JP2010011008A - Ｃｃｄ型固体撮像素子及び撮像装置並びにその黒レベル検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】画素加算したときの黒レベルの検出の安定化を図る。
【解決手段】ＣＣＤ型固体撮像素子の有効画素部から読み出された信号電荷を出力用転送路で画素加算し転送するときオプティカルブラック部の検出電荷の転送は行わずに前記信号電荷の前記画素加算した転送及び出力が終了した後にオプティカルブラック部の検出電荷の出力用転送路による転送及び出力を画素加算せずに行わせ、ＣＣＤ型固体撮像素子の出力用転送路から出力された信号を相関二重サンプリング処理し、相関二重サンプリング処理後の出力信号を前記画素加算せずに転送され出力されたオプティカルブラック部の出力レベル（検出黒レベル）に基づきクランプする。
【選択図】図５

Description

本発明は、ＣＣＤ型固体撮像素子及びデジタルスチルカメラ等の撮像装置並びにその黒レベル検出方法に係り、特に、精度の高い黒レベルを検出できるＣＣＤ型固体撮像素子及び撮像装置並びにその黒レベル検出方法に関する。

ＣＣＤ（電荷結合素子：Charge Coupled Device）型の固体撮像素子を搭載した撮像装置では、下記の特許文献１，２，３に記載されている様に、固体撮像素子の有効画素領域周辺部に設けられたオプティカルブラック（ＯＢ）部から黒レベルを表す信号を読み出し、この黒レベル信号に基づき、信号処理を行っている。

黒レベルを検出する場合、検出対象となるＯＢ部の画素数が多いほど、黒レベルが安定化し、撮像画像の高品質化につながる。しかし、ＯＢ部の画素数が少なくなると、黒レベルの検出が不安定となり、画質劣化の原因となる。このため、ＯＢ部の画素数は多いほどよい。

しかるに、近年の固体撮像素子は、数百万画素以上を搭載ししかも撮像素子チップも小型化しているため、ＯＢ部に黒レベル検出用の画素をそれほど多く搭載することができなくなっている。

しかも、近年のデジタルカメラでは、高感度撮影や動画撮影時のフレームレートを高くするために、水平画素加算を行うのが普通になっている。このため、例えば、ＯＢ部の画素が水平方向に１００画素並んでいても、４画素加算すると、黒レベル検出用のＯＢ期間の信号は、１００／４＝２５となり、黒レベルの不安定化の要因になってしまう。

特開平９―２４７５５２号公報 特開２０００―１２５２１１号公報 特開２００３―１８４６８号公報

近年のデジタルカメラ等の撮像装置は、撮像画像の高品質化が要求され、黒レベルを安定的に検出する必要がある。このため、動画撮影時の様な水平方向画素加算が行われても、ＯＢ期間の黒レベル検出用信号数を確保する必要がある。

本発明の目的は、水平画素加算読出が行われる場合でも安定的に黒レベルを検出できるＣＣＤ型固体撮像素子及び撮像装置並びにその黒レベル検出方法を提供することにある。

本発明の撮像装置及びその黒レベル検出方法は、ＣＣＤ型固体撮像素子の有効画素部から読み出された信号電荷を出力用転送路で画素加算し転送するときオプティカルブラック部の検出電荷の転送は行わずに前記信号電荷の前記画素加算した転送及び出力が終了した後に前記オプティカルブラック部の検出電荷の前記出力用転送路による転送及び出力を画素加算せずに行わせ、前記ＣＣＤ型固体撮像素子の前記出力用転送路から出力された信号を相関二重サンプリング処理し、該相関二重サンプリング処理後の出力信号を前記画素加算せずに転送され出力された前記オプティカルブラック部の出力レベルに基づいてクランプすることを特徴とする。

本発明の撮像装置及び黒レベル検出方法は、前記駆動部が、前記転送及び出力を画素加算せずに行う代わりに、前記信号電荷を画素加算し転送する画素加算数より少ない加算数の画素加算を行う駆動パルスを生成し前記ＣＣＤ型固体撮像素子に出力することを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子は、有効画素部と該有効画素部に隣接した領域に形成されたオプティカルブラック部と、前記有効画素部及び前記オプティカルブラック部の各垂直転送路によって転送されてきた電荷を水平方向に転送する出力用転送路を備えるＣＣＤ型固体撮像素子であって、該出力用転送路を構成する転送電極のうち、前記有効画素領域に対応する転送電極と前記オプティカルブラック部に対応する転送電極とが別配線接続となっていることを特徴とする。

本発明によれば、黒レベルを検出するオプティカルブラック部の出力は画素加算しないため、黒レベルを検出する信号数を多くでき、この結果、黒レベルの検出を安定的に行うことが可能となる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るデジタルカメラの機能ブロック図である。このデジタルカメラ２０は、撮像部２１と、アナログフロントエンド（ＡＦＥ）回路２２と、撮像部２１及びＡＦＥ回路２２に駆動パルスを出力するタイミングジェネレータ（ＴＧ：パルス発生部）を含む駆動部２４と、フラッシュ２５とを備える。

撮像部２１は、撮影レンズ２１ａと、絞りやメカニカルシャッタ２１ｂと、ＣＣＤ型固体撮像素子５０とを備える。

デジタルカメラ２０は、更に、ＡＦＥ回路２２の出力を取り込んで画像処理するデジタル信号処理部２６と、このデジタルカメラ２０の全体を統括制御するシステム制御部（ＣＰＵ）２９と、画像処理された撮像画像データをＪＰＥＧ画像データやＭＰＥＧ画像データに圧縮したり逆に伸長したりする圧縮／伸長処理部２７と、撮影された被写体画像を表示するカメラ背面等に設けられた表示部２８と、フレームメモリとして使用される内部メモリ３０と、メモリカード等の外部記録メディア３２との間のインタフェース処理を行うメディアＩ／Ｆ３１と、これらを相互接続するバス４０とを備え、また、システム制御部２９には、ユーザからの指示入力を取り込むシャッタボタンを含む操作部３３が接続されている。

システム制御部２９は、バス４０を介して制御指示を各構成部に出力する他、フラッシュ２５と駆動部２４を直接制御し、駆動部２４は、システム制御部２９からの指示により、後述する様に、ＣＣＤ型固体撮像素子５０の水平転送パルスやＯＢクランプパルス（ＯＢＣＰ）を生成し、撮像部２１やＡＦＥ回路２２に出力する。

ＡＦＥ回路２２は、固体撮像素子５０の出力信号を相関二重サンプリング処理するＣＤＳ回路２２ａと、ＣＤＳ回路２２ａの出力信号をクランプするＯＢクランプ回路２２ｂと、ＯＢクランプ回路２２ｂの出力信号をデジタル信号に変換してデジタル信号処理部２６に出力するＡ／Ｄ変換回路２２ｃとを備える。これらは、周知の構成のものを用いることができる。

図２は、固体撮像素子５０の表面模式図である。ＣＣＤ型の固体撮像素子５０は、有効画素領域（画素部）５１と、その周辺部に設けられたオプティカルブラック（ＯＢ）部５２（左側を５２Ｌ、右側を５２Ｒとする。）と、下辺部に設けられた水平転送路５３と、水平転送路５３の出力端部に設けられた出力アンプ５４と備える。

有効画素領域５１とＯＢ部５２とには、図示しない複数の画素が二次元アレイ状に配列形成され、各画素列に沿って垂直転送路が形成され、各画素から隣接の垂直転送路に読み出された電荷（電子）が、垂直転送路に沿って水平転送路５３まで転送され、次に水平転送路５３に沿って転送され、出力アンプ５４が、電荷量に応じた電圧値信号を出力する様になっている。ＯＢ部５２は、黒レベルを検出できるように、アルミ膜やタングステン膜等でなる遮光膜で覆われている。

図３（ａ）は、図２に示す水平転送路５３の水平転送電極の接続状態を示す図である。水平転送路５３は、半導体基板表面部に形成されたＮ型の埋め込みチャネル５６と、その上に絶縁層５７を介して積層された２層構造の水平転送電極５８ａ，５８ｂとでなる。各電極５８ｂ下の埋め込みチャネル５６には、低濃度Ｎ型部５９が設けられている。

図示する例では、画素部５１に対応する部分の水平転送路５３に形成された、隣接する２層電極５８ａ，５８ｂの組に同一水平転送パルスが印加されるようになっており、４組毎の２層電極５８ａ，５８ｂに、順に、φＨ１，φＨ２，φＨ３，φＨ４が巡回的に印加される接続構造になっている。

これに対し、ＯＢ部５２Ｒの接続構造では、各２層電極の組に、φＨ１ＯＢ，φＨ２ＯＢが順に交互に印加される様になっている。

この構成により、ＯＢ部５２Ｒが検出した黒レベル信号電荷は、画素部５１が検出した信号電荷とは別の２相転送パルスφＨ１ＯＢ，φＨ２ＯＢで水平方向に転送され、画素部５１の検出した信号電荷は、φＨ１ＯＢ，φＨ２ＯＢとは異なる転送パルスφＨ１〜φＨ４で転送される。

ここで、φＨ１＝φＨ３＝φＨ１ＯＢ、φＨ２＝φＨ４＝φＨ２ＯＢとして２相転送パルスを転送電極に印加すると、水平転送路５３は、画素加算せずに、画素部の検出電荷とＯＢ部５２Ｒの検出電荷とを、順に且つ一緒に水平方向に転送することになる。

水平転送路５３を画素加算モードで転送駆動するときには、φＨ１，φＨ２，φＨ３，φＨ４を４相転送パルスとする。これにより、図３（ｂ）に示す様に、画素部５１の検出電荷が画素加算（混合）されて水平方向に転送される。

画素加算された信号電荷の転送出力が終了した後、ＯＢ部５２Ｒの検出電荷の画素からの読み出し及び垂直転送を行い、そして、２相パルスφＨ１ＯＢ，φＨ２ＯＢによって水平方向に転送及び出力を行う。

比較のために、従来の水平転送電極の接続構造を図４に示す。従来のＣＣＤ型固体撮像素子では、図４（ａ）に示す様に、画素部の信号電荷を転送する転送電極の接続構造と、ＯＢ部の検出電荷を転送する転送電極の接続構造は全く同じであり、図３（ａ）に示す画素部の転送電極の接続構造と同じである。このため、図４（ｂ）に示す様に、画素部の信号電荷を２画素加算して転送する場合、ＯＢ部の検出電荷も２画素加算されて転送されてしまう。

図５は、上述した実施形態の動作説明図である。図５（ａ）は、１画素１画素の信号電荷を転送したとき（φＨ１＝φＨ３＝φＨ１ＯＢ，φＨ２＝φＨ４＝φＨ２ＯＢ）のＣＤＳ出力と、それに対するＯＢクランプパルスＯＢＣＰを示す図である。

図２に示す水平ラインｎの信号（画素部及びＯＢ部）が垂直転送路，水平転送路に沿って転送され、アンプ５４から出力される。この１水平期間の出力信号が図５（ａ）であり、ＣＤＳ回路２２ａからは、先ず、左側のＯＢ部５２Ｌの信号が出力され、次に有効画素領域（画素部）５１の信号が出力され、次に、右側のＯＢ部５２Ｒの信号が出力される。

本実施形態では、右側のＯＢ部５２Ｒの信号レベルを検出し、この信号レベルを黒レベルとする。黒レベルを検出するために駆動部２４からＯＢクランプ回路２２ｂに出力されるパルスがＯＢＣＰであり、ＯＢ部５２Ｒの出力期間に合わせたパルスＯＢＣＰとなる。

図示する例では、ＯＢ出力期間の信号レベルは、ＯＢ部５２Ｒの１画素１画素の信号のため、低レベルの信号であるが、その出力信号数は、ＯＢ部５２Ｒの水平方向の画素数（垂直転送路数）に対応して多く（図示の例では数の多さを長さで表現している。）なっている。このため、ＯＢＣＰもそれに合わせて長い期間のパルス（実際には、１つのパルスではなく、ＯＢ部の垂直転送路の位置毎に対応した細かいパルスの集合）となり、安定した黒レベル検出が可能となる。

図５（ｂ）は、図４に示す従来構造の場合のＣＤＳ回路の出力信号とＯＢＣＰを示す図である。２画素加算されているため、ＯＢ部５２Ｒの出力レベルは、図５（ａ）に比較して２倍になっているが、その出力信号数は、１／２になってしまう。このため、ＯＢＣＰのパルス幅も１／２にしなければならず、黒レベル検出が図５（ａ）に較べて不安定になる。

図５（ｃ）は、図３に示す実施形態の場合のＣＤＳ回路の出力信号とＯＰＣＰを示す図である。本実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子で２画素加算を行う場合、左側のＯＢ部５２Ｌと画素部５１の検出電荷は２画素加算で２倍のレベルで転送され出力される。

画素部５１の検出電荷の出力が終わった後、φＨ１＝φＨ３＝φＨ１ＯＢ，φＨ２＝φＨ４＝φＨ２ＯＢの２相パルスで転送を行ってＯＢ部５２Ｒの検出電荷を出力するため、ＯＢ部５２Ｒの出力信号数は、図５（ａ）と同じに多くなり、これに合わせてＯＢＣＰも長くすることができる。このため、安定した黒レベルの検出が可能となる。

勿論、このＯＢ部５２Ｒの出力レベルは、２画素加算でないため、ＣＤＳ回路２２ａから出力される画素部の信号は、２倍に補正した黒レベル信号でクランプする。つまり、１画素単位で出力される黒レベル信号を、画素加算した加算画素数倍した黒レベル信号でクランプする。

以上は２画素加算の例についてのべたが、４画素加算，８画素加算以上にも同様に適用可能である。例えば４画素加算の場合、ＯＢ部は１画素毎に出力するのがＯＢ部の出力期間が最も長くなり黒レベルは安定化するが、ＯＢ部も２画素加算で出力しても、４画素加算の場合に比較して黒レベルの安定化を図ることができる。

本発明に係る撮像装置の黒レベル検出方法によれば、画素加算時の黒レベルを安定的に検出できるので、画素加算モードを搭載するデジタルカメラ等に適用すると有用である。

本発明の一実施形態に係るデジタルカメラのブロック構成図である。 図１に示すＣＣＤ型固体撮像素子の説明図である。 図２に示すＣＣＤ型固体撮像素子の水平転送電極の接続構成を示す図である。 図３と比較する従来技術に係る水平転送電極の接続構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る黒レベル検出方法を説明する図である。

符号の説明

２０ デジタルカメラ
２１ 撮像部
２２ ＡＦＥ（アナログフロントエンド）回路
２２ａ ＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路
２２ｂ ＯＢ（オプティカルブラック）クランプ回路
２２ｃ Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路
２４ 駆動部（パルス発生部）
２６ デジタル信号処理部
２９ システム制御部
５０ ＣＣＤ型固体撮像素子
５１ 有効画素領域
５２ ＯＢ部
５３ 水平転送路
ＯＢＣＰ オプティカルブラッククランプパルス

Claims (5)

1. ＣＣＤ型固体撮像素子と、該ＣＣＤ型固体撮像素子の有効画素部から読み出された信号電荷を出力用転送路で画素加算し転送するときオプティカルブラック部の検出電荷の転送は行わずに前記信号電荷の前記画素加算した転送及び出力が終了した後に前記オプティカルブラック部の検出電荷の前記出力用転送路による転送及び出力を画素加算せずに行う駆動パルスを生成し前記ＣＣＤ型固体撮像素子に出力する駆動部と、前記ＣＣＤ型固体撮像素子の前記出力用転送路から出力された信号を相関二重サンプリング処理するＣＤＳ回路と、該ＣＤＳ回路の出力信号を前記画素加算せずに転送され出力された前記オプティカルブラック部の出力レベルに基づいてクランプするクランプ回路とを備える撮像装置。
2. 請求項１記載の撮像装置であって、前記駆動部は、前記転送及び出力を画素加算せずに行う代わりに、前記信号電荷を画素加算し転送する画素加算数より少ない加算数の画素加算を行う駆動パルスを生成し前記ＣＣＤ型固体撮像素子に出力することを特徴とする撮像装置。
3. 有効画素部と該有効画素部に隣接した領域に形成されたオプティカルブラック部と、前記有効画素部及び前記オプティカルブラック部の各垂直転送路によって転送されてきた電荷を水平方向に転送する出力用転送路を備えるＣＣＤ型固体撮像素子であって、該出力用転送路を構成する転送電極のうち、前記有効画素領域に対応する転送電極と前記オプティカルブラック部に対応する転送電極とが別配線接続となっていることを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子。
4. ＣＣＤ型固体撮像素子の有効画素部から読み出された信号電荷を出力用転送路で画素加算し転送するときオプティカルブラック部の検出電荷の転送は行わずに前記信号電荷の前記画素加算した転送及び出力が終了した後に前記オプティカルブラック部の検出電荷の前記出力用転送路による転送及び出力を画素加算せずに行わせ、前記ＣＣＤ型固体撮像素子の前記出力用転送路から出力された信号を相関二重サンプリング処理し、該相関二重サンプリング処理後の出力信号を前記画素加算せずに転送され出力された前記オプティカルブラック部の出力レベルに基づいてクランプすることを特徴とする撮像装置の黒レベル検出方法。
5. 請求項４記載の撮像装置の黒レベル検出方法であって、前記駆動部は、前記転送及び出力を画素加算せずに行う代わりに、前記信号電荷を画素加算し転送する画素加算数より少ない加算数の画素加算を行う駆動パルスを生成し前記ＣＣＤ型固体撮像素子に出力することを特徴とする撮像装置の黒レベル検出方法。

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