JP2010177873A

JP2010177873A - 撮像装置、固体撮像素子の駆動方法

Info

Publication number: JP2010177873A
Application number: JP2009016596A
Authority: JP
Inventors: Zenko Furuta; 善工古田
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2009-01-28
Filing date: 2009-01-28
Publication date: 2010-08-12
Also published as: TW201034453A; KR20100087669A

Abstract

【課題】画質劣化を防ぐことが可能な撮像装置を提供する。
【解決手段】複数の光電変換素子と、複数の光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送部（垂直電荷転送部、水平電荷転送部）と、水平電荷転送部を転送されてきた電荷をその電荷量に応じた信号に変換して出力するフローティングディフュージョンアンプＦＤＡとを含む固体撮像素子を有するデジタルカメラであって、ＦＤＡが、フローティングディフュージョンＦＤと、ＦＤに蓄積された電荷の電荷量に応じた信号を出力するＡＭＰと、ＦＤに蓄積された電荷をドレインＲＤに排出してリセットするリセットトランジスタとを備え、撮像素子駆動部が、リセットトランジスタのリセットゲートに印加する電圧を制御することで、リセットトランジスタによる非リセット時のＦＤに蓄積できる電荷量を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置及び固体撮像素子の駆動方法に関する。

近年、固体撮像素子では、画素数増加による信号読み出し時間増加を抑えるために、その駆動周波数が高くなってきている。図１５は、駆動周波数によるＣＣＤ型固体撮像素子の出力波形の違いを示した図である。図１５（ａ）は駆動周波数が高い場合、（ｂ）は駆動周波数が低い場合である。ＣＣＤ型の固体撮像素子の出力信号には、リセット部と、フィードスルー部と、データ部とがあり、フィードスルー部の安定している部分（フィードスルーレベル）をサンプリングパルスＳＨＰでサンプリングし、データ部の安定している部分（データレベル）をサンプリングパルスＳＨＤでサンプリングし、データレベルからフィードスルーレベルを減算する相関二重サンプリング（ＣＤＳ）処理を行い、このＣＤＳ処理後の信号を、実際の撮像信号として出力するようにしている。

図１５に示すように、駆動周波数が高い場合は、信号波形が全体的に縮まるため、フィードスルー部も狭くなっており、サンプリングパルスＳＨＰを打つタイミングの設計にも余裕がなくなってきている。

また、広ダイナミックレンジや高感度化により、微小信号から大信号まで幅広いレンジの信号量を取り扱うようになってきた。このため、駆動周波数が高い場合に、発生信号量があまりにも大きくなると、図１６に示すように、データレベル部が下がるのに引きずられてフィードスルー部も変形してしまう。上述したように、サンプリングパルスＳＨＰを打つタイミングの設計には余裕がなくなってきているため、このような変形が起こると、フィードスルーレベルを正確にサンプリングすることができず、画質が劣化してしまう。

特に、高感度撮影時等のように、暗い被写体を撮影しているときに高輝度部が存在すると、固体撮像素子からは図１７に示すように、大信号が連続して出力された後、小信号が出力されてくることになる。大信号が出力されたとき、図１６に示したように、フィードスルー部は変形してしまうが、この変形は、大信号の出力が終わった後もしばらくは続いてしまい、フィードスルー部が安定するまでには時間がかかってしまう。このため、大信号出力後の所定期間は、小信号のレベルが下がることになる。

この結果、撮影画像には、図１８に示すように、高輝度信号部を中心に水平方向にレベルが沈んだ“沈み込み”が発生してしまい、画質が劣化する。

従来では、光電変換素子の飽和容量を調整することで、固体撮像素子から非常に大きな信号が出力されないようにしている（例えば、特許文献１，２参照）。図１９は、光電変換素子（ＰＤ）とＯＦＤ電圧による飽和容量との関係を示した図であり、光電変換素子（ＰＤ）と基板との間のバリアの高さをＯＦＤ電圧によって変更し、余剰電荷を基板側に排出することで、上述した沈み込みの発生を抑制している。

特開平６−２６１２５４号公報特開２００７−２０１７１０号公報

しかし、ＯＦＤ電圧は、固体撮像素子全体で均一に加わるわけではなく、周辺と中心で異なる等、光電変換素子の飽和容量にもムラが生じてしまうのが現状である。このため、上記従来技術では、画質劣化を充分に抑えることができない。また、スミアや暗電流により、光電変換素子に蓄積される電荷量よりも、光電変換素子から電荷転送路に読み出された後の電荷量の方が多くなることもある。スミアや暗電流は主に電荷転送路で発生するため、このスミアや暗電流等による信号量増加はＯＦＤ電圧の制御では抑えることができない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、今後更に駆動周波数の高周波化が進み、画質劣化が懸念される場合でも、その画質劣化を防ぐことが可能な撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の撮像装置は、複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷転送部を転送されてきた電荷をその電荷量に応じた信号に変換して出力する出力部とを含む固体撮像素子を有する撮像装置であって、前記出力部が、前記電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷の電荷量に応じた信号を出力するアンプ部と、前記電荷蓄積部に蓄積された前記電荷をドレインに排出してリセットするリセットトランジスタとを備え、前記リセットトランジスタによる非リセット動作時に前記リセットトランジスタのリセットゲートに印加すべき電圧を可変制御することで、前記非リセット時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量を可変制御する電荷量制御部を備える。

本発明の撮像方法は、複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷転送部を転送されてきた電荷をその電荷量に応じた信号に変換して出力する出力部とを含む固体撮像素子を用いた撮像方法であって、前記出力部が、前記電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷の電荷量に応じた信号を出力するアンプ部と、前記電荷蓄積部の電荷をリセットするリセットトランジスタとを備え、前記リセットトランジスタによる非リセット動作時に前記リセットトランジスタのリセットゲートに印加する電圧を可変制御することで、前記非リセット時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量を制御する制御ステップを備える。

本発明によれば、画質劣化を防ぐことが可能な撮像装置を提供することができる。

本発明の一実施形態を説明するための撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図図１に示すデジタルカメラのＣＣＤ型の固体撮像素子の概略構成例を示す平面模式図図２に示す固体撮像素子の部分詳細図非リセット電圧の制御によるＦＤＡ容量の変化を説明するための図リセット電源電圧ＲＳを可変制御してＦＤＡ容量を調整することによる固体撮像素子の出力信号の変化を説明するための図リセットパルスの位相を可変制御する例を示した図リセットパルスの位相を可変制御してＦＤＡ容量を調整することによる固体撮像素子の出力信号の変化を説明するための図リセットパルスの位相を可変制御してＦＤＡ容量を調整した際にＳＨＰを打つ位置を変化させることを説明するための図図１に示すデジタルカメラで設定可能な撮影感度と各撮影感度において設定される駆動パターンの一例を示した図図１に示すデジタルカメラの撮影時の動作を説明するためのフローチャート駆動周波数の違いによるフィードスルー部の変動の違いを説明するための図図１に示すデジタルカメラで設定可能な撮影感度と各撮影感度において設定される駆動パターンの別の例を示した図画素混合モードと通常モードでのフローティングディフュージョンに蓄積される電荷量の違いを説明するための図固体撮像素子の感度の個体差を説明するための図駆動周波数によるＣＣＤ型固体撮像素子の出力波形の違いを示した図固体撮像素子から出力される信号量によりフィードスルー部が変動することを示した図固体撮像素子から出力される信号量によりフィードスルー部が変動することを示した図沈み込みによる画質劣化を説明するための図ＯＦＤ電圧とＰＤ飽和容量との関係を示した図

以下、本発明の一実施形態を説明するための撮像装置について図面を参照して説明する。以下に説明する撮像装置は、デジタルカメラやデジタルビデオカメラそのものや、携帯電話機等の電子機器や電子内視鏡に搭載する撮像モジュールである。

図１は、本発明の一実施形態を説明するための撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図である。
図示するデジタルカメラの撮像系は、撮影レンズ１と、ＣＣＤ型の固体撮像素子５と、この両者の間に設けられた絞り２と、赤外線カットフィルタ３と、光学ローパスフィルタ４とを備える。

デジタルカメラの電気制御系全体を統括制御するシステム制御部１１は、フラッシュ発光部１２及び受光部１３を制御し、レンズ駆動部８を制御して撮影レンズ１の位置をフォーカス位置に調整したりズーム調整を行ったりし、絞り駆動部９を介し絞り２の開口量を制御して露光量調整を行う。

システム制御部１１は、撮像素子駆動部１０を介して固体撮像素子５を駆動し、撮影レンズ１を通して撮像した被写体画像を撮像信号として出力させる。システム制御部１１には、操作部１４を通してユーザからの指示信号が入力される。

デジタルカメラの電気制御系は、更に、固体撮像素子５の出力に接続された所定のアナログ信号処理を行うアナログ信号処理部６と、このアナログ信号処理部６から出力されたＲＧＢの撮像信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路７とを備え、これらはシステム制御部１１によって制御される。アナログ信号処理部６には、固体撮像素子５から出力される撮像信号に対して相関二重サンプリング（ＣＤＳ）処理を行うＣＤＳ６ａと、ＣＤＳ６ａの出力信号を可変のゲインで増幅する自動利得制御回路（ＡＧＣ）６ｂとを含んでいる。

更に、このデジタルカメラの電気制御系は、メインメモリ１６と、メインメモリ１６に接続されたメモリ制御部１５と、補間演算やガンマ補正演算，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行って画像データを生成するデジタル信号処理部１７と、デジタル信号処理部１７で生成された画像データをＪＰＥＧ形式に圧縮したり圧縮画像データを伸張したりする圧縮伸張処理部１８と、測光データを積算しデジタル信号処理部１７が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部１９と、着脱自在の記録媒体２１が接続される外部メモリ制御部２０と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部２３が接続される表示制御部２２とを備え、これらは、制御バス２４及びデータバス２５によって相互に接続され、システム制御部１１からの指令によって制御される。

図２は、図１に示すデジタルカメラの固体撮像素子の概略構成例を示す平面模式図である。図３は、図２に示す固体撮像素子の部分詳細図である。

固体撮像素子５は、半導体基板上の水平方向とこれに直交する垂直方向に二次元アレイ状（図２では正方格子状）に配列された複数の光電変換素子５１と、各光電変換素子５１で発生し、各光電変換素子５１に隣接する電荷読み出し領域５３を介して読み出された電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部５２と、複数の垂直電荷転送部５２を転送されてきた電荷を水平方向に転送する水平電荷転送部５４と、水平電荷転送部５４を転送されてきた電荷を、その電荷量に応じた電圧信号に変換して出力するフローティングディフュージョンアンプ（以下、ＦＤＡという）とを備える。

ＦＤＡは、水平電荷転送部５４の最終段に接続されたフローティングディフュージョンＦＤと、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積された電荷の電荷量に応じた電圧信号を出力するソースフォロアアンプ等のアンプＡＭＰと、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積された電荷をリセットするためのリセットトランジスタＲＴとを備える。

図３に示すように、水平電荷転送部５４の最終段にはアウトプットゲートＯＧが設けられ、ここに転送パルスが供給されると、水平電荷転送部５４の最終段に転送されてきていた電荷がフローティングディフュージョンＦＤへと転送される。

フローティングディフュージョンＦＤは、水平電荷転送部５４を転送されてきた電荷を蓄積する電荷蓄積部として機能し、半導体基板がＮ型である場合には、例えばそこに形成されたＰウェル層内に形成されたＮ型不純物層で構成される。フローティングディフュージョンＦＤは、ＡＭＰに接続され、フローティングディフュージョンＦＤに電荷が蓄積されたことによるフローティングディフュージョンＦＤの電位変動が、電圧信号に変換されて固体撮像素子５外部へと出力される。

リセットトランジスタＲＴは、フローティングディフュージョンＦＤとリセットドレインＲＤとの間の領域上方にリセットゲートＲＧを有している。そして、このリセットゲートＲＧには抵抗Ｒ２の一端が接続され、抵抗Ｒ２の他端には、コンデンサＣと抵抗Ｒ１の各々の一端が接続されている。コンデンサＣの他端には端子が接続され、この端子には、撮像素子駆動部１０からリセットパルスが印加されるようになっている。リセットパルスは、リセットトランジスタＲＴによるリセット動作と非リセット動作の切り替えを行うためにリセットゲートに供給すべきパルスであり、ハイレベルとローレベルの２値で構成されている。

抵抗Ｒ１の他端にも端子が接続されており、この端子には撮像素子駆動部１０からリセット電源電圧ＲＳが供給されるようになっている。

このように構成されたリセットトランジスタＲＴでは、リセット電源電圧ＲＳが供給された状態でローレベルのリセットパルスが供給されているときは、リセットゲートＲＧに印加される電圧レベルがローレベルとなり、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積されている電荷をリセットしない非リセット動作が実施される。リセット電源電圧ＲＳが供給された状態でハイレベルのリセットパルスが供給されると、リセットゲートＲＧに印加される電圧レベルがハイレベルとなり、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積されている電荷がリセットドレインＲＤへと排出されるリセット動作が実施される。

図１に示したデジタルカメラでは、非リセット動作時にリセットゲートＲＧに印加する電圧（以下、非リセット電圧という）を可変制御することにより、図２，３に示したフローティングディフュージョンＦＤの非リセット動作時に蓄積することのできる最大電荷量（電荷蓄積容量、以下、ＦＤＡ容量とも言う）を可変制御することで、上述した沈み込みによる画質劣化の防止を可能にしている。

図４は、非リセット電圧の制御によるＦＤＡ容量の変化を説明するための図である。図４に示すパターンＡとパターンＢは、いずれもリセットトランジスタＲＴが非リセット動作時の基板内のポテンシャルを示している。パターンＢは、パターンＡに対し、非リセット電圧が高くなっているため、リセットゲートＲＧ下のバリアがパターンＡよりも低くなっている。これにより、パターンＢのＦＤＡ容量は、パターンＡよりも小さくなり、パターンＢでＡＭＰから出力させられる最大信号量は、パターンＡでＡＭＰから出力させられる最大信号量よりも小さくなる。しがたって、パターンＢによれば、高輝度被写体を撮影した場合でも、図１６に示したようなフィードスルー部の変動が小さくなるため、安定して信号を取得することができるようになる。

非リセット電圧を制御する方法としては、リセット電源電圧ＲＳを変更する方法と、リセットパルスの位相を変更する方法との２つがあり、図１のデジタルカメラでは、これらの方法のいずれかを撮像素子駆動部１０が行うものとしている。

リセット電源電圧ＲＳを変更する場合には、例えば撮像素子駆動部１０内に、可変のリセット電源電圧ＲＳを生成する電源を設け、撮像素子駆動部１０が端子に供給すべきリセット電源電圧ＲＳの値を制御する構成とすれば良い。

図５は、リセット電源電圧ＲＳを可変制御してＦＤＡ容量を調整することによる固体撮像素子の出力信号の変化を説明するための図である。図５（ａ）はＦＤＡ容量を調整する前の出力信号を示し、図５（ｂ）はＦＤＡ容量を（ａ）のときよりも小さくしたときの出力信号を示している。

図５（ｂ）に示したように、ＦＤＡ容量を小さくすることで、データ部が浅くなるため、大信号出力時でも、フィードスルー部の変動が小さくなる。これにより、フィードスルーレベルを正確にサンプリングすることができるようになる。

図６は、リセットパルスの位相を変更する例を示した図である。図６のリセットパルスのパターンＢ’は、パターンＡ’よりもローレベルの期間が短くなっている。つまり、パターンＡ’とパターンＢ’とでは、リセットパルスのハイとローの期間のデューティー比が異なっている。リセットゲートＲＧに印加される電圧は、ＤＣレベルとリセットパルスとで構成される。ＤＣレベルは、図６の破線で示したように、リセットパルスを定常的に与えた場合にハイとローの期間の電圧が等しくなる部分（破線と破線より上にあるパルスとで囲まれる面積に近似できる値と、破線と破線よりも下にあるパルスとで囲まれる面積に近似できる値とが同じになる部分）である。リセットパルスのデューティー比を変化させると、図６に示すように、ハイレベルの期間が短いとき（パターンＢ’）の方が、ＤＣレベルがよりローレベルに近づく。このため、パターンＢ’の方がローレベル時の電圧が高くなる。したがって、パターンＢ’のときには、パターンＡ’のときよりもリセットパルスがローレベルとなったときのリセットゲートＲＧに印加される電圧が高くなり、フローティングディフュージョンＦＤのバリアを低くしてＦＤＡ容量を小さくすることができる。

図７は、リセットパルスの位相を可変制御してＦＤＡ容量を調整することによる固体撮像素子の出力信号の変化を説明するための図である。図７（ａ）はＦＤＡ容量を調整する前の出力信号を示し、図７（ｂ）はＦＤＡ容量を（ａ）のときよりも小さくしたときの出力信号を示している。

図７（ｂ）に示したように、ＦＤＡ容量を小さくすることで、データ部が浅くなるため、大信号出力時でも、フィードスルー部の変動が小さくなる。これにより、フィードスルーレベルを正確にサンプリングすることができるようになる。

なお、リセットパルスの位相変更によりＦＤＡ容量を調整した場合には、図７（ｂ）に示したように、図５（ｂ）に示す出力信号よりもフィードスルー部の安定している部分の幅が広くなり、ＳＨＰを打つタイミングの設計に余裕が生まれる。このため、図６のパターンＢを採用した場合には、より正確にフィードスルーレベルをサンプリングできるように、図８（ｂ）に示すように、ＣＤＳ６ａにおいて、ＳＨＰの打つ位置を変更（フィードスルー部のより安定している部分に変更、図中の破線から実線に移動）するようにしても良い。

図１に示すデジタルカメラの撮像素子駆動部１０では、固体撮像素子５から信号を出力させるときの駆動パターンを、ＦＤＡ容量を基準値に設定した駆動パターンＡ（図４のパターンＡ）と、ＦＤＡ容量を基準値よりも少なく設定した駆動パターンＢ（図４のパターンＢ）とを設定可能となっており、デジタルカメラに設定された撮影感度（ＩＳＯ感度）に応じてこれらのうちから最適なものを設定して固体撮像素子５を駆動するようにしている。

図９は、図１に示すデジタルカメラで設定可能な撮影感度と各撮影感度において設定される駆動パターンの一例を示した図である。図９に示すように、デジタルカメラにはＩＳＯ感度５０，１００，２００，４００が設定可能であり、ＩＳＯ感度５０とＩＳＯ感度１００に設定されたときは駆動パターンＡが設定され、ＩＳＯ感度２００とＩＳＯ感度４００に設定されたときは駆動パターンＢが設定される。なお、図１に示すデジタルカメラでは、ＡＧＣ６ｂで設定されるゲインを変更することで撮影感度を変更する構成となっている。

以下、図１に示すデジタルカメラの撮影時の動作について説明する。図１０は、図１に示すデジタルカメラの撮影時の動作を説明するためのフローチャートである。

操作部１４に含まれるレリーズボタンが全押しされて撮影指示がなされると（ステップＳ１：ＹＥＳ）、システム制御部１１では、設定された撮影感度が閾値（ここでは１００とする）以下であるかを判定する（ステップＳ２）。設定感度がＩＳＯ１００、ＩＳＯ５０のいずれかであった場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）、システム制御部１１は撮像素子駆動部１０に駆動パターンＡで固体撮像素子５を駆動するよう指示し、駆動パターンＡに基づくＦＤＡ容量にしたがって信号が出力される。一方、設定感度がＩＳＯ２００、ＩＳＯ４００のいずれかであった場合（ステップＳ２：ＮＯ）、システム制御部１１は撮像素子駆動部１０に駆動パターンＢで固体撮像素子５を駆動するよう指示し、駆動パターンＢに基づくＦＤＡ容量にしたがって信号が出力される。

撮影感度が閾値を越えていた場合には撮影に必要な露光量が少なくなるため、被写体に高輝度部が存在すると、沈み込みが発生してしまう可能性が高い。しかも、高感度時にはＡＧＣ６ｂで設定されるゲインも高くなるため、沈み込みによる画質劣化が目立ち易い。そこで、図１に示すデジタルカメラでは、沈み込みが発生してしまう可能性の高い高感度撮影時には駆動パターンＢで駆動を行うことで、沈み込みを抑制して、高画質化を図っている。一方、撮影感度が閾値以下のときには撮影に必要な露光量が多くなり、高輝度部以外の被写体からの信号が大きくなるため、高輝度部があったとしてもフィードスルー部の変動は小さく、沈み込みは発生しにくい。しかも、低感度撮影時にはＡＧＣ６ｂでの設定ゲインが小さくなるため、沈み込みが発生したとしても画質への影響は少ない。そこで、図１に示すデジタルカメラでは、沈み込みが発生してしまう可能性の低い低感度撮影時には駆動パターンＡで駆動を行うことで、必要な信号量を確保してダイナミックレンジを確保している。

このように、図１に示すデジタルカメラによれば、撮影感度に応じてＦＤＡ容量を変更して出力信号量を調整することができるため、高感度撮影時の画質向上、低感度撮影時のレンジ確保を実現することができ、広ダイナミックレンジ且つ高画質の撮影が可能となる。

また、図１に示すデジタルカメラによれば、全ての光電変換素子５１から読み出された電荷が通るフローティングディフュージョンＦＤにおいて出力信号量を調整しているため、全ての光電変換素子５１からの信号量を同条件で制御することができる。また、スミアや暗電流によって電荷量が増大した場合でも、フローティングディフュージョンＦＤでこの増大分を一律に調整することができる。この結果、ＯＦＤ電圧の調整では不十分であった沈み込みの抑制と、ＯＦＤ電圧の調整では不可能であったスミアや暗電流に起因する沈み込みの抑制とを実現することができ、十分な画質向上を図ることができる。

また、図１に示すデジタルカメラによれば、ＦＤＡ容量の変更を、リセット電源電圧ＲＳの制御又はリセットパルスの位相制御により実現しているため、既存の撮像装置に大きな変更を加えることなく画質向上を図ることができる。リセット電源電圧ＲＳは、通常、ＡＭＰの電源電圧を分圧して作ることが多い。このため、リセット電源電圧ＲＳを可変制御するためには、通常の固体撮像素子の構成とは異なり、ＡＭＰの電源電圧とは別にリセット電源電圧ＲＳを生成する回路を追加する必要がある。一方、リセットパルスの位相は既存の固体撮像素子への入力を変更するだけで済むため、より低コストでの画質向上が可能となる。

なお、固体撮像素子５の駆動周波数が低い場合と高い場合とでは、大信号出力時のフィードスルー部の変動に差が生じる。図１１は、駆動周波数の違いによるフィードスルー部の変動の違いを説明するための図である。図１１（ａ）は駆動周波数が高い場合、（ｂ）は駆動周波数が低い場合である。

図１１（ｂ）に示したように、駆動周波数が低い場合には、大信号が出力されてフィードスルー部がデータ部に引きずられて下がってしまっても、フィードスルー部が安定している幅が広いため、フィードスルーレベルを問題なくサンプリングすることができる。これに対し、駆動周波数が高いと、フィードスルー部が安定している幅が元々狭いため、フィードスルー部がデータ部に引きずられて下がってしまうと、フィードスルーレベルを正確にサンプリングできなくなってしまう。

このように、固体撮像素子の駆動周波数の違いによっても、画質には変化が生じる。そこで、固体撮像素子５が駆動周波数のそれぞれ異なる複数パターンで駆動可能なものである場合には、撮像素子駆動部１０が、その駆動周波数毎に、上述した駆動パターンＡ，Ｂの選択方法を変更することで、駆動周波数を考慮した駆動を行うようにしても良い。

図１２は、図１に示すデジタルカメラで設定可能な撮影感度と各撮影感度において設定される駆動パターンの別の例を示した図である。図１２に示すように、固体撮像素子５の駆動周波数が高いモード（例えば高速動作が求められる動画撮影モード）では、ＩＳＯ感度５０とＩＳＯ感度１００に設定されたときは駆動パターンＡを設定し、ＩＳＯ感度２００とＩＳＯ感度４００に設定されたときは駆動パターンＢを設定する。また、固体撮像素子５の駆動周波数が低いモード（例えば高速動作がそれほど求められない静止画撮影モード）では、ＩＳＯ感度５０とＩＳＯ感度１００とＩＳＯ２００に設定されたときは駆動パターンＡを設定し、ＩＳＯ感度４００に設定されたときは駆動パターンＢを設定する。

即ち、図１０に示したステップＳ２において、システム制御部１１が駆動パターンＡ，Ｂのどちらを設定するかを判定する際の閾値を、駆動周波数が高いときよりも、駆動周波数が低いときの方が大きくなるようにしている。駆動周波数が低いときには、沈み込みが目立ち難いが、それでも、撮影感度が高くなると、ゲインが大きくなって沈み込みが目立つようになる。この沈み込みが目立ち始める撮影感度は、駆動周波数が高い場合よりも高い。このため、上記閾値を駆動周波数に応じて変更することで、最適な画質を得ることが可能となる。

例えば、図１２に示した設定例によれば、ＩＳＯ感度２００において、高い駆動周波数のときには画質向上のためにＦＤＡ容量を減らしていたのを、低い駆動周波数のときには減らさずにすむようになるため、静止画撮影モード時には被写体により忠実な画像を得ることができるようになる。

また、光電変換素子５１から読み出した電荷を垂直電荷転送部５２や水平電荷転送部５４で混合して転送する画素混合モードで固体撮像素子５を駆動する場合、この場合には、図１３に示すように、光電変換素子５１に蓄積される電荷量が少なくても、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積される電荷量は多くなる。このため、沈み込みによる画質劣化が目立ち難い撮影感度や駆動周波数であっても、沈み込みが顕著となりやすい。そこで、撮像素子駆動部１０は、画素混合モードで固体撮像素子５が駆動されるときには、撮影感度や駆動周波数に関わらず、ＦＤＡ容量を少なくする駆動パターンＢを設定することが好ましい。

また、固体撮像素子５の特性には個体差があり、図１４に示すように、同じ２つの製品であっても、ある露光量で露光したときに得られる信号レベルはそれぞれ異なる。このため、駆動パターンＡを採用したときに必要なＦＤＡ容量と、駆動パターンＢを採用したときに必要なＦＤＡ容量にも、固体撮像素子毎に個体差が存在する。そこで、固体撮像素子５の製造時には、この個体差を考慮して駆動パターンＡを採用したときに必要なＦＤＡ容量と、駆動パターンＢを採用したときに必要なＦＤＡ容量を決めておくことが好ましい。

以上説明したように、本明細書には次の事項が開示されている。

開示された撮像装置は、複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷転送部を転送されてきた電荷をその電荷量に応じた信号に変換して出力する出力部とを含む固体撮像素子を有する撮像装置であって、前記出力部が、前記電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷の電荷量に応じた信号を出力するアンプ部と、前記電荷蓄積部に蓄積された前記電荷をドレインに排出してリセットするリセットトランジスタとを備え、前記リセットトランジスタによる非リセット動作時に前記リセットトランジスタのリセットゲートに印加すべき電圧を可変制御することで、前記非リセット時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量を可変制御する電荷量制御部を備える。

この構成により、全ての光電変換素子から読み出された電荷は電荷蓄積部を通り、この電荷蓄積部において信号に変換すべき電荷量が調整される。このため、全ての光電変換素子からの信号量を同条件で制御することができる。また、スミアや暗電流によって電荷量が増大した場合でも、全ての電荷は電荷蓄積部を通るため、ここで電荷量の調整を行うことができる。この結果、沈み込み等を防いで画質向上を図ることができる。

開示された撮像装置は、前記電荷量制御部が、前記リセットゲートに供給する電源電圧の変更により、前記リセットゲートに印加する電圧を変更する。

この構成により、電源電圧を変更するだけで、沈み込みを防いで画質向上を図ることができる。

開示された撮像装置は、前記電荷量制御部が、前記リセットトランジスタによるリセット動作と非リセット動作の切り替えを行うために前記リセットゲートに供給するリセットパルスの位相の変更により、前記リセットゲートに印加する電圧を変更する。

この構成により、電源電圧は一定のままリセットパルスの位相変更により、電荷量を調整することができる。このため、電源電圧を変更するための専用の端子を設けることなく、画質向上を図ることができ、コストを削減することができる。

開示された撮像装置は、前記固体撮像素子から出力される信号に相関二重サンプリング処理を行うＣＤＳ処理部を備え、前記ＣＤＳ処理部が、前記リセットパルスの位相の変更に応じて、前記信号のフィードスルー部におけるサンプリング位置を変更する。

この構成により、よりレベルが安定した位置でフィードスルーレベルをサンプリングすることができ、更なる画質向上を図ることができる。

開示された撮像装置は、前記電荷量制御部が、設定された撮影感度に応じて前記非リセット動作時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量を変更する。

開示された撮像装置は、前記固体撮像素子から出力される信号を所定のゲインで増幅する信号増幅手段を備え、前記ゲインが前記撮影感度に応じて変更される。

開示された撮像装置は、前記電荷量制御部が、前記撮影感度が閾値よりも高いときの前記非リセット動作時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量を、前記撮影感度が前記閾値以下のときの前記非リセット動作時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量よりも少なくする。

この構成により、相対的に低い撮影感度のときには電荷量を確保してダイナミックレンジを確保することができ、相対的に高い撮影感度のときには電荷量を少なくし、沈み込みを抑えて画質を向上させることができる。

開示された撮像装置は、前記固体撮像素子をそれぞれ駆動周波数の異なる複数の駆動パターンで駆動可能な駆動手段を備え、前記閾値は、前記駆動周波数が相対的に高い前記駆動パターンで前記固体撮像素子が駆動されるときの方が、前記駆動周波数が相対的に低い前記駆動パターンで前記固体撮像素子が駆動されるときよりも小さく設定されている。

この構成により、ある撮影感度において、相対的に高い駆動周波数のときには画質向上のために電荷量を減らしていたのを、相対的に低い駆動周波数のときには減らさずにすむようになる。このため、低い駆動周波数で固体撮像素子を駆動するときには、被写体により忠実な画像を得ることができるようになる。

開示された撮像装置は、前記光電変換素子から読み出した電荷を混合して転送する画素混合モードと、前記光電変換素子から読み出した電荷を混合せずに転送する通常モードとで前記固体撮像素子を駆動可能な駆動手段を備え、前記電荷量制御部が、前記画素混合モードで前記固体撮像素子が駆動されるときの前記非リセット動作時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量を、前記通常モードで前記固体撮像素子が駆動されるときの前記非リセット動作時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量よりも少なくする。

この構成により、画素混合モードのときには電荷量を少なくし、沈み込みを抑えて画質を向上させることができる。

開示された撮像方法は、複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷転送部を転送されてきた電荷をその電荷量に応じた信号に変換して出力する出力部とを含む固体撮像素子を用いた撮像方法であって、前記出力部が、前記電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷の電荷量に応じた信号を出力するアンプ部と、前記電荷蓄積部の電荷をリセットするリセットトランジスタとを備え、前記リセットトランジスタによる非リセット動作時に前記リセットトランジスタのリセットゲートに印加する電圧を可変制御することで、前記非リセット時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量を制御する制御ステップを備える。

開示された撮像方法は、前記制御ステップでは、前記リセットゲートに供給する電源電圧の変更により、前記リセットゲートに印加する電圧を変更する。

開示された撮像方法は、前記制御ステップでは、前記リセットトランジスタによるリセット動作と非リセット動作の切り替えを行うために前記リセットゲートに供給するリセットパルスの位相の変更により、前記リセットゲートに印加する電圧を変更する。

開示された撮像方法は、前記固体撮像素子から出力される信号に相関二重サンプリング処理を行うＣＤＳ処理ステップを備え、前記ＣＤＳ処理ステップでは、前記リセットパルスの位相の変更に応じて、前記信号のフィードスルー部におけるサンプリング位置を変更する。

開示された撮像方法は、前記制御ステップでは、設定された撮影感度に応じて前記非リセット動作時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量を変更する。

開示された撮像方法は、前記固体撮像素子から出力される信号を所定のゲインで増幅する信号増幅ステップを備え、前記ゲインを前記撮影感度に応じて変更する。

開示された撮像方法は、前記制御ステップでは、前記撮影感度が閾値よりも高いときの前記非リセット動作時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量を、前記撮影感度が前記閾値以下のときの前記非リセット動作時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量よりも少なくする。

開示された撮像方法は、前記閾値は、駆動周波数が相対的に高い駆動パターンで前記固体撮像素子が駆動されるときの方が、駆動周波数が相対的に低い駆動パターンで前記固体撮像素子が駆動されるときよりも小さく設定されている。

開示された撮像方法は、前記制御ステップでは、前記光電変換素子から読み出した電荷を混合して転送する画素混合モードで前記固体撮像素子が駆動されるときの前記非リセット動作時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量を、前記光電変換素子から読み出した電荷を混合せずに転送する通常モードで前記固体撮像素子が駆動されるときの前記非リセット動作時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量よりも少なくする。

５固体撮像素子
１０撮像素子駆動部
５１光電変換素子
５２垂直電荷転送部
５４水平電荷転送部
ＦＤフローティングディフュージョン
ＡＭＰソースフォロアアンプ
ＲＤリセットドレイン
ＲＧリセットゲート
ＲＴリセットトランジスタ

Claims

複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷転送部を転送されてきた電荷をその電荷量に応じた信号に変換して出力する出力部とを含む固体撮像素子を有する撮像装置であって、
前記出力部が、前記電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷の電荷量に応じた信号を出力するアンプ部と、前記電荷蓄積部に蓄積された前記電荷をドレインに排出してリセットするリセットトランジスタとを備え、
前記リセットトランジスタによる非リセット動作時に前記リセットトランジスタのリセットゲートに印加すべき電圧を可変制御することで、前記非リセット時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量を可変制御する電荷量制御部を備える撮像装置。
請求項１記載の撮像装置であって、
前記電荷量制御部が、前記リセットゲートに供給する電源電圧の変更により、前記リセットゲートに印加する電圧を変更する撮像装置。
請求項１記載の撮像装置であって、
前記電荷量制御部が、前記リセットトランジスタによるリセット動作と非リセット動作の切り替えを行うために前記リセットゲートに供給するリセットパルスの位相の変更により、前記リセットゲートに印加する電圧を変更する撮像装置。
請求項３記載の撮像装置であって、
前記固体撮像素子から出力される信号に相関二重サンプリング処理を行うＣＤＳ処理部を備え、
前記ＣＤＳ処理部が、前記リセットパルスの位相の変更に応じて、前記信号のフィードスルー部におけるサンプリング位置を変更する撮像装置。
請求項１〜４のいずれか１項記載の撮像装置であって、
前記電荷量制御部が、設定された撮影感度に応じて前記非リセット動作時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量を変更する撮像装置。
請求項５記載の撮像装置であって、
前記固体撮像素子から出力される信号を所定のゲインで増幅する信号増幅手段を備え、
前記ゲインが前記撮影感度に応じて変更される撮像装置。
請求項５又は６記載の撮像装置であって、
前記電荷量制御部が、前記撮影感度が閾値よりも高いときの前記非リセット動作時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量を、前記撮影感度が前記閾値以下のときの前記非リセット動作時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量よりも少なくする撮像装置。
請求項７記載の撮像装置であって、
前記固体撮像素子をそれぞれ駆動周波数の異なる複数の駆動パターンで駆動可能な駆動手段を備え、
前記閾値は、前記駆動周波数が相対的に高い前記駆動パターンで前記固体撮像素子が駆動されるときの方が、前記駆動周波数が相対的に低い前記駆動パターンで前記固体撮像素子が駆動されるときよりも小さく設定されている撮像装置。
請求項１〜４のいずれか１項記載の撮像装置であって、
前記光電変換素子から読み出した電荷を混合して転送する画素混合モードと、前記光電変換素子から読み出した電荷を混合せずに転送する通常モードとで前記固体撮像素子を駆動可能な駆動手段を備え、
前記電荷量制御部が、前記画素混合モードで前記固体撮像素子が駆動されるときの前記非リセット動作時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量を、前記通常モードで前記固体撮像素子が駆動されるときの前記非リセット動作時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量よりも少なくする撮像装置。
複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子で発生した電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷転送部を転送されてきた電荷をその電荷量に応じた信号に変換して出力する出力部とを含む固体撮像素子を用いた撮像方法であって、
前記出力部が、前記電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷の電荷量に応じた信号を出力するアンプ部と、前記電荷蓄積部の電荷をリセットするリセットトランジスタとを備え、
前記リセットトランジスタによる非リセット動作時に前記リセットトランジスタのリセットゲートに印加する電圧を可変制御することで、前記非リセット時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量を制御する制御ステップを備える撮像方法。
請求項１０記載の撮像方法であって、
前記制御ステップでは、前記リセットゲートに供給する電源電圧の変更により、前記リセットゲートに印加する電圧を変更する撮像方法。
請求項１０記載の撮像方法であって、
前記制御ステップでは、前記リセットトランジスタによるリセット動作と非リセット動作の切り替えを行うために前記リセットゲートに供給するリセットパルスの位相の変更により、前記リセットゲートに印加する電圧を変更する撮像方法。
請求項１２記載の撮像方法であって、
前記固体撮像素子から出力される信号に相関二重サンプリング処理を行うＣＤＳ処理ステップを備え、
前記ＣＤＳ処理ステップでは、前記リセットパルスの位相の変更に応じて、前記信号のフィードスルー部におけるサンプリング位置を変更する撮像方法。
請求項１０〜１３のいずれか１項記載の撮像方法であって、
前記制御ステップでは、設定された撮影感度に応じて前記非リセット動作時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量を変更する撮像方法。
請求項１４記載の撮像方法であって、
前記固体撮像素子から出力される信号を所定のゲインで増幅する信号増幅ステップを備え、
前記ゲインを前記撮影感度に応じて変更する撮像方法。
請求項１４又は１５記載の撮像方法であって、
前記制御ステップでは、前記撮影感度が閾値よりも高いときの前記非リセット動作時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量を、前記撮影感度が前記閾値以下のときの前記非リセット動作時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量よりも少なくする撮像方法。
請求項１６記載の撮像方法であって、
前記閾値は、駆動周波数が相対的に高い駆動パターンで前記固体撮像素子が駆動されるときの方が、駆動周波数が相対的に低い駆動パターンで前記固体撮像素子が駆動されるときよりも小さく設定されている撮像方法。
請求項１０〜１３のいずれか１項記載の撮像方法であって、
前記制御ステップでは、前記光電変換素子から読み出した電荷を混合して転送する画素混合モードで前記固体撮像素子が駆動されるときの前記非リセット動作時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量を、前記光電変換素子から読み出した電荷を混合せずに転送する通常モードで前記固体撮像素子が駆動されるときの前記非リセット動作時の前記電荷蓄積部に蓄積できる電荷量よりも少なくする撮像方法。