JP2007110639A - 固体撮像素子、その駆動方法および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低照度時にもAF用信号を高速に取得することができ、スルー画における露出不良が生じない固体撮像素子、その駆動方法および撮像装置を提供。
【解決手段】固体撮像素子12の撮像領域にて生成される信号電荷を読み出して出力する際に、撮像領域の全域から間引きして読み出す全域間間引き読み出しを行う水平走査ラインと、撮像領域のうち特定領域から信号電荷を読み出す特定領域読み出しを行う水平走査ラインとを相互間欠的に行い、全域間間引き読み出しと特定領域読み出しとをそれぞれ異ならせるように読み出し制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば画面中央部出力モードを備えた固体撮像素子、その駆動方法および撮像装置に関するものである。

近年、CCD撮像素子やCMOS型撮像素子を備える撮像装置が知られている。CCD撮像素子は撮像により生成される信号電荷をランダムアクセスにより読み出すことができない。そこで、たとえば画面中央部等の必要な領域を読み出して中央重点自動焦点調節(AF)動作および中央重点自動露出調節(AE)動作時に、全画素モードや間引きモードよりも高速に出力することが求められる。
特開２０００−１３６８５号公報 特開２０００−１３６８６号公報 特開２００２−１８５８６４号公報

しかしながら、中央重点AF/AE動作の際は、スルー画が露出オーバーとなり、さらにAF用信号として設定した領域の露光状態が他の領域と比べて露出アンダーとなるという問題があった。このような現象はAF用信号取得時の垂直走査時間よりも長い露光時間が必要となる低照度時に出現する。

具体的には、低照度時にはAF信号取得フレームよりも長い露光時間が必要であるが、電子シャッタを領域毎に可変することができず、このため理想の露光シーケンスを実現できない。また、AF信号取得領域からの信号読み出しによって、その領域の露光時間が実質的に短くなるので露出アンダーになる。

一方、特許技術文献３に記載のように、広ダイナミックレンジ撮像を行うため、行毎に独立して電子シャッタ動作を行う撮像素子が公開されている。

本発明はこのような撮像素子を用いて、たとえば低照度時にもAF用信号を高速に取得することが可能で、スルー画における露出不良が生じることのない固体撮像素子、その駆動方法および撮像装置を提供することを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するために、撮像領域にて生成される信号電荷を読み出して出力する固体撮像素子の駆動方法において、この方法は、撮像領域の信号電荷を撮像領域の全域から間引きして読み出す全域間引き読み出しを行う第１の水平走査行と、撮像領域のうち特定領域から信号電荷を読み出す特定領域読み出しを行う第２の水平走査行とを相互間欠的に行う際、第１の水平走査行と第２の水平走査行とを異ならせるように読み出し制御を行うことを特徴とする。

この場合、全域間引き読み出しを行う際のフレームレートおよび特定領域読み出しを行う際のフレームレートのいずれか長いフレームレートになる場合に、第１の水平走査行と第２の水平走査行とを異ならせて読み出し制御を行うとよく、また、第１の水平走査行と前記第２の水平走査行とをそれぞれ異なる電子シャッタ制御にて駆動するとよい。

また、本発明は上述の課題を解決するために、撮像領域にて生成される信号電荷を読み出して出力する固体撮像素子において、この固体撮像素子は、撮像領域の信号電荷を撮像領域の全域から間引きして読み出す全域間引き読み出しを行う第１の水平走査行と、撮像領域のうち特定領域から信号電荷を読み出す特定領域読み出しを行う第２の水平走査行とをそれぞれ備え、第１の水平走査行と第２の水平走査行とをそれぞれ独立する電子シャッタ制御にて信号電荷を読み出し駆動されることを特徴とする。

また、本発明は上述の課題を解決するために、撮像領域にて生成される信号電荷を読み出して出力する撮像手段と、撮像手段から読み出される信号を処理する信号処理手段とを含む撮像装置において、撮像手段は、撮像領域の信号電荷を撮像領域の全域から間引きして読み出す全域間引き読み出しを行う第１の水平走査行と、撮像領域のうち特定領域から信号電荷を読み出す特定領域読み出しを行う第２の水平走査行とを相互間欠的に行う際、第１の水平走査と第２の水平走査行とを異ならせるように読み出し制御を行うことを特徴とする。この場合、第１の水平走査行と第２の水平走査行とをそれぞれ異なる電子シャッタ制御にて駆動するとよく、また、第１の水平走査行と第２の水平走査行とをそれぞれ独立する電子シャッタ制御にて信号電荷を読み出し駆動するとよい。

本発明によれば、画面全域での間引き読み出しと特定領域の読み出しとを相互完結的に行う際に、指定する読み出し行をそれぞれ異なるようにしているので、たとえば、それぞれのフレームレートよりも更に長い露出時間を要する低照度時に有効であり、固体撮像素子に独立した電子シャッタを設けることにより、低照度でもAF用信号の高速取得が可能で、スルー画およびAF用信号画で露出条件をそれぞれ同一にすることができる。

次に添付図面を参照して本発明による固体撮像素子、その駆動方法および撮像装置の実施例を詳細に説明する。図１を参照すると本発明が適用された固体撮像素子を備える撮像装置10が示されている。

固体撮像素子12は、撮像レンズ14の焦点面に配置され、焦点面に結像される光学像を光電変換するカラーイメージセンサである。本実施例における固体撮像素子12は、撮像面の水平および垂直走査方向に配置される複数の受光部100にて生成する信号電荷を画面全域にて間引き読み出しする機能と、画面の特定領域の信号電荷を読み出す機能とを有し、さらにこれらを交互に行うことができる。この場合、固体撮像素子12は画面全域の間引き読み出し時と、画面特定領域の読み出し時とでは、それぞれ異なる水平走査ライン（行）が読み出されるように制御および駆動される。

固体撮像素子12は、不図示の各垂直転送路から転送される信号電荷を廃棄するドレイン102と、各垂直転送路から転送される信号電荷をドレインを介して受け取ってそれら信号電荷を水平走査方向に転送する水平転送路104と、水平転送路104から出力される信号電荷を検出して各画素に対応する画素信号を出力する出力アンプ106とを含む。出力アンプ106の出力は相関二重サンプリング回路(CDS) 116に接続され、相関二重サンプルされた画素信号はアナログ・ディジタル変換回路(A/D) 118にてディジタル信号に変換された後、信号処理回路(DSP) 120に供給される。

固体撮像素子12は、垂直駆動回路110から供給される垂直転送パルス(V1〜V8)と、水平駆動回路112から供給される水平転送パルス(H1,H2)と、出力アンプ106への駆動信号とを受けて駆動される。これらパルスおよび駆動信号はタイミングジェネレータ(TG) 114から与えられるクロックに応動してそれぞれ生成される。タイミングジェネレータ(TG) 114はさらにオーバーフロードレイン電圧を固体撮像素子12に供給する。

複数の受光部100は、それぞれ受光量に応じた信号電荷を生成する複数のフォトダイオードと、それぞれのフォトダイオードに対応して設けられる読出ゲートと、読み出される信号電荷を垂直走査方向に転送する垂直転送路とを含む。

固体撮像素子の出力は、相関二重サンプリング回路(CDS) 116およびアナログ・ディジタル変換回路(A/D) 118を介して信号処理回路(DSP) 120に入力される。

信号処理回路120は、信号のオフセットを補正するオフセット補正部122と、ホワイトバランス(WB)を補正するWB補正部124と、γ補正を行うγ補正部126と、輪郭補正を行う輪郭補正部128と、彩度補正を行う彩度補正部130と、画像データを圧縮符号化する画像圧縮部132とを含み、これらはそれぞれ共通のバス133に接続されている。

信号処理回路120には、さらに信号処理回路120にて処理される画像信号に基づいて自動露出調整(AE)および自動焦点調節(AF)を制御するためのAE/AF解析部134と、液晶表示(LCD)140をインタフェースするLCD I/F 138と、メモリカード144をインタフェースするカードI/F 142と、制御部150とがそれぞれバス113を介して接続されている。

とくにAE/AF解析部134は、信号処理回路120から供給される画像信号に応じて自動露出調整(AE)および自動焦点調節(AF)のための露出情報および焦点情報を解析し、その解析結果に応じて撮像レンズ14の位置および不図示の絞り等を制御する。レンズ駆動部136はAE/AF解析部134の解析結果に応じて撮像レンズ14の位置や絞り等を駆動する。

また、制御部150は、操作部152へ入力される操作情報にしたがって撮像装置10を制御する制御回路であり、たとえば、撮影に必要な露出値算出やＡＦ制御の開始を制御し、さらにレリーズ開始をタイミングジェネレータ(TG) 114等の各部に指示する。

本実施例では制御部150は、動画像撮影を行ってモニタ表示するスルー画像信号と、AFを行うためのAF信号とを得る際に、固体撮像素子12のスルー画読み出し行と、AF信号を取得する領域の読み出し行とを行毎に切り替えるように制御する。具体的には図２に示すように固体撮像素子12の受光部100は、垂直走査方向にスルー画領域とAF読み出し領域とスルー画読み出し領域とが順に配置される、それぞれのスルー画領域では、スルー画表示の際に読み出される水平走査ラインのスルー画読み出し行200と、スルー画表示の際には読み出されないスルー画間引き行202とが交互に配置される。AF読み出し領域ではスルー画読み出し行と、AF信号を得るために読み出しが行われる水平走査ラインのAF信号取得領域読み出し行210とが交互に配置される。

また、この受光部100にはたとえば図３に示すように、ＲＧＢカラーフィルタが所定の色配列により配置されて、Ｒ、ＧおよびＢ成分各画素の色信号をそれぞれ垂直転送路300にゲート302を介してシフトされて垂直転送され、さらに水平転送路104（図１）にて水平走査されて点順次の画素信号として読み出される。この画素信号は信号処理回路120（図１）にて同時化処理されることにより各画素位置におけるそれぞれの色成分の画像信号に変換される。各垂直転送路(V1〜V8) 300にシフトされる信号電荷はそれぞれ水平走査方向に供給される転送パルス(V1〜V8)により垂直転送される。

図４を参照するとスルー画領域部分の一部拡大図が示されている。図示するようにスルー画領域は、スルー画読み出し行200が垂直転送路(V8,V1,V2,V3)の各水平走査ラインに設定され、スルー画間引き行202が垂直転送路(V4〜V7)の各水平走査ラインに設定される。

図５を参照するとAF読み出し領域部分の一部拡大図が示されている。図示するようにAF読み出し領域は、スルー画読み出し行200が垂直転送路(V8,V1,V2,V3)の各水平走査ラインに設定され、AF読み出し領域210が垂直転送路(V4〜V7)の各水平走査ラインに設定される。

スルー画表示の際にこのよう読み出し制御を固体撮像素子12に対し行うことにより、低照度下において電子シャッタ制御を行ってスルー画のための信号とAFのための信号とを得る際に、AF読み出し領域では、スルー画領域における間引き読み出し行に相当する水平走査ライン、つまりＡＦ読み出し行を読み出す低照度時露光シーケンスを実行することAF領域にて露光不足が発生することが解消される。

図６を参照すると、スルー画領域とAF領域との読み出しシーケンスおよび露光シーケンスの動作タイミングが示されている。図示するように、この例ではAF基準にて電子シャッタを制御する低照度時のシーケンスであり、時間t1,t3,t5,t7,...にてAF基準の電子シャッタにより露光が開始される。スルー画領域とは読み出し行が異なるAF信号取得領域に対する読み出しは、それぞれ時間t2,t4,t6,t8,...にて与えられる読み出しパルス（リセットパルス）によりそれぞれ垂直転送路に読み出されて垂直転送される。この場合の垂直同期信号VD、水平同期信号HD、電子シャッタパルスおよびドレイン電圧のタイミングチャートを図７に示す。

ここでスルー画転送タイミングを図８および図９に示すと、図８にはスルー画読み出しタイミング時のタイミングチャートが示され、図９にはスルー画垂直転送時のタイミングチャートが示されている。図８に示すようにスルー画の読み出しは垂直転送路(V1,V3)に対するシフトパルスにより信号電荷が垂直転送路に読み出される。スルー画の垂直転送は図９に示すように通常の８相転送の転送パルスにより信号電荷を垂直転送する。

次にAF信号取得領域の転送タイミングを図10〜図12に示す。図10にはAF信号読み出し時のタイミングチャートが示され、図11にはAF信号掃き出し時のタイミングチャートが示されている。また、図12にはAF信号の取得時のタイミングチャートが示されている。

AF信号取得時には図10に示すように、垂直転送路(V5,V7)に対するシフトパルスにより信号電荷が垂直転送路に読み出す。信号電荷の掃き出しは図11に示すように、ドレイン制御電圧をオン(H)にしながら水平ブランキング期間中にも信号電荷を垂直転送することで信号電荷をドレイン102に掃き出す。AF信号取得用の信号電荷は、図12に示すように、たとえばAFに必要な画面中央領域部分の転送時にドレイン制御電圧をオフ(L)にして通常の８相駆動を行う。これにより信号読み出し時間を短縮化することができる。

この短縮化されたAF信号取得フレームよりも長い露光時間を要するたとえば低照度時にも、AF領域データとしてスルー画間引き行から取得することにより、AF領域データの露出を適切に行うことができる。

以上の構成で、撮像装置10の全体動作を図13および図14を参照して説明すると、図13に示すステップ1300にて電源がオンされたか否かが判定され、電源オンされている場合には続くステップ1302にて撮影モードであるか否かが判定される。撮影モードではステップ1304に示すようにスルー画の撮影駆動が行われて、撮像されたスルー画はたとえばLCD 140（図１）に表示される。

次にステップ1306に進み、操作部152のスイッチS1がオンされたか否かが判定され、スイッチS1のオン状態が検出されるとステップ1308におけるAE処理が実行される。次いでステップ1310において露出決定されたか否かが判定され、露出決定されると続くステップ1312にて低照度であるか否かが判定される。本実施例ではとくに低照度状態の場合にはステップ1314に進んで上述したスルー画領域とAF信号取得領域の読み出し行制御を行うために図14に示すステップ1400に進む。なおステップ1312にて低照度ではないと判定した場合には、図14に示すステップ1402に進む。

ステップ1400では、スルー画読み出し行とAF信号取得読み出し行との間欠駆動に切換制御されて、たとえば図8〜図12に示したタイミングにて固体撮像素子12が駆動される。ステップ1402に進むと、撮像により得られた信号に基づいてAF処理が実行されてステップ1404にて撮像レンズ14が駆動される。

続いてステップ1406に進むと、操作部152のスイッチS2がオンされたか否かが判定されてオンされた場合にはステップ1408に進んで固体撮像素子を全画素読み出し駆動する静止画制御が実行される。ステップ1406にてスイッチS2の温情対が検出されない場合にはたとえばステップ1306に戻って以降の処理を繰り返す。ステップ1408における全画素駆動により固体撮像素子12から出力された画素信号は信号処理回路120にて処理されて（ステップ1410）、たとえば画像圧縮部132にて圧縮符号化されて生成された画像データはカードI/F 142を介してメモリカード144に供給されて記録される。

次に、図15を参照すると撮像装置の他の実施例が示されている。この撮像装置1500は、固体撮像素子1500とタイミングジェネレータ(TG) 1520と、制御部1530とを図１に示した第１の実施例の構成に代えて備えている点で異なり、その他の構成については第１の実施例における構成と同様の構成でよいのでその詳細説明を省略する。

本実施例における固体撮像素子1510は、図１に示す固体撮像素子12の構成に加えて水平走査ライン毎に独立した電子シャッタが可能なように、行毎にそれぞれ異なるOFD制御電圧を受光部1512に供給するように２系統の電子シャッタ(OFD1,ODD2)を備えている。OFD1,ODD2は、制御部1530の制御を受けてタイミングジェネレータ(TG) 1520から固体撮像素子1510に供給される。固体撮像素子1500とタイミングジェネレータ(TG) 1520と制御部1530との他の構成については図１に示した実施例における構成とそれぞれ同様の構成を有してよい。

本実施例では制御部1530は、第１の実施例と同様に動画像撮影を行ってモニタ表示するスルー画像信号と、AFを行うためのAF信号とを得る際に、固体撮像素子12のスルー画読み出し行と、AF信号を取得する領域の読み出し行とを行毎に切り替えるように制御する。具体的には図16に示すように固体撮像素子12の受光部1512は、垂直走査方向にスルー画領域とＡＦ読み出し領域とスルー画読み出し領域とが順に配置される、それぞれのスルー画領域では、スルー画表示の際に読み出される水平走査ラインのスルー画読み出し行200と、スルー画表示の際には読み出されないスルー画間引き行202とが交互に配置される。AF読み出し領域ではスルー画読み出し行と、AF信号を得るために読み出しが行われる水平走査ラインのＡＦ信号取得領域読み出し行210とが交互に配置される。本実施例では特に、奇数行にはOFD1が供給され、偶数行にはOFD2が供給されるように行毎にそれぞれ異なるOFD制御電圧を供給する。

なお受光部1512のフィルタ配列、垂直転送路およびゲート等の構成は図３に示した配列および構成と同様の構成でよいが、画素配列および各垂直転送路(V1〜V8) 300にシフトされる信号電荷はそれぞれ水平走査方向に供給される転送パルス(V1〜V8)により垂直転送される。

図17を参照すると、スルー画領域とAF領域との読み出しシーケンスおよび露光シーケンスの動作タイミングが示されている。図示するように、この例ではAF基準にて電子シャッタを制御する低照度時のシーケンスである。スルー画領域では、低照度時の時間t2,t6,t10,t11,t14...にてスルー画行の電子シャッタがOFD1により実行され、信号電荷はそれぞれ時間t4,t8,t12,t16...にて与えられる読み出しパルス（リセットパルス）によりそれぞれ垂直転送路に読み出されて垂直転送される。AF読み出し領域では、低照度時の時間t1,t5,t9,t13,t13...にてAF行の電子シャッタがOFD2により実行され、信号電荷はそれぞれt3,t7,t11,t15...にて与えられる読み出しパルス（リセットパルス）によりそれぞれ垂直転送路に読み出されて垂直転送される。

図18を参照するとスルー画領域部分の一部拡大図が示されている。図示するようにスルー画領域は、スルー画読み出し行200が垂直転送路(V8,V1,V2,V3)の各水平走査ラインに設定され、スルー画間引き行202が垂直転送路(V4〜V7)の各水平走査ラインに設定される。本実施例ではスルー画読み出し行200にOFD1が設定され、スルー画間引き行202にOFD2が設定される。また、図19を参照するとＡＦ読み出し領域部分の一部拡大図が示されている。図示するようにAF読み出し領域210がOFD2が設定される垂直転送路(V4〜V7)の各水平走査ラインに設定される。この場合の垂直同期信号VD、水平同期信号HD、電子シャッタパルス(OFD1,OFD2)およびドレイン電圧のタイミングチャートを図20に示す。

本実施例におけるスルー画転送タイミングおよびAF信号取得領域の転送タイミングは、それぞれ図８〜図12に示したタイミングチャートと同様の動作タイミングでよいのでその説明を省略する。また、このような固体撮像素子1500を備える撮像装置1500は、図13および図14に示したフローチャートにしたがって動作することができる。本実施例では特にAE/AFなどに必要な領域にて読み出す水平走査ライン（行）と、スルー画などのために間引きして読み出す際の水平走査ライン（行）とにそれぞれ独立したタイミングにて動作する電子シャッタを設けることにより、たとえば低照度でもよりAF用信号の高速取得が可能となり、また、スルー画とAF用信号用画像とで露出条件を同一にして制御することが可能となる。

本発明が適用された撮像装置の一実施例を示すブロック図である。 図１に示す実施例における固体撮像素子内の受光部を示す図である。 受光部の色フィルタ配列および垂直転送路等の構成を示す図である。 受光部のスルー画領域部分の一部拡大を示す図である。 受光部のAF読み出し領域部分の一部拡大を示す図である。 スルー画領域とAF領域との読み出しおよび露光シーケンス動作を示すタイミングチャートである。 垂直同期信号VD、水平同期信号HD、電子シャッタパルスおよびドレイン電圧を示すタイミングチャートである。 スルー画読み出し時のタイミングチャートである。 スルー画垂直転送時のタイミングチャートである。 AF信号読み出し時のタイミングチャートである。 AF信号掃き出し時のタイミングチャートである。 AF信号の取得時のタイミングチャートである。 撮像装置10の全体動作を示すフローチャートである。 撮像装置10の全体動作を示すフローチャートである。 撮像装置の他の実施例を示すブロック図である。 図１５に示す実施例における固体撮像素子内の受光部を示す図である。 スルー画領域とＡＦ領域との読み出しおよび露光シーケンス動作を示すタイミングチャートである。 受光部のスルー画領域部分の一部拡大を示す図である。 受光部のＡＦ読み出し領域部分の一部拡大を示す図である。 垂直同期信号VD、水平同期信号HD、電子シャッタパルス(OFD1,OFD2)およびドレイン電圧を示すタイミングチャートである。

符号の説明

10 撮像装置
12 固体撮像素子
100 受光部
102 ドレイン
110 垂直駆動回路
112水平駆動回路
114 タイミングジェネレータ(TG)
150 制御部

Claims (7)

1. 撮像領域にて生成される信号電荷を読み出して出力する固体撮像素子の駆動方法において、該方法は、
   前記撮像領域の前記信号電荷を該撮像領域の全域から間引きして読み出す全域間引き読み出しを行う第１の水平走査行と、前記撮像領域のうち特定領域から前記信号電荷を読み出す特定領域読み出しを行う第２の水平走査行とを相互間欠的に行う際、
   前記第１の水平走査行と前記第２の水平走査行とを異ならせるように読み出し制御を行うことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記全域間引き読み出しを行う際のフレームレートおよび前記特定領域読み出しを行う際のフレームレートのいずれか長いフレームレートになる場合に、前記第１の水平走査行と前記第２の水平走査行とを異ならせて読み出し制御を行うことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
3. 請求項１に記載の方法において、該方法は、前記第１の水平走査行と前記第２の水平走査行とをそれぞれ異なる電子シャッタ制御にて駆動することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
4. 撮像領域にて生成される信号電荷を読み出して出力する固体撮像素子において、該固体撮像素子は、
   前記撮像領域の前記信号電荷を該撮像領域の全域から間引きして読み出す全域間引き読み出しを行う第１の水平走査行と、前記撮像領域のうち特定領域から前記信号電荷を読み出す特定領域読み出しを行う第２の水平走査行とをそれぞれ備え、
   前記第１の水平走査行と前記第２の水平走査行とをそれぞれ独立する電子シャッタ制御にて前記信号電荷を読み出し駆動されることを特徴とする固体撮像素子。
5. 撮像領域にて生成される信号電荷を読み出して出力する撮像手段と、
   該撮像手段から読み出される信号を処理する信号処理手段とを含む撮像装置において、
   前記撮像手段は、前記撮像領域の前記信号電荷を該撮像領域の全域から間引きして読み出す全域間引き読み出しを行う第１の水平走査行と、前記撮像領域のうち特定領域から前記信号電荷を読み出す特定領域読み出しを行う第２の水平走査行とを相互間欠的に行う際、前記第１の水平走査と前記第２の水平走査行とを異ならせるように読み出し制御を行うことを特徴とする撮像装置。
6. 請求項５に記載の装置において、該装置は、前記第１の水平走査行と前記第２の水平走査行とをそれぞれ異なる電子シャッタ制御にて駆動することを特徴とする撮像装置。
7. 請求項５に記載の装置において、前記第１の水平走査行と前記第２の水平走査行とをそれぞれ独立する電子シャッタ制御にて前記信号電荷を読み出し駆動することを特徴とする撮像装置。