領域では逆にシェーディングがよりひどくなる場合に、各画素領域の最も感度の高い光電変換領域以外で生じるシェーディングを補正することができるので、固体撮像装置の撮像画像の高品質化が図れるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
固体撮像装置に発生するシェーディングを補正して撮像画像の高品質化を図るという目的を、固体撮像素子の各画素領域のうち、中央部の画素領域において最も感度の高い光電変換領域よりも、周辺部の画素領域において最も感度の高い光電変換領域の方が、感度が高くなるようにすることで、個々の画素領域の最も感度の高い光電変換領域同士によって生じるシェーディングを補正することを実現した。また、固体撮像素子の各画素領域の中央部の画素領域と周辺部の画素領域とにおいてｆ値に対応させたゲインの補正を行うことで、各画素領域の最も感度の高い光電変換領域以外で生じるシェーディングを補正することを実現した。
【実施例１】
【００１３】
本発明の固体撮像装置に係る第１実施例を、図１の概略構成断面図および図２の平面レイアウト図によって説明する。なお、図１は図２のＡ−Ａ線断面の概略を示す図面である
【００１４】
図１および図２に示すように、半導体基板１１には、その主面に沿った二つの異なる方向のうち少なくとも一方向（図面では二方向）に３個以上の画素領域２１が配置されている。各画素領域２１には複数個の光電変換領域３１が備えられている。ここでは、一例として、２個の光電変換領域３１（３１１、３１２）が形成されている。を有し、例えば光電変換領域２１が形成されている。上記各画素領域領域２１のそれぞれにおける上記複数の光電変換領域３１は互いに感度（受光感度）が異なるものからなる。ここでは、光電変換領域３１１のほうが光電変換領域３１２より感度が高くなるように形成されている。このような固体撮像装置において各画素領域２１のうち中央部の画素領域２１ｃにおいて最も感度の高い光電変換領域３１１よりも、上記各画素領域２１のうち周辺部の画素領域２１ｓにおいて最も感度の高い光電変換領域３１１の方の感度が高くなるように形成されている。すなわち、図２において、縦方向の画素領域２１を見た場合および横方向の画素領域２１を見た場合のそれぞれについても、一方向の画素領域２１のうち、中央部の画素領域２１ｃにおいて最も感度の高い光電変換領域３１１よりも、周辺部の画素領域２１ｓにおいて最も感度の高い光電変換領域３１１の方の感度が高くなるように形成されている。したがって、縦方向および横方向に配列された画素領域２１のうち縦方向および横方向のいずれの方向においても中心となる画素領域２１ｃにおいて最も感度の高い光電変換領域３１１ｃは、各画素領域２１において最も感度の高い光電変換領域３１１よりも感度が低くなるようにしてある。
【００１５】
図示はしないが、上記各光電変換領域３１の一方側には読み出し領域を介して電荷転送領域が形成され、それら光電変換領域３１、読み出し領域および垂直電荷転送領域により構成される画素を分離するチャネルストップ領域が形成されている。また、上記半導体基板１１の垂直電荷転送領域上および読み出し領域上には絶縁膜４１を介して電極４２が形成され、さらに上記電極４２を被覆する絶縁膜４３が形成され、この絶縁膜４３上に、上記光電変換領域２１上を開口した遮光電極４４が形成されている。さらに、光電変換領域３１および遮光電極４４等を被覆する表面が平坦化された透明な絶縁膜４５が形成されている。例えばこの絶縁膜４５は、下層より遮光電極４４、光電変換領域３１等を被覆するパッシベーション膜、上記パッシベーション膜表面の凹凸を平坦化する平坦化膜、この平坦化膜上に形成されるカラーフィルタ層等からなる。
【００１６】
そして、各画素領域２１上には、入射光を集光して光電変換領域２１に照射する集光レンズ５１が形成されている。この集光レンズ５１は、一般にはマイクロレンズと呼ばれている。上記集光レンズ５１は、例えば、集光中心が各画素領域２１における最も感度の高い光電変換領域３１１となるように、この光電変換領域３１１の中心の直上方にレンズ中心が配置されるように形成されている。
【００１７】
すなわち、一方向でみると、光電変換領域３１１−Ｂ、３１１−Ｂ’、３１１−Ｂ’’の各中央上部には集光レンズ５１−Ｂ、５１−Ｂ’、５１−Ｂ’’が形成されており、光電変換領域３１２−Ｃ、３１２−Ｃ’、３１２−Ｃ’’上部には、光電変換領域３１１−Ｂ、３１１−Ｂ’、３１１−Ｂ’’の各中央上部に形成された集光レンズ５１−Ｂ、５１−Ｂ’、５１−Ｂ’’の一部がかかっており、その結果、光電変換領域３１２−Ｃ、３１２−Ｃ’、３１２−Ｃ’’のうち、上部に集光レンズ５１が形成されていない領域の面積は光電変換領域３１２−Ｃよりも光電変換領域３１２−Ｃ’、３１２−Ｃ’’の方が小さくなる関係となっており、したがって、光電変換領域３１２−Ｃ、３１２−Ｃ’、３１２−Ｃ’’の各感度は光電変換領域３１２−Ｃよりも光電変換領域３１２−Ｃ’、３１２−Ｃ’’の方が小さくなる関係となっている。
【００１８】
図面では、一つの画素領域２１には２個の感度の異なる光電変換領域３１１、３１２が形成されているが、光電変換領域３１は一つの画素領域２１内に３個以上の複数個が形成されていてもよい。すなわち、一つの画素領域２１内にｎ個（ｎは２以上の整数）の光電変換領域３１が形成されていてもよい。
【００１９】
そして、上記各画素領域２１内の感度が１番目に高い光電変換領域３１１同士からｎ番目（ｎは２以上の整数、図面では２番目）に感度の高い光電変換領域３１２同士まで、それぞれ当該各画素領域２１内の同様なる位置に配列されている。すなわち、図面では、各画素領域２１において、感度の高い光電変換領域３１１は下側に形成され、感度の低い光電変換領域３１２は上側に形成されている。
【００２０】
上記集光レンズ５１は、例えば、シェーデングを改善するため、その大きさで見た場合、各画素領域２１の中央部の画素領域２１ｃよりも周辺部の画素領域２１ｓの方が大きくなるように形成されている。そして、上記各集光レンズ４４の大きさは、シェーディングの大きさとの関係によって決められる。すなわち、各画素領域２１のうち、周辺部の画素領域２１ｓになるほど、斜め入射光成分が増大することから、上記集光レンズ５１は大きく形成されるようにした方が望ましい。
【００２１】
上記実施例では、各画素領域２１の中央部の画素領域２１ｃ上に設けられた集光レンズ５１よりも、周辺部の画素領域２１ｓ上に設けられた集光レンズ５１の方が大きく形成することによってシェーデングを改善したが、上記集光レンズ５１は、シェーデングが改善されるように、中央部の画素領域２１ｃ上に設けられた集光レンズ４４よりも、周辺部の画素領域２１ｓ上に設けられた集光レンズ５１の方が、配列された各画素領域２１の列方向または行方向または行方向と列方向を組み合わせた斜め方向にずらして形成されていてもよい。この集光レンズ４４をずらす方向は、各画素領域２１内における複数の光電変換領域３１の配置によって決定される。
【００２２】
本発明の固体撮像装置は、各画素領域２１のうち中央部の画素領域２１ｃにおいて最も感度の高い光電変換領域３１１Ｂよりも、各画素領域のうち周辺部の画素領域２１ｓにおいて最も感度の高い光電変換領域３１１−Ｂ’、３１１−Ｂ’’の方が、実施的に感度が高くなるため、固体撮像装置１の中央部よりも周辺部に入射される光の方が斜め入射光の成分が多いことによって生じるいわゆるシェーディングの内、個々の画素領域２１の最も感度の高い光電変換領域３１１同士によって生じるシェーディングを補正することができるので、固体撮像装置１の撮像画像の高品質化が図れるという利点がある。
【実施例２】
【００２３】
上記第１実施例では、感度の低い画素においては、感度の高い画素のシェーディング補正を行ったことにより、シェーディングがよりひどくなる場合がある。次に、固体撮像装置の第２実施例として、感度の低い画素で悪化したシェーディングを補正する固体撮像装置について以下に説明する。
【００２４】
第２実施例の固体撮像装置は、この固体撮像装置の外部もしくは同一チップ内に備える信号処理回路（図示せず）で、前記図１および図２に示した各画素領域２１の中央部の画素領域２１ｃと周辺部の画素領域２１ｓとにおいて集光レンズのｆ値に対応させたゲインの補正を行うものである。
【００２５】
上記固体撮像装置では、例えば、前記図１および図２に示した各画素領域２１の中央部の画素領域２１ｃと周辺部の画素領域２１ｓとにおいて、各画素領域２１の最も感度の高い光電変換領域３１１に合わせてシェーディングを起こりにくくすると、感度の低い光電変換領域３１２では逆にシェーディングがより悪化する場合がある。このような場合に、各画素領域２１の中央部の画素領域２１ｃと周辺部の画素領域２１ｓとにおいて、上記信号処理回路内でｆ値に対応させたゲインの補正を行うことにより、各画素領域２１の最も感度の高い光電変換領域３１１以外で生じるシェーディングを補正することができる。よって、固体撮像装置の撮像画像の高品質化が図れるという利点がある。
【実施例３】
【００２６】
次に、本発明の信号処理回路に係る一実施例を、図３のブロック図によって説明する。
【００２７】
図３に示すように、信号処理回路５は、入力された信号は感度の高い光電変換領域から出力される信号ＳＨをＡＤ（アナログ−デジタル）変換するＡＤ変換回路５１Ｈと、感度の低い光電変換領域から出力される信号ＳＬをＡＤ変換するＡＤ変換回路５１Ｌとが、別々に設けられている。上記ＡＤ変換回路５１Ｈには、ＡＤ変換回路５１ＨでＡＤ変換された信号を一時記憶させるメモリ５２Ｈが接続され、上記ＡＤ変換回路５１Ｌには、ＡＤ変換回路５１ＬでＡＤ変換された信号を一時記憶させるメモリ５２Ｌが接続されている。上記メモリ５２Ｌには、メモリ５２Ｌに読み込まれた信号について、画素領域ごとに決められた計数倍で増幅する増幅回路５３が接続されている。そして、この増幅回路５３には、増幅された信号を一時記憶させるメモリ５４が接続されている。さらに、上記メモリ５２Ｈと上記メモリ５４には、上記メモリ５２Ｈと上記メモリ５４とに記憶された信号の積算処理して、一つの画素信号Ｓとする積算回路５５が接続されている。なお、上記メモリ５４を設けず、増幅回路５３から出力された信号と上記メモリ５２Ｈから出力される信号とを直接上記積算回路５５にて積算処理して一つの画素信号とするようにしてもよい。
【００２８】
本発明の信号処理回路５は、前記図１および図２に示したように各画素領域２１の中央部の画素領域２１ｃと周辺部の画素領域２１ｓとにおいてｆ値に対応させたゲインの補正を行うことができるため、例えば、中央部の画素領域２１ｃと周辺部の画素領域２１ｓとにおいて、各画素領域の最も感度の高い光電変換領域３１１に合わせてシェーディングを起こりにくくすると、感度の低い光電変換領域３１２では逆にシェーディングがよりひどくなる場合に、各画素領域の最も感度の高い光電変換領域３１１以外、すなわち各光電変換領域３１２で生じるシェーディングを補正することができるので、固体撮像装置の撮像画像の高品質化が図れるという利点がある。
【００２９】
また、通常、人間の目の識別能力が高いため、
感度の低い光電変換領域での撮像画像ではノイズ成分が非常に気になる。ここのことから感度の高い光電変換領域におけるシェーディング補正は、入射光量を中央部の光電変換領域と周辺部の光電変換領域とで変化させることにより行う。これにより感度の低い光電変換領域における入射光量は逆にシェーディングをより受けやすくなるが、この補正は信号処理回路５内でゲインの補正を行い調整する。この補正方式は信号処理回路内、のノイズの影響を受けやすくなるが、人間の目の視覚は輝度の高い信号には鈍い特性を持っているためノイズの増分は気にならない。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明の固体撮像装置および信号処理回路は、各種ＣＣＤ型撮像装置という用途に適用するのに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の固体撮像装置に係る一実施例を示した概略構成断面図である。
【図２】本発明の固体撮像装置に係る一実施例を示した平面レイアウト図である。
【図３】本発明の信号処理回路に係る一実施例を示したブロック図である。
【図４】従来の固体撮像装置の基本構成を示した説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１…固体撮像装置、１１…半導体基板、２１…画素領域、２１ｃ…中央部の画素領域、２１ｓ…周辺部の画素領域、３１…光電変換領域、３１１…最も感度の高い光電変換領域
【図１】
2005197379.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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