JP2006140581A - 撮像素子及び画像入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２次元マトリクス状アドレス読み出し式の撮像素子において、手ぶれの検出を行うことなく、撮像画像の手ぶれの影響を低減することである。
【解決手段】結像された光を画素信号に変換する２次元マトリクス状に配列された複数の単位光電変換部２１１１と、各単位光電変換部２１１１の画素信号を２次元らせん状に読み出して出力する読み出し部と、前記読み出し部により読み出された画素信号を画素ごとに記憶し、当該記憶した画素信号を２次元マトリクス状の順に画像信号として出力する記憶部と、を備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、撮像素子及び画像入力装置に関する。

従来、カメラでの撮影時に手ぶれが発生する場合があった。手ぶれとは、カメラのシャッタを切るときに、カメラ自体が動いたりして写真がぶれてしまうことである。これは、撮影者としての人間が生物学的に避けられない微小なゆれを起こすために、どうしても伴ってしまう現象である。手ぶれは、露光時間中のカメラの揺れであるため、屋外の天気がいい日の撮影等のシャッタスピードが高速であるシーンでは問題にならない。

しかしながら、夕暮れ時や室内等のシャッタスピードが低下する場合の撮影や、揺れが画像に大きく影響する望遠等の撮影の場合、手ぶれの影響が画像に現れてしまう。三脚を使う等して、カメラをきちんと固定して、カメラを揺らさずにシャッタを切ることにより回避できるが、携帯電話機等の携帯機器のカメラの場合、液晶画面越しに撮影することから、カメラが固定されず、手ぶれが多く発生する。また、携帯機器のカメラは、Ｆ値が低く、感度が低く、ストロボがない等のため、フィルムカメラより手ぶれが発生しやすくなっている。

上記のような撮影者の手の揺れが原因で発生する「光軸のずれ」を補正するのが、手ぶれ補正である。手ぶれ補正機能は、フィルムカメラでは、高級一眼レフカメラを中心に採用されていたが、近年、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラでも、手ぶれ補正機能を搭載した製品が増えている。手ぶれ補正としては、大きく分けて、シャッタスピードやＩＳＯ感度を調整するだけの露光時間制御方法と、レンズや撮像素子をスライドさせることで光軸のずれを補正する光学的補正方法と、撮像画像を画像処理により補正する電子的補正方法と、がある。

例えば、電子的補正方法として、ＣＣＤ（Charge-Coupled Devices）等の撮像素子により撮像された画像信号を一旦画像メモリに蓄積し、角速度センサ等の手ぶれセンサにより検出された手ぶれ検出情報に基づいて、前記画像メモリ内に蓄積した画像信号の読み出し位置を変更することにより、手ぶれ補正する構成が考えられている（例えば、特許文献１参照）。

また、撮像素子としては、ＣＣＤのほかにも、２次元マトリクス状（Ｘ−Ｙ）アドレス読み出し式の撮像素子として、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）センサが使われている。ＣＭＯＳセンサの撮像素子は、ＣＣＤに比べて消費電力が低い。

２次元マトリクス状アドレス読み出し式の撮像素子は、２次元マトリクス状に単位画素回路が配列され、各単位撮像素子が画像の各画素に対応して受光した光を光電変換して電圧信号を出力する。また、２次元マトリクスのうちの一方向に複数ラインが配置され、各ライン別に露光が行われる。このような、２次元マトリクス状アドレス読み出し式の撮像素子において、角速度センサ等の手ぶれセンサにより検出された手ぶれ量に基づいて、画像信号を画像処理して手ぶれ補正する構成が考えられている（例えば、特許文献２参照）。
特開平５−３１６４０４号公報 特開２００４−２６６３３２号公報

しかし、従来の手ぶれ補正機能を有する機器では、特許文献１、特許文献２に記載の発明のように手ぶれを検出するセンサ、又は画像データから手ぶれを検出する構成が必要であり構成が複雑になるという問題があった。

本発明の課題は、２次元マトリクス状アドレス読み出し式の撮像素子において、手ぶれの検出を行うことなく、撮像画像の手ぶれの影響を低減することである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
結像された光を画素信号に変換する２次元マトリクス状に配列された複数の単位光電変換部と、
前記各単位光電変換部の画素信号を２次元らせん状に中心から外側へ読み出して出力する読み出し部と、を備えることを特徴とする撮像素子である。

請求項２に記載の発明は、
結像された光を画素信号に変換する２次元らせん状に配列された複数の単位光電変換部と、
前記各単位光電変換部の画素信号を前記２次元らせん状に中心から外側へ読み出して出力する読み出し部と、を備えることを特徴とする撮像素子である。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の撮像素子において、
前記各単位光電変換部は、同一の受光面積であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の撮像素子において、
前記各単位光電変換部は、２次元らせん状に中心から外側にいくに従って受光面積が大きくなることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記読み出し部は、前記単位光電変換部にグローバルリセットをかけて各画素信号を読み出すことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記読み出し部により読み出された同一画像内の画素信号を、２次元らせん状に中心から外側にいくに従ってゲインの割合を高めて増幅するゲイン制御部を備えることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記読み出し部により読み出された画素信号を画素ごとに記憶し、当該記憶した画素信号を２次元マトリクス状の順に画像信号として出力する記憶部を備えることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、
請求項１から６のいずれか一項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子から読み出された画素信号のアドレスを２次元マトリクス状のアドレスに変換するアドレス制御部と、
前記２次元マトリクス状のアドレスに変換された画素信号を記憶し、当該記憶した画素信号を前記２次元マトリクス状のアドレス順に画像信号として出力する記憶部と、を備えることを特徴とする画像入力装置である。

請求項９に記載の発明は、
請求項１から５のいずれか一項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子から読み出された画素信号のアドレスを２次元マトリクス状のアドレスに変換するアドレス制御部と、
前記２次元マトリクス状のアドレスに変換された画素信号を記憶し、当該記憶した画素信号を前記２次元マトリクス状のアドレス順に画像信号として出力する記憶部と、
前記撮像素子又は前記アドレス制御部から出力された同一画像内の画素信号を、２次元らせん状に中心から外側にいくに従ってゲインの割合を高めて増幅するゲイン制御部と、を備えることを特徴とする画像入力装置である。

請求項１に記載の発明によれば、２次元マトリクス状アドレス読み出し式の撮像素子において、画素信号が２次元らせん状に読み出されるので、その画素信号を２次元マトリクス状に変換することにより、手ぶれを検出することなく、撮像画像において特に中心付近での手ぶれ及び被写体ぶれの影響を大きく低減でき、画像全体として手ぶれ及び被写体ぶれの影響を容易に低減できる。

請求項２に記載の発明によれば、２次元らせん状アドレス読み出し式の撮像素子において、画素信号が２次元らせん状に読み出されるので、２次元らせん状の画素信号の読み出しをより正確に行うことができ、その画素信号を２次元マトリクス状に変換することにより、手ぶれを検出することなく、撮像画像において特に中心付近での手ぶれ及び被写体ぶれの影響を大きく低減でき、画像全体として手ぶれ及び被写体ぶれの影響を容易に低減できる。

請求項３に記載の発明によれば、各単位光電変換部が同一の受光面積であるので、画素信号を２次元マトリクス状に変換する処理等の後処理を容易にすることができる。

請求項４に記載の発明によれば、各単位光電変換部が中心から２次元らせん状に外側にいくに従って受光面積が大きくなるので、２次元らせん状に画像中心から外側へいくに従って画素を明るくでき、撮像画像をシェーディング補正できる。

請求項５に記載の発明によれば、グローバルリセットを用いて各画素信号を読み出すので、２次元らせん状に画像中心から外側へいくに従って画素を明るくでき、撮像画像をシェーディング補正できる。

請求項６に記載の発明によれば、読み出し部から出力された同一画像内の画素信号を、２次元らせん状に画像中心から外側へいくに従ってゲインの割合を高めて増幅するので、２次元らせん状に画像中心から外側へいくに従って画素を明るくでき、撮像画像をシェーディング補正できる。

請求項７に記載の発明によれば、２次元らせん状に読み出された画素信号を、画素ごとに記憶して２次元マトリクス状の順に画像信号として出力するので、手ぶれを検出することなく、撮像画像において特に中心付近での手ぶれ及び被写体ぶれの影響を大きく低減でき、画像全体として手ぶれ及び被写体ぶれの影響を容易に低減できるとともに、撮像素子周辺の装置構成を簡単にすることができる。

請求項８に記載の発明によれば、撮像素子で２次元らせん状に読み出された画素信号を、２次元マトリクス状にアドレス変換し記憶して２次元マトリクス状の順に画像信号として出力するので、手ぶれを検出することなく、撮像画像において特に中心付近での手ぶれ及び被写体ぶれの影響を大きく低減でき、画像全体として手ぶれ及び被写体ぶれの影響を容易に低減できる。

請求項９に記載の発明によれば、撮像素子で２次元らせん状に読み出された画素信号を、２次元マトリクス状にアドレス変換し記憶して２次元マトリクス状の順に画像信号として出力するので、手ぶれを検出することなく、撮像画像において特に中心付近での手ぶれ及び被写体ぶれの影響を大きく低減でき、画像全体として手ぶれ及び被写体ぶれの影響を容易に低減できるとともに、撮像素子又はアドレス制御部から出力された同一画像内の画素信号を、２次元らせん状に画像中心から外側へいくに従ってゲインの割合を高めて増幅するので、２次元らせん状に画像中心から外側へいくに画素を明るくでき、撮像画像をシェーディング補正できる。

以下、添付図を参照して本発明に係る第１、第２及び第３の実施の形態を順に詳細に説明する。ただし、発明の範囲は、説明する例に限定されるものではない。

（第１の実施の形態）
図１〜図６を参照して、本発明に係る第１の実施の形態の装置構成を説明する。図１に、本実施の形態のデジタルスチルカメラ１の内部構成を示す。

図１に示すように、撮像装置としてのデジタルスチルカメラ１は、光学系１０と、画像入力装置としての画像入力部２と、制御部５０と、光学系駆動部６０と、画像処理部７０と、画像メモリ８０と、画像圧縮部９０と、画像記録部１００と、表示部１１０と、操作部１２０と、を備えて構成される。

光学系１０は、ズームレンズ等のレンズや絞り等を含む光学系であり、被写体からの光が入射され、画像入力部２の後述する撮像素子２０に結像する。画像入力部２は、２次元マトリクス状アドレス読み出し式としてのライン露光型（ローリング・シャッタ）のＣＭＯＳイメージセンサ等の撮像素子２０を含み、入射光をＲ，Ｇ，Ｂ毎に光電変換してそのデジタルの画像信号を出力する。

制御部５０は、デジタルスチルカメラ１の各部を制御する。制御部５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）を含み、ＲＯＭから読み出されてＲＡＭに展開された各種プログラムと、ＣＰＵとの協働で各種処理を実行する。

光学系駆動部６０は、制御部５０の制御により、変倍、フォーカス、絞り等において、光学系１０を駆動制御する。

画像処理部７０は、画像データに各種画像処理を施し、例えば、ＡＦＥ３０から出力されたデジタルの画像データを輝度信号及び色差信号に変換する。

画像メモリ８０は、画像データを読み出し及び書き込み可能に記憶する。画像圧縮部９０は、ＪＰＥＧ（Joint Photographic Experts Group）等の圧縮方式により、輝度信号及び色差信号で表現される画像データを圧縮する。画像記録部１００は、図示しないスロットにセットされた、ＳＤ（Secure Digital）メモリカード、メモリスティック、ｘＤピクチャカード等の記録メディアに画像データを記録する。

表示部１１０は、カラー液晶パネル、ＥＬ（ElectroLuminescent）ディスプレイ等であり、撮影後の画像データ、撮影前のスルー画像、各種操作画面等を表示する。操作部１２０は、レリーズボタン、各種モード、値を設定するための各種操作キーを含み、ユーザにより操作入力された情報を制御部５０に出力する。

次いで、図２〜図５を参照して、画像入力部２の構成を詳細に説明する。図２に、画像入力部２の内部構成を示す。図３に、撮像部２１の構成を示す。図４に、光電変換部２１１の構成を示す。図５に、光電変換部２１１における単位光電変換部２１１１の配列構成を示す。

図２に示すように、画像入力部２は、撮像素子２０と、アドレス制御部２２と、記憶部としてのＳＤＲＡＭ（SynchronousDynamic RAM）２３と、を備えて構成される。撮像素子２０は、撮像部２１と、ＡＦＥ（Analog Front End）３０と、タイミング発生部４０と、を備えて構成される。撮像部２１は、光学系１０によって受光面上に結像された被写体の光学像を電気信号に変換し、変換したアナログの画像信号をアドレス制御部２２に出力する。後述するように、撮像部２１において画像信号を形成する各画素信号の読み出しは、中心から外側に向けて２次元らせん状に行われる。

ＡＦＥ３０は、センサ駆動回路、センサ出力のノイズを軽減させるＣＤＳ（Correlated Double Sampling：相関二重サンプリング）回路、信号の増幅を行うＡＧＣ（Automatic Gain Control：自動利得制御）回路、Ａ／Ｄ変換回路等から構成され、撮像部２１から出力されたアナログの画像信号に各処理を施してデジタル画像データを出力する。タイミング発生部４０は、制御部５０の制御により、撮像部２１及びＡＦＥ３０で画像信号出力用の各種タイミングをとるためのタイミング信号を出力する。

図３に示すように、撮像部２１は、光電変換部２１１と、読み出し部としての、読み出し用垂直シフトレジスタ２１２、リセット用垂直シフトレジスタ２１３、水平シフトレジスタ２１４及び出力アンプ２１５と、を備える。

読み出し用垂直シフトレジスタ２１２は、光電変換部２１１で光電変換された信号電荷を水平画素列（走査線）毎に読み出すアドレス指定を行う。リセット用垂直シフトレジスタ２１３は、水平画素列（走査線）毎に各画素に蓄積された信号電荷をリセットするためのアドレス指定を行う。水平シフトレジスタ２１４は、光電変換部２１１で光電変換された信号電荷を水平画素列毎に水平転送する。

図４に示すように、光電変換部２１１は、二次元マトリクス状に配列されている複数の単位画素回路としての単位光電変換部２１１１と、読み出し用垂直シフトレジスタ２１２に接続されている複数の垂直走査線２１１２と、リセット用垂直シフトレジスタ２１３に接続されている複数のリセット走査線２１１３と、水平スイッチトランジスタ２１６を介して水平シフトレジスタ２１４及び出力信号線２１７に接続されている垂直信号線２１１４と、を有している。

各単位光電変換部２１１１は、フォトダイオード２１１５と、アンプ２１１６と、垂直走査線２１１２及び垂直信号線２１１４に接続されている選択トランジスタ２１１７と、リセット走査線２１１３に接続されているリセットトランジスタ２１１８等とを備える。

フォトダイオード２１１５で光電変換された信号電荷は、フォトダイオード２１１５の電圧変化に置き換えられ、アンプ２１１６で増幅される。そして、読み出し用垂直シフトレジスタ２１２から垂直走査線２１１２に順次選択パルスが印加されると、選択パルスの印加された垂直走査線２１１２に接続された選択トランジスタ２１１７がＯＮになり、アンプ２１１６で増幅された信号電荷が選択トランジスタ２１１７を介して垂直信号線２１１１４に読み出される。そして、水平シフトレジスタ２１４から水平スイッチトランジスタ２１６に順次選択パルスが印加されると、垂直信号線２１１４上の信号電荷が、順次出力信号線２１７に読み出されて出力アンプ２１５で増幅され、その電圧信号が画素信号として出力される。

また、リセット用垂直シフトレジスタ２１３からリセットパルスが各リセット走査線２１１３に印加されると、リセットトランジスタ２１１８がＯＮになり、フォトダイオード２１１５の信号電荷がリセットされる。

タイミング発生部４０は、制御部５０から入力される露光時間指示信号に基づいて、撮像部２１の読み出し用垂直シフトレジスタ２１２、リセット用垂直シフトレジスタ２１３、水平シフトレジスタ２１４を駆動する各種タイミング信号を発生し、撮像部２１に出力する。また、各フレームの画像信号を区別するために用いられる読み出しタイミング信号を制御部５０に出力する。露光時間指示信号は、本実施の形態において、光電変換部２１１の中心から外側へ２次元らせん状に単位光電変換部２１１１を順に選択して露光する信号である。

光電変換部２１１における各単位光電変換部２１１１の露光及び読み出しは、２次元らせん状で画素単位に順に行われ、例えば、図５における単位光電変換部２１１１のマス内に記載された番号順に行われる。しかし、図５の例に限定されるものではなく、より円形に近いらせん状に露光及び読み出しされる構成等のように、中心から外側へ向かってらせん状に各画素について漏れなく露光及び読み出しする構成としてもよい。

このように、撮像部２１から、２次元らせん状に露光して読み出した画素信号が出力される。撮像部２１から出力されたアナログの画素信号は、ＡＦＥ３０により２次元らせん状の出力順のデジタルの画素信号に変換される。アドレス制御部２２では、２次元らせん状の出力順の各画素信号のアドレスが変換され、２次元マトリクス状にアドレスが変換された画素信号として出力される。ＳＤＲＡＭ２３では、アドレスが変換された画素信号が、らせん状の順に入力されて記憶され、その記憶された画素信号が、変換されたアドレスの順に（２次元マトリクス状の順に）読み出されて、デジタルの画像信号として出力される。

ここで、デジタルスチルカメラ１における全体的な動作を説明する。被写体撮影では、被写体のモニタリング（スルー画像表示）と、画像撮影実行とが行われる。モニタリングにおいては、光学系１０を介して得られた被写体の光が、画像入力部２の撮像素子２０に結像される。そして、光学系１０の撮影光軸後方に配置された撮像部２１が、タイミング発生部４０のタイミング信号によって走査駆動され、一定周期毎に結像した光像に対応する光電変換出力としてのアナログの画素信号が１画面分出力される。このとき、撮像部２１における走査駆動により露光及び画素信号の読み出しが２次元らせん状に行われる。この２次元らせん状の順のアナログの画素信号は、ＡＦＥ３０によりＲＧＢの各原色成分毎に各処理が行われた後にデジタルの画素信号に変換される。このデジタルの画素信号は、アドレス制御部２２及びＳＤＲＡＭ２３により、２次元マトリクス状に変換されてデジタルの画像信号として出力される。

そのデジタルの画像データは、画像処理部７０により、画素補間処理及びγ補正処理を含むカラープロセス処理が行なわれて、デジタル値の輝度信号Ｙ及び色差信号Ｃｂ，Ｃｒが生成されて画像メモリ８０に格納され、定期的にその輝度信号及び色差信号が読み出されて、画像処理部７０によりそのビデオ信号に変換されて、表示部１１０に出力される。

この表示部１１０は、入力されるビデオ信号に基づいて画像表示し、モニタリングにおいては電子ファインダとして機能し、撮像画像をリアルタイムに表示することとなる。この状態で、随時、ユーザの操作部１２０を介する操作入力に基づいて、光学系駆動部６０の駆動により光学系１０の変倍、フォーカス、絞り等が設定される。

このようなモニタリング状態において、静止画撮影を行ないたいタイミングで、ユーザが操作部１２０のレリーズボタンを押下することにより、静止画像データが撮影される。レリーズボタンの押下のタイミングで、画像メモリ８０に格納された１コマの画像データが読み出される。そして、その画像データが画像圧縮部９０により圧縮され、その圧縮された画像データが、画像記録部１００により記録メディアに記録される。

以上、本実施の形態によれば、２次元マトリクス状に単位光電変換部２１１１が配列された撮像部２１を有する撮像素子２０において、２次元らせん状に露光及び画素信号の読み出しが行われ、アドレス制御部２２及びＳＤＲＡＭ２３が、その画素信号を２次元マトリクス状にアドレス変換しその変換したアドレス順に画像データとして出力することにより、手ぶれを検出することなく、被写体等の重要な像が写る撮像画像の中心付近での手ぶれの影響を特に大きく低減でき、画像全体として手ぶれの影響を容易に低減することができる。さらに、手ぶれと同様に、画像全体として被写体ぶれの影響を容易に低減できる。

また、一般的に、光学系のレンズにより撮像画像には、明るさのムラとして、画像の中心から外側にいくに従って暗くなるシェーディングが発生する。本実施の形態では、撮像素子２０においてグローバルリセットを用いて撮像することにより、最初に読み出される中心画素から外側の画素にいくに従って露光時間が長くなり画素の明るさを明るくでき、撮像画像を容易にシェーディング補正できる。

上記シェーディング補正について具体例を挙げて説明する。撮像素子２０の撮像部２１において、各画素の露光は、グローバルリセット解除後から始まる。画素の読み出しスピードが20［MHz］だとすると、一画素読み出すのには、50［ns］掛かる。最初に読み出す中心位置の画素の露光時間が1／30［s］（＝33［ms］）だとすると、次に読み出す画素の露光時間は、33.00005［ms］となる。撮像素子２０が３０万画素（ＶＧＡ相当）のセンサだとすると、最後に読み出す最も外側に位置する画素の露光時間は、48［ms］（＝33［ms］＋0.00005［ms］×300000）となる。よって、この場合、最初に読み出す画素と、最後に読み出す画素とで露光差が、１．５倍程度になり、シェーディング補正効果が得られる。

さらに、最初の画素の露光時間に応じてグローバルリセットによる処理を適宜変更することが好ましい。例えば、グローバルリセットにより、最初の画素の露光時間が短くなり、過度の露光差が発生する場合（レンズ等によるシェーディングより大きくなる場合）は、グローバルリセットを使用せず、シェーディング補正を行わない。また、グローバルリセットにより、最初に読み出す画素の露光時間が長くなる場合に、読み出し速度を落とし、レンズ等によるシェーディング補正に適した露光差にする。

（第２の実施の形態）
図６及び図７を参照して本発明に係る第２の実施の形態を説明する。図６に、撮像部２１ａの断面構成を示す。図７に、撮像部２１ｂの構成を示す。本実施の形態のデジタルスチルカメラは、第１の実施の形態のデジタルスチルカメラ１と同様であり、画像入力部２を図６に示す撮像部２１ａを備える画像入力部に代えたものであり、説明の重複を避けるため、デジタルスチルカメラ１と異なる部分を主として説明する。

本実施の形態の画像入力部は、撮像部２１ａを備え、アドレス制御部及びＳＤＲＡＭを有しない。図６に示すように、撮像部２１ａでは、各画素（単位光電変換部）において、Ｐ型半導体の半導体層２１８上にＮ型半導体の半導体層２１９が形成され、半導体層２１９上にＰ型半導体のフォトダイオード２１１５と記憶部としての電荷検出部２２０とが形成されている。また、撮像部２１ａでは、フォトダイオード２１１５と電荷検出部２２０との間の上部に内部読み出し部２２１が設けられ、さらに電荷検出部２２０及び内部読み出し部２２１の上部に、遮光膜２２２が設けられる。

内部読み出し部２２１には、タイミング発生部４０から出力されるタイミング信号に基づく内部読み出し信号が入力される。露光が開始されると、光学系１０により結像された光は、フォトダイオード２１１５で光電変換されて電荷として蓄積される。そして、内部読み出し部２２１において、内部読み出し信号がオンされると、フォトダイオード２１１５と電荷検出部２２０との間にチャネルが形成され、フォトダイオード２１１５の電荷が電荷検出部２２０に移動して蓄積される。電荷検出部２２０は、遮光膜２２２に覆われているので、電荷検出部２２０での光電変換による新規な電荷の発生を防ぐことができる。

そして、垂直走査線２１１２の外部読み出し信号がオンされるまでの間、電荷検出部２２０に電荷が蓄積され、アナログメモリとして機能する。つまり、電荷検出部２２０が、画素ごとの画素値を一時的に記憶するバッファとして機能する。

このように、撮像部２１ａにおいて、読み出し用垂直シフトレジスタ２１２、リセット用垂直シフトレジスタ２１３及び水平シフトレジスタ２１４により、光電変換部２１１のフォトダイオード２１１５で２次元らせん状に露光及び内部読み出しされた画素信号が画素ごとに各電荷検出部２２０に一時記憶される。各電荷検出部２２０に記憶された画素信号は、２次元マトリクス状の順に読み出されて出力される。そして、出力された２次元マトリクス状の画素信号は、出力アンプ２１５で増幅され、アナログの画像信号としてＡＦＥ３０に出力される。

本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を有するとともに、撮像部２１ａ周辺の装置構成を簡単にすることができる。また、全画素の内部読み出し部２２１に入力する内部読み出し信号をオンすることにより、第１の実施の形態で述べたグローバルリセットを容易に実現できる。

ＣＭＯＳセンサ等の撮像素子は、ＣＣＤに比較して、製造プロセスの関係から、システム・オン・チップが容易であり、画素ごとに電荷検出部２２０を設ける構成を容易に実現できる。これに関して、出力アンプ２１５に代えて、画素ごとに出力アンプを設ける構成としてもよい。

なお、本実施の形態では、画素ごとに電荷検出部２２０を設ける構成としたが、図７に示す撮像部２１ｂのように、各画素に対応して画素信号を一時的に記憶するとともに全画素信号を記憶可能なバッファ２２３を設ける構成としてもよい。

撮像部２１ｂにおいて、読み出し用垂直シフトレジスタ２１２、リセット用垂直シフトレジスタ２１３及び水平シフトレジスタ２１４により、光電変換部２１１から２次元らせん状に露光及び読み出された画素信号が画素ごとに、読み出した順（２次元らせん状の順）でバッファ２２３に一時記憶される。バッファ２２３では、記憶された画素信号が２次元マトリクス状の画素信号の順で出力される。バッファ２２３から出力された２次元マトリクス状の画素信号は、出力アンプ２１５で増幅され、アナログの画像信号としてＡＦＥ３０に出力される。

（第３の実施の形態）
図８を参照して、本発明に係る第３の実施の形態を説明する。図８に、光電変換部２１１ｃの画素配列構成を示す。本実施の形態のデジタルスチルカメラは、第１、第２の実施の形態のデジタルスチルカメラと同様であり、撮像部２１，２１ａ，２１ｂの光電変換部２１１を図８に示す光電変換部２１１ｃに代えたものであり、説明の重複を避けるため、デジタルスチルカメラ１と異なる部分を主として説明する。

図８に示すように、光電変換部２１１ｃには、各画素に対応する単位光電変換部２１１１ｃが、中心から外側に向かって２次元らせん状に配列されている。また、各単位光電変換部２１１１ｃの受光面積は、同じ値であるものとする。光電変換部２１１ｃでの露光及び画素信号の読み出しは、中心の単位光電変換部２１１１ｃから外側へ２次元らせん状で画素単位に行われる。また、光電変換部２１１ｃの端部の単位光電変換部２１１１ｃから出力される画素信号は、ゲイン調整等、適切な画像信号を形成するように適宜調整されることが好ましい。

本実施の形態によれば、第１、第２の実施の形態と同様の効果を有するとともに、２次元らせん状の画素信号の読み出しをより正確に行うことができる。さらに、各単位光電変換部２１１１ｃの受光面積が同じ値であるので、２次元らせん状の画素信号を２次元マトリクス状に変換する処理等の後段の処理を容易に行うことができる。

また、光電変換部２１１ｃにおける単位光電変換部２１１１ｃの受光面積は、図８の例に限定されるものではない。例えば、光電変換部２１１ｃの中心かららせん状の順に外側にいくに従って単位光電変換部の受光面積が大きくなる構成としてもよい。この構成では、グローバルリセットを行わずとも、２次元らせん状に画像中心から外側にいくに従って画素を明るくでき、撮像画像のシェーディング補正を行うことができる。例えば、受光面積が１．２５倍なら、シェーディングにより２割露光量が落ちてもシェーディング補正できる。さらに、この構成をグローバルリセットと併用して撮像画像のシェーディング補正をより効果的に行うこととしてもよい。

ただし、実際に中心より外側にいくに従って画素の面積を大きくすると、通常の画像（２次元マトリクス状）に変換したときに、中心より外側にいくに従って単位面積当たりの画素数が減ってしまう。よって、画像信号に単位面積当たりの画素数を補間する補間処理を行うことになる。この補間処理は、撮像素子の内部又は外部で行われる。また、画像の解像度は、外側にいくに従って低くなるが、解像度の低下の影響よりも、シェーディングの影響の方が目立つため、光電変換部において中心より外側にいくに従って画素の面積を大きくする構成は有効である。

（変形例）
図９を参照して、第１の実施の形態の変形例を説明する。図９に、画像入力部２ｄの構成を示す。本変形例のデジタルスチルカメラは、第１の実施の形態のデジタルスチルカメラ１と同様であり、画像入力部２を図８に示す画像入力部２ｄに代えたものであり、説明の重複を避けるため、デジタルスチルカメラ１と異なる部分を主として説明する。

図９に示すように、画像入力部２ｄは、撮像素子２０と、アドレス制御部２２と、ＳＤＲＡＭ２３と、アドレス制御部２２及びＳＤＲＡＭ２３の間に設けられたゲイン制御部２４と、を備えて構成される。アドレス制御部２２から、アドレス変換された２次元らせん状の順に画素信号が出力され、ゲイン制御部２４により各画素信号がゲイン調整されてＳＤＲＡＭ２３に出力される。

ゲイン制御部２４におけるゲインの割合は、同一の画像の各画素信号について、時間経過とともに徐徐に高めていくものとする。このように設定されるゲインの割合により、画像の中心から外側にいくに従って、画素信号のゲインの割合が高くなり、その画素も明るくなっていくため、グローバルリセットを行わずとも、撮像画像のシェーディング補正を行うことができる。そして、シェーディング補正され、アドレス変換されシェーディング補正された画素信号が２次元らせん状の順に、ＳＤＲＡＭ２３に入力されて記憶され、シェーディング補正された２次元マトリクス状の画素信号が順に画像信号として出力される。

以上、第１の実施の形態の変形例としてゲイン制御部２４を設ける構成を説明したが、
これに限定されるものではなく、例えば、撮像素子内の出力アンプ２１５を、同一画像で２次元らせん状に中心から外側にいくに従ってゲインの割合を徐々に高めていくゲイン制御部として用いる構成としてもよい。例えば、第２の実施の形態の図７に示す撮像部２１ｂにおいて、バッファ２２３の前段に、ゲイン制御部２４に対応するゲイン制御部を設ける構成としてもよい。また、撮像素子内の出力アンプが画素ごとに設けられている場合にも、その画素ごとの出力アンプを、同一画像で２次元らせん状に中心から外側にいくに従ってゲインの割合を徐々に高めていくゲイン制御部として用いる構成としてもよい。また、第３の実施の形態でも、第１、第２の実施の形態と同様に、ゲイン制御部を設けることとしてもよい。

なお、上記各実施の形態及び変形例における記述は、本発明に係る好適な撮像素子及び画像入力装置の一例であり、これに限定されるものではない。

例えば、上記各実施の形態及び変形例において、画像入力装置は、少なくとも画像入力部を備える装置であり、画像入力部を含む撮像装置としてもよい。また、撮像装置として、デジタルスチルカメラの例を説明したがこれに限定されるものではなく、ビデオカメラや、撮像機能付の携帯電話機、ＰＨＳ（Personal Handyphone System）、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）等の少なくとも撮像機能を有する携帯端末等の機器としてもよい。

また、撮像装置を、上記機器に搭載される撮像ユニットとしてもよい。ここで、図１０を参照して、撮像装置としての撮像ユニット３５０を搭載した携帯電話機３００の例を説明する。図１０に、携帯電話機３００の内部構成を示す。

図１０に示すように、携帯電話機３００は、各部を統括的に制御すると共に各処理に応じたプログラムを実行する制御部（ＣＰＵ）３１０と、番号等をキーにより操作入力するための操作部３２０と、所定のデータの他に撮像した映像等を表示する表示部３３０と、アンテナ３４１を介して外部サーバ等との間の各種情報通信を実現するための無線通信部３４０と、撮像装置としての撮像ユニット３５０と、携帯電話機３００のシステムプログラムや各種処理プログラム等の必要な諸データを記憶している記憶部（ＲＯＭ）３６０と、制御部３１０によって実行される各種処理プログラムやデータ、若しくは処理データ、或いは撮像ユニット３５０により撮像データ等を一時的に格納する作業領域として用いられる一時記憶部（ＲＡＭ）３７０とを備えている。

撮像ユニット３５０は、光学系１０と、画像入力部と、鏡筒と、光学系１０及び撮像素子部の駆動機構等と、を備えて構成され、撮像ユニット３５０自体は、制御部や画像処理部を有せず、コネクタ等により制御部、操作部、表示部等に結合されることを前提としたレンズユニットとする。具体的には、撮像ユニット３５０は、例えば、光学系における筐体の物体側端面が携帯電話機３００の背面（表示部３３０のメイン表示部を正面とする）に設けられ、メイン表示部の下方に相当する位置に配設される。また、撮像ユニット３５０の外部接続端子は、携帯電話機３００の制御部３１０と接続され、撮像ユニット３５０により撮像された輝度信号や色差信号等の画像信号が外部接続端子を介して制御部３１０側に出力される。また、撮像ユニット３５０から入力された画像信号は、携帯電話機３００の制御系により、記憶部３６０に記憶されたり、或いは表示部３３０で表示され、さらには、無線通信部３４０を介して映像情報として外部に送信される。

また、撮像装置としての撮像ユニットは、光学系１０と、画像入力部と、鏡筒と、光学系１０及び撮像素子の駆動機構等と、基板上に配置された制御部及び画像処理部等と、を有し、コネクタ等により表示部及び操作部等を有する別体に結合され用いられることを前提とするカメラモジュールとして構成してもよい。

また、上記各実施の形態及び変形例において、撮像素子は、画像処理部７０と分けられていたが、これに限定されるものではなく、画像処理部７０等の画像処理機能の一部を実行可能な構成としてもよい。

本発明に係る第１の実施の形態のデジタルスチルカメラ１の内部構成を示す図である。 画像入力部２の内部構成を示すブロック図である。 撮像部２１の構成を示す図である。 光電変換部２１１の構成を示す図である。 光電変換部２１１における単位光電変換部２１１１の配列構成を示す図である。 撮像部２１ａの断面構成を示す図である。 撮像部２１ｂの構成を示す図である。 光電変換部２１１ｃの画素配列構成を示す図である。 画像入力部２ｄの構成を示すブロック図である。 携帯電話機３００の内部構成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
２，２ｄ 画像入力部
２０，２０ｃ 撮像素子
２１，２１ａ，２１ｂ 撮像部
２１１，２１１ｃ 光電変換部
２１１１，２１１１ｃ 単位光電変換部
２１１２ 垂直走査線
２１１３ リセット走査線
２１１４ 垂直信号線
２１１５ フォトダイオード
２１１６ アンプ
２１１７ 選択トランジスタ
２１１８ リセットトランジスタ
２１２ 読み出し用垂直シフトレジスタ
２１３ リセット用垂直シフトレジスタ
２１４ 水平シフトレジスタ
２１５ 出力アンプ
２１６ 水平スイッチトランジスタ
２１７ 出力信号線
２１８，２１９ 半導体層
２２０ 電荷検出部
２２１ 内部読み出し部
２２２ 遮光膜
２２３ バッファ
３０ ＡＦＥ
４０ タイミング発生部
２２ アドレス制御部
２３ ＳＤＲＡＭ
２４ ゲイン制御部
５０ 制御部
６０ 光学系駆動部
７０ 画像処理部
８０ 画像メモリ
９０ 画像圧縮部
１００ 画像記録部
１１０ 表示部
１２０ 操作部
３００ 携帯電話機
３１０ 制御部
３２０ 操作部
３３０ 表示部
３４０ 無線通信部
３４１ アンテナ
３５０ 撮像ユニット
３６０ 記憶部
３７０ 一時記憶部

Claims (9)

1. 結像された光を画素信号に変換する２次元マトリクス状に配列された複数の単位光電変換部と、
   前記各単位光電変換部の画素信号を２次元らせん状に中心から外側へ読み出して出力する読み出し部と、を備えることを特徴とする撮像素子。
2. 結像された光を画素信号に変換する２次元らせん状に配列された複数の単位光電変換部と、
   前記各単位光電変換部の画素信号を前記２次元らせん状に中心から外側へ読み出して出力する読み出し部と、を備えることを特徴とする撮像素子。
3. 前記各単位光電変換部は、同一の受光面積であることを特徴とする請求項２に記載の撮像素子。
4. 前記各単位光電変換部は、２次元らせん状に中心から外側にいくに従って受光面積が大きくなることを特徴とする請求項２に記載の撮像素子。
5. 前記読み出し部は、前記単位光電変換部にグローバルリセットをかけて各画素信号を読み出すことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の撮像素子。
6. 前記読み出し部により読み出された同一画像内の画素信号を、２次元らせん状に中心から外側にいくに従ってゲインの割合を高めて増幅するゲイン制御部を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の撮像素子。
7. 前記読み出し部により読み出された画素信号を画素ごとに記憶し、当該記憶した画素信号を２次元マトリクス状の順に画像信号として出力する記憶部を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の撮像素子。
8. 請求項１から６のいずれか一項に記載の撮像素子と、
   前記撮像素子から読み出された画素信号のアドレスを２次元マトリクス状のアドレスに変換するアドレス制御部と、
   前記２次元マトリクス状のアドレスに変換された画素信号を記憶し、当該記憶した画素信号を前記２次元マトリクス状のアドレス順に画像信号として出力する記憶部と、を備えることを特徴とする画像入力装置。
9. 請求項１から５のいずれか一項に記載の撮像素子と、
   前記撮像素子から読み出された画素信号のアドレスを２次元マトリクス状のアドレスに変換するアドレス制御部と、
   前記２次元マトリクス状のアドレスに変換された画素信号を記憶し、当該記憶した画素信号を前記２次元マトリクス状のアドレス順に画像信号として出力する記憶部と、
   前記撮像素子又は前記アドレス制御部から出力された同一画像内の画素信号を、２次元らせん状に中心から外側にいくに従ってゲインの割合を高めて増幅するゲイン制御部と、を備えることを特徴とする画像入力装置。

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