JP2010166396A - Method of driving image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は撮像素子の駆動方法に係り、特に、主画素の信号電荷の読み出しタイミングと従画素の信号電荷の読み出しタイミングとを独立に制御可能な撮像素子の駆動方法に関する。 The present invention relates to an image sensor driving method, and more particularly to an image sensor driving method capable of independently controlling a signal charge readout timing of a main pixel and a signal charge readout timing of a slave pixel.
広ダイナミックレンジの画像を得るために、相対的に高感度の高感度画素と相対的に低感度の低感度素子とを備えた撮像素子を利用する撮像装置が知られている。しかしながら、高感度画素と低感度画素の感度比は、撮像素子の構造に依存するため、変化させることができない。したがって、シーンに応じて最適なダイナミックレンジで撮影することが困難であった。 In order to obtain an image with a wide dynamic range, an imaging apparatus using an imaging device including a relatively high-sensitivity high-sensitivity pixel and a relatively low-sensitivity low-sensitivity element is known. However, the sensitivity ratio between the high-sensitivity pixel and the low-sensitivity pixel cannot be changed because it depends on the structure of the image sensor. Therefore, it is difficult to shoot with an optimum dynamic range according to the scene.
このような課題に対し、特許文献1には、主画素の信号電荷の読み出しタイミングと従画素の信号電荷の読み出しタイミングとを独立に制御できるように構成し、少なくとも一方の電荷蓄積開始時点を制御することにより、主画素の画像信号または従画素の画像信号の少なくとも一方の感度を変化させることができるようにした撮像素子が記載されている。特許文献1に記載の撮像素子によれば、シーンに応じて最適なダイナミックレンジで撮影することができる。
撮像素子の高解像度化によりフォトダイオードは微細化され、垂直転送路(VCCD)の幅も微細化が進んでいる。VCCDの線幅を微細化するとVCCDの飽和容量も少なくなる。また、VCCDの飽和容量を大きくするには、VCCDのポテンシャルを深くすることが考えられるが、この場合、VCCDの暗電流が増加することにより暗時特性が劣化し、高ISO感度時の画質劣化が発生する。したがって、VCCDのポテンシャルを深く設計することは好ましくない。 As the resolution of the image sensor increases, the photodiode is miniaturized, and the width of the vertical transfer path (VCCD) is also becoming finer. When the line width of the VCCD is reduced, the saturation capacity of the VCCD is also reduced. In order to increase the saturation capacity of the VCCD, it is conceivable to increase the potential of the VCCD. In this case, the dark current characteristic deteriorates due to an increase in the dark current of the VCCD, and the image quality deteriorates when the ISO sensitivity is high. Occurs. Therefore, it is not preferable to design the potential of VCCD deeply.
このようにVCCDの線幅がより微細になり、VCCDのポテンシャルも画質の観点により深くできないことで、フォトダイオードに蓄積された不要電荷を全てVCCDへ読み出すことが出来なくなってしまう。また、フォトダイオードに蓄積された不要電荷の全てを読み出そうとすると、読出し電圧(フォトダイオードを空乏化させる空乏化電圧)が上昇してしまう。 As described above, the line width of the VCCD becomes finer and the potential of the VCCD cannot be deepened from the viewpoint of image quality, so that all unnecessary charges accumulated in the photodiode cannot be read out to the VCCD. In addition, when all the unnecessary charges accumulated in the photodiode are read out, the read voltage (depletion voltage that depletes the photodiode) increases.
このように空乏化電圧が上昇することで、広ダイナミックレンジの画像を取得するために主画素と副画素との読み出しタイミングを独立に制御する際に、露光期間中の副画素の不要電荷のうち全てを読み出すことができない(読み残しが発生する)という現象が発生した。露光期間中の副画素の電荷を全て読み出せないことで、最終的に作成される画像の画質が悪化してしまう。 As the depletion voltage is increased in this way, when controlling the readout timing of the main pixel and the sub-pixel independently in order to acquire an image with a wide dynamic range, out of unnecessary charges of the sub-pixel during the exposure period. There was a phenomenon that all could not be read out (leftovers occurred). Since all the charges of the sub-pixels during the exposure period cannot be read, the image quality of the finally created image is deteriorated.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、主画素の信号電荷の読み出しタイミングと従画素の信号電荷の読み出しタイミングとを独立に制御可能な撮像素子において、露光中の副画素の電荷を全て読み出すための撮像素子の駆動方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and in an imaging device capable of independently controlling the readout timing of the signal charge of the main pixel and the readout timing of the signal charge of the slave pixel, the charge of the subpixel being exposed. An object of the present invention is to provide a method of driving an image sensor for reading out all of the above.
前記目的を達成するために請求項1に記載の撮像素子の駆動方法は、二次元的に配列された複数の受光素子であって、主画素の受光素子と副画素の受光素子とを含む複数の受光素子と、前記主画素の受光素子と前記副画素の受光素子との露光を同時に開始する露光開始手段と、前記複数の受光素子を遮光することにより前記主画素の受光素子と前記副画素の受光素子との露光を同時に終了するメカニカルシャッタと、前記複数の受光素子の垂直ラインごとに配置され、前記受光素子から読み出した信号電荷を垂直転送パルスに同期して垂直方向に転送する垂直転送路と、第1の読み出しパルスにより前記主画素の受光素子に蓄積された信号電荷を前記垂直転送路に読み出す第1の読み出し手段と、第2の読み出しパルスにより前記副画素の受光素子に蓄積された信号電荷を前記垂直転送路に読み出す第2の読み出し手段と、複数の前記垂直転送路の出力端に共通に接続され、前記垂直転送路から出力された信号電荷を水平転送パルスに同期して水平方向に転送する水平転送路と、前記水平転送路の出力端に接続され、前記水平転送路から出力された信号電荷に応じた出力信号を生成する生成手段とを備えた撮像素子の駆動方法であって、前記露光開始手段により露光を開始する露光開始工程と、露光を開始してから第1の所定時間の経過時に、前記第2の読み出し手段により前記副画素の受光素子から信号電荷を読み出すことにより、前記第1の所定時間経過時から前記副画素の受光素子に信号電荷の蓄積を開始させる副画素露光開始工程と、露光を開始してから前記第1の所定時間が経過する前に、前記第2の読み出し手段により前記副画素の受光素子から信号電荷を読み出して前記副画素の受光素子に蓄積された不要電荷を除去する除去工程と、露光を開始してから第2の所定時間の経過時に、前記メカニカルシャッタにより露光を終了する露光終了工程とを備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the image sensor driving method according to claim 1 is a plurality of light receiving elements arranged two-dimensionally, including a light receiving element of a main pixel and a light receiving element of a sub-pixel. A light receiving element, an exposure start means for simultaneously starting exposure of the light receiving element of the main pixel and the light receiving element of the sub pixel, and the light receiving element of the main pixel and the sub pixel by shielding the plurality of light receiving elements from light. A mechanical shutter that terminates exposure to the light receiving elements simultaneously, and a vertical transfer that is arranged for each vertical line of the plurality of light receiving elements, and that transfers signal charges read from the light receiving elements in the vertical direction in synchronization with a vertical transfer pulse. A first readout means for reading out the signal charge accumulated in the light receiving element of the main pixel to the vertical transfer path by the first readout pulse, and receiving the sub-pixel by the second readout pulse. A second readout means for reading out the signal charge accumulated in the element to the vertical transfer path and a common connection to the output ends of the plurality of vertical transfer paths, and the signal charge output from the vertical transfer path is transferred to the horizontal transfer pulse. An image pickup comprising a horizontal transfer path that transfers in the horizontal direction in synchronization with the output and a generation unit that is connected to the output end of the horizontal transfer path and generates an output signal corresponding to the signal charge output from the horizontal transfer path An element driving method comprising: an exposure start step of starting exposure by the exposure start means; and a light receiving element of the sub-pixel by the second readout means at the elapse of a first predetermined time after the start of exposure. Reading out the signal charge from the subpixel exposure start step for starting signal charge accumulation in the light receiving element of the subpixel from the elapse of the first predetermined time, and the first predetermined time from the start of exposure. Before the elapse of time, a removal step of reading out signal charges from the light receiving element of the subpixel by the second reading means and removing unnecessary charges accumulated in the light receiving element of the subpixel; An exposure end step of ending exposure by the mechanical shutter when the second predetermined time has elapsed.
本発明によれば、露光を開始してから第1の所定時間が経過する前に、第2の読み出し手段により副画素の受光素子から信号電荷を読み出して副画素の受光素子に蓄積された不要電荷を除去し、露光を開始してから第1の所定時間の経過時に、第2の読み出し手段により副画素の受光素子から信号電荷を読み出すようにしたので、空乏化電圧を低減し、露光中の副画素の電荷を全て読み出すことができる。 According to the present invention, the signal charge is read from the light receiving element of the subpixel by the second reading means and accumulated in the light receiving element of the subpixel before the first predetermined time elapses from the start of exposure. Since the signal charge is read from the light receiving element of the sub-pixel by the second reading means when the first predetermined time has elapsed after the charge is removed and exposure is started, the depletion voltage is reduced and the exposure is in progress. All the charges of the sub-pixels can be read out.
請求項2に示すように請求項1に記載の撮像素子の駆動方法において、前記除去工程は、複数の前記第2の読み出しパルスにより前記副画素の受光素子に蓄積された不要電荷を除去することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the image sensor driving method according to the first aspect, the removing step removes unnecessary charges accumulated in the light receiving element of the sub-pixel by a plurality of the second readout pulses. It is characterized by.
これにより、空乏化電圧を低減し、露光中の副画素の電荷を全て読み出すことができる。 As a result, the depletion voltage can be reduced and all the charges of the sub-pixels being exposed can be read out.
請求項3に示すように請求項1または2に記載の撮像素子の駆動方法において、前記除去工程が前記第2の読み出し手段により前記副画素の受光素子から信号電荷を読み出してから前記副画素露光開始工程が前記副画素の受光素子に信号電荷の蓄積を開始させるまでの間に、前記垂直転送路に前記垂直転送パルスを連続して印加することにより前記除去工程により前記垂直転送路に読み出された信号電荷を前記垂直転送路から除去することを特徴とする。 3. The image sensor driving method according to claim 1, wherein the removing process reads the signal charge from the light receiving element of the sub-pixel by the second reading unit, and then performs the sub-pixel exposure. Until the start process starts the accumulation of signal charges in the light receiving element of the sub-pixel, the vertical transfer pulse is continuously applied to the vertical transfer path to read out to the vertical transfer path through the removal process. The signal charge is removed from the vertical transfer path.
これにより、空乏化電圧を低減し、露光中の副画素の電荷を全て読み出すことができる。 As a result, the depletion voltage can be reduced and all the charges of the sub-pixels being exposed can be read out.
請求項4に示すように請求項1または2に記載の撮像素子の駆動方法において、前記除去工程が前記第2の読み出し手段により前記副画素の受光素子から信号電荷を読み出してから前記副画素露光開始工程が前記副画素の受光素子に信号電荷の蓄積を開始させるまでの間に、前記垂直転送路をピニング状態にすることにより前記除去工程により前記垂直転送路に読み出された信号電荷を前記垂直転送路から除去することを特徴とする。 4. The method of driving an image sensor according to claim 1, wherein the sub-pixel exposure is performed after the removal step reads out a signal charge from the light-receiving element of the sub-pixel by the second readout unit. The signal charge read out to the vertical transfer path by the removing process is changed to the pinning state by starting the accumulation of signal charges in the light receiving element of the sub-pixel. It is characterized by being removed from the vertical transfer path.
これにより、空乏化電圧を低減し、露光中の副画素の電荷を全て読み出すことができる。 As a result, the depletion voltage can be reduced and all the charges of the sub-pixels being exposed can be read out.
請求項5に示すように請求項1から4のいずれかに記載の撮像素子の駆動方法において、前記露光終了工程により露光を終了した後、前記垂直転送路に前記垂直転送パルスを連続して印加して前記副画素露光開始工程により前記垂直転送路に読み出された信号電荷を前記垂直転送路から除去する掃き出し工程を備えたことを特徴とする。 5. The image sensor driving method according to claim 1, wherein the vertical transfer pulse is continuously applied to the vertical transfer path after the exposure is completed in the exposure end step. And a sweeping step of removing the signal charge read out to the vertical transfer path by the sub-pixel exposure start process from the vertical transfer path.
これにより、副画素露光開始工程により垂直転送路に読み出された信号電荷を適切に除去することができる。 Thereby, the signal charge read to the vertical transfer path by the subpixel exposure start process can be appropriately removed.
請求項6に示すように請求項5に記載の撮像素子の駆動方法において、前記掃き出し工程の終了後、前記第1の読み出し手段及び前記第2の読み出し手段により、前記主画素の受光素子及び前記副画素の受光素子に蓄積された信号電荷を前記垂直転送路に読み出すことを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the method for driving an image pickup device according to the fifth aspect, the light receiving element of the main pixel and the second read-out device are used by the first read-out device and the second read-out device after the sweep-out step is completed. The signal charge accumulated in the light receiving element of the sub-pixel is read out to the vertical transfer path.
これにより、主画素の受光素子及び副画素の受光素子に蓄積された信号電荷に基づいて、撮影画像を取得することができる。 Thus, a captured image can be acquired based on the signal charges accumulated in the light receiving elements of the main pixel and the sub pixels.
本発明によれば、露光を開始してから第1の所定時間が経過する前に、第2の読み出し手段により副画素の受光素子から信号電荷を読み出して副画素の受光素子に蓄積された不要電荷を除去し、露光を開始してから第1の所定時間の経過時に、第2の読み出し手段により副画素の受光素子から信号電荷を読み出すようにしたので、空乏化電圧を低減し、露光中の副画素の電荷を全て読み出すことができる。 According to the present invention, the signal charge is read from the light receiving element of the subpixel by the second reading means and accumulated in the light receiving element of the subpixel before the first predetermined time elapses from the start of exposure. Since the signal charge is read from the light receiving element of the sub-pixel by the second reading means when the first predetermined time has elapsed after the charge is removed and exposure is started, the depletion voltage is reduced and the exposure is in progress. All the charges of the sub-pixels can be read out.
以下に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below.
図1は、デジタルカメラ1の電気的構成の一例を示す図である。同図に示すように、デジタルカメラ1は、レンズ10、絞り11、レンズ・絞り駆動部12、CCD13、AFE&TG部14、信号処理部19、操作部21、外部メモリ22、LCD表示部23、I/Oインターフェース部24、及びフラッシュ25等を備えて構成される。
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of an electrical configuration of the digital camera 1. As shown in the figure, the digital camera 1 includes a
各部は信号処理部19のCPU20に制御されて動作し、CPU20は、操作部21からの入力に基づき所定の制御プログラムを実行することにより、デジタルカメラ1の各部を制御する。
Each unit operates under the control of the
デジタルカメラ1は図示しないROMを備えており、ROMにはCPU20が実行する制御プログラムのほか、制御に必要な各種データ等が記録されている。CPU20は、ROMに記録された制御プログラムを図示しないメインメモリに読み出し、逐次実行することにより、デジタルカメラ1の各部を制御する。
The digital camera 1 includes a ROM (not shown), in which various data necessary for control are recorded in addition to a control program executed by the
操作部21は、図示しない電源ボタン、シャッターレリーズボタン、撮影モード/再生モード切替スイッチ等を備え、それぞれの操作に応じた信号をCPU20に出力する。
The
レンズ10、絞り11は、図示しないズームレンズ、フォーカスレンズ、メカシャッタを含み、レンズ・絞り駆動部12に駆動されて、ズーミング、フォーカシング、絞りの開口量(F値)変更、及びメカシャッタの開閉を行う。CPU20は、レンズ・絞り駆動部12を制御し、図示しないフォーカスレンズの位置を合焦位置に調整し、また絞りの開口量を制御して露光量が適正露出となるように調整する。
The
CCD13は、絞り11の後段に配置されており、レンズ10等を透過した被写体光を受光する。
The
図2は、CCD13の受光面の概略図である。同図に示すように、CCD13の受光面は、主画素の受光素子(フォトダイオード)13aの列と副画素の受光素子13bの列が交互に配列され、主画素13aの列が副画素13bの列に対して1/2ピッチずつずらして配置された所謂ハニカム画素配列を構成している。なお、CCD13の受光素子の配列は、この例に限定されるものではなく、例えば所謂ベイヤー画素配列を用いてもよい。
FIG. 2 is a schematic view of the light receiving surface of the
また、各受光素子の上には三原色のカラーフィルタ(R=赤,G=緑,B=青)が備えられており、主画素13aの各列は、R画素とG画素が交互に配置された列と、B画素とG画素が交互に配置された列とが交互に配列されている。同様に、副画素13bの各列についても、R画素とG画素が交互に配置された列と、B画素とG画素が交互に配置された列とが交互に配列されている。
Further, three primary color filters (R = red, G = green, B = blue) are provided on each light receiving element, and R pixels and G pixels are alternately arranged in each column of the
主画素13aの各列、及び副画素13bの各列は、それぞれ列毎に1つのVCCDを備えており、主画素のVCCD13cへの読み出しと副画素のVCCD13dへの読み出しは、個別の読み出しパルスによって独立して行うことが可能となっている。また、後述するように、OFDシャッターパルスによって、主画素13a及び副画素13bの各受光素子内の残留電荷を同時に半導体基板側に廃棄することが可能である。
Each column of the
なお、主画素13aと副画素13bのVCCDへの読み出しが独立に制御可能であれば、主画素13aと副画素13bとが共通のVCCDへ読み出されるように構成されていてもよい。
Note that the
CCD13の受光面上に結像された被写体光は、各受光素子によって電気信号に変換され、蓄積される。
The subject light imaged on the light receiving surface of the
各受光素子に蓄積された電気信号は、AFE&TG部のタイミングジェネレータ18から供給される主画素13a、副画素13bのそれぞれの読み出しパルスによって、それぞれVCCD13c、13dに独立して読み出される。VCCD13c、13dは、この信号をタイミングジェネレータ18から供給されるクロックに同期して、1ラインずつ図示しない水平転送路(HCCD)に転送する。さらにHCCDは、VCCD13c、13dから転送された1ライン分の信号を、タイミングジェネレータ18から供給されるクロックに同期してAFE&TG部へ出力する。
The electrical signals accumulated in the respective light receiving elements are read independently to the VCCDs 13c and 13d by the respective readout pulses of the
AFE&TG部は、相関二重サンプリング回路(CDS)15、可変ゲインアンプ(VGA)16、及びA/D変換器17を含んで構成される。
The AFE & TG unit includes a correlated double sampling circuit (CDS) 15, a variable gain amplifier (VGA) 16, and an A /
CDS15は、画像信号に含まれているノイズの除去を行う。VGA16は、ノイズ成分が除去された画像信号を、設定された撮影感度(ISO感度)に応じた所定のゲインで増幅する。所要の信号処理が施されたアナログの画像信号は、A/D変換器17において所定ビットの階調幅を持ったデジタルの画像信号に変換される。この画像信号は、いわゆるRAWデータであり、画素毎にR、G、Bの濃度を示す階調値を有している。このデジタルの画像信号は、信号処理部19に出力され、図示しないメインメモリに格納される。
The
信号処理部19は、メインメモリに格納されたR、G、Bの各色の画像信号に対して所定の信号処理を施し、輝度信号Yと色差信号Cr、Cbとからなる画像信号(Y/C信号)を生成する。
The
また、信号処理部19は、CPU20からの圧縮指令に従い、入力された輝度信号Yと色差信号Cr、Cbとからなる画像信号(Y/C信号)に所定形式(たとえば、JPEG)の圧縮処理を施し、圧縮画像データを生成する。生成されたデータは、外部メモリ22に記録することも可能である。
Further, the
なお、外部メモリ22は、メモリカードのようにデジタルカメラ1の本体に対して着脱自在なものでもよいし、デジタルカメラ1の本体に内蔵されたものでもよい。着脱自在とする場合は、デジタルカメラ1の本体にカードスロットを設け、このカードスロットに装填して使用する。 The external memory 22 may be removable from the main body of the digital camera 1 such as a memory card, or may be built in the main body of the digital camera 1. In the case of detachable, a card slot is provided in the main body of the digital camera 1, and the card slot is used by being loaded.
また、信号処理部19は、CPU20からの指令に従い、LCD表示部23への表示を制御する。LCD表示部23は、動画(スルー画像)を表示して電子ビューファインダとして使用できるとともに、撮影した記録前の画像(ポストビュー画像)や外部メモリ22から読み出した再生画像等を表示することができる液晶モニタである。
In addition, the
I/Oインターフェース24は、USB2.0等のシリアルインターフェース、IEEE1394、無線LAN等のインターフェースであり、デジタルカメラ1と外部機器とのデータの入出力を可能とするものである。
The I /
フラッシュ25は、CPU20からの指令に従い、撮影補助光を出射する。
The
<第1の実施の形態>
図3を用いて、第1の実施の形態のデジタルカメラ1の副画素の不要電荷掃き出し動作について説明する。
<First Embodiment>
With reference to FIG. 3, the unnecessary charge sweeping operation of the sub-pixel of the digital camera 1 of the first embodiment will be described.
ユーザは、操作部21を用いて、デジタルカメラ1をダイナミックレンジ拡大撮影モードに設定することが可能となっている。ダイナミックレンジ拡大撮影モードは、主画素13aと副画素13bとを異なる露光時間で撮影を行い、それぞれの画素で撮影された画像について加算処理を行うことでダイナミックレンジを拡大した画像を取得するモードである。このモードでは、ユーザは、任意のダイナミックレンジ拡大率を設定することが可能である。
The user can set the digital camera 1 to the dynamic range expansion photographing mode using the
デジタルカメラ1がダイナミックレンジ拡大撮影モードに設定され、操作部21の図示しないシャッターレリーズボタンが操作されると、CPU20は、図示しないメカシャッターを開いてCCD13の主画素13a及び副画素13bを露光させ、電荷の蓄積を開始させる(タイミングT1)。
When the digital camera 1 is set to the dynamic range expansion shooting mode and a shutter release button (not shown) of the
その後、CPU20は、TG18を制御し、OFDシャッターパルスを出力する(タイミングT1〜T2)。OFDシャッターパルスは、水平同期信号に同期してTG18からCCD13の図示しないオーバーフロードレイン電極に印加されるものであり、OFDシャッターパルスにより主画素13a及び副画素13bに蓄積された電荷をCCD13内の基板側に排出する。
Thereafter, the
すなわち、OFDシャッターパルスの印加が終了した時点(タイミングT2)からメカシャッターが閉じる時点(タイミングT4)までの間が撮影のための露光期間となる。したがって、この露光期間が適正露出となる露光時間になるように、OFDシャッターパルスの印加を制御する。ダイナミックレンジ拡大撮影モードにおいては、この適正露出となる露光時間中に主画素13aを露光し、主画素13aは露光量に応じた信号電荷を蓄積する。
That is, the exposure period for photographing is from the time point when the application of the OFD shutter pulse is completed (timing T2) to the time point when the mechanical shutter is closed (timing T4). Therefore, the application of the OFD shutter pulse is controlled so that this exposure period is an exposure time for proper exposure. In the dynamic range expansion photographing mode, the
ここで、副画素13bは、ダイナミックレンジの拡大率に応じて適正露出よりも露出アンダーになるような露光時間(タイミングT3〜T4)で露光する必要がある。このため、CPU20は、TG18を制御し、タイミングT3において副画素のTGパルス(読み出しパルス)を出力し、副画素の露光時間がタイミングT3〜T4となるように制御する。したがって、副画素13bは、タイミングT3〜T4の期間に露光量に応じた信号電荷を蓄積する。
Here, the sub-pixel 13b needs to be exposed with an exposure time (timing T3 to T4) that causes the underexposure to be less than the appropriate exposure according to the enlargement ratio of the dynamic range. For this reason, the
なお、この読み出しパルスは、図3に示すように、電位VH、VM、VLから構成されている。電位VL及びVMは、VCCD13dの電荷を垂直方向に転送する時に印加する電位であり、電位VHは、副画素13bに蓄積されている電荷をVCCD13dに読み出す時(フィールドシフト時)に加えられる電位である。例えば、VLが−8V、VMが0V、VHが14Vであり、タイミングT3において電位VHが印加されて、副画素の13bの不要電荷が副画素のVCCD13dに読み出される。すなわち、副画素13bは、電位VHが印加された後、新たに露光量に応じた信号電荷の蓄積を開始する。
This read pulse is composed of potentials VH, VM, and VL as shown in FIG. The potentials VL and VM are applied when the charge of the
しかしながら、タイミングT3における1つのTGパルスでは、副画素13bの不要電荷のうち全てを読み出すことができない(読み残しが発生する)可能性があるため、CPU20は、タイミングT2〜T3において、不要電荷を読み出すためのTGパルス(電位VHのパルス)を出力させる。この不要電荷を読み出すためのTGパルスは、タイミングT3の直前に出力することが好ましい。また、後述するように、複数出力することが好ましい。
However, since one TG pulse at the timing T3 may not be able to read all of the unnecessary charges of the sub-pixel 13b (unread reading may occur), the
このように、主画素13a及び副画素13bの露光開始時間が異なるように制御された後、タイミングT4の時点で、CPU20は、メカシャッターを閉じることにより主画素13a及び副画素13bの露光を同時に終了する。その後、VCCD13c、13dの高速掃き出し(電位VL・VMの垂直転送クロックの連続出力)を行い、VCCD13c、13d上の不要電荷の掃き出しを行う。さらに、主画素のTGパルス及び副画素のTGパルスを出力して主画素13a及び副画素13bに蓄積された電荷をVCCD13c、13dに読み出す(タイミングT5)。
As described above, after the exposure start times of the
その後、VCCD13c、13d、及び図示しない水平転送路によりこれらの電荷を転送し、画像を取得する(タイミングT5〜T6)。主画素において適正露出で撮影された画像と、副画素においてダイナミックレンジの拡大率に応じて適正露出よりも露出アンダーになるような露出で撮影された画像とを用いたダイナミックレンジ拡大処理についての説明は省略する。 Thereafter, these charges are transferred through the VCCDs 13c and 13d and a horizontal transfer path (not shown) to acquire an image (timing T5 to T6). Description of dynamic range expansion processing using an image shot with appropriate exposure at the main pixel and an image shot with exposure below the appropriate exposure according to the dynamic range expansion rate at the sub-pixel Is omitted.
図4は、電源電圧が14Vの場合の、タイミングT2〜T3に出力する副画素のTGパルス数と、副画素13bの空乏化電圧との関係を示すグラフである。同図に示すように、TGパルス数が多くなるにしたがって空乏化電圧が低減されている。すなわち、TGパルス数が多くなるほど、副画素の電荷を全て読み出せない現象が発生しにくくなっている。例えば、空乏化電圧を電源電圧から2.0V以上のマージンを取りたい場合には、TGパルスは9回程度必要であることがわかる。これらのTGパルスを出力する周期は、適宜決めればよい。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between the number of sub-pixel TG pulses output at timings T2 to T3 and the depletion voltage of the sub-pixel 13b when the power supply voltage is 14V. As shown in the figure, the depletion voltage is reduced as the number of TG pulses increases. That is, as the number of TG pulses increases, a phenomenon in which all the charges of the subpixel cannot be read is less likely to occur. For example, when it is desired that the depletion voltage has a margin of 2.0 V or more from the power supply voltage, it is understood that the TG pulse is required about nine times. The period for outputting these TG pulses may be determined as appropriate.
このように、露光期間中にTGパルスを出力して露光期間をリセットして撮影を開始する場合に、その直前に複数のTGパルスを出力することにより、画素中の不要電荷を全て読み出すことが可能となる。 As described above, when the TG pulse is output during the exposure period and the exposure period is reset to start photographing, a plurality of TG pulses are output immediately before that to read out all unnecessary charges in the pixel. It becomes possible.
<第2の実施の形態>
次に、第2の実施の形態のデジタルカメラ1の副画素の不要電荷掃き出し動作について説明する。図5は、第2の実施の形態における不要電荷掃き出し動作のタイミングチャートであり、図3と共通する部分の説明は省略する。
<Second Embodiment>
Next, the unnecessary charge sweeping operation of the sub-pixel of the digital camera 1 according to the second embodiment will be described. FIG. 5 is a timing chart of the unnecessary charge sweeping operation in the second embodiment, and the description of the parts common to FIG. 3 is omitted.
第1の実施の形態と同様に、ダイナミックレンジ拡大撮影モードにおいて、メカシャッターが開いた後(タイミングT1)、OFDシャッターパルスが出力され、最後のOFDシャッターパルス出力時から主画素13aの露光が開始される(タイミングT2)。
As in the first embodiment, in the dynamic range expansion shooting mode, after the mechanical shutter is opened (timing T1), the OFD shutter pulse is output, and the exposure of the
また、タイミングT3において副画素13bのTGパルスを出力し、副画素13bの不要電荷を読み出すことにより副画素13bの露光を開始する。さらにタイミングT4においてメカシャッターを閉じ、主画素13a及び副画素13bの露光を同時に終了する。
Further, at timing T3, a TG pulse is output from the sub-pixel 13b, and exposure of the sub-pixel 13b is started by reading out unnecessary charges from the sub-pixel 13b. Further, at timing T4, the mechanical shutter is closed, and the exposure of the
ここで、タイミングT3における1つのTGパルスでは、副画素13bの不要電荷のうち全てを読み出すことができない可能性があるため、CPU20は、タイミングT2〜T3において、TGパルスを出力して副画素13bの不要電荷を読み出した後、副画素のVCCD13dについて高速掃き出し(電位VL・VMの垂直転送クロックの連続出力)を行う。
Here, since there is a possibility that one of the unnecessary charges of the sub-pixel 13b cannot be read with one TG pulse at the timing T3, the
このように、副画素13bから副画素のVCCD13dに読み出した不要電荷を高速掃き出しによって除去することにより、空乏化電圧が低減され、その後印加するTGパルスによって副画素13bの不要電荷を全て読み出すことが可能となる。
In this way, by removing unnecessary charges read from the
なお、第1の実施の形態における複数のTGパルスを出力する場合に、各TGパルス出力の間に、VCCD13dの高速掃き出しを行なってもよい。
When outputting a plurality of TG pulses in the first embodiment, high-speed sweeping of the
<第3の実施の形態>
次に、第3の実施の形態のデジタルカメラ1の副画素の不要電荷掃き出し動作について説明する。図6は、第3の実施の形態における不要電荷掃き出し動作のタイミングチャートであり、図3と共通する部分の説明は省略する。
<Third Embodiment>
Next, the unnecessary charge sweeping operation of the sub-pixel of the digital camera 1 according to the third embodiment will be described. FIG. 6 is a timing chart of the unnecessary charge sweeping operation in the third embodiment, and the description of the parts common to FIG. 3 is omitted.
第1の実施の形態と同様に、ダイナミックレンジ拡大撮影モードにおいて、メカシャッターが開いた後(タイミングT1)、OFDシャッターパルスが出力され、最後のOFDシャッターパルス出力時から主画素13aの露光が開始される(タイミングT2)。
As in the first embodiment, in the dynamic range expansion shooting mode, after the mechanical shutter is opened (timing T1), the OFD shutter pulse is output, and the exposure of the
また、タイミングT3において副画素13bのTGパルスを出力し、副画素13bの不要電荷を読み出すことにより副画素13bの露光を開始する。さらにタイミングT4においてメカシャッターを閉じ、主画素13a及び副画素13bの露光を同時に終了する。
Further, at timing T3, a TG pulse is output from the sub-pixel 13b, and exposure of the sub-pixel 13b is started by reading out unnecessary charges from the sub-pixel 13b. Further, at timing T4, the mechanical shutter is closed, and the exposure of the
ここで、タイミングT3における1つのTGパルスでは、副画素13bの不要電荷のうち全てを読み出すことができない可能性があるため、CPU20は、タイミングT2〜T3において、TGパルスを出力して副画素13bの不要電荷を読み出した後、副画素のVCCD13dをピニング状態にする。ここで、ピニング状態とは、VCCDの図示しない各転送電極を所定の電位(例えば、電位VL)に制御することにより、各転送電極下のチャネル領域にポテンシャルの井戸を形成しない状態をいう。したがって、副画素13bからVCCD13dに読み出された不要電荷は、VCCD13dに蓄積されることなく排出される。
Here, since there is a possibility that one of the unnecessary charges of the sub-pixel 13b cannot be read with one TG pulse at the timing T3, the
このように、副画素13bから副画素のVCCD13dに読み出した不要電荷をピニング状態によって除去することにより、空乏化電圧が低減され、その後印加するTGパルスによって副画素13bの不要電荷を全て読み出すことが可能となる。
In this way, by removing unnecessary charges read from the
本実施の形態では、デジタルカメラ1のダイナミックレンジ拡大撮影モードにおいて、副画素の不要電荷掃き出し動作を行ったが、主画素13aと副画素13bの露光時間が異なる撮影モードであれば、他のモードにおいても適用可能である。例えば、1度のシャッタレリーズ操作において、撮影感度の異なる2枚の画像を撮影するモードにおいて、主画素13aと副画素13bの露光時間を異ならせて撮影する場合に適用してもよい。
In the present embodiment, the unnecessary charge sweeping operation of the sub-pixel is performed in the dynamic range expansion photographing mode of the digital camera 1. However, if the
1…デジタルカメラ、10…レンズ、11…絞り、12…レンズ・絞り駆動部、13…CCD、13a…主画素、13b…副画素、13c…主画素のVCCD、13d…副画素のVCCD、14…AFE&TG部、18…タイミングジェネレータ、19…信号処理部、20…CPU、21…操作部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Digital camera, 10 ... Lens, 11 ... Aperture, 12 ... Lens and aperture drive part, 13 ... CCD, 13a ... Main pixel, 13b ... Subpixel, 13c ... VCCD of main pixel, 13d ... VCCD of subpixel, 14 ... AFE & TG section, 18 ... timing generator, 19 ... signal processing section, 20 ... CPU, 21 ... operation section
Claims (6)
前記主画素の受光素子と前記副画素の受光素子との露光を同時に開始する露光開始手段と、
前記複数の受光素子を遮光することにより前記主画素の受光素子と前記副画素の受光素子との露光を同時に終了するメカニカルシャッタと、
前記複数の受光素子の垂直ラインごとに配置され、前記受光素子から読み出した信号電荷を垂直転送パルスに同期して垂直方向に転送する垂直転送路と、
第1の読み出しパルスにより前記主画素の受光素子に蓄積された信号電荷を前記垂直転送路に読み出す第1の読み出し手段と、
第2の読み出しパルスにより前記副画素の受光素子に蓄積された信号電荷を前記垂直転送路に読み出す第2の読み出し手段と、
複数の前記垂直転送路の出力端に共通に接続され、前記垂直転送路から出力された信号電荷を水平転送パルスに同期して水平方向に転送する水平転送路と、
前記水平転送路の出力端に接続され、前記水平転送路から出力された信号電荷に応じた出力信号を生成する生成手段と、
を備えた撮像素子の駆動方法であって、
前記露光開始手段により露光を開始する露光開始工程と、
露光を開始してから第1の所定時間の経過時に、前記第2の読み出し手段により前記副画素の受光素子から信号電荷を読み出すことにより、前記第1の所定時間経過時から前記副画素の受光素子に信号電荷の蓄積を開始させる副画素露光開始工程と、
露光を開始してから前記第1の所定時間が経過する前に、前記第2の読み出し手段により前記副画素の受光素子から信号電荷を読み出して前記副画素の受光素子に蓄積された不要電荷を除去する除去工程と、
露光を開始してから第2の所定時間の経過時に、前記メカニカルシャッタにより露光を終了する露光終了工程と、
を備えたことを特徴とする撮像素子の駆動方法。 A plurality of light-receiving elements arranged two-dimensionally, including a light-receiving element of a main pixel and a light-receiving element of a sub-pixel;
Exposure start means for simultaneously starting exposure of the light receiving element of the main pixel and the light receiving element of the sub-pixel;
A mechanical shutter that simultaneously terminates exposure of the light receiving element of the main pixel and the light receiving element of the sub-pixel by shielding the plurality of light receiving elements;
A vertical transfer path that is arranged for each vertical line of the plurality of light receiving elements, and that transfers signal charges read from the light receiving elements in a vertical direction in synchronization with a vertical transfer pulse;
First readout means for reading out signal charges accumulated in the light receiving element of the main pixel to the vertical transfer path by a first readout pulse;
Second readout means for reading out the signal charge accumulated in the light receiving element of the sub-pixel by the second readout pulse to the vertical transfer path;
A horizontal transfer path that is connected in common to the output ends of the plurality of vertical transfer paths, and that transfers signal charges output from the vertical transfer paths in the horizontal direction in synchronization with horizontal transfer pulses;
Generating means connected to the output end of the horizontal transfer path and generating an output signal corresponding to the signal charge output from the horizontal transfer path;
A method for driving an image sensor comprising:
An exposure start step of starting exposure by the exposure start means;
When the first predetermined time has elapsed from the start of exposure, the signal charge is read from the light receiving element of the subpixel by the second reading means, so that the light reception of the subpixel from the first predetermined time has elapsed. A sub-pixel exposure start step for starting signal charge accumulation in the device;
Before the first predetermined time elapses from the start of exposure, the signal charge is read from the light receiving element of the subpixel by the second reading means, and unnecessary charges accumulated in the light receiving element of the subpixel are removed. A removal step to remove;
An exposure end step of ending the exposure by the mechanical shutter when a second predetermined time has elapsed since the start of exposure; and
A method for driving an image sensor, comprising:
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---|---|---|---|
JP2009007875A JP2010166396A (en) | 2009-01-16 | 2009-01-16 | Method of driving image sensor |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2015080163A1 (en) * | 2013-11-26 | 2015-06-04 | 株式会社ニコン | Electronic device, imaging device, and imaging element |
JP2015138994A (en) * | 2014-01-20 | 2015-07-30 | 株式会社ニコン | Electronic apparatus |
-
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US10757341B2 (en) | 2013-11-26 | 2020-08-25 | Nikon Corporation | Electronic device, imaging device, and imaging element |
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