JP2004289055A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】補正テーブルなどを使用せずにシェーディングの補正を行い、また光の入射角が変化してもシェーディングの補正を厳密に行うことのできる固体撮像素子を提供する。
【解決手段】ＣＣＤ２０は画素２１が行方向及び列方向に多数配列された画素領域を有しており、各画素２１は主感光部２２と従感光部２３とを備えている。また、主感光部２２と従感光部２３との画素２１における位置関係が、画素領域の一列ごとに点対称となるように構成されている。奇数列にある従感光部２２から得られる画像と、偶数列にある従感光部２２から得られる画像とが点対称のシェーディング形状をもつため、例えば隣り合う奇数列の画素２１の従感光部２３及び偶数列の画素２１の従感光部２３の輝度の平均値を算出することによってシェーディング補正を行うことができる。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子に関し、特に主感光部と従感光部とを備えた画素を有する固体撮像素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像素子はデジタルスチルカメラや画像入力装置などに組み込まれており、被写体光を光電信号に変換する働きをもつ。このような固体撮像素子は、多数の画素が行方向及び列方向に配列された画素領域を備えている。
【０００３】
また、固体撮像素子の中には、相対的に広い面積を有する主感光部と相対的に狭い面積を有する従感光部とを備えた画素を有するものがある。このような固体撮像素子は、主感光部と従感光部のそれぞれから画像信号を取り出し、従感光部からの画像信号を用いて主感光部からの画像信号に補間処理を施すことによって高画質な撮影画像を得ることを目的として用いられている。例えば、従感光部からの画像信号を用いて全画素位置での輝度信号を得ることによって撮影画像の高解像化を図ったり、主感光部と従感光部の感度差を利用してダイナミックレンジを広げるなどの補間処理を行うことが可能になる。
【０００４】
図３は、主感光部と従感光部とを備えた画素の従来の配列例である。ＣＣＤ１００は画素１０１が行方向及び列方向に多数配列された画素領域を有しており、各画素１０１は主感光部１０２と従感光部１０３とを備えている。この構成では、画素領域中のすべての画素において主感光部と従感光部の配置関係が同一となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、固体撮像素子には、画素領域の中央部に比べて周辺部の信号出力が減衰するシェーディングという現象が発生する問題がある。このシェーディングは、画素領域の周辺部に入射光が斜めに入射して光電変換効率が悪化することに起因している。また、固体撮像素子をデジタルスチルカメラに用いる場合、カメラ本体の光学系の操作による絞り値、射出瞳位置などの変化によって光の入射角が変化するため、シェーディング形状（傾向）も変化しやすい。
【０００６】
特に、相対的に大きい面積を有する主感光部と相対的に小さい面積を有する従感光部とを備えた画素を多数配列した画素領域を持つ固体撮像素子では、光の入射角による従感光部への集光率の変化が主感光部に比べて大きいため、従感光部から得られる画像信号にはよりシェーディングが発生しやすく、またシェーディング形状もより変化しやすい。このシェーディングの影響を受けた従感光部からの画像信号を用いて主感光部からの画像信号に補間処理を施すと、補間処理を施して得られる撮影画像の画質を著しく損なってしまう。
【０００７】
このシェーディングを補正するため、従来では必要によって補正テーブルなどを用いていたが、補正テーブルの使用によって信号処理が煩雑になるばかりでなく、光学系及び固体撮像素子の個体差などが大きいために厳密なシェーディング補正を行うことが困難であった。
【０００８】
本発明は、上記問題点を考慮してなされたものであり、補正テーブルなどを使用せずにシェーディングの補正を行い、また光の入射角が変化してもシェーディングの補正を厳密に行うことのできる固体撮像素子を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の固体撮像素子は、相対的に広い面積を有する主感光部と相対的に狭い面積を有する従感光部とが配置される画素を行方向及び列方向に多数配列して画素領域を形成し、前記主感光部、前記従感光部のいずれからも選択的に画像信号を取り出すことのできる固体撮像素子において、前記主感光部と前記従感光部との前記画素内での配置関係が、奇数列と偶数列又は奇数行と偶数行で点対称となるように前記画素を配列して前記画素領域を形成したことを特徴とする。
【００１０】
また、前記画像信号の取り出しを、前記主感光部、前記従感光部の順に行うことが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１において、デジタルスチルカメラ１は、その前面に、撮影レンズ２が保持されたレンズ鏡筒３、光学ファインダ４が設けられ、上面にはポップアップ式のストロボ発光部５、機能ダイヤル６が設けられている。ストロボ発光部５は、カメラ側面に設けられたポップアップボタン７を操作すると飛び出し、手動で元の位置に収納される。機能ダイヤル６は、露出調整やピント合わせを行う際、遠距離、近距離、屋内など規定の撮影パターンに対応した自動設定と、手動設定とを切り替える際に使用されるもので、ダイヤル中心部には、レリーズボタン８が設けられている。
【００１２】
図２に示すカメラ背面には、各種のスイッチボタンが配置された入力操作パネル１０と、フルカラー表示が可能な液晶ディスプレイ１１が設けられている。入力操作パネル１０には、撮影モードと再生モードとを切替える際に使用されるモード切替レバー１２が設けられている。液晶ディスプレイ１１は、撮影モード時に被写体の映像を表示して電子ビューファインダとして用いられ、再生モード時には、撮影された被写体画像を再生表示に用いられる。十字キー１３は、露出調整を手動で行う時や画像の解像度を設定するときなどに操作されるもので、各種の設定状況は、白黒表示の反射型液晶パネル１４で確認することができる。
【００１３】
図４は、本発明の固体撮像素子における画素配列例を示す概略図である。ＣＣＤ２０は画素２１が行方向及び列方向に多数配列された画素領域を有しており、各画素２１は主感光部２２と従感光部２３とを備えている。各画素２１は、各行において一列おきに配置されるとともに、各列において一行おきに配置され、所謂ハニカム構造に構成されている。また、主感光部２２と従感光部２３との画素２１における位置関係が、画素領域の一列ごとに点対称となるように構成されている。
【００１４】
各画素２１には、図中上からＶ１ｓ〜Ｖ４ｓで示す転送電極が接続されている。各転送電極は図示しない垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）に接続されており、ＶＣＣＤはさらに図示しない水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）に接続されている。転送電極から取り出された画像信号はＶＣＣＤ及びＨＣＣＤによって転送されてＣＣＤ２０から出力された後、種々の信号処理が行われて撮影画像となる。
【００１５】
画像信号の取り出しは、主感光部２２、従感光部２３の順で行われる。画素２１の露光が終了すると、読み出しゲートパルスがまず転送電極Ｖ１ｍ，Ｖ２ｍ，Ｖ３ｍ，Ｖ４ｍに印加されて主感光部２２の画像信号が取り出され、ＶＣＣＤ及びＨＣＣＤによって取り出された画像信号が転送されてＣＣＤ２０から出力される。主感光部２２からの画像信号の取り出しが終了した後、今度は読み出しゲートパルスが転送電極Ｖ１ｓ，Ｖ２ｓ，Ｖ３ｓ，Ｖ４ｓに印加されて従感光部２３の画像信号が取り出され、ＶＣＣＤ及びＨＣＣＤによって取り出された画像信号が転送されて同様にＣＣＤ２０から出力される。
【００１６】
図５は、従感光部に発生する輝度シェーディングの代表パターン例を示す説明図である。図５（Ａ）に示す均一に灰色な被写体を撮影したときに、奇数列に配列された画素２１中に配置されている従感光部２２から取り出した画像信号によって得られる画像が、図５（Ｂ）に示すシェーディング形状を示した場合、偶数列に配列された画素２１中に配置されている従感光部２２から取り出した画像信号によって得られる画像は、図５（Ｃ）に示すように図５（Ｂ）と点対称なシェーディング形状を示す。
【００１７】
このように、奇数列にある従感光部２２から得られる画像と、偶数列にある従感光部２２から得られる画像とが点対称のシェーディング形状をもつため、信号処理の際に、奇数列からの画像信号と偶数列からの画像信号を比較し、例えば隣り合う奇数列の画素２１の従感光部２３及び偶数列の画素２１の従感光部２３の輝度の平均値を算出することにより、特別な補正テーブルを必要とせずにシェーディング補正を行い、図５（Ａ）のようなシェーディングのない撮影画像を得ることが可能になる。
【００１８】
図６のブロック図を用いて画像信号処理のプロセスを説明する。撮影者が機能ダイヤル６、レリーズボタン８及び入力操作パネル１０などからなる操作部３０により撮影操作を行うと、ＣＰＵ３１はドライバ３２を介して撮影レンズ２及びレンズ鏡筒３などからなる光学系３３を駆動して撮影を行う。
【００１９】
撮影により、光学系３３を介して被写体光がＣＣＤ２０上に結像し、ＣＣＤ２０内部には画像信号として被写体光量に応じた電荷が発生する。この時、ＣＣＤ２０に蓄積される画像信号には、光学系３３における絞り値、射出瞳位置などの条件によって被写体光に生じる入射角にしたがった形状をもつシェーディングが発生する。
【００２０】
撮影が終了すると、ＣＰＵ３１はタイミング発生器３４を介してドライバ３５を駆動し、読み出しゲートパルスをＣＣＤ２０の転送電極Ｖ１ｍ，Ｖ２ｍ，Ｖ３ｍ，Ｖ４ｍに印加する。読み出しゲートパルスの印加により主感光部２１の電荷がＶＣＣＤ及びＨＣＣＤを介してＣＣＤ２０から取り出され、ＣＤＳ／ＧＣＡ部３６に転送される。主感光部２２からの画像信号をすべて取り出した後、さらに読み出しゲートパルスを転送電極Ｖ１ｓ，Ｖ２ｓ，Ｖ３ｓ，Ｖ４ｓに印加して同様に従感光部２２の画像信号を取り出し、ＣＣＤ２０からＣＤＳ／ＧＣＡ部３６に転送する。
【００２１】
ＣＤＳ／ＧＣＡ部３６では、ＣＣＤ２０からの画像信号に含まれるノイズを相関二重サンプリング（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ） によって除去し、利得可変増幅器（Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）によって画像信号の大きさの最適化を行う。ＣＤＳ／ＧＣＡ処理が行われた画像信号は、ＡＤ変換器３７によってデジタル信号に変換される。
【００２２】
ＡＤ変換器３７によってデジタル信号に変換された画像信号は、信号処理部３８に送られる。信号処理部３８では、従感光部２３から得られた画像信号を奇数列と偶数列とに分割して、奇数列から得られた画像信号による画像と偶数列から得られた画像信号による画像とをフレームメモリ上に展開する。そして、前述したように奇数列にある従感光部２３から得られる画像と、偶数列にある従感光部２３から得られる画像とが点対称のシェーディング形状をもつことを利用し、奇数列からの画像信号による画像と偶数列からの画像信号による画像とを比較し、例えば隣り合う奇数列の画素２１の従感光部２３及び偶数列の画素２１の従感光部２３の輝度の平均値を算出することにより、特別な補正テーブルを必要とせずシェーディング補正を容易に行うことができる。また、光学系及び固体撮像素子の個体差に関わりなく、厳密なシェーディング補正を行うことができる。
【００２３】
シェーディング補正が行われた従感光部２３の画像信号は、主感光部２２から得られた画像のシェーディング補正に用いる他、必要に応じて主感光部２２から得られた画像に対して輝度補正や広ダイナミックレンジ化などの処理を行うために用いられる。また、信号処理部３８ではこの他にもＣＰＵ３１からの指示に応じて各種の画像信号処理を行う。なお、ＣＣＤ２０からの画像信号の読み出しから信号処理部３８での補間処理に至るまでのすべての信号処理に用いるパルス信号をタイミング発生器３４によって基準クロックに同期して発生させることにより、各信号処理プロセスを最適な条件で行うことができる。
【００２４】
信号処理部３８によって画像信号の各種処理が行われた後、シェーディングのない高画質な画像が液晶ディスプレイ１１に表示され、また画像データが記録メディア３９に記録される。
【００２５】
上記実施形態では、主感光部２２と従感光部２３との画素２１における位置関係が画素領域の一列ごとに点対称となるように構成しているが、主感光部２２と従感光部２３との画素２１における位置関係が画素領域の一行ごとに点対称となるように構成してもよい。この場合、信号処理の際に、奇数行からの画像信号と偶数行からの画像信号を比較し、例えば隣り合う奇数列の画素２１の従感光部２３及び偶数列の画素２１の従感光部２３の輝度の平均値を算出することによりシェーディング補正を行うことができる。
【００２６】
また、上記実施形態では主感光部と従感光部が図中上下方向に分離されている構成となっているが、主感光部と従感光部の分離形状は特に限定されず、例えば主感光部と従感光部が斜め方向に分離されている構成としてもよい。この場合でも、主感光部と従感光部との画素内での配置関係が奇数列と偶数列又は奇数行と偶数行で点対称となるように構成すれば、主感光部と従感光部が図中上下方向に分離されている構成のものと同様にシェーディング補正を行うことができる。
【００２７】
また、各画素の配列もハニカム構造に限定されず、例えば正方行列的に各画素を配列してもよい。さらに、上記実施形態では固体撮像素子としてＣＣＤを用いているが、例えばＭＯＳ型固体撮像素子など、ＣＣＤ以外の固体撮像素子に本発明を適用することもできる。
【００２８】
また、上記実施形態ではデジタルスチルカメラに本発明を適用したが、本発明の適用はデジタルスチルカメラに限定されず、画像入力装置などに本発明を適用するようにしてもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、主感光部と従感光部との画素内での配置関係が奇数列と偶数列又は奇数行と偶数行で点対称となるように画素を行方向及び列方向に多数配列して画素領域を形成したので、補正テーブルなどを必要とせずにシェーディング補正を容易に行うことができる。また、光学系及び固体撮像素子の個体差に関わりなく厳密なシェーディング補正を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したデジタルスチルカメラの前面斜視図である。
【図２】本発明を適用したデジタルスチルカメラの背面斜視図である。
【図３】主感光部と従感光部とを備えた画素の従来の配列例を示す概略図である。
【図４】本発明の固体撮像素子における画素配列例を示す概略図である。
【図５】従感光部に発生する輝度シェーディングの代表パターンを示す説明図である。
【図６】画像信号処理のプロセスを示すブロック図である。
【符号の説明】
１ デジタルスチルカメラ
２０ ＣＣＤ
２１ 画素
２２ 主感光部
２３ 従感光部

Claims (2)

1. 相対的に広い面積を有する主感光部と相対的に狭い面積を有する従感光部とが配置される画素を行方向及び列方向に多数配列して画素領域を形成し、前記主感光部、前記従感光部のいずれからも選択的に画像信号を取り出すことのできる固体撮像素子において、
   前記主感光部と前記従感光部との前記画素内での配置関係が、奇数列と偶数列又は奇数行と偶数行で点対称となるように前記画素を配列して前記画素領域を形成したことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記画像信号の取り出しを、前記主感光部、前記従感光部の順に行うことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。

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