JP2004080380A

JP2004080380A - 固体撮像装置および受光素子の感度対応出力調整方法

Info

Publication number: JP2004080380A
Application number: JP2002237881A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Oda; 小田　和也; Hirokazu Kobayashi; 小林　寛和
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2002-08-19
Filing date: 2002-08-19
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2022-08-19
Also published as: US7336301B2; US20040051792A1; JP4243462B2

Abstract

【課題】従感光領域による感度ずれを抑えて確実に広ダイナミックレンジ化を行うことができる固体撮像装置およびその受光素子の感度対応出力調整方法を提供すること。
【解決手段】ディジタルカメラ１０は、正常な開口に対する垂直方向へのずれ方向とずれの量からシステム制御部２０で主感光領域１４０ｂと従感光領域１４０ｃとに対する各露出時間を調整してタイミング信号発生器２４およびドライバ２６に制御信号２０ｂ，　２０ｃを供給し、タイミング信号発生器２４で生成したタイミング信号２４ｄをドライバ２６に送る。ドライバ２６は、固体撮像素子１４ｂにタイミング信号２４ｄに応じた駆動信号２６ｄとメカニカルシャッタ１２ａの開閉に対する駆動信号２６ｃを供給して露出終了を同時化して露出時間を調整し、ずれを補正した信号電荷１４ｃを得る。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば、光電変換する受光素子を画素ずらし配置した、いわゆるハニカム配置の固体撮像装置に関するものであり、また、本発明は、たとえば、感度の異なる受光素子を用いて、これらの受光素子に生じる感度ずれの出力調整方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像装置には、モアレ等の偽信号が発生することがある。また、画素の高集積化を行いながら、受光する光量を増やすことにより受光効率の向上を図ることができる固体撮像装置が特開平１０−１３６３９１号公報に提案されている。この固体撮像装置は、画像の空間サンプリングの最適化ももたらす新規な構造を提供する。この構造を、いわゆるハニカム画素配列という。
【０００３】
このハニカム画素配列は、各画素間の距離をピッチとすると、たとえば、行方向および／または列方向に半ピッチずらして配置する配列である。この画素配置にともなって、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）型の固体撮像素子では、垂直方向の転送レジスタが各画素を迂回するように蛇行して形成されている。画素は、それぞれ実際に存在する画素（実画素）に対して色フィルタセグメントが割り当てられている。画素（受光素子）では、色フィルタセグメントからの透過光を光電変換して色属性を有する信号電荷を垂直方向の垂直転送レジスタに読み出す。固体撮像装置では、この垂直転送方向に直交する水平転送レジスタを介してＱ／Ｖ変換された電圧信号、すなわちアナログ信号を出力する。
【０００４】
このアナログ信号には、信号処理が施される。供給される実画素の色を考慮して画素データの相関を求める。信号処理では、色を設定し、同色の相関の高い画素データ同士を用いて画素の実在しない位置における画素データ、すなわち仮想画素における画素データと、実在する異色の画素での画素データとが算出される。相関が強い方向の画素データを用いて画素補間処理が行われる。この画素補間処理は、偽信号の発生を抑制することができる。また、画素データの広帯域化処理も施して解像力も高めている。
【０００５】
さらに、このハニカム画素配列を用いて、より一層高解像な画像の生成や生成される画像信号を広ダイナミックレンジ化する提案が行われている。これは、たとえば、固体撮像装置において一つの受光素子における感光領域を分割し、大きさの異なる主感光領域と従感光領域を設けて、それぞれの領域から独立に信号電荷を読み出す制御を行って、感光領域の感度差を用いて広ダイナミックレンジ化を行い、また、通常の読出しでは、両領域の信号電荷を混合してこれまでと同じ読出しが行われるように制御されることが提案されている。
【０００６】
広ダイナミックレンジ化にともなう処理では、上述した感度差と各感光領域の飽和で決定されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、感度差をもたらす感光領域は、開口面積で決定されている。一つの受光素子の場合、感光領域に対して入射光を取り込む開口領域は小さい。このような受光素子の製造工程においてこの開口マスク合わせが多少ずれが発生しても、大きな感光領域がマスク合わせにともなう開口領域のずれを吸収するので、これによる影響は小さくて済む。
【０００８】
ところが、前述したように感光領域が分割された主感光領域と従感光領域の内、低感度に設定された従感光領域は、開口領域が相対的に狭く、このため開口領域のずれによる影響を受け易い。この影響は、製造工程におけるマスク合わせの精度に応じて従感光領域の感度ずれとして生じる。この感度ずれが大きいと、広ダイナミックレンジ化の信号処理ができなくなる場合がある。
【０００９】
本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、従感光領域による感度ずれを抑えて確実に広ダイナミックレンジ化を行うことができる固体撮像装置および受光素子の感度対応出力調整方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の課題を解決するために、主感光領域とこの主感光領域より小さい面積の従感光領域とを含み入射光を電気信号に変換する受光素子が複数、２次元アレイ状に配設された固体撮像素子と、この固体撮像素子への入射光を光電変換する露出時間の完了を調整する遮光手段と、所定の入射光量に対して従感光領域が有する所定の感度とこの従感光領域における所定の入射光量に対する実際の感度とを比較してこの従感光領域における感度のずれを検出し、この感度のずれを調整する感度調整手段と、固体撮像素子に対する撮像操作に応動して感度のずれ方向に応じて感度調整手段を制御するシステム制御手段とを含むことを特徴とする。
【００１１】
本発明の固体撮像装置は、所定の入射光を入射させ、感度調整手段で従感光領域に生じる感度のずれを検出し、システム制御手段で検出した感度のずれ方向、すなわち感度の増加方向および感度の減少方向のいずれかの方向かに応じて所定の入射光が入射された際に得られた従感光領域の感度ずれを補正割合として感度調整手段を制御することにより、感度ずれを検出した所定の入射光量に対してだけでなく、入射光量のそれぞれに対する補正割合として補正を行って、あらかじめ設定された従感光領域における所望の感度と同じ出力を得ることができる。
【００１２】
また、本発明は上述の課題を解決するために、主感光領域とこの主感光領域より小さい面積を従感光領域とを含み入射光を電気信号に変換する受光素子を複数、２次元アレイ状に配設して、この従感光領域に対して所定の入射光量を入射した際に得られる所定の感度とこの感光領域における所定の入射光量に対する実際の感度とを比較して、この従感光領域における感度のずれ方向および感度のずれ量を検出する第１の工程と、感度のずれ方向により主感光領域および従感光領域のいずれか一方を基準とする基準感光領域を指定し、この基準感光領域に対する他方の領域を調整される対象感光領域とし、この対象感光領域で生じる感度のずれ量を解消する制御を行う第２の工程と、この制御に応じて対象感光領域によりもたらされる感度のずれ量に対する解消処理を行う第３の工程とを含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明における受光素子の感度対応出力調整方法は、所定の感度と実際の感度とを比較して従感光領域に対する感度のずれ方向とそのずれ量を検出し、感度のずれ方向に応じて基準感光領域を指定し、これに対する対象感光領域のずれ量に応じた制御を行い、感度ずれを検出した所定の入射光量の場合だけでなく、入射光量のそれぞれに対する補正割合として対象感光領域のずれ量を補正して、あらかじめ設定された従感光領域における所望の感度と同じ出力を得ている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に添付図面を参照して本発明による固体撮像装置の実施例を詳細に説明する。
【００１５】
本実施例は、本発明の固体撮像装置をディジタルカメラ１０に適用した場合である。本発明と直接関係のない部分について図示および説明を省略する。以下の説明で、信号はその現れる接続線の参照番号で指示する。
【００１６】
ディジタルカメラ１０には、光学系１２、撮像部１４、前処理部１６、信号処理部１８、システム制御部２０、操作部２２、タイミング信号発生器２４、ドライバ２６、モニタ２８およびストレージ３０が含まれる。また、ディジタルカメラ１０には、感度調整部３２が備えられている。感度調整部３２は、上述した構成要素の内、信号処理部１８、タイミング信号発生器２４およびドライバ２６を含んでいる。
【００１７】
光学系１２には、メカニカルシャッタ１２ａの他、図示しないが、光学系レンズ、ズーム機構、絞り調節機構、およびオートフォーカス（ＡＦ：　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｆｏｃｕｓ）調節機構が含まれている。
【００１８】
ズーム機構は、図示しないが被写界の画角を調整する。ＡＦ調節機構は、複数の光学レンズの配置を自動的に変位調節して被写体を焦点の合った位置関係に調節する機構である。機構のそれぞれには、上述した位置に光学レンズを移動させるためモータが配設されている。これらの機構は、各モータにドライバ２６からそれぞれ供給される駆動信号２６ａに応動して動作している。
【００１９】
絞り調節機構は、具体的に図示しないが入射光量を調節するＡＥ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｅｘｐｏｓｕｒｅ）調節機構であり、ドライバ２６からの駆動信号２６ｂに応じてリング部を回転させる。リング部は、羽根を部分的に重ならせてアイリスの形状を丸く形成し、入射する光束を通すようにアイリスを形成する。このようにして絞り調節機構はアイリスの口径を変えている。絞り調節機構は、メカニカルシャッタをレンズシャッタとして光学系レンズに組み込んでもよい。
【００２０】
メカニカルシャッタ１２ａは、撮像部１４に撮影のとき以外に光が照射されないように遮光するとともに、露光の開始と終了により露光時間を決める機能を有している。メカニカルシャッタには、たとえば一眼レフカメラで使用されているようなフォーカルプレン式がある。この方式は、シャッタ幕が縦または横に走り、この瞬間にできるスリットで露光を行うものである。また、上述したようにレンズシャッタ式を用いてもよい。メカニカルシャッタ１２ａは、ドライバ２６から供給される駆動信号２６ｃに応じてシャッタを開閉する。
【００２１】
撮像部１４は、光学ローパスフィルタ１４ａおよび色フィルタが配された固体撮像素子１４ｂを備えている。光学ローパスフィルタ１４ａは、入射光の空間周波数をナイキスト周波数以下にするフィルタである。固体撮像素子１４ｂの要部を図２に示す。固体撮像素子１４ｂは、電荷結合素子（ＣＣＤ：　Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）である。図２（ａ）に示すように、受光素子１４０は同一の行方向に対する画素ピッチをＸ_Ｐに、同一の列方向に対する画素ピッチはＹ_Ｐに配設され、さらに隣接する受光素子同士の画素ピッチはそれぞれ、Ｘ_Ｐ／２，　Ｙ_Ｐ／２に配設されている。このように配設することにより、受光素子１４０は、稠密に配設される。また、固体撮像素子１４は、この配設の間に垂直転送レジスタ１４２を形成している。垂直転送レジスタ１４２は、各受光素子１４０を迂回するから、蛇行しているように形成されている。
【００２２】
受光素子１４０は、図２（ｂ）に示すように、一つの受光素子１４０における八角形の感光領域が分離部１４０ａで分割されている。分割された感光領域は、相対的に広い感光領域を主感光領域１４０ｂと狭い感光領域を従感光領域１４０ｃとする。受光素子１４０には、感光領域の上に感光領域を覆うように入射光を遮光する遮光膜１４４がハッチングで示す領域に形成されている。遮光膜１４４には、入射光を取り込むための開口領域１４６が形成されている。遮光膜１４４は、図示していないが、垂直転送レジスタ１４２も完全に覆うように形成されている。受光素子１４０は、主感光領域１４０ｂと従感光領域１４０ｃが占める面積により感度に差をもたせている。
【００２３】
固体撮像素子１４ｂにもドライバ２６から駆動信号２６ｄが供給されている。駆動信号２６ｄは、固体撮像素子１２ａの動作モードに応じた水平駆動信号φＨ、垂直駆動信号φＶおよびＯＦＤ（Ｏｖｅｒ　Ｆｌｏｗ　Ｄｒａｉｎ）信号等が供給される。
【００２４】
固体撮像素子１４ｂは、アナログ電圧信号１４ｃを前処理部１６に出力する。固体撮像素子１４ｂは、飽和量を考慮して主感光領域１４０ｂから先に信号電荷を読み出して、次に従感光領域１４０ｃから信号電荷を読み出している。固体撮像素子１４ｂは、一つの受光素子に対して上述した順序で各領域の信号電荷が独立にインターレース読出しされている。
【００２５】
前処理部１６には、ノイズ除去に相関二重サンプリング（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ　Ｄｏｕｂｌｅ　Ｓａｍｐｌｉｎｇ：　ＣＤＳ）回路、ゲイン調整アンプ（ＧＣＡ：　Ｇａｉｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）、およびＡ／Ｄ変換器（Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）が含まれている。ＣＤＳ回路には、タイミング信号発生器２４からサンプリング信号としてＣＤＳパルス２４ａが供給され、Ａ／Ｄ変換器には、変換クロック信号２４ｂが供給されている。前処理部１６は、供給されるアナログ信号１２ｃに対してノイズ除去、波形整形、ディジタル化を行って得られた撮像データのすべてをディジタルデータ１６ａとして信号処理部１８に出力する。
【００２６】
信号処理部１８は、感度ずれ検出部１８０、ならびに図示しない信号発生回路、メモリ、ガンマ補正回路、評価値算出部、画素補間処理回路、色差マトリクス処理回路、および圧縮／伸長処理回路が含まれている。信号処理部１８には、システム制御部２０から制御信号２０ａが供給されている。信号処理部１８の図示しない信号発生回路は制御信号２０ａに応動して動作する。信号発生回路は、複数の周波数を生成することができるＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ　Ｌｏｃｋｅｄ　Ｌｏｏｐ）回路を有している。信号発生回路は、源発の発振周波数を基準クロックとして逓倍して複数種類のクロック信号を生成し、図示しないがシステム制御部２０およびタイミング信号発生器２４に出力している。
【００２７】
一方、信号処理部１８には、タイミング信号発生器２４からタイミング信号２４ｃが供給されている。このタイミング信号は、水平同期信号ＨＤ、垂直同期信号ＶＤおよび後述する各部の動作クロック等を含んでいる。
【００２８】
メモリには、画像データ１６ａが入力され、一時的に記憶される。メモリには、一つの画像を撮影する場合、受光素子１４０の内、主感光領域１４０ｂから得られる画素データを格納するメモリと、従感光領域１４０ｃから得られる画素データを格納するメモリに対応するため２面分のメモリが含まれている。メモリでは、２面のメモリを用いて受光素子の位置を考慮した並べ替えが行われる。また、メモリは、繰り返し読出しを行う場合、不揮発性メモリを用いることが好ましい。メモリは、一時的に格納した画素データをガンマ補正回路に出力する。
【００２９】
ただし、出荷前の調整モードが選択されている場合、メモリは、一時格納した画素データを感度ずれ検出部１８０に供給する。感度ずれ検出部１８０には、図示しないが感度検出用メモリおよび感度ずれ比較判定部が配設されている。感度検出用メモリは、固体撮像素子１４における受光素子１４０の開口領域１４６がマスク形成の精度以内で形成され、所定の入射光量が照射された場合の従感光領域１４０ｃからの画素データを格納するメモリである。感度ずれ比較判定部は、調整モードで、実際に所定の入射光量を照射させた際に得られる従感光領域１４０ｃからの画素データと感度検出用メモリからの画素データとを比較し、判定を行い、感度のずれ量も算出する機能を有している。感度ずれ検出部１８０は、調整モードにて測定した感度ずれ方向およびその感度ずれ量の測定値１８ａとしてシステム制御部２０に出力する。
【００３０】
なお、感度ずれ検出部１８０は、信号処理部１８内に設けたが、治具的にディジタルカメラ１０の外部に設け、測定結果だけをシステム制御部２０に供給するようにしてもよい。
【００３１】
ガンマ補正回路には、たとえばガンマ補正用のルックアップテーブルが含まれている。ガンマ補正回路は、画像処理における前処理の一つとしてメモリから供給される画像データをテーブルのデータを用いてガンマ補正する。ガンマ補正回路は、ガンマ補正した画像データをそれぞれ評価値算出部および画素補間処理回路に供給する。
【００３２】
評価値算出部には、絞り値・シャッタ速度、ホワイトバランス（Ｗｈｉｔｅ　Ｂａｌａｎｃｅ：以下、ＷＢという）調整値および階調補正値を算出する演算回路が含まれている。評価値算出部は、上述した回路にて、供給される画像データを基に適切な各パラメータを演算処理により積算値を算出する。この場合、算出された積算値１８ａが、パラメータとしてシステム制御部２０に供給される。
【００３３】
なお、評価値算出部は、信号処理部１８への配設に限定することなく、システム制御部２０に配設するようにしてもよい。この場合、信号処理部１８は、ガンマ補正した画像データをシステム制御部２０に供給する。
【００３４】
画素補間処理回路は、画素データを補間生成して算出する機能を有している。撮像部１４は単板の色フィルタを用いているため、実際の色フィルタセグメントの色以外の色が撮像素子から得られない。そこで、画素補間処理回路は、静止画撮影モードにおいて、この得られない色の画素データを補間により生成する。画素補間処理回路は、プレーンな画像データを色差マトリクス処理回路に供給する。
【００３５】
なお、画素補間処理回路は、生成した画素データを広帯域化する機能を含んでもよい。
【００３６】
色差マトリクス処理回路は、画素補間処理回路から供給される画像データと所定の係数を用いて輝度データＹと色データＣｂ，　Ｃｒを生成する。生成した画像データは、圧縮／伸長処理回路に供給される。
【００３７】
圧縮／伸長処理回路は、静止画や動画（ムービ）モードにおいて供給される画像データ（Ｙ／Ｃ）にＪＰＥＧ（Ｊｏｉｎｔ　Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ　ｃｏｄｉｎｇ　Ｅｘｐｅｒｔｓ　Ｇｒｏｕｐ）やＭＰＥＧ（Ｍｏｖｉｎｇ　Ｐｉｃｔｕｒｅ　ｃｏｄｉｎｇ　Ｅｘｐｅｒｔｓ　Ｇｒｏｕｐ）−１，　ＭＰＥＧ−２等の規格でそれぞれ、圧縮処理を施す。圧縮／伸長処理回路は、圧縮処理した画像データ１８ｂをストレージ部３０に送って記録する。圧縮／伸長処理部では、ストレージ部３０に記録した画像データ１８ｂを読み出して伸長処理が施される。この伸長処理は、圧縮処理の逆処理である。
【００３８】
また、信号処理部１８は、生成した画像データや再生にともなって伸長した画像データ（Ｙ／Ｃ）に対してＲＧＢ変換を行い、このＲＧＢ変換した画像データ１８ｃをモニタ２８に供給する。モニタ２８は、図示しない表示コントローラにより供給される画像データ１８ｃが表示デバイスにて動作することにより画像表示される。
【００３９】
システム制御部２０は、カメラ全体の汎用な部分やディジタル処理を行う部分を制御するマイクロコンピュータまたはＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）である。システム制御部２０は、操作部２２から供給されるモード信号２２ａに応じてディジタルカメラ１０を静止画撮影モードまたは動画撮影モードに設定する。システム制御部２０は、この設定するモード信号２２ａと、図示しないレリーズシャッタボタンから撮像タイミングを報知するトリガ信号２２ｂとを受けて、積算値１８ａに応じた制御信号２０ａ，　２０ｂ，　２０ｃをそれぞれ生成する。生成した制御信号２０ａ，　２０ｂ，　２０ｃは、それぞれ信号処理部１８、タイミング信号発生器２４およびドライバ２６に供給される。システム制御部２０は、特に、タイミング信号発生器２４に対して積算値１８ａだけでなく、あらかじめ測定していた従感光領域１４０ｃの感度ずれに関する測定値も考慮して露出タイミングを制御を行う。
【００４０】
システム制御部２０は、信号処理部１８内におけるライン補間や信号発生回路に対する制御、および信号処理を行う上での制御をも考慮した制御信号２０ａを生成する。また、図示しないが、システム制御部２０は、前処理部１６、ストレージ３０における読出し／書込み制御も行っている。
【００４１】
操作部２２には、モード選択部およびレリーズシャッタボタンが含まれている。モード選択部は、静止画撮影モードと動画撮影モードのうち、いずれのモードにするかの選択を行う。モード選択部は、選択したモード信号２２ａをシステム制御部２０に出力する。レリーズシャッタボタンは、２段階のストロークを有するボタンで、第１段のストロークでディジタルカメラ１０を予備撮像の段階（Ｓ１）にし、第２段のストロークで本撮像の段階（Ｓ２）にするトリガ信号２２ｂをシステム制御部２０に出力する。操作部２２には、この他、ズーム選択スイッチおよび十字ボタンを設けてもよく、液晶表示パネルに表示される条件を選択する機能を持たせてもよい。
【００４２】
タイミング信号発生器２４は、信号処理部１８から供給されるクロック信号（図示せず）を基準にシステム制御部２０から供給される制御信号２０ｂに応じてタイミング信号を生成する。タイミング信号は、垂直同期信号、水平同期信号、フィールドシフトパルス、垂直転送信号、水平転送信号および電子シャッタパルスならびにＣＤＳパルス２４ａおよび変換クロック信号２４ｂ等がある。タイミング信号発生器２４は、これら生成した垂直同期信号、水平同期信号、フィールドシフトパルス、垂直転送信号、水平転送信号および電子シャッタパルスを含むタイミング信号２４ｄを動作に応じてそれぞれ、ドライバ３０に供給し、ＣＤＳパルス２４ａおよび変換クロック信号２４ｂを前処理部２０に供給している。信号処理部２２には、タイミング信号２４ｃが供給されている。
【００４３】
ドライバ２６は、供給されるタイミング信号２４ｄや制御信号２０ｃを基に駆動信号２６ａ，　２６ｂ，　２６ｃ，　２６ｄを生成する駆動回路を有している。ドライバ２６は、制御信号２０ｃを基に駆動信号２６ａ，　２６ｂを光学系１４の光学レンズおよび絞り調節機構にそれぞれ供給してＡＦ調節やＡＥ調節を行わせる。ドライバ２６は、レリーズシャッタボタンから供給される本撮像のタイミングに応動してメカニカルシャッタ１２ａの開閉を行う駆動信号２６ｃをメカニカルシャッタ１２ａに出力する。また、ドライバ２６は、タイミング信号２４ｄを基に生成した駆動信号２６ｄを固体撮像素子１４ｂに供給し、各受光素子１４０の主感光領域１４０ｂと従感光領域１４０ｃに信号電荷を露光期間中に蓄積させ、蓄積した信号電荷を前述した条件に応じた制御により独立または同時に垂直転送レジスタ１４２に読み出して、水平転送レジスタに転送させ、さらに水平転送レジスタ、出力アンプを経てアナログ電圧信号１４ｃを出力している。
【００４４】
モニタ２８には、信号処理部１８からの画像データ１８ｃが供給される。モニタ２８には、一般的に液晶モニタが用いられる。液晶モニタには、液晶表示コントローラが配設されている。液晶コントローラは、画像データ１８ｃを基に液晶分子の並び方や電圧の印加によりスイッチング制御している。この制御により液晶モニタは、画像を表示する。モニタ２８は、液晶モニタに限定されず、小型、画像の確認および電力の消費が抑えられる表示機器であれば十分に用いることができることは言うまでもない。
【００４５】
ストレージ３０は、半導体メモリ等を記録媒体として用いて、信号処理部１８から供給される画像データ１８ｂを記録する。記録媒体には、光ディスクや光磁気ディスク等を用いてもよい。ストレージ３０は、各記録媒体に適したピックアップやピックアップと磁気ヘッドを組み合わせて記録再生用ヘッドを用いてデータの書込み／読出しを行う。データの書込み／読出しは、図示しないがシステム制御部２０の制御に応じて行われる。
【００４６】
ディジタルカメラ１０は、これらの構成要素を用いて撮影モードにおいて撮像することにより画像を得ているが、前述した構成要素を組み合わせた感度調整部３２を有している。感度調整部３２は、感度ずれ検出部１８０、タイミング信号発生器２４およびドライバ２６を含む。感度調整部３２は、前述したように、感度ずれ検出部１８０を治具としてディジタルカメラ１０の外部に設けた場合、タイミング信号発生器２４およびドライバ２６が構成要素になる。タイミング信号発生器２４には、マスクのずれにともない生じる感度ずれを測定値１８ａに基づいてシステム制御部２０で生成した制御信号２０ｂが供給される。タイミング信号発生器２４は、感度ずれ方向（＋），（−）に応じて対象の感光領域をそれぞれ主感光領域１４０ｂ，　従感光領域１４０ｃに対する露出開始を調整したタイミング信号を生成する。このタイミング信号は、ずれ量に応じて露出開始のタイミングを遅延させている。ドライバ２６は、システム制御部２０からの制御信号２０ｃに応じて駆動信号２６ｃをメカニカルシャッタ１２ａに供給し、メカニカルシャッタ１２ａの閉状態により、露出終了の同時化を図っている。
【００４７】
ディジタルカメラ１０は、感度調整部３２を設けてマスクずれにともない生じる感度ずれを補正して画像の再現域が適切に得られるようにすることができる。
【００４８】
次にディジタルカメラ１０における感度調整について説明する。ここで、受光素子１４０において開口領域１４６に着目する。製造工程において受光素子１４０の感光領域に対してずれなく正常に遮光膜１４４が形成されると、開口領域１４６は、図３（ａ）に示すように、設計通りの主感光領域１４０ｂと従感光領域１４０ｃが得られる。
【００４９】
これに対して遮光膜１４４が図３（ｂ）の矢印Ａで示す縦方向またはＹ軸方向にずれて形成されると、主感光領域１４０ｂは、それぞれ、図３（ａ）に比べて相対的に広く、従感光領域１４０ｃは、相対的に狭くなる。また、遮光膜１４４が図３（ｃ）の矢印Ｂで示す縦方向またはＹ軸方向にずれて形成されると、主感光領域１４０ｂは、それぞれ、図３（ａ）に比べて相対的に狭く、従感光領域１４０ｃは、相対的に広くなる。このように遮光膜１４４に開口領域１４６が形成されても、主感光領域１４０ｂは、感光領域の面積に対してマスクずれによる面積変化の割合が小さいので、感度のばらつきによる影響が少ない。
【００５０】
しかしながら、従感光領域１４０ｃは、元々感光領域の面積が小さい。このため、従感光領域１４０ｃに対してマスクずれが生じると、マスクずれによる面積変化の割合が大きい。従感光領域１４０ｃでは、感度のばらつきによる影響を大きく受けるようになる。このような影響の関係により、従感光領域１４０ｃには、感度のばらつき（偏差）に対する補正を行うことが好ましいことがわかる。
【００５１】
感度ずれ検出部１８０では、図３（ｂ），　（ｃ）の従感光領域１４０ｃからの所定の入射光量に対する測定値と図３（ａ）のマスク形成において照射される所定の入射光量による従感光領域１４０ｃの測定値との差をとる。この差は、感度のずれ量を表し、差が有する符号は、感度のずれ方向を表す。
【００５２】
図４には、入射光量に対する光電変換特性を示す。光電変換特性は、入射光量に対して主感光領域１４０ｂと従感光領域１４０ｃから得られる出力信号の変化を表している。受光素子１４０の設計仕様は、主感光領域１４０ｂの感度を１、飽和を１にし、従感光領域１４０ｃの感度を１／８、飽和を１／４にしている。この仕様の基において、主感光領域１４０ｂは、飽和／感度から１００％撮像であり、実線４０の出力信号で示し、従感光領域１４０ｃは、２００％撮像で、実線４２の出力信号で示す。２００％撮像とは、主感光領域１４０ｂの撮像に対して２倍の明るさの情報を得ることである。この関係から、主感光領域１４０ｂと従感光領域１４０ｃは、それぞれ再現域４４，　４６となる。
【００５３】
この仕様においてマスクずれによる感度ずれが従感光領域１４０ｃに生じると、感度のずれ方向に応じて再現域４６が変化する。すなわち、感度のずれ方向が（＋）の場合、光電変換特性は破線４８で示す出力信号になり、再現域４６よりも再現域が狭くなる。また、感度のずれ方向が（−）の場合、光学変換特性は破線５０の出力信号になる。このように感度のずれは、所定の再現域４６に比べて大幅に再現域の範囲を異ならせてしまう。
【００５４】
ここで、主感光領域１４０ｂと従感光領域１４０ｃから得られる出力信号（情報）を合成して画像の再現域を広げて広ダイナミックレンジ化を実現させ、たとえば２００％の明るさを再現させようとする場合、出力信号４８は、感度のずれ方向が（＋）で出力信号４２に比べて早く飽和レベルに達して情報がクリップされてしまう。逆に、出力信号５０は、感度のずれ方向が（−）で出力信号４２と比較して再現域４６よりも広い範囲を再現できる。このように従感光領域１４０ｃに感度のずれが存在すると、２００％に画像を合成して広ダイナミックレンジ化させようとしても、生成した画像におけるダイナミックレンジがばらついてしまう。
【００５５】
このようにダイナミックレンジのばらつきの本来の原因であるマスクずれは修正しようがない。したがって、このばらつきまたは感度のずれへの対処は、各受光素子１４０からの生成や得られた信号に対して施すことが考えられる。そこで、ディジタルカメラ１０は、その対処としてシステム制御部２０によりタイミング信号発生器２４を制御し、受光素子１４０に供給するタイミング信号で従感光領域１４０ｃの露光時間を制御する。この制御について図５に示すタイミングチャートで説明する。
【００５６】
システム制御部２０は、信号処理部１８から固体撮像素子１４ｂにおける感度のずれを示す測定値１８ａを受け、ダイナミックレンジ２００％の撮像を行う場合の露出時間および絞り値を算出する。システム制御部２０の露出制御において、この内、露出時間は、感度のずれ方向に応じて基準とする感光領域が主感光領域１４０ｂおよび従感光領域１４０ｃのいずれかに対して指定して設定される。システム制御部２０では、絞りおよび焦点距離に合わせるとともに、メカニカルシャッタ１２ａを開放状態にする制御信号２０ｃを生成して、ドライバ２６に出力する。メカニカルシャッタ１２ａがドライバ２６からの駆動信号２６ｂにより図５（ａ）に示すように開かれている。図５（ｂ）に示すように電子シャッタとしてＯＦＤパルスが、本撮像（Ｓ２）の操作が行われる時刻ｔ_１まで主感光領域１４０ｂおよび従感光領域１４０ｃに対して所定の間隔で供給される。
【００５７】
主感光領域１４０ｂに対する露出は、図５（ｃ）に示すように時刻ｔ_１から開始される。システム制御部２０は、本実施例での感度のずれ方向（＋）から主感光領域１４０ｂを基準にして露出時間Ｔを設定する。システム制御部２０は、従感光領域１４０ｃに対する露出時間も設定する。この設定は、２００％撮像を行うことから感度のずれがない場合、Ｔ／２になる。しかしながら、感度のずれが存在するので、システム制御部２０は、感度のずれ量をずれ時間Ｔ_Ｄに換算する。換算したずれ時間Ｔ_Ｄは、図５（ｄ）に示す。したがって、従感光領域１４０ｃの露出時間は、Ｔ−（Ｔ／２＋Ｔ_Ｄ）になる。システム制御部２０は、制御信号２０ｂをタイミング信号発生器２４に供給する。固体撮像素子１４ｂには、タイミング信号発生器２４から供給されるタイミング信号２４ｄがドライバ２６を介して駆動信号２６ｄとして供給される。時刻ｔ_２では、従感光領域１４０ｃに対してＯＦＤパルスが印加される。この印加により、（Ｔ／２＋Ｔ_Ｄ）までに蓄積した信号電荷が垂直転送レジスタに掃き出される。従感光領域１４０ｃに対する露出は、時刻ｔ_２以後から開始される。
【００５８】
システム制御部２０の制御により時刻ｔ_３でメカニカルシャッタ１２ａが閉じられる。これにより、同時に主感光領域１４０ｂおよび従感光領域１４０ｃが遮光される。時刻ｔ_４までの間、垂直転送レジスタ１４２の信号電荷を掃き出す処理を行う。時刻ｔ_４で受光素子１４０の内、主感光領域１４０ｂに蓄積した信号電荷を読み出すフィールドシフトゲートパルスを印加して垂直転送レジスタ１４２に読み出す。時刻ｔ_５までの間に読み出した信号電荷を垂直、水平方向に順次転送して、撮像部１４はアナログ電圧信号１４ｃを前処理部１６に出力する。
【００５９】
次に時刻ｔ_５で従感光領域１４０ｃに蓄積した信号電荷を読み出すフィールドシフトゲートパルスを印加して垂直転送レジスタ１４２に読み出す。前述と同様の手順でアナログ電圧信号１４ｃが前処理部１６に出力される。このように一つの受光素子１４０に対する信号電荷の読出しは、インターレース走査と同じく読み出されるようになる。このように感度のずれも補正して受光素子１４０に対する２つの信号を読み出す。
【００６０】
ところで、感度のずれ方向が（−）方向の場合、従感光領域１４０ｃが基準になる。この場合について図６を参照して説明する。この場合では、図４に示した感度のずれ量を含んだ光電変換特性の破線５０が基準となるから、システム制御部２０で算出される基準の露出時間Ｔは、光電変換特性の実線４２よりも長くなる。図６（ａ），　（ｂ）のメカニカルシャッタ１２ａ、電子シャッタの動作は、図５の場合と同じである。主感光領域１４０ｂは、２００％撮像を行うことにより主感光に対して再現領域４４を満たすように露出するとよい。この露出は、システム制御部２０において２００％撮像を行う上で露出時間Ｔの半分（Ｔ／２）と、さらに換算したずれ時間Ｔ_Ｄとを合わせた時間分の光電変換を破棄し、時間Ｔ−（Ｔ／２＋Ｔ_Ｄ）だけ行うように制御する。以後の信号電荷読出しにおける手順は、先の（＋）方向のずれの場合と同じである。
【００６１】
このように動作させると感度のずれを補正することができ、遮光膜１４４の製造工程で生じさせてしまったずれを補償することができる。これを適用することにより、遮光膜１４４における開口領域１４６のずれにともない、製品として除外されていたものも有効に利用できるようになる。したがって、この露出制御は、固体撮像素子１４ｂの製造における歩留まりを向上させることにも貢献することができる。
【００６２】
さらに、他の実施例として従感光領域１４０ｃからの信号を増幅によって補正するようにしてもよい。システム制御部２０は、従感光領域１４０ｃから得られた画素の各信号に対して一律的にずれ量に応じてゲイン増幅を施す。システム制御部２０は、前処理のＧＣＡのゲインと増幅タイミングを調整してゲイン増幅によって図４の従感光領域１４０ｃに対する破線５０を実線４２になるように傾きを上げる。
【００６３】
ただし、このゲイン増幅は、ノイズも増幅してしまうから信号品質の面でＳ／Ｎを低下させる。したがって、本実施例では、システム制御部２０によるＳ／Ｎ低下の許容可能範囲に制限を設け、範囲を越える場合には露出制御でずれ量の調整を行うとよい。
【００６４】
以上のように構成することにより、製造工程の中で遮光膜１４４の形成時に開口領域１４６にずれを生じても、正常な開口に対する垂直（Ｙ軸）方向へのずれ方向とずれの量からシステム制御部２０で主感光領域１４０ｂと従感光領域１４０ｃとに対する露出時間のそれぞれを調整してタイミング信号発生器２４およびドライバ２６に制御信号２０ｂ，　２０ｃを供給し、タイミング信号発生器２４で生成したタイミング信号２４ｄをドライバ２６に送る。ドライバ２６は、固体撮像素子１４ｂにタイミング信号２４ｄに応じた駆動信号２６ｄとメカニカルシャッタ１２ａの開閉に対する駆動信号２６ｃを供給して露出終了を同時化して露出時間を調整し、ずれを補正した信号電荷１４ｃを得る。このように調整して画像を得ることにより、確実に設定された明るさの情報を取得することができ、Ｓ／Ｎの面においても有利である。
【００６５】
ずれの方向（＋）および（−）に応じて主感光領域１４０ｂと従感光領域１４０ｂのいずれか一方を基準に指定し、指定した領域に対する他方の領域に対する露出をずれの量に応じて（割合に）換算し、換算した時間を考慮して印加することにより、受光素子１４０における従感光領域１４０ｃにてあらわになるずれを正確に補正することができる。
【００６６】
また、マイナスずれ検出に応じて従感光領域１４０ｃから得られた信号を増幅する制御を行うようにしても、信号を正常な再現域を表現するように傾きを合わせて、ずれを補正することができる。
【００６７】
なお、本発明は、本実施例に一つの受光素子が分割されて主感光領域１４０ｂと従感光領域１４０ｃとから得られる固体撮像素子１４ｂを使用したが、この固体撮像素子に限定されるものでなく、２次元アレイ状に主感光領域と従感光領域とがそれぞれ受光素子として配される場合にも適用できる。
【００６８】
また、感度対応出力調整方法では、所定の感度と実際の感度とを比較して従感光領域に対する感度のずれ方向とそのずれ量を検出し、感度のずれ方向に応じて基準とする感光領域を指定し、これに対する対象とする感光領域のずれ量に応じた制御を行い、感度ずれを検出した所定の入射光量の場合だけでなく、入射光量のそれぞれに対する補正割合として対象感光領域のずれ量を補正して、あらかじめ設定された従感光領域における所望の感度と同じ出力を得ることができる。増幅処理を含まずに補正することができるので、Ｓ／Ｎの面で有利である。この露出制御は、固体撮像素子１４ｂの製造における歩留まりを向上させることにも貢献することができる。
【００６９】
【発明の効果】
このように本発明の固体撮像装置によれば、所定の入射光を入射させ、感度調整手段で従感光領域に生じる感度のずれを検出し、システム制御手段で検出した感度のずれ方向、すなわち感度の増加方向および感度の減少方向のいずれかの方向かに応じて所定の入射光が入射された際に得られた従感光領域の感度ずれを補正割合として感度調整手段を制御することにより、感度ずれを検出した所定の入射光量に対してだけでなく、入射光量のそれぞれに対する補正割合として補正を行って、あらかじめ設定された従感光領域における所望の感度と同じ出力を得ることができる。
【００７０】
また、本発明における受光素子の感度対応出力調整方法によれば、所定の感度と実際の感度とを比較して従感光領域に対する感度のずれ方向とそのずれ量を検出し、感度のずれ方向に応じて基準感光領域を指定し、これに対する対象感光領域のずれ量に応じた制御を行い、感度ずれを検出した所定の入射光量の場合だけでなく、入射光量のそれぞれに対する補正割合として対象感光領域のずれ量を補正して、あらかじめ設定された従感光領域における所望の感度と同じ出力を得ている。製造工程でマスクずれが生じても、実際に使用する段階で正確に補正することができ、増幅処理を含まずに補正することができるので、Ｓ／Ｎの面で有利で、この露出制御は、固体撮像素子の製造における歩留まりの向上にも貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体撮像装置を適用したディジタルカメラの概略的な構成を示すブロック図である。
【図２】図１の固体撮像素子を入射光側から見た配置関係および各感光領域を説明する図である。
【図３】図２の受光素子において垂直方向に開口領域がずれた各感光領域の状態を説明する図である。
【図４】図２の受光素子における入射光量と出力信号との関係を説明するグラフである。
【図５】図２の受光素子において感度のずれ方向（＋）の場合における露出制御を説明するタイミングチャートである。
【図６】図２受光素子において感度のずれ方向（−）の場合における露出制御を説明するタイミングチャートである。
【符号の説明】
１０　ディジタルカメラ
１２　光学系
１４　撮像部
１４ｂ　固体撮像素子
１６　前処理部
１８　信号処理部
２０　システム制御部
２２　操作部
２４　タイミング信号発生器
２６　ドライバ

Claims

主感光領域と該主感光領域より小さい面積の従感光領域とを含み入射光を電気信号に変換する受光素子が複数、２次元アレイ状に配設された固体撮像素子と、
該固体撮像素子への前記入射光を光電変換する露出時間の完了を調整する遮光手段と、
所定の入射光量に対して前記従感光領域が有する所定の感度と該従感光領域における前記所定の入射光量に対する実際の感度とを比較して該従感光領域における前記感度のずれを検出し、該感度のずれを調整する感度調整手段と、
前記固体撮像素子に対する撮像操作に応動して前記感度のずれ方向に応じて前記感度調整手段を制御するシステム制御手段とを含むことを特徴とする固体撮像装置。
請求項１に記載の装置において、前記固体撮像素子は、一つの受光素子における前記感光領域が異なる面積の主感光領域と従感光領域に分割されていることを特徴とする固体撮像装置。
請求項１または２に記載の装置において、前記感度調整手段は、前記所定の感度と前記実際の感度とを比較して前記感度のずれた方向およびずれ量を検出するずれ検出手段と、
前記感度のずれた方向およびずれ量を調整するずれ調整手段とを含むことを特徴とする固体撮像装置。
請求項１、２または３に記載の装置において、前記システム制御手段は、前記実際の感度が前記所定の感度よりも大きい方向と小さい方向へのずれを、それぞれプラスずれ検出とマイナスずれ検出とし、該プラスずれ検出に応じて前記主感光領域の前記露出時間を基準に前記従感光領域の前記露出開始を前記ずれ量に応じて遅らせ、前記マイナスずれ検出に応じて前記従感光領域の前記露出時間を基準に前記主感光領域の前記露出開始を前記ずれ量に応じて遅らせる制御を行うことを特徴とする固体撮像装置。
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の装置において、前記ずれ調整手段は、前記システム制御手段からの制御に応じて前記ずれ量を考慮された露出開始が開始されるタイミング関係のタイミング信号を生成するタイミング信号生成手段と、
該タイミング信号を駆動信号にして前記固体撮像素子に出力する駆動信号生成手段とを含む固体撮像装置。
請求項１に記載の装置において、前記システム制御手段は、前記マイナスずれ検出に応じて前記従感光領域から得られた信号を増幅する制御を行うことを特徴とする固体撮像装置。
請求項６に記載の装置において、前記ずれ調整手段は、前記システム制御手段の制御に応じて前記従感光領域から得られた信号を前記ずれ量だけ増幅する増幅手段を含むことを特徴とする固体撮像装置。
主感光領域と該主感光領域より小さい面積を従感光領域とを含み入射光を電気信号に変換する受光素子を複数、２次元アレイ状に配設して、該従感光領域に対して所定の入射光量を入射した際に得られる所定の感度と該感光領域における前記所定の入射光量に対する実際の感度とを比較して、該従感光領域における前記感度のずれ方向および前記感度のずれ量を検出する第１の工程と、
前記感度のずれ方向により前記主感光領域および前記従感光領域のいずれか一方を基準とする基準感光領域を指定し、該基準感光領域に対する他方の領域を調整される対象感光領域とし、該対象感光領域で生じる前記感度のずれ量を解消する制御を行う第２の工程と、
該制御に応じて前記対象感光領域によりもたらされる前記感度のずれ量に対する解消処理を行う第３の工程とを含むことを特徴とする受光素子の感度対応出力調整方法。
請求項８に記載の方法において、第２の工程は、前記実際の感度が前記所定の感度よりも大きい方向と小さい方向へのずれを、それぞれプラスずれ検出とマイナスずれ検出とし、該プラスずれ検出に応じて前記基準感光領域を前記主感光領域に設定し、該主感光領域に対する前記露出時間を基準に前記対象感光領域である前記従感光領域の前記露出開始を前記ずれ量に応じて遅らせ、前記マイナスずれ検出に応じて前記基準感光領域を前記従感光領域とし、該従感光領域に対する前記露出時間を基準に前記主感光領域の前記露出開始を前記ずれ量に応じて遅らせる制御を行うことを特徴とする受光素子の感度対応出力調整方法。
請求項８に記載の方法において、前記第２の工程は、前記マイナスずれ検出に応じて前記従感光領域から得られた信号を増幅する制御を行うことを特徴とする受光素子の感度対応出力調整方法。