固态摄像装置以及摄像设备的制作方法
【专利摘要】一种固态摄像装置被设置成能够有效地降低由于光学滤波器的滤色器的感光度之间的差异而引起的颜色噪声。该摄像装置包括以二维矩阵排列以分别对应于滤色器的多个像素。各列的奇数行中的像素连接至第一列输出线，各列的偶数行中的像素连接至第二列输出线。第一列单元和第二列单元被设置成分别对应于第一列输出线和第二列输出线，并以根据滤色器而被设置为不同的值的增益对从这些列输出线所输出的像素信号进行放大。
【专利说明】固态摄像装直以及摄像设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种固态摄像装置及使用该固态摄像装置的摄像设备。
【背景技术】
[0002]近年来，CMOS摄像装置已通常被用作数字照相机等的摄像设备的固态摄像装置。 CMOS摄像装置的优点例如在于:高信噪比(S/N)和低功率消耗以及能够将外围电路等实现 片上化。然而，为了提高功能性，以数字照相机为代表的摄像设备需要具有高感光度和低噪声。
[0003]作为具有降低的噪声的摄像设备，例如记载有如下摄像设备:在该摄像设备中，从 固态摄像装置输出的模拟视频信号的颜色成分通过可变增益放大器进行放大，放大后的模 拟视频信号的颜色成分通过A/D转换器进行量化，并且A/D转换器的量化输入电平由增益 决定电路通过可变地设置放大器的增益来进行调整，从而降低量化噪声(例如参见以下所 述的PTL1)。
[0004]为了防止从固态摄像装置中以高速读出的信号值的精度的降低，提出了另一种摄 像设备。在该设备中，从模拟值输入端输入的模拟值被存储到模拟值存储单元中并被输入 至比较器各自的一个输入端，并且来自D/A转换器的随着计数器操作的进行而逐渐增加的 参考值被输入至比较器各自的另一个输入端。在各模拟值变得小于相应的参考值的情况 下，将计数器数据存储到数字值存储单元中。随后，扫描电路从数字值存储单元将各计数器 数据顺次读出为数字值(例如，参见以下所述的PTL2)。
[0005]引用文件列表
[0006]专利文献
[0007]{PTL1}日本特开 2001-309393
[0008]{PTL2}日本特开平 5_48460
【发明内容】
[0009]抟术问是页
[0010]PTLl所公开的用于校正白平衡的摄像设备需要用于模拟视频信号的各颜色成分 的可变增益放大器并且需要根据照射到被摄体上的光来调整这些放大器各自的增益。
[0011]在该摄像设备中，噪声趋于叠加到从固态摄像装置输出的模拟视频信号上，直到 该模拟视频信号被输入至布置在该摄像装置下游的可变增益放大器。由于叠加有噪声的模 拟视频信号的颜色成分被可变增益放大器放大，因而噪声也不可避免地被放大。
[0012]特别地，在视频信号的颜色成分被可变增益放大器以高增益放大的高感光度拍摄 的情况下，视频信号显著地受到噪声的影响。
[0013]本发明提供一种能够有效地降低由于光学滤波器的各颜色的感光度之间的差异 而引起的颜色噪声的固态摄像装置以及摄像设备。
[0014]用于解决问题的方案[0015]因此，本发明的第一方面提供一种固态摄像装置，其包括分别与多种颜色的光学 滤波器相对应的以二维矩阵排列的多个像素，并且包括列输出线，其中，从所述多个像素的 各列中的像素向所述列输出线输出像素信号，所述固态摄像装置还包括:列放大单元，其被 设置成分别与各列的所述列输出线相对应，并且用于对输出至所述列输出线的像素信号进 行放大，其中，所述列放大单元的增益根据所述光学滤波器的颜色而被设置为不同的值。
[0016]因此，本发明的第二方面提供一种摄像设备，包括:第一方面所述的固态摄像装 置；噪声去除单元，用于从自所述固态摄像装置所输出的图像信号中去除噪声；增益调整 单元，用于对所述噪声去除单元的输出进行增益调整；以及模拟-数字转换单元，用于对所 述增益调整单元的输出进行模拟-数字转换以获得图像数据。
[0017]根据以下连同附图的详细说明，本发明的特征和优点将变得明显。
[0018]发明的有益.效果
[0019]根据本发明，可以有效地降低由于光学滤波器的各颜色的感光度之间的差异而引 起的颜色噪声，从而使得能够特别是在高感光度拍摄时获得满意的拍摄图像。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是示出根据本发明一个实施例的摄像设备的例子的框图。
[0021]图2是示出摄像设备的滤色器的示例配置的图。
[0022]图3是示出摄像设备的固态摄像装置的示例结构的图。
[0023]图4是与图3类似并详细示出固态摄像装置的列电路的示例内部结构的图。
[0024]图5是与图3和图4类似并示出固态摄像装置的列电路的其它示例结构的图。
【具体实施方式】
[0025]以下将参考示出根据本发明一个实施例的摄像设备的例子的图来说明本发明。
[0026]图1示出根据本发明一个实施例的示例摄像设备的框图。
[0027]图1所示的摄像设备是数字静态照相机，其中，在该数字静态照相机中，光圈102 调整通过透镜101的光量，光通过机械快门103和光学滤波器104，并且在CMOS摄像装置等 的固态摄像装置(以下称为摄像装置)105上形成光学图像。
[0028]光圈控制器113控制光圈102，快门控制器114控制机械快门103以控制光向着摄 像装置105的入射。光学滤波器104布置在摄像装置105的上游并限制向着摄像装置105 的入射光的波长或空间频率。
[0029]应当注意，尽管在所示的例子中，光学滤波器104布置在摄像装置105的上游，但 是光学滤波器104也可以包含在摄像装置105中。
[0030]摄像装置105向模拟前端(AFE) 106输出与光学图像相对应的图像信号(模拟信 号)。AFE106对图像信号进行预定的模拟处理(例如，噪声去除和增益调整)并且进行图 像信号的模拟-数字(A/D)转换。
[0031]在所不的例子中，AFE106包括用于从图像信号中去除噪声的⑶S(相关双米样)电 路107、用于调整信号增益的增益调整放大器108、以及用于将放大器108的输出转换为数 字信号(图像数据)的A/D转换器109。
[0032]应当注意，在摄像装置105以数字形式输出图像信号的情况下，省略AFE106。[0033]将来自AFE106的输出(即，图像数据)提供至用于对图像数据进行各种校正处理 和压缩处理的数字信号处理器110。将从数字信号处理器110输出的图像数据提供至使图 像存储器112暂时存储图像数据的系统控制CPU(以下有时称为CPU) 111。
[0034]CPUlll进行各种处理并控制整个数字静态照相机。在CPUlll的控制下，时序发生 器115向摄像装置105、AFE106和数字信号处理器110输出定时信号。CPUlll控制光圈控 制器113和快门控制器114。
[0035]在所示的例子中，系统控制CPUlll通过显示接口(I/F) 116连接至显示单元117 并且通过记录I/F118连接至记录介质119。CPUlll还可以通过外部I/F120连接至个人计 算机(PC)等的外部装置121。
[0036]显示单元117例如是液晶显示器，并且基于从系统控制CPUlll所提供的图像数据 来显示图像。CPUlll将图像数据记录在记录介质119中，并读出记录介质119中所记录的 图像数据。记录介质119能够可拆卸地安装至I/F118 (即，安装至数字静态照相机)并且 例如通过半导体存储器来实现。
[0037]以下说明数字静态照相机的操作。当电源开关(未示出)接通时，主电源开启，从 而启动对控制系统的供电并且还启动对AFE106等的摄像系统电路的供电。
[0038]接着，系统控制CPUlll使光圈控制器113打开光圈102以控制曝光量，并且使快 门控制器114打开机械快门103。结果，摄像装置105输出与入射光相对应的模拟信号。
[0039]从摄像装置105输出的模拟信号通过AFE106被转换为图像数据，并且之后被提供 至数字信号处理器110。系统控制CPUl 11基于从数字信号处理器110所提供的图像数据进 行曝光计算(即，测光处理)。系统控制CPUlll根据测光处理的结果来确定亮度，并且控制 光圈102。
[0040]接着，系统控制CPUlll进行测距处理，其中，在该测距处理中，从数字信号处理器 110所提供的图像数据中提取高频成分并且确定到被摄体的距离。之后，CPUlll使透镜驱 动单元(未示出)根据测距结果驱动透镜101，并判断是否建立聚焦状态。在判断为未建立 聚焦状态的情况下，CPUlll再次进行测距处理并使透镜驱动单元驱动透镜101。
[0041]在判断为建立了聚焦状态的情况下，CPUlll使摄像装置105的电子快门进行主曝 光。应当注意，也可以通过打开和关闭机械快门103来进行主曝光。
[0042]在曝光完成之后，系统控制CPUlll控制时序发生器115以顺次输出各行的像素信 号作为图像信号。为输出图像信号，选择电路(未示出)将摄像装置105预先设置为驱动 模式。此时，选择电路可以选择全像素读出模式或相加读出模式。
[0043]在AFE106中，⑶S电路107通过例如相关双采样来去除叠加在从摄像装置105所 输出的图像信号上的噪声，并且放大器108对由此得到的图像信号进行放大。随后，A/D转 换器109对图像信号进行A/D转换(模拟-数字转换)并将其输出。
[0044]接着，将由数字信号处理器110处理后的图像数据提供至用于将图像数据写入图 像存储器112的系统控制CPUlll。在CPUlll的控制下，存储器112中存储的图像数据通过 记录I/F118被记录到记录介质119中。
[0045]在CPUlll的控制下，如上所述而获得的图像数据还通过显示I/F116被提供至基 于图像数据显示图像的显示单元117。应当注意，CPUlll可以通过外部I/F120直接将图像 数据提供至PC121。[0046]图2示出光学滤波器104的示例配置。
[0047]在图2中，光学滤波器104具有以所谓的拜尔排列进行排列的多个滤色器。
[0048]在所示的例子中，光学滤波器104具有两个第一线(行)并且具有两个第二线，其中，在每个第一线中，红色滤波器(R滤波器)和第一绿色滤波器(Gl滤波器)交替排列，而在每个第二线中，第二绿色滤波器(G2滤波器)和蓝色滤波器(B滤波器)交替排列。这些第一线和第二线沿列方向交替排列。
[0049]图3示出摄像装置105的示例结构。
[0050]参见图3，摄像装置105具有以n行和m列(n和m是等于或大于2的整数)的二维矩阵排列的多个像素la。应当注意，在所示的例子中，n和m分别等于4。
[0051]各像素Ia均包括光电二极管(PD) 2、传输开关3、重置开关4、浮动扩散(FD) 5、源极跟随器放大器6和行选择开关7。行选择开关7连接至垂直输出线(第一或第二列输出线)8或9。
[0052]应当注意，电源电压(未示出)连接至重置开关4并且连接至源极跟随器放大器 6。
[0053]PD2根据入射光量生成并存储信号电荷。传输开关3将存储于PD2的信号电荷传输至FD5。重置开关4对存储于PD2或存储于FD5的不必要电荷进行重置。源极跟随器放大器6对存储于FD5的信号电荷进行放大并将其转换为电压信号。源极跟随器放大器6的输出端子通过行选择开关7连接至垂直输出线8或9。
[0054]应当注意，在所示的例子中，重置开关4、FD5和源极跟随器放大器6构成浮动扩散放大器。
[0055]在图3的摄像装置105中，奇数行中的源极跟随器放大器6具有连接至垂直输出线(第一列输出线)8的输出端子，而偶数行中的源极跟随器放大器6具有连接至垂直输出线(第二列输出线)9的输出端子。
[0056]负载电流源10、11分别连接至垂直输出线8、9。负载电流源10、11分别用于驱动对应的行选择开关7所选择的那个行中的源极跟随器放大器6。
[0057]在第一行的像素Ia中，根据传输脉冲CpTXn来接通和断开传输开关3，根据重置脉冲(pRESn来接通和断开重置开关4，并且根据行选择脉冲(pSELn来接通和断开行选择开关7。在传输开关3接通的情况下,将存储于PD2的信号电荷传输至FD5,在重置开关4 接通的情况下，重置PD2或FD5，并且在行选择开关7接通的情况下，源极跟随器放大器6的输出端子被连接至垂直输出线8。
[0058]类似地，根据传输脉冲(pTXn+1、重置脉冲(pRESn+1和行选择脉冲cpSELn+1
来控制第二行的像素la。根据传输脉冲(pTXn+2、重置脉冲(pRESn+2和行选择脉冲 cpSELn+2来控制第三行的像素ia。根据传输脉冲(pTXn+3、重置脉冲φRESn+g和行选择脉冲cpSELn+3来控制第四行的像素la。
[0059]应当注意，传输脉冲(pTXn至cpTXn+3、重置脉冲(pRESn至(pRESn+3和行选择脉冲(pSELn至(pSELn+3是从垂直扫描电路(列扫描电路)I输出的。[0060]垂直输出线(第一列输出线)8连接至用于对从各列的奇数行中的像素Ia中输出 的像素信号进行处理的列电路12，并且垂直输出线(第二列输出线)9连接至用于对从各列 的偶数行中的像素Ia中输出的像素信号进行处理的列电路13。对列电路12、13分别提供 列电路驱动脉冲。后面将说明列电路12、13的结构。
[0061]列电路12、13连接至被提供有水平扫描时钟(行扫描时钟)(pH和信号(pHST的 水平扫描电路(行扫描电路)19。信号cpHST表不开始水平扫描时间段(行扫描时间段)。 换句话说，信号(PHST表示开始向水平读出线(行读出线)17、18输出各列的输出信号。水 平扫描电路19根据水平扫描时钟q>H向水平读出线17、18分别输出列电路12、13的输出信号。
[0062]水平读出线17、18分别连接至输出放大器20、21(放大器单元)。输出放大器20 对列电路12的输出至水平读出线17的输出信号(即，奇数行的像素信号)进行放大，并且 输出放大后的信号作为输出A。输出放大器21对列电路13的输出至水平读出线18的输出 信号(即，偶数行的像素信号)进行放大，并且输出放大后的信号作为输出B。输出放大器 20,21的输出A、B对应于各颜色的图像信号。
[0063]在使用具有图2所示的拜尔排列的滤色器的光学滤波器104的情况下，第一列的 列电路12、13分别处理R信号和G2信号(S卩，从R滤波器和G2滤波器输出的像素信号)， 并且第二列的列电路12、13分别处理Gl信号和B信号(S卩，从Gl滤波器和B滤波器输出 的像素信号)。类似地，第三和第四列的列电路12、13分别处理R信号、G2信号、Gl信号和 B信号。因而可以对从光学滤波器104输出的各颜色的像素信号最佳地进行放大。
[0064]应当注意，尽管在图2所示的例子中采用第一和第二绿色滤波器，但是代替地，也 可以使用一个绿色滤波器。
[0065]图4类似于图3并详细示出摄像装置105的一个列电路12的示例内部结构。应 当注意，列电路13在结构方面与图4所示的列电路12相同。在图4中，使用相同的附图标 记来表示与图3所示的元件相同的元件，并且将省略对其的说明。
[0066]如图4所示，水平输出线重置开关29、30(图3中未示出)分别连接至水平读出线 17、18，并且具有彼此连接的栅极。根据施加至重置开关29、30的栅极的信号CpCHR来接通
和断开重置开关29、30。每当将水平扫描时钟(行扫描时钟)CpH提供给水平扫描电路19 时，水平读出线(行读出线)17、18被重置为电压VCHR。
[0067]各列的列电路12在结构上彼此相同，并且各自包括钳位电容22、列放大器23、反 馈电容24和钳位开关25。在图4中，仅示出列电路12其中之一的内部结构，而省略其它列 电路12的内部结构的例示说明。信号(pCLAMP、钳位电压VCLAMP和信号(pTS作为列电 路驱动脉冲被提供至列电路12。
[0068]应当注意，一个列电路12的钳位电容22、列放大器23、反馈电容24和钳位开关25 构成第一列放大单元或第二列放大单元。
[0069]各垂直输出线8通过钳位电容22连接至对应的列放大器23的反相输入端子。反 相输入端子通过反馈电容24连接至列放大器23的输出端子。根据钳位电容22和反馈电 容24之间的比率来确定列放大器23的增益。列放大器23的反相输入端子和输出端子通过根据信号9CLAMP进行控制的钳位开关25而彼此连接。对列放大器23的非反相输入 端子施加钳位电压VCLAMP。
[0070]通过根据信号CpTS来控制接通和断开的传输门26，将列放大器23的输出信号传
输至并存储(累积)于传输电容27。通过由水平扫描电路19根据水平扫描时钟(行扫描
时钟)(pH:来控制接通和断开的传输门28 (读出开关)，将存储于传输电容27的输出信号
输出至水平读出线17。利用传输电容27和水平读出线17的寄生电容之间的电容分割来将 列放大器23的输出信号从传输电容27读出至水平读出线17。
[0071]针对光学滤波器104的滤色器对各列的列电路12、13的增益分别进行优化。为了 优化列电路12、13的增益，例如，确定列电路12、13的增益，以使得基于通过使用参考光源 预先测量出的光学滤波器104的透过率和摄像装置105的光谱灵敏度来使列电路12、13的 输出彼此处于相同电平。一般说来，由此所确定的列电路12、13的增益互不相同。换句话 说，可以通过使列电路12、13的增益互不相同来优化列电路12、13的增益。
[0072]作为用于通过使列电路12、13的增益互不相同来优化列电路12、13的增益的方 法，记载有用于将列电路12、13的钳位电容22和/或反馈电容24和/或传输电容27确定 为互不相同的最佳值的方法。
[0073]图5类似于图3和图4并示出列电路12其中之一的内部结构的其它例子。应当 注意，列电路13在结构上与图5所示的列电路12相同。在图5中，使用相同的附图标记来 表示与图3和图4所示的元件相同的元件，将省略对其的说明。
[0074]各列的列电路12在结构上彼此相同，并且各自包括钳位电容22、列放大器23、反 馈电容24和钳位开关25。在图5中，仅示出列电路12其中之一的内部结构，而省略其它列 电路12的内部结构的说明。列电路12的列放大器23具有连接至电压比较器31的一个输 入端的输出端子，其中，电压比较器31的输出端连接至计数器34。计数器34的输出端连接 至数字信号输出线35其中之一，其中，数字信号输出线35连接至输出缓冲器36。应当注 意，电压比较器31和计数器34用作第二计数器单元。
[0075]摄像装置105包括用于列电路12的列D/A电路33 (斜坡输出单元)，其中，该列 D/A电路33具有连接至电压比较器31的另一输入端的输出端。计数器32 (第一计数器单 元)连接至列D/A电路33。应当注意，列D/A电路33是(与PTL2中所记载的一个斜坡型 D/A电路类似的)斜坡型D/A电路并且输出斜坡波形输出。
[0076]计数器32对时钟信号(pADCLK进行计数并向列D/A电路33提供计数值。列D/
A电路33输出与该计数值相对应的模拟信号(电压信号)。电压比较器31将从列放大器 23所提供的输出电压与从列D/A电路33所提供的输出电压进行比较，并输出比较结果。例 如，表示比较结果的电压比较器31的输出在电压比较器31所比较的输出电压彼此一致的 情况下发生改变。根据电压比较器31的输出，计数器34停止对时钟信号(pADCLK进行
计数并保持此时的计数值。因此，列放大器23的输出被A/D转换为数字值，之后被保持在 计数器34中。
[0077]在水平扫描电路19选择一个列电路12的情况下，将保持在所选择的列电路12的 计数器34中的数字值输出至数字信号输出线35。然后，该数字值被输出图像信号的输出缓冲器36(输出单元)转换为图像信号。
[0078]另外，在图5所示的示例结构中，根据光学滤波器104来使各列中的列电路12、13的增益互不相同并进行优化。如图4的情况下，例如，可以通过确定列电路的增益以使得列电路的输出彼此处于相同的电平，来优化列电路12、13的增益。
[0079]作为用于通过使列电路12、13的增益互不相同来优化列电路12、13的增益的方法，例如，记载有如下方法:用于(如图4的情况那样)将列电路12、13的钳位电容22等确定为互不相同的优化值的方法；以及用于根据光学滤波器104的滤色器来将从用于列电路12、13的D/A转换器33输出的斜坡波形的斜率确定为不同的优化值的方法。
[0080]如上所述，根据本实施例，根据光学滤波器104的滤色器来使列电路12、13的增益不同并进行优化，并且在像素信号较少受噪声影响的阶段通过列电路12、13利用优化的增益对各颜色的像素信号进行放大。因此可以有效降低由于各颜色的滤色器的感光度之间的差异而引起的颜色噪声。由此，即使在高感光度拍摄时也可以获得满意的拍摄图像。
[0081]尽管已经参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改、等同结构和功倉泛。
[0082]附图标记列表
[0083]2光电二极管
[0084]3传输开关
[0085]4重置开关
[0086]5浮动扩散
[0087]6源极跟随器放大器
[0088]7行选择开关
[0089]8、9垂直输出线(列输出线)
[0090]12、13 列电路
[0091]17、18水平读出线(行输出线)
[0092]23列放大器
【权利要求】
1.一种固态摄像装置，其包括分别与多种颜色的光学滤波器相对应的以二维矩阵排列的多个像素，并且包括列输出线，其中，从所述多个像素的各列中的像素向所述列输出线输出像素信号，所述固态摄像装置还包括:列放大单元，其被设置成分别与各列的所述列输出线相对应，并且用于对输出至所述列输出线的像素信号进行放大，其中，所述列放大单元的增益根据所述光学滤波器的颜色而被设置为不同的值。
2.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其中，各所述列放大单元具有钳位电容、列放大器、以及反馈电容，所述钳位电容连接至所述列输出线中相应的列输出线，所述列放大器具有连接至所述钳位电容的反相输入端子和施加有预定钳位电压的非反相输入端子，以及所述列放大器的所述非反相输入端子通过所述反馈电容连接至所述列放大器的输出端子，各所述列放大单元的增益具有根据所述钳位电容和所述反馈电容之间的比率而确定出的值，以及各列中的所述列放大单元的所述钳位电容和所述反馈电容至少之一根据所述光学滤波器的颜色而被设置为不同的值。
3.根据权利要求2所述的固态摄像装置，其中，各所述列放大单元还具有用于累积从所述列放大器输出的信号的传输电容、用于根据行扫描时钟来向行读出线输出存储于所述传输电容内的信号的读出开关、以及用于对输出至所述行读出线的信号进行放大以及用于输出放大后的信号作为图像信号的放大器单元，以及各列中的所述列放大单元的所述钳位电容、所述反馈电容、以及所述传输电容至少之一根据所述光学滤波器的颜色而被设置为不同的值。
4.根据权利要求2所述的固态摄像装置，其中，还包括:第一计数器单元，用于对时钟信号进行计数并且输出计数值；斜坡输出单元，用于输出与从所述第一计数器单元输出的计数值相对应的斜坡波形输出；`第二计数器单元，其被设置于各列的所述列放大单元中，各所述第二计数器单元用于在所述列放大器中相应的列放大器的输出与所述斜坡波形输出相一致的情况下停止计数并输出计数值；以及输出单元，用于输出与从各所述第二计数器单元输出的计数值相对应的电压信号作为图像信号。
5.根据权利要求4所述的固态摄像装置，其中，从多个所述斜坡输出单元输出的斜坡波形输出的斜率根据所述光学滤波器的颜色而被设置为不同的值。
6.根据权利要求1所述的固态摄像装置，其中，所述列输出线具有第一列输出线和第二列输出线，其中，从所述多个像素的各列的奇数行中的像素向所述第一列输出线输出像素信号，并且从所述多个像素的各列的偶数行中的像素向所述第二列输出线输出像素信号。
7.一种摄像设备，包括:根据权利要求1所述的固态摄像装置；噪声去除单元，用于从自所述固态摄像装置所输出的图像信号中去除噪声；增益调整单元，用于对所述噪声去除单元的输出进行增益调整；以及模拟-数字转换单 元，用于对所述增益调整单元的输出进行模拟-数字转换以获得图像数据。
【文档编号】H04N5/357GK103460687SQ201280017381
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年3月13日 优先权日:2011年4月15日
【发明者】竹田伸弘 申请人:佳能株式会社