JP2008283565A - 撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本画像の画質を低減させることなく、画素の飽和を検知し白とびの少ない画像を取得することができる撮像素子を提供する。
【解決手段】比較回路３２０は、図２の比較回路２０６の１画素読み出し分に相当する。比較器３２１は、ＦＤ３０４の電位に応じた電位を入力する信号線３２３の信号と図示しない基準電源からの電位を入力する信号線３２２の信号を比較し飽和検知動作を行う。比較器３２１は、列毎に設けられ、画像の読み出し前の蓄積期間に飽和検知動作としての飽和検知走査を行毎に行う。また、比較器３２１は、飽和検知走査を飽和検知終了まで繰り返し行う。また、比較器３２１による飽和検知動作によりＦＤ３０４の電位が変化した際に飽和検知終了とし、蓄積終了信号を出力する。また、比較器３２１の比較の閾値は特定の画素の飽和検知において変更する。
【選択図】図３

Description

本発明は、撮像素子及びその撮像素子を搭載する撮像装置に関する。

従来、撮像装置としてのカメラの自動露光装置としてＡＥシステムがあり、撮影画像の白とびが少なく、暗すぎないように制御している。ＡＥ（ＡＥ動作）はＡＥセンサで行っている。もしくは本撮影の画像取得前に取得した画像から判定してＡＥを行う画像ＡＥという方式を用いている。

しかし、ＡＥセンサは本撮影用とは別のセンサが必要でコストアップにつながる。また、画像ＡＥは本画像取得前に行うので、少なくとも１フレーム以上余分に撮影する時間が必要となる。また、出力画像から露光量を求め時間にフィードバックする処理系も必要である。

最近はＣＣＤに変わり、ＣＭＯＳＡＰＳが撮像素子（固体撮像素子）として使用されている。

ＣＭＯＳＡＰＳの代表例を図８、図９に示す。図８は、撮像素子の全体を示す構成図、図９は、１画素の読み出しに関わる回路構成図である。

図８において、垂直方向、水平方向に画素が配置された画素部８０１、垂直選択手段（垂直走査回路）８０２、画素の信号を読み出す読み出し回路８０３、水平選択手段（水平走査回路）８０４がある。読み出し回路８０３の信号は水平選択手段８０４により走査され、順に出力線８０５より信号が取り出される。

図９において、単位画素９０１、光を電荷に変換するフォトダイオード（以下ＰＤと表す）９０２、ΦＴＸによって駆動され、ＰＤ９０２で発生した電荷を後述するＦＤに転送する転送スイッチ９０３がある。

また、電荷を一時的に蓄積しておく領域（以下ＦＤと表す）９０４、ソースフォロアとして機能する増幅ＭＯＳアンプ９０５、垂直選択パルスΦＳＥＬによって画素を選択する選択スイッチ９０６がある。

また、リセットパルスΦＲＥＳによってＦＤ９０４に蓄積された電荷を除去するリセットスイッチ９０７がある。ＦＤ９０４、増幅ＭＯＳアンプ９０５、及び定電流源９０９でフローティングディフュージョンアンプが構成され、選択スイッチ９０６で選択された画素の信号電荷が電圧に変換され、読み出し回路９１０に出力される。

また、ＦＤ９０４のリセット電位を読み出すスイッチ９１１は、リセットレベル読み出しΦＴＮにより駆動される。リセットレベル信号を蓄積しておく容量９１２は、信号読み出し時にはＦＤ９０４のリセットレベルに応じた電位が書き込まれる。

また、ＰＤ９０２で発生した信号電荷に応じた電位を読み出すスイッチ９１４は、信号読み出しパルスΦＴＳにより駆動される。信号レベルを蓄積しておく容量９１５は、信号読み出し時には画素の光出力に応じた電位が書き込まれる。

また、信号レベル蓄積容量９１２とリセットレベル蓄積容量９１５の差分を出力するアンプ９１７がある。スイッチ９１３、９１６はそれぞれ容量９１２、容量９１５の電位を差動アンプ９１７に伝達し、水平信号選択パルスΦＨ１により駆動される。

出力線９１８からはＰＤ９０２の電位に応じた値からＦＤ９０４の電位に応じた値が引き算された出力が出てくる。即ち、読み出し回路９１０中でＣＤＳ動作を行っている。リセットレベルと信号レベルの差分をとることにより、画素信号の読み出しに係る固定パターンノイズがキャンセルされ、低ノイズの信号の取り出しが可能である。

また、リセットレベルの読み出しを、信号レベルの読み出しより先の時刻に行うことにより、リセットスイッチ９０７の開閉に伴うＫＴＣノイズをリセットレベルと信号レベルの両方に重畳させ、差分をとる。このことにより、一層低ノイズの信号を取り出すことが可能である。

図９では一般的なＣＭＯＳＡＰＳの回路構成であるＣＤＳ方式の回路について説明したが、ＣＭＯＳＡＰＳはＣＤＳ回路だけでなくさまざまな機能を付加した撮像素子の提案が可能である。このような特徴を生かして、白とびが起こらないように撮影終了をする撮像素子が提案されている。

特許文献１には、画素の出力を検知して、一定以上のレベルになった際にＰＤがされている。
特開２００５−３２２９９６号公報

しかし、上記特許文献１の方式は、常にＰＤからＦＤに電荷を転送している状態から、ＦＤへの転送を停止し、その後、信号を読み出すという方式なので、ＦＤのリセットノイズをキャンセルするＣＤＳ動作ができない。

そのため、出力された画像にはＦＤをリセットする際のリセットノイズが入っており、画質の劣化を招いてしまう。測距用の撮像素子や測光用の撮像素子としては、白とびを防ぐ点において効果を果たしているが、観賞のための本画像取得用の撮像素子としては、リセットノイズも低減した高画質な画像は得られない。

本発明の目的は、本画像の画質を低減させることなく、画素の飽和を検知し白とびの少ない画像を取得することができる撮像素子及び撮像装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の撮像素子は、フォトダイオードの電荷がフローティングディフュージョンを介して信号に変換され出力される構成の撮像素子において、前記フローティングディフュージョンの電位に応じた電位と基準電位を画像の読み出し前に比較する飽和検知動作を行う比較器を備えることを特徴とする。

請求項７記載の撮像装置は、請求項１記載の撮像素子を搭載することを特徴とする。

本発明によれば、本画像の画質を低減させることなく、画素の飽和を検知し白とびの少ない画像を取得することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、撮像素子におけるＰＤとＦＤのポテンシャルを示す図である。

図１により、撮像素子の飽和検知を行うために利用する現象を説明する。図１は、上部にＰＤ３０２（図３参照）、転送スイッチ３０３（図３参照）、ＦＤ（フローティングディフュージョン）３０４（図３参照）の位置関係を示す。また、下部に上記各部のポテンシャル状態を示す。

図１（ａ）に示すように、ＰＤ３０２で発生した電荷はＰＤ３０２の寄生容量に蓄積される。ＰＤ３０２で発生した電荷が多いときには、同図（ｂ）に示すように、ポテンシャル障壁の低い転送スイッチ３０３の下を通過し、ＦＤ３０４に漏れ込んでしまう。

本発明では、この現象を利用してＦＤ３０４の電位をモニタリングすることで、撮像素子の飽和を検知する。

図２は、本発明の実施の形態に係る撮像素子の全体構成図、図３は、図２の撮像素子の１画素から信号を読み出す回路の構成図である。

図２において、本撮像素子は、画素部２０１、垂直選択手段（垂直走査回路）２０２、読み出し回路２０３、水平選択手段（水平走査回路）２０４、出力線２０５、比較回路２０６、信号線２０７を備える。

画素部２０１は、垂直方向、水平方向に画素が配置されている。垂直選択手段２０２は、後述するパルスΦＲＥＳ、ΦＴＸ、ΦＳＥＬを走査する。読み出し回路２０３は、画素の信号を読み出し、後述するパルスΦＨを走査する。読み出し回路２０３の信号は、水平選択手段２０４により走査され、順に出力線２０５より信号が取り出される。

比較回路２０６は、後述するＦＤ３０４の電位と基準電位を比較し飽和検知動作を行う。比較回路２０６での比較結果により撮影終了信号が出力線２０５と信号線２０７に伝えられる。出力線２０５と信号線４０７は、それぞれ外部の信号処理回路と内部の垂直選択手段２０２に蓄積終了信号を伝える。

図３において、単位画素３０１、光を電荷に変換するＰＤ３０２、ΦＴＸによって駆動され、ＰＤ３０２で発生した電荷を後述するＦＤに転送する転送スイッチ３０３が示される。

また、電荷を一時的に蓄積しておく領域であるＦＤ３０４、ソースフォロアとして機能する増幅ＭＯＳアンプ３０５、垂直選択パルスΦＳＥＬによって画素を選択する選択スイッチ３０６が示される。

また、リセットパルスΦＲＥＳによってＦＤ３０４に蓄積された電荷を除去するリセットスイッチ３０７が示される。ＦＤ３０４、増幅ＭＯＳアンプ３０５、及び定電流源３０９でフローティングディフュージョンアンプが構成され、選択スイッチ３０６で選択された画素の信号電荷が電圧に変換され、読み出し回路３１０に出力される。

ＦＤ３０４のリセット電位を読み出すスイッチ３１１は、リセットレベル読み出しΦＴＮにより駆動される。リセットレベル信号を蓄積しておく容量３１２には、信号読み出し時にＦＤ３０４のリセットレベルに応じた電位が書き込まれる。

ＰＤ３０２で発生した信号電荷に応じた電位を読み出すスイッチ３１４は、信号読み出しパルスΦＴＳにより駆動される。信号レベルを蓄積しておく容量３１５には、信号読み出し時に画素の光出力に応じた電位が書き込まれる。

アンプ３１７は、信号レベル蓄積容量３１２とリセットレベル蓄積容量３１５の差分を出力する。それぞれ容量３１２、容量３１５の電位を差動アンプ３１７に伝達するためのスイッチ３１３、３１６は、水平信号選択パルスΦＨ１により駆動される。出力線３１８からは、ＰＤ３０２の電位に応じた値からＦＤ３０４の電位に応じた値が引き算された出力がなされる。

比較回路３２０は、図２の比較回路２０６の１画素読み出し分に相当する。比較器３２１は、ＦＤ３０４の電位に応じた電位を入力する信号線３２３の信号と図示しない基準電源からの電位を入力する信号線３２２の信号を比較し飽和検知動作を行う。

ここで、比較器３２１は、列毎に設けられ、画像の読み出し前の蓄積期間に飽和検知動作としての飽和検知走査を行毎に行う。また、比較器３２１は、飽和検知走査を飽和検知終了まで繰り返し行う。

また、比較器３２１による飽和検知動作によりＦＤ３０４の電位が変化した際に飽和検知終了とし、蓄積終了信号を出力する。また、比較器３２１の比較の閾値は特定の画素の飽和検知において変更する。

また、比較回路３２０と読み出し回路３１０を分離するため、信号線３２３の途中にスイッチを入れてもよい。

図４、図５は、図２の撮像素子における撮影動作のタイミングチャートである。図３も用いて撮像素子の駆動について説明する。

図４は、グラフの縦軸に垂直走査位置、横軸に時間を表しており、撮像素子の画面全体の走査を示す図である。図５は撮像素子の１行の動作を示す図である。

まず、撮影に先立ち、撮像素子のリセット動作が行われる。リセット動作は図５のｔ５０１において、選択された行の転送スイッチ３０３とリセットスイッチ３０７をオンすることで実行される。

リセット開始されると、リセット動作の走査が図４のｔ４０１の間に撮像素子のライン方向に順次行われる。リセット動作が終了した行より、蓄積が開始される。蓄積が開始された行より、飽和検知動作が行われる。飽和検知動作を行う行は、ｔ５０２の間にパルスΦＳＥＬをオンし、ＦＤ３０４の電位を上述のソースフォロアを介して信号線３２３に読み出す。

比較器３２１は、信号線３２３の電位と信号線３２２電位を比較する。ＰＤ３０２で飽和している場合は、上述の通りＰＤ３０２での発生電荷がＦＤ３０４へ漏れ込み、ＦＤ３０４の電位が低下するので、信号線３２３の電位は低下する。信号線３２３の電位が低下したら、飽和が発生しているので、撮影終了信号を出力線２０６、信号線２０７によって、信号処理回路と垂直選択手段２０２に転送する。

飽和検知動作において、駆動するパルス数が少ないこと、列方向の走査を行う必要がないこと等から、後述する読み出し動作に対し高速で１行の動作を終了することができる。

従って、全行の飽和検知を行ったとしてもそれに要する時間は短いので、飽和した画素を有する行が発生するまで何度も走査を繰り返す巡回走査を行うことによって、画素が飽和したことによるＦＤ３０４の電位の変化を観測することが可能である。巡回走査により、比較回路３２０を画素毎に有さず、列毎に有すればよいので、チップ面積の削減に優位である。

飽和検知の巡回走査は飽和したＰＤ３０２の画素が発生した時点で終了する。その時間が図４のｔ４０２である。飽和検知の巡回走査が終了したら時間ｔ４０３において画像の読み出し動作が行われる。

読み出し動作は、まずΦＳＥＬをオンしてＰＤ３０２の電荷を読み出す行を選択する。図５のｔ５０３において、ΦＲＥＳによりリセットスイッチ３０７をオンすることで、ＦＤ３０４に溜まっているＰＤ３０２からの漏れ込み電荷やＦＤ３０４で発生した暗電荷をリセットする。

その後、図５のｔ５０４で、ΦＴＮによりリセットレベル読み出し、スイッチ３１１をオンすることで、ＦＤ３０４のリセット電位を容量３１２に読み出す。その後、図５のｔ５０５で、ΦＴＸにより転送スイッチ３０３をオンし、ＰＤ３０２で発生した電荷をＦＤ３０４に転送し、図５のｔ５０６でΦＴＳにより信号レベルを読み出し、スイッチ３１４をオンする。このことで、ＰＤ３０２から転送された電荷に応じた電位を容量３１５に読み出す。

その後、図５のｔ５０７で、ΦＨを列毎に印加することによって、水平転送が行われ、信号レベル蓄積容量３１５とリセットレベル蓄積容量３１２の電位の差分がアンプ３１７によって出力線３１８に出力される。

上述の読み出し動作は、従来の飽和検知機能を有しない低ノイズでの読み出し可能な撮像素子の駆動と同等にできる。従って、出力する画像は、ＡＥ機能を持たない撮像素子と比較して、同一条件下で同等の画質を得ることができる。

尚、メカニカルシャッタを有する撮像装置の場合は、図６に示すように、リセット動作を走査で行わずに全画素同時に行ってもよい。この場合、露光時間はメカニカルシャッタで規定される。

図７は、本発明の実施の形態に係る撮像装置としてのデジタルカメラのブロック構成図である。

図７において、レンズ部７０１は、被写体の光学像を撮像素子７０５に結像させる。レンズ駆動装置７０２によってズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などが行われる。メカニカルシャッタ７０３は、シャッタ駆動装置７０４によって駆動（制御）される。

撮像素子７０５は、レンズ部７０１で結像された被写体を画像信号として取り込む。撮像信号処理回路７０６は、撮像素子７０５より出力される画像信号の増幅や、アナログ−デジタル変換（Ａ／Ｄ変換）を行い、また、Ａ／Ｄ変換後の画像データに各種の補正を行い、データを圧縮する。

タイミング発生部７０７は、撮像素子７０５、撮像信号処理回路７０６に、各種タイミング信号を出力する。メモリ部７０８は画像データを一時的に記憶する。全体制御・演算部７０９は各種演算と撮像装置全体を制御する。

記録媒体制御Ｉ／Ｆ部７１０は、記録媒体７１１に記録または読み出しを行うためのインターフェースである。記録媒体７１１は、画像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等から構成され、着脱可能である。外部Ｉ／Ｆ部７１２は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェースである。また、測距装置７１３が全体制御・演算部７０９に接続されている。

ここで、本デジタルカメラは、撮影者が撮影動作を開始する前に行うデジタルカメラの駆動により飽和検知終了までの飽和時間を求め、撮影動作を行う際に飽和時間に応じて撮像素子７０５の蓄積時間を決定する。

次に、上述の構成のデジタルカメラにおける撮影時の動作について説明する。

メイン電源がオンされると、コントロール系の電源がオンし、さらに撮像信号処理回路７０６などの撮像系回路の電源がオンされる。

図示しないレリーズボタンが押されると、測距装置７１３から出力された信号から高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部７０９で行う。その後、レンズ駆動装置７０２によりレンズ部７０１を駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズ部７を駆動し測距を行う。そして、合焦が確認された後に撮影動作が開始する。

撮影が開始されると撮像素子７０５のリセット走査が開始され、リセットが終了した行から飽和検知が巡回して行われる。その後、飽和した画素が発生すると撮像素子７０５は撮像信号処理回路７０６、タイミング発生部７０７に蓄積終了信号を転送する。

蓄積終了信号を受けたタイミング発生部７０７は、撮像素子７０５の読み出し駆動パルスを発生し、撮像信号処理回路７０６は、撮像素子７０５から送られてくる撮像信号の処理を開始する。撮像素子７０５の全ての画素の読み出しが終了した時点で撮影動作が終了となる。

撮影動作が終了すると、撮像素子７０５から出力された画像信号は、撮像信号処理回路７０６で増幅、Ａ／Ｄ変換などの処理をされ、全体制御・演算部７０９によりメモリ部７０８に書き込まれる。

その後、メモリ部７０８に蓄積されたデータは、全体制御・演算部７０９制御により、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部７１０を通り記録媒体７１１に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部７１２を通り、直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。

上記の制御では、撮影した画像をそのまま出力することになっているが、撮影した画像は画像のごく一部が飽和していることを基準に適正な露光を決定しているので、主被写体が暗過ぎて、あるいは明る過ぎて適正な露光になっていない場合がある。その場合は、主被写体が適正な露光になるように撮像信号処理回路７０６でゲインアップもしくはゲインダウンをしてもよい。

とりわけ低コントラストの画像である場合、飽和基準で画像を取得しているので、ゲインダウンになる場合が多い。ゲインダウンした場合、通常の適正露光基準で画像を取得するよりも光を十分に取り込んだ画像であり、ノイズに対する光出力の量という観点でＳＮの改善も期待することができる。

また、上記の制御では、本発明の本質である撮影画像からのＡＥを主として説明を行ったが、本発明の巡回飽和を検知する技術を使用して、画像ＡＥセンサとして使用することも可能である。

この場合、通常の画像ＡＥセンサが画像を取得して、撮像信号処理回路７０６で画像の明るさを検知し、適正露光時間を判定するのに対して、巡回飽和走査終了までの時間が飽和時間とすることができる。その結果、画像処理を必要とせず通常の画像処理を有する画像ＡＥセンサよりも高速にＡＥが可能である。

以上、本発明によれば、ＡＥを行うためにフレームを余分に必要とせず、また本撮影用とは別のＡＥセンサも必要とせず、かつ、ＡＥ機能を使用する際において、使用しない際の画像に対して画質劣化を防止することができる。

撮像素子におけるＰＤとＦＤのポテンシャルを示す図である。 本発明の実施の形態に係る撮像素子の全体構成図である。 図２の撮像素子の１画素から信号を読み出す回路の構成図である。 図２の撮像素子における撮影動作のタイミングチャートである（その１）。 図２の撮像素子における撮影動作のタイミングチャートである（その２）。 図２の撮像素子においてメカニカルシャッタを利用した場合の撮影動作のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態に係る撮像装置としてのデジタルカメラのブロック構成図である。 従来例に係る撮像素子の全体構成図である。 図８の撮像素子の１画素から信号を読み出す回路の構成図である。

符号の説明

３０１ 単位画素
３０２ フォトダイオード（ＰＤ）
３０４ フローティングディフュージョン（ＦＤ）
３２０ 比較回路
３２１ 比較器

Claims (8)

1. フォトダイオードの電荷がフローティングディフュージョンを介して信号に変換され出力される構成の撮像素子において、
   前記フローティングディフュージョンの電位に応じた電位と基準電位を画像の読み出し前に比較する飽和検知動作を行う比較器を備えることを特徴とする撮像素子。
2. 前記比較器は、列毎に設けられ、画像の読み出し前の蓄積期間に前記飽和検知動作としての飽和検知走査を行毎に行うことを特徴とする請求項１記載の撮像素子。
3. 前記比較器は、前記飽和検知走査を飽和検知終了まで繰り返し行うことを特徴とする請求項２記載の撮像素子。
4. 前記比較器による前記飽和検知動作により前記フローティングディフュージョンの電位が変化した際に前記飽和検知終了とし、蓄積終了信号を出力することを特徴とする請求項３記載の撮像素子。
5. 前記蓄積終了信号に応じて信号を出力することを特徴とする請求項４記載の撮像素子。
6. 前記比較器の比較の閾値は特定の画素の飽和検知において変更することを特徴とする請求項１記載の撮像素子。
7. 請求項１記載の撮像素子を搭載することを特徴とする撮像装置。
8. 撮影者が撮影動作を開始する前に行う撮像装置の駆動により飽和検知終了までの飽和時間を求め、撮影動作を行う際に飽和時間に応じて前記撮像素子の蓄積時間を決定することを特徴とする請求項７記載の撮像装置。

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