JP2005303708A - デジタルカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】 低感度撮影モードであっても、垂直転送路を大きくすること無く画質を向上させる。
【解決手段】 半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に配設された複数のＰＤに蓄積された信号電荷を、列方向に延在する垂直転送路に読み出し、当該信号電荷を垂直転送路に沿って列方向に転送する固体撮像素子を有するデジタルカメラであって、相対的に低感度で撮影を行う低感度撮影モードと、相対的に高感度で撮影を行う高感度撮影モードとを有し、固体撮像素子に入射する光の遮断制御を行うメカニカルシャッタと、低感度撮影モード時、メカニカルシャッタが光を遮断している期間に、複数のＰＤの各々からの信号電荷の読み出し及び転送を２回にわけて行う駆動部４とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に配設された複数の光電変換素子に蓄積された電荷を、前記列方向に延在する垂直転送路に読み出し、当該電荷を前記垂直転送路に沿って前記列方向に転送する固体撮像素子を有するデジタルカメラに関する。

ＣＣＤ型の固体撮像素子を搭載したデジタルカメラには、撮影感度の設定を変更できるものがある。例えばフィルム感度でいえば、ＩＳＯ感度１００〜４００に相当する低感度で撮影する低感度撮影モードと、ＩＳＯ感度８００以上に相当する高感度で撮影する高感度撮影モードとを切換設定可能なデジタルカメラがある。この低感度撮影モードで撮影した場合、例えば露光時間が長いため各光電変換素子に蓄積される電荷量は多くなり、高感度撮影モードで撮影した場合は、例えば露光時間が短くなるため各光電変換素子に蓄積される電荷量は少なくなる。

光電変換素子に蓄積された電荷は、各光電変換素子から垂直転送路に読み出され、垂直転送路を転送されることになる。露光期間が終了した後の電荷量は、熱拡散などによって時間経過と共に指数関数的に減少する。このため、固体撮像素子から電荷を直ぐに読み出さないと、撮像画像の画質が劣化してしまうことになる。高感度撮影モードで撮影が行われた場合、各光電変換素子に蓄積された電荷量は少ないため、露光期間終了から電荷を読み出すまでの間に減少する電子数の割合は少ない。ところが、低感度撮影モードで撮影が行われた場合、各光電変換素子に蓄積された電荷量は多いため、露光期間終了から電荷を読み出すまでの間に減少する電子数の割合は多い。この結果、低感度撮影モードで撮影して得られる画像の画質が劣化してしまうという問題がある。

この問題を解決するために、低感度撮影モード時には各光電変換素子からの電荷を同時に読み出す全画素読み出しを行う技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

又、全画素読み出しと、インターレース読み出しとを行うデジタルカメラが特許文献２に開示されている。

特開２００３−２８４０８７号公報 特開平１１−３４６３３１号公報

上記特許文献１記載の技術は、蓄積信号電荷量の多くなる低感度撮影モード時に全画素読み出しを行うため、低感度撮影モードに備えて垂直転送路を大きくしておかなければならず、その分、各光電変換素子を小さくしなければならない。しかしながら、光電変換素子が小さくなると、固体撮像素子から得られる画像の画質が落ちてしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光電変換素子に蓄積される信号電荷量が多くなる低感度撮影モード時であっても、垂直転送路を大きくすることなく画質を向上させることが可能なデジタルカメラを提供することを目的とする。

本発明のデジタルカメラは、半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に配設された複数の光電変換素子に蓄積された信号電荷を、前記列方向に延在する垂直転送路に読み出し、当該電荷を前記垂直転送路に沿って前記列方向に転送する固体撮像素子を有するデジタルカメラであって、相対的に低感度で撮影を行う低感度撮影モードと、相対的に高感度で撮影を行う高感度撮影モードとを有し、前記固体撮像素子に入射する光の遮断制御を行うメカニカルシャッタと、前記低感度撮影モード時、前記メカニカルシャッタが前記光を遮断している期間に、前記複数の光電変換素子の各々からの前記信号電荷の読み出し及び転送を２回にわけて行う固体撮像素子駆動手段とを備える。

この構成により、光電変換素子に蓄積される信号電荷量が多い低感度撮影モード時でも、複数の光電変換素子の各々からの信号電荷の読み出し及び転送を２回にわけて行うため、垂直転送路を大きくすることなく画質を向上させることができる。

又、本発明のデジタルカメラは、前記固体撮像素子駆動手段が、前記２回の読み出しのうち、１回目に前記信号電荷を読み出すための印加電圧の印加時間を、２回目に前記信号電荷を読み出すための印加電圧の印加時間よりも短くする。

この構成により、１回目の読み出しで少なくとも信号電荷量の多い光電変換素子の各々から一部の信号電荷を読み出して転送しておき、２回目の読み出しで信号電荷量の少ない光電変換素子を含む全ての光電変換素子の各々から全ての信号電荷を読み出して転送することができる。

又、本発明のデジタルカメラは、前記固体撮像素子駆動手段が、前記２回の読み出しのうち、１回目に前記信号電荷を読み出すための印加電圧を、２回目に前記信号電荷を読み出すための印加電圧よりも低くする。

この構成により、１回目の読み出しで少なくとも信号電荷量の多い光電変換素子の各々から一部の信号電荷を読み出して転送しておき、２回目の読み出しで信号電荷量の少ない光電変換素子を含む全ての光電変換素子の各々から全ての信号電荷を読み出して転送することができる。

又、本発明のデジタルカメラは、前記２回の読み出しのうち１回目に前記複数の光電変換素子の各々から読み出されて転送された信号電荷に応じた信号と、前記２回の読み出しのうち２回目に前記複数の光電変換素子の各々から読み出されて転送された信号電荷に応じた信号とを加算する信号加算手段を備える。

この構成により、低感度撮影モードで撮影して得られるべき画像データを得ることができる。

本発明によれば、光電変換素子に蓄積される信号電荷量が多くなる低感度撮影モード時であっても、垂直転送路を大きくすることなく画質を向上させることが可能なデジタルカメラを提供することができる。

図１は、本発明の実施形態を説明するためのデジタルカメラの概略構成を示す図である。
図１のデジタルカメラは、撮像部１と、アナログ信号処理部２と、Ａ／Ｄ変換部３と、駆動部４と、ストロボ５と、デジタル信号処理部６と、圧縮／伸張処理部７と、表示部８と、システム制御部９と、内部メモリ１０と、メディアインタフェース１１と、記録メディア１２と、操作部１３とを備える。デジタル信号処理部６、圧縮／伸張処理部７、表示部８、システム制御部９、内部メモリ１０、及びメディアインタフェース１１は、システムバス１４に接続されている。

撮像部１は、撮影レンズ等の光学系及び後述する固体撮像素子２０によって被写体の撮影を行うものであり、アナログの撮像信号を出力する。撮像部１には、固体撮像素子２０への光の入射の遮断制御を行うメカニカルシャッタも含まれている。アナログ信号処理部２は、撮像部１で得られた撮像信号に所定のアナログ信号処理を施す。Ａ／Ｄ変換部３は、アナログ信号処理部２で処理後のアナログ信号をデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換部３の出力は、いわゆるＲＡＷ画像データとしてデジタル信号処理部６に送られる。ＲＡＷ画像データは、撮像部１からの撮像信号の形式のままデジタル化したデジタル画像データである。

撮影に際しては、駆動部４を介して光学系、メカニカルシャッタ、及び固体撮像素子２０の制御が行われる。固体撮像素子２０は、操作部１３の一部である２段レリーズボタン（図示せず）の操作による２段レリーズスイッチ（図示せず）のＳ２オンを契機として、所定のタイミングで、駆動部４に含まれるタイミングジェネレータ（図１ではＴＧと記載）からの駆動信号によって駆動される。駆動部４は、システム制御部９によって所定の駆動信号を出力する。

デジタル信号処理部６は、Ａ／Ｄ変換部３からのデジタル画像データに対して、操作部１３によって設定された動作モードに応じたデジタル信号処理を行う。デジタル信号処理部６が行う処理には、黒レベル補正処理（ＯＢ処理）、リニアマトリクス補正処理、ホワイトバランス調整処理、ガンマ補正処理、画像合成処理、同時化処理、及びＹ／Ｃ変換処理等が含まれる。デジタル信号処理部６は、例えばＤＳＰで構成される。

圧縮／伸張処理部７は、デジタル信号処理部６で得られたＹ／Ｃデータに対して圧縮処理を施すとともに、記録メディア１２から得られた圧縮画像データに対して伸張処理を施す。

表示部８は、例えばＬＣＤ表示装置を含んで構成され、撮影されてデジタル信号処理を経た画像データに基づく画像を表示する。記録メディア１２に記録された圧縮画像データを伸張処理して得た画像データに基づく画像の表示も行う。また、撮影時のスルー画像、デジタルカメラの各種状態、操作に関する情報の表示等も可能である。

内部メモリ１０は、例えばＤＲＡＭであり、デジタル信号処理部６やシステム制御部９のワークメモリとして利用される他、記録メディアに１２に記録される撮影画像データを一時的に記憶するバッファメモリや表示部８への表示画像データのバッファメモリとしても利用される。メディアインタフェース１１は、メモリカード等の記録メディア１２との間のデータの入出力を行うものである。

システム制御部９は、所定のプログラムによって動作するプロセッサを主体に構成され、撮影動作を含むデジタルカメラ全体の制御を行う。

操作部１３は、デジタルカメラ使用時の各種操作を行うものであり、レリーズボタンもこれに含まれる。

図１に示すデジタルカメラは、撮影感度の設定が変更可能となっている。例えばフィルム感度でいえば、ＩＳＯ感度１００〜４００に相当する低感度で撮影する低感度撮影モードと、ＩＳＯ感度８００に相当する高感度で撮影する高感度撮影モードとを切換設定可能となっている。高感度撮影モードでは、例えば、露光時間を短くして撮影を行う。低感度撮影モードでは、例えば、露光時間を長くして撮影を行う。

図２は、本発明の実施形態を説明するためのデジタルカメラに搭載される固体撮像素子の概略構成を示す図である。
図２に示すように、固体撮像素子２０は、半導体基板上の行方向（図２のＸ方向）とこれに直交する列方向（図２のＹ方向）にマトリクス状に配列された複数の光電変換素子（例えば、フォトダイオード（ＰＤ））２１と、これらＰＤ２１から列毎に読み出された信号電荷をＹ方向に転送するＹ方向に延在する垂直転送路（Ｖ−ＣＣＤ）２２と、Ｖ−ＣＣＤ２２の出力に接続され、Ｖ−ＣＣＤ２２から移された信号電荷を各々Ｘ方向に転送する水平転送路（Ｈ−ＣＣＤ）２３と、Ｈ−ＣＣＤ２３の出力に接続され、転送されてきた信号電荷を検出して電圧信号に変換する出力部２４とを備える。

Ｖ−ＣＣＤ２２は、垂直転送クロックφＶ１〜φＶ４によって四相駆動されるようになっている。Ｈ−ＣＣＤ２３は、水平転送クロックφＨ１，φＨ２により二相駆動されるようになっている。

出力部２４は、例えばフローティングディフュージョンアンプからなるが、フローティングディフュージョン構造ではなく、フローティングゲート構造等であってもよい。

固体撮像素子２０では、垂直転送クロックφＶ１〜φＶ４および水平転送クロックφＨ１，φＨ２の発生タイミングの制御により、複数のＰＤ２１の各々から信号電荷を読み出す第１の全画素読み出しモードと、複数のＰＤ２１の各々からの信号電荷の読み出しを２回に分けて行う第２の全画素読み出しモードとに対応できるようになっている。上記垂直転送クロックφＶ１〜φＶ４および水平転送クロックφＨ１，φＨ２の発生タイミングの制御は、図１に示す駆動部４がシステム制御部９の指示に応じて行う。

図３は、固体撮像素子２０の駆動方法を説明するためのタイミングチャートである。本実施形態では、高感度撮影モードで撮影が行われたときは、図３（ａ）の第１の全画素読み出しモードで固体撮像素子２０を駆動し、低感度撮影モードで撮影が行われたときは、図３（ｂ）又は（ｃ）の第２の全画素読み出しモードで固体撮像素子２０を駆動する。

図３（ａ）の第１の全画素読み出しモードの動作
デジタルカメラにおける露光時間は、通常は、電子シャッタ開のタイミング（このときメカニカルシャッタは開状態）から、メカニカルシッャタ閉までの間である。図３（ａ）の第１の全画素読み出しモードでは、露光により、固体撮像素子２０の各ＰＤ２１に信号電荷が蓄積される。この信号電荷の蓄積後、直ぐに信号電荷を読み出すのではなく、その前に、掃き出しパルスで垂直転送路２２を高速駆動する。これにより、垂直転送路２２に残っている電荷やノイズ電荷が掃き出され（図３（ａ）の掃き出し期間Ｎ１）、垂直転送路２２が綺麗にされる。
掃き出し期間Ｎ１の終了後、読み出しパルスＰが各ＰＤ２１の読み出しゲートに印加され、固体撮像素子２０の全ＰＤ２１の信号電荷が各ＰＤ２１に隣接した垂直転送路２２に読み出される。そして、垂直転送路２２の各転送電極に順次転送電位が印加され、垂直転送路２２に形成された電位井戸により信号電荷が順次転送される（図３（ａ）のデータ読み出し期間Ｍ１）。

図３（ｂ）の第２の全画素読み出しモードにおける動作
図３（ｂ）の第２の全画素読み出しモードでは、露光による信号電荷の蓄積後、直ぐに信号電荷を読み出すのではなく、その前に、掃き出しパルスで垂直転送路２２を高速駆動する。これにより、垂直転送路２２に残っている電荷やノイズ電荷が掃き出され（図３（ｂ）の掃き出し期間Ｎ１）、垂直転送路２２が綺麗にされる。
掃き出し期間Ｎ１の終了後、１回目の読み出しパルスＰ１が各ＰＤ２１の読み出しゲートに印加され、固体撮像素子２０の全ＰＤ２１に蓄積されている信号電荷のうち、少なくとも信号電荷量が多いＰＤ２１からの信号電荷の一部が、各ＰＤ２１に隣接した垂直転送路２２に読み出される。そして、垂直転送路２２の各転送電極に順次転送電位が印加され、垂直転送路２２に形成された電位井戸により信号電荷が順次転送される（図３（ｂ）のデータ読み出し期間Ｍ１）。そして、転送された信号電荷に応じた電圧信号は、内部メモリ１０に一旦記憶される。
データ読み出し期間Ｍ１における転送によって垂直転送路２２には若干の電荷が残るため、期間Ｍ１の後も掃き出しパルスで垂直転送路２２を高速駆動して垂直転送路２２を綺麗にする掃き出し期間Ｎ２が設けられる。掃き出し期間Ｎ２終了後、２回目の読み出しパルスＰ２が、各ＰＤ２１の読み出しゲートに１回目の読み出しパルスＰ１よりも長い時間印加され、信号電荷量が少ないＰＤ２１を含む全てのＰＤ２１からの信号電荷が、各ＰＤ２１に隣接した垂直転送路２２に読み出される。そして、垂直転送路２２の各転送電極に順次転送電位が印加され、垂直転送路２２に形成された電位井戸により信号電荷が順次転送される（図３（ａ）のデータ読み出し期間Ｍ２）。転送された信号電荷に応じた電圧信号は、内部メモリ１０に一旦記憶される。
尚、内部メモリ１０に記憶された１回目の読み出し及び転送で得られた電圧信号と、２回目の読み出し及び転送で得られた電圧信号とは、デジタル信号処理部６によってデジタル加算され、これにより、低感度撮影モードで撮影した１つの画像データが得られる。

図３（ｂ）に示す第２の全画素読み出しモードの特徴は、各ＰＤ２１からの信号電荷を２回に分けて読み出すことと、１回目の読み出しパルスＰ１の印加時間を、２回目の読み出しパルスＰ２の印加時間よりも短くしていることである。１回目の読み出しでは、短い時間しか読み出しパルスＰ１が印加されないため、信号電荷量が比較的多いＰＤ２１からのみ、その一部の信号電荷が読み出される。２回目の読み出しでは、長い時間（ＰＤ２１に蓄積可能な最大信号電荷量を垂直転送路２２に読み出すことができる程度の時間）読み出しパルスＰ２が印加されるため、各ＰＤ２１に蓄積されている信号電荷を全て残すことなく読み出すことができる。このように２回に分けて信号電荷の読み出し及び転送を行うことで、１回で信号電荷の読み出し及び転送を行う場合に比べ、垂直転送路２２の大きさを小さくすることができる。したがって、ＰＤ２１のサイズを大きくすることができ、画質を向上させることができる。

図３（ｃ）の第２の全画素読み出しモードにおける動作
図３（ｃ）に示す第２の全画素読み出しモードは、図３（ｂ）に示す第２の全画素読み出しモードとほぼ同様の動作であるが、読み出しパルスＰ１とＰ２との印加時間を変えるのではなく、その大きさを変えている点が異なる。つまり、図３（ｃ）においては、図３（ｂ）で示した１回目の読み出しパルスＰ１と２回目の読み出しパルスＰ２との印加時間を同じにし、１回目の読み出しパルスＰ１の電圧値を、２回目の読み出しパルスＰ２の電圧値よりも小さくしている。このようにすることでも、図３（ｂ）の場合と全く同様の効果を得ることができる。尚、２回目の読み出しパルスＰ２の電圧値は、ＰＤ２１に蓄積可能な最大信号電荷量を垂直転送路２２に読み出すことができる程度の値となっている。

以下、図１に示すデジタルカメラの撮影時の動作について説明する。
図４は、図１に示すデジタルカメラの動作手順を示すフローチャートである。
デジタルカメラの電源スイッチが投入されると、図４に示すプログラムが起動され、ユーザがレリーズボタンを半押しすると、２段スイッチのＳ１がオンとなる（ステップＳ１）。スイッチＳ１がオンされると、次のステップＳ２で、測光と測距が行われ、次に、ステップＳ３で、撮影感度モードが設定されているか否かが判定される。

ユーザが撮影感度モードの設定をしていない場合には、ステップＳ３からステップＳ４に進み、撮影感度モードを自動設定し、ステップＳ５に進む。ユーザが撮影感度モードを設定している場合にはステップＳ３からステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、２段レリーズボタンが全押しされるのを待機する。全押しされると２段スイッチのＳ２がオンとなり、ステップＳ６に進んで撮像処理が実行される。この撮像処理では、測光値に応じた露光時間でメカニカルシャッタの開閉が行われ、測距値に応じた合焦位置に撮影レンズの繰り出しが行われ、被写体にピントのあった状態での信号電荷が固体撮像素子２０の各ＰＤ２１に蓄積される。

次のステップＳ７では、ユーザが設定した撮影感度モードあるいはステップＳ４で自動設定された撮影感度モードが、予め設定されている所定撮影感度値（例えばＩＳＯ４００）より高いか否かが判定される。この判定結果がＮＯ、即ち、撮影感度モードがＩＳＯ４００以下の場合には、ステップＳ９に進み、図３（ｂ）又は（ｃ）に示すような第２の全画素読み出しモードで固体撮像素子２０を駆動し、固体撮像素子２０から信号電荷に応じた電圧信号を得る。

ステップＳ７の判定結果がＹＥＳ、即ち、撮影感度モードがＩＳＯ４００より高い場合には、ステップＳ８に進み、図３（ａ）に示す第１の全画素読み出しモードで固体撮像素子２０を駆動し、固体撮像素子２０から信号電荷に応じた電圧信号を得る。

ステップＳ８またはステップＳ９で固体撮像素子２０を駆動し、電圧信号を取得した後は、次にステップＳ１０に進み、取得した電圧信号をデジタル変換して内部メモリ１０に格納し、デジタル信号処理部６にて各種画像処理を施した後、画像処理後のＹ／Ｃデータを記録メディア１２に記憶して処理を終了する。

このように、図１のデジタルカメラによれば、１回目の読み出しで多くの信号電荷量を持つＰＤ２１からの信号電荷の一部を読み出しておくことで、それらのＰＤ２１の信号電荷量を全体的に少なくしておくことができ、この結果、熱拡散による信号電荷の減少量を少なくすることができる。このため、低感度撮影モード時における撮影画像の画質劣化を防ぐことができる。
又、低感度撮影モード時にはＰＤ２１に蓄積される電荷量が多いため、従来行っているような第１の全画素読み出しでは、垂直転送路２２を大きくしておく必要がある。ところが、本実施形態によれば、低感度撮影モード時には、図３（ｂ）又は（ｃ）に示すような第２の全画素読み出しモードで読み出しを行っているため、垂直転送路２２を大きくする必要がない。又、高感度撮影モード時には、従来行っている第１の全画素読み出しを行うが、高感度撮影モード時にはＰＤ２１に蓄積される電荷量が少ないため、垂直転送路２２が小さくても充分に対応することができる。この結果、従来の固体撮像素子と同じサイズの固体撮像素子２０を作ろうとした場合、ＰＤ２１のサイズを大きくとることが可能となり、画質を向上させることができる。

尚、上記では、図２に示した固体撮像素子２０を例にして説明したが、本出願人等が先に提案した例えば特開平１０―１３６３９１号公報に記載される固体撮像素子、即ち、各行に配置したＰＤを垂直方向に隣接する行のＰＤに対して１／２ピッチづつずらしたハニカム画素配置と呼ばれる固体撮像素子にも本発明は適用可能である。

本発明の実施形態を説明するためのデジタルカメラの概略構成を示す図 本発明の実施形態を説明するためのデジタルカメラに搭載される固体撮像素子の概略構成を示す図 本発明の実施形態を説明するためのデジタルカメラに搭載される固体撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャート 本発明の実施形態を説明するためのデジタルカメラの動作手順を示すフローチャート

符号の説明

１ 撮像部
２ アナログ信号処理部
３ Ａ／Ｄ変換部
４ 駆動部
５ ストロボ
６ デジタル信号処理部
７ 圧縮／伸張処理部
８ 表示部
９ システム制御部
１０ 内部メモリ
１１ メディアインタフェース
１２ 記録メディア
１３ 操作部
１４ システムバス

Claims (4)

1. 半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に配設された複数の光電変換素子に蓄積された信号電荷を、前記列方向に延在する垂直転送路に読み出し、当該電荷を前記垂直転送路に沿って前記列方向に転送する固体撮像素子を有するデジタルカメラであって、
   相対的に低感度で撮影を行う低感度撮影モードと、相対的に高感度で撮影を行う高感度撮影モードとを有し、
   前記固体撮像素子に入射する光の遮断制御を行うメカニカルシャッタと、
   前記低感度撮影モード時、前記メカニカルシャッタが前記光を遮断している期間に、前記複数の光電変換素子の各々からの前記信号電荷の読み出し及び転送を２回にわけて行う固体撮像素子駆動手段とを備えるデジタルカメラ。
2. 請求項１記載のデジタルカメラであって、
   前記固体撮像素子駆動手段は、前記２回の読み出しのうち、１回目に前記信号電荷を読み出すための印加電圧の印加時間を、２回目に前記信号電荷を読み出すための印加電圧の印加時間よりも短くするデジタルカメラ。
3. 請求項１記載のデジタルカメラであって、
   前記固体撮像素子駆動手段は、前記２回の読み出しのうち、１回目に前記信号電荷を読み出すための印加電圧を、２回目に前記信号電荷を読み出すための印加電圧よりも低くするデジタルカメラ。
4. 請求項１〜３のいずれか記載のデジタルカメラであって、
   前記２回の読み出しのうち１回目に前記複数の光電変換素子の各々から読み出されて転送された信号電荷に応じた信号と、前記２回の読み出しのうち２回目に前記複数の光電変換素子の各々から読み出されて転送された信号電荷に応じた信号とを加算する信号加算手段を備えるデジタルカメラ。

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