JP2007020119A

JP2007020119A - Ｃｃｄイメージセンサの駆動方法、および撮影装置の駆動方法

Info

Publication number: JP2007020119A
Application number: JP2005202239A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Oda; 和也小田
Original assignee: Fujifilm Holdings Corp
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2005-07-11
Filing date: 2005-07-11
Publication date: 2007-01-25
Anticipated expiration: 2025-07-11
Also published as: US7710484B2; US20070019092A1; JP4566848B2

Abstract

【課題】垂直ＣＣＤに起因する補正データの取得を効率よく行うことができるＣＣＤイメージセンサの駆動方法、および撮影装置の駆動方法を提供する。
【解決手段】第１水平ラインに属する光電変換素子から信号電荷を読み出して垂直・水平転送させる第１フィールドと、第２水平ラインに属する光電変換素子から信号電荷を読み出して垂直・水平転送させる第２フィールドとからなるインターレーススキャンによってＣＣＤイメージセンサ２を駆動させる。第１フィールドでは、選択図のように、第１水平ラインの信号電荷Ｑｓとともに、ＶＣＣＤ１２上の第２水平ラインのノイズ電荷Ｑｎを垂直・水平転送させる。第２フィールドでは、第２水平ラインの信号電荷Ｑｓとともに、ＶＣＣＤ１２上の第１水平ラインのノイズ電荷Ｑｎを垂直・水平転送させる。ＣＣＤイメージセンサ２を備えた撮影装置では、ＩＳＯ感度の設定値が所定値より大きい場合に上記動作を実行する。
【選択図】図４

Description

本発明は、ノイズ補正に供するＣＣＤイメージセンサの駆動方法、およびＣＣＤイメージセンサを備えた撮影装置の駆動方法に関する。

デジタルカメラやカメラ付き携帯電話などの撮影装置に搭載される固体撮像素子として、ＣＣＤイメージセンサが知られている。ＣＣＤイメージセンサは、行列状に２次元配置され、入射光をその光量に応じた信号電荷に変換して蓄積する複数個の光電変換素子（フォトダイオード）と、光電変換素子の垂直列毎に設けられ、各光電変換素子からの信号電荷を垂直転送する複数本の垂直ＣＣＤと、垂直ＣＣＤから転送される１水平ライン（行）分の信号電荷を水平転送する水平ＣＣＤとを有し、信号電荷の電荷量に応じた撮像信号を出力する。

ＣＣＤイメージセンサには、スミアと呼ばれる特有のノイズが発生する。スミアの発生にはいくつかのメカニズムが存在するが、垂直ＣＣＤに不要な電荷が混入することに起因する。また、垂直ＣＣＤに生じたスミアは、暗電流ノイズ（適正黒レベルに対するオフセット）として、取得される画像全体の黒レベルを変化させてしまう。この不都合を解決するための様々な手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平２００３−２６４７３６号公報

しかしながら、特許文献１記載の従来の手法では、暗電流ノイズによって変化した黒レベルを補正するために、通常の撮像動作とは別に補正データ（暗電流ノイズ）の取得動作を実施しており、補正データの取得動作に別途時間が要され、撮影時にタイムラグが生じる。このタイムラグは、長時間露光時などには特に問題とならないが、連写特性などに影響があり問題である。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、垂直ＣＣＤに起因する補正データの取得を効率よく行うことができるＣＣＤイメージセンサの駆動方法、および撮影装置の駆動方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のＣＣＤイメージセンサの駆動方法は、第１水平ラインに属する光電変換素子から信号電荷を読み出して転送させる第１フィールドと、第２水平ラインに属する光電変換素子から信号電荷を読み出して転送させる第２フィールドとからなるインターレーススキャン方式のＣＣＤイメージセンサの駆動方法において、前記第１フィールドでは、前記第１水平ラインの信号電荷とともに、垂直ＣＣＤ上の前記第２水平ラインのノイズ電荷を転送させ、前記第２フィールドでは、前記第２水平ラインの信号電荷とともに、垂直ＣＣＤ上の前記第１水平ラインのノイズ電荷を転送させることを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明の撮影装置の駆動方法は、第１水平ラインに属する光電変換素子から信号電荷を読み出して転送させる第１フィールドと、第２水平ラインに属する光電変換素子から信号電荷を読み出して転送させる第２フィールドとからなるインターレーススキャン方式のＣＣＤイメージセンサを備えた撮影装置の駆動方法において、ＩＳＯ感度の設定値が所定値より大きい場合に、前記第１フィールドでは、前記第１水平ラインの信号電荷とともに、垂直ＣＣＤ上の前記第２水平ラインのノイズ電荷を転送させ、前記第２フィールドでは、前記第２水平ラインの信号電荷とともに、垂直ＣＣＤ上の前記第１水平ラインのノイズ電荷を転送させることを特徴とする。

なお、前記第１フィールドで取得した前記第１水平ラインの信号電荷に応じた撮像信号から、前記第２フィールドで取得した前記第１水平ラインのノイズ電荷に応じたノイズ信号を減算させ、前記第２フィールドで取得した前記第２水平ラインの信号電荷に応じた撮像信号から、前記第１フィールドで取得した前記第２水平ラインのノイズ電荷に応じたノイズ信号を減算させることが好ましい。

本発明のＣＣＤイメージセンサの駆動方法によれば、第１フィールドでは、第１水平ラインの信号電荷とともに、垂直ＣＣＤ上の第２水平ラインのノイズ電荷を転送させ、第２フィールドでは、第２水平ラインの信号電荷とともに、垂直ＣＣＤ上の第１水平ラインのノイズ電荷を転送させるので、撮像信号と同時にノイズ信号を取得することができ、垂直ＣＣＤに起因する補正データの取得を効率よく行うことができる。

図１において、ＣＣＤイメージセンサ２は、入射光をその光量に応じた信号電荷に変換して蓄積する複数個の光電変換素子（ＰＤ）１０と、ＰＤ１０に蓄積された信号電荷を読み出す（転送する）読み出しゲート１１と、ＰＤ１０の垂直列毎に設けられ、ＰＤ１０から読み出しゲート１１を介して読み出された信号電荷を垂直転送する複数本の垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）１２と、ＶＣＣＤ１２から転送される信号電荷を水平転送する水平ＣＣＤ（ＨＣＣＤ）１３と、ＨＣＣＤ１３によって転送された信号電荷を信号電圧（撮像信号）に変換して出力する出力回路としてのフローティングディフュージョンアンプ（ＦＤＡ）１４とによって、インターライントランスファ方式で構成されている。

ＰＤ１０は、外形が八角形であり、所定のピッチでハニカム状に２次元配列されている。ＰＤ１０上には、カラーフィルタ２４およびマイクロレンズ２５（図２参照）が積層されており、ＰＤ１０は特定の色の光を光電変換する。なお、図中のＲＧＢの表記はカラーフィルタ２４の色配置を示しており、Ｒを付したＰＤ１０は赤色の光を、Ｇを付したＰＤ１０は緑色の光を、Ｂを付したＰＤ１０は青色の光を透過させるカラーフィルタ２４を備える。垂直方向および垂直方向に関して、ＲおよびＢのＰＤ１０が交互に並ぶラインと、ＧのＰＤ１０が並ぶラインとが交互に存在する。

ＶＣＣＤ１２は、図中点線で示すように垂直方向に延びており、ＲおよびＢのＰＤ１０が読み出しゲート１１を介して接続されたＶＣＣＤ１２と、ＧのＰＤ１０が読み出しゲート１１を介して接続されたＶＣＣＤ１２とが交互に配列されている。各ＶＣＣＤ１２は、水平方向に延びる８種類の第１〜第８転送電極Ｖ１〜Ｖ８によって電荷転送動作が制御され、信号電荷を垂直方向に転送する。転送電極Ｖ１〜Ｖ４は第１水平ライン、転送電極Ｖ５〜Ｖ８は第２水平ラインを構成する。第１および第２水平ラインはそれぞれ、ＲおよびＢのＰＤ１０が交互に並ぶラインと、ＧのＰＤ１０が並ぶラインとを１つずつ含む。

ＶＣＣＤ１２は、読み出しゲート１１を介して各ＰＤ１０から信号電荷を受け取り、図中上方から下方に向けて信号電荷を順次転送していく。ＶＣＣＤ１２は、インターレーススキャン（フレーム読み出し）とプログレッシブスキャン（全画素読み出し）とを可能とする。インターレーススキャンでは、第１水平ラインに属する各ＰＤ１０の信号電荷を読み出し、垂直・水平転送を行った後、第２水平ラインに属する各ＰＤ１０の信号電荷の読み出しを行う。プログレッシブスキャンでは、第１水平ラインと第２水平ラインとの区別なしに、全てのＰＤ１０の信号電荷を一斉に読み出す。

読み出しゲート１１は、ＰＤ１０とＶＣＣＤ１２との間に設けられており、第１転送電極Ｖ１、第３転送電極Ｖ３、第５転送電極Ｖ４、および第７転送電極Ｖ７によって制御される。転送電極Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７は、ＶＣＣＤ１２の垂直転送動作の制御と、読み出しゲート１１の読み出し動作の制御とに兼用される。なお、読み出しゲート１１を介したＰＤ１０からＶＣＣＤ１２への信号電荷の読み出しは、転送電極Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７に所定の高電圧を印加することでなされる。

ＨＣＣＤ１３は、ＶＣＣＤ１２の最終段に接続されている。ＨＣＣＤ１３は、各ＶＣＣＤ１２から受け取った信号電荷を、図中右方から左方に向けてＦＤＡ１４へシリアルに転送する。

図１のＡ−Ａ線に沿う縦断面を示す図２において、ＰＤ１０、読み出しゲート１１、およびＶＣＣＤ１２の具体的な構成を説明する。ｎ型半導体基板２０上にはｐ型ウェル層２１が形成されており、ｐ型ウェル層２１の表層にはｎ型層２２が形成されている。ｐ型ウェル層２１とｎ型層２２とによってＰＤ１０が構成され、ｎ型層２２の上方には、ＢＰＳＧなどからなる平坦化層２３を介してカラーフィルタ２４およびマイクロレンズ２５が形成されている。

また、ｐ型ウェル層２１の表層にはｎ型層２６がｎ型層２２から離間するように形成されており、ｎ型層２６の上方には、ポリシリコンからなる転送電極Ｖ１〜Ｖ８（転送電極Ｖ４〜Ｖ７は不図示）が形成されている。ｎ型層２６および転送電極Ｖ１〜Ｖ８によってＶＣＣＤ１２が構成され、ＶＣＣＤ１２は、転送電極Ｖ１〜Ｖ８の上方に形成された遮光膜２７によって遮光されている。

ｎ型層２６とｎ型層２２との間は、ｐ型ウェル層２１またはｐ⁺層２８によって電気的に分離されている。ｐ型ウェル層２１で分離された領域上には、転送電極Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７（転送電極Ｖ５，Ｖ７は不図示）が延在しており、この領域は、読み出しゲート１１として機能する。また、ｐ⁺層２８は、チャネルストップとして機能する。

マイクロレンズ２５およびカラーフィルタ２４を介してＰＤ１０に被写体光が入射されると、ｎ型層２２とｐ型ウェル層２１との接合部で電子−正孔対が生成され、ｎ型層２２には信号電荷として電子が蓄積される。転送電極Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７に所定の正の高電圧が印加されると、読み出しゲート１１の電子に対する障壁ポテンシャルが低下し、ｎ型層２２に蓄積された電子がｎ型層２６に転送される。ｎ型層２６に読み出された電子は、転送電極Ｖ１〜Ｖ８の電圧制御により垂直転送される。

次に、ＣＣＤイメージセンサ２の電荷転送に関する駆動方法を図３〜図８に基づいてついて説明する。被写体光の入射により各ＰＤ１０に蓄積された信号電荷をインターレーススキャンによって第１フィールドと第２フィールドとに分けて転送する。第１フィールドでは、まず、図３（Ａ）に示すように、転送電極Ｖ１〜Ｖ３および転送電極Ｖ５〜Ｖ７に電圧Ｖｈを印加して、信号電荷に対するポテンシャル井戸をＶＣＣＤ１２に形成した状態において、転送電極Ｖ１，Ｖ３に電圧Ｖｈｈ（Ｖｈｈ＞Ｖｈ）を印加することにより、図３（Ｂ）に示すように、第１水平ラインに属するＰＤ１０からＶＣＣＤ１２に信号電荷Ｑｓを読み出し、転送電極Ｖ１〜Ｖ３下に形成されたポテンシャル井戸に信号電荷Ｑｓを蓄積する。このとき、転送電極Ｖ５〜Ｖ７下に形成されたポテンシャル井戸には、その領域に存在するＶＣＣＤ１２のノイズ電荷Ｑｎ（暗電流のノイズ）が蓄積される。

図４は、第１水平ラインのＶＣＣＤ１２上にＰＤ１０から信号電荷Ｑｓが読み出され、第２水平ラインのＶＣＣＤ１２上にノイズ電荷Ｑｎが蓄積された様子を示す。転送電極Ｖ１〜Ｖ８に、垂直転送パルスを印加することにより、図５に示すように、ＶＣＣＤ１２上に交互に蓄積された信号電荷Ｑｓおよびノイズ電荷Ｑｎは垂直方向に順に転送される。ＨＣＣＤ１３に水平転送パルスを印加することにより、ＶＣＣＤ１２から受けた信号電荷Ｑｓおよびノイズ電荷Ｑｎが順次ＦＤＡ１４に転送され、ＦＤＡ１４から信号電荷Ｑｓに応じた撮像信号、およびノイズ電荷Ｑｎに応じたノイズ信号が出力される。

続く第２フィールドでは、まず、図６（Ａ）に示すように、転送電極Ｖ１〜Ｖ３および転送電極Ｖ５〜Ｖ７に電圧Ｖｈを印加して、信号電荷に対するポテンシャル井戸をＶＣＣＤ１２に形成した状態において、転送電極Ｖ５，Ｖ７に電圧Ｖｈｈを印加することにより、図６（Ｂ）に示すように、第１水平ラインに属するＰＤ１０からＶＣＣＤ１２に信号電荷Ｑｓを読み出し、転送電極Ｖ５〜Ｖ７下に形成されたポテンシャル井戸に信号電荷Ｑｓを蓄積する。このとき、転送電極Ｖ１〜Ｖ３下に形成されたポテンシャル井戸には、その領域に存在するＶＣＣＤ１２のノイズ電荷Ｑｎ（暗電流のノイズ）が蓄積される。

図７は、第２水平ラインのＶＣＣＤ１２上にＰＤ１０から信号電荷Ｑｓが読み出され、第１水平ラインのＶＣＣＤ１２上にノイズ電荷Ｑｎが蓄積された様子を示す。転送電極Ｖ１〜Ｖ８に、垂直転送パルスを印加することにより、図８に示すように、ＶＣＣＤ１２上に交互に蓄積された信号電荷Ｑｓおよびノイズ電荷Ｑｎは垂直方向に順に転送される。ＨＣＣＤ１３に水平転送パルスを印加することにより、ＶＣＣＤ１２から受けた信号電荷Ｑｓおよびノイズ電荷Ｑｎが順次ＦＤＡ１４に転送され、ＦＤＡ１４から信号電荷Ｑｓに応じた撮像信号、およびノイズ電荷Ｑｎに応じたノイズ信号が出力される。

ＣＣＤイメージセンサ２をこのように駆動することにより、第１および第２フィールドにおいて、撮像信号と同時に、ＶＣＣＤ１２に起因する黒レベル補正用のノイズ信号（補正データ）を取得することができる。したがってこの駆動方法では、補正データの取得のために別途時間が要されることはない。

ＣＣＤイメージセンサ２を搭載するデジタルカメラ（撮影装置）には、図９に示すように、相関二重サンプリング回路（ＣＤＳ）３０、オートゲインコントロール・アンプ（ＡＧＣ）３１、およびＡ／Ｄ変換器３２からなるアナログ信号処理回路が設けられる。ＣＤＳ３０は、ＣＣＤイメージセンサ２から出力された撮像信号からアンプ雑音とリセット雑音とを除去する。ＡＧＣ３１は、プログラマブルにゲインを変更できる信号増幅器であって、操作部（図示せず）によって設定されたＩＳＯ感度の設定値が入力され、ゲインをこの設定値に応じた値とする。Ａ／Ｄ変換器３２は、撮像信号をデジタル信号に変換する。デジタル化された撮像信号（ＲＡＷデータ）は、デジタル信号回路に送信され、所定の画像処理が施された後、画像データとして記録される。

ＩＳＯ感度を設定可能としたデジタルカメラの場合には、図１０のフローチャートに示すように、ＣＣＤイメージセンサ２の動作をＩＳＯ感度の設定値に応じて切り替えることが好ましい。ＰＤ１０によって電荷蓄積が所定時間行われた後、ＩＳＯ感度の設定値が所定値（例えばＩＳＯ８００）より大きい場合には、図３〜図８に示す上記インターレーススキャンを行い、撮像信号とともにノイズ信号を取得した後、画像信号からノイズ信号を減算する黒レベル補正を行う。

この黒レベル補正は、デジタル信号処理回路内で行われ、第１フィールドで取得した第１水平ラインの撮像信号から、第２フィールドで取得した第１水平ラインのノイズ信号を減算し、第２フィールドで取得した第２水平ラインの撮像信号から、第１フィールドで取得した第２水平ラインのノイズ信号を減算する。一方、ＩＳＯ感度の設定値が所定値より小さい場合には、第１水平ラインと第２水平ラインとの区別なしに全てのＰＤ１０の信号電荷を一斉に読み出し、垂直・水平転送を行うプログレッシブスキャンを行い撮像信号のみを取得する。

インターレーススキャンは、プログレッシブスキャンより長い時間を要するため、このように上記インターレーススキャンの実施を、黒レベルの変化が顕著に現れる高ＩＳＯ感度設定時に限定することで、デジタルカメラの撮影動作の効率化が図られる。なお、低ＩＳＯ感度設定時には、プログレッシブスキャンに代えて、垂直方向に２画素混合して読み出しを行うフィールド読み出しとしてもよい。

上記実施形態では、図１に示すように、読み出しゲート１１を、転送電極Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７によって制御されるように配置しているが、本発明はこれに限定されず、読み出しゲート１１の配置は適宜変更してよい。

また、上記実施形態では、図１に示すように、ＰＤ１０をハニカム状に配置しているが、本発明はこれに限定されず、ＰＤ１０を周知の正方配列としてもよく、ＣＣＤイメージセンサ２は、少なくともインターライントランスファ方式として構成されていればよい。

ＣＣＤイメージセンサの構成を模式的示す概略図である。図１のＡ−Ａ線に沿う縦断面図である。第１フィールドにおける電荷読み出し時のポテンシャル図である。第１フィールドにおける電荷読み出し時の平面図である。第１フィールドにおける垂直転送動作を示すポテンシャル図である。第２フィールドにおける電荷読み出し時のポテンシャル図である。第２フィールドにおける電荷読み出し時の平面図である。第２フィールドにおける垂直転送動作を示すポテンシャル図である。デジタルカメラに設けられるアナログ信号処理回路を示すブロック図である。ＩＳＯ感度を設定可能としたデジタルカメラの動作を示すフローチャートである。

符号の説明

２ＣＣＤイメージセンサ
１０光電変換素子（ＰＤ）
１１読み出しゲート
１２垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）
１３水平ＣＣＤ（ＨＣＣＤ）
２４カラーフィルタ
Ｖ１〜Ｖ８第１〜第８転送電極

Claims

第１水平ラインに属する光電変換素子から信号電荷を読み出して転送させる第１フィールドと、第２水平ラインに属する光電変換素子から信号電荷を読み出して転送させる第２フィールドとからなるインターレーススキャン方式のＣＣＤイメージセンサの駆動方法において、
前記第１フィールドでは、前記第１水平ラインの信号電荷とともに、垂直ＣＣＤ上の前記第２水平ラインのノイズ電荷を転送させ、前記第２フィールドでは、前記第２水平ラインの信号電荷とともに、垂直ＣＣＤ上の前記第１水平ラインのノイズ電荷を転送させることを特徴とするＣＣＤイメージセンサの駆動方法。
第１水平ラインに属する光電変換素子から信号電荷を読み出して転送させる第１フィールドと、第２水平ラインに属する光電変換素子から信号電荷を読み出して転送させる第２フィールドとからなるインターレーススキャン方式のＣＣＤイメージセンサを備えた撮影装置の駆動方法において、
ＩＳＯ感度の設定値が所定値より大きい場合に、前記第１フィールドでは、前記第１水平ラインの信号電荷とともに、垂直ＣＣＤ上の前記第２水平ラインのノイズ電荷を転送させ、前記第２フィールドでは、前記第２水平ラインの信号電荷とともに、垂直ＣＣＤ上の前記第１水平ラインのノイズ電荷を転送させることを特徴とする撮影装置の駆動方法。
前記第１フィールドで取得した前記第１水平ラインの信号電荷に応じた撮像信号から、前記第２フィールドで取得した前記第１水平ラインのノイズ電荷に応じたノイズ信号を減算させ、前記第２フィールドで取得した前記第２水平ラインの信号電荷に応じた撮像信号から、前記第１フィールドで取得した前記第２水平ラインのノイズ電荷に応じたノイズ信号を減算させることを特徴とする請求項２記載の影装置の駆動方法。