JP2010283573A

JP2010283573A - 電子カメラ

Info

Publication number: JP2010283573A
Application number: JP2009134959A
Authority: JP
Inventors: Chikanori Sanhongi; 慎典三本木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2009-06-04
Filing date: 2009-06-04
Publication date: 2010-12-16
Anticipated expiration: 2029-06-04
Also published as: US8259189B2; US20100328479A1; JP5040960B2

Abstract

【課題】比較的広い撮像感度の範囲でそれぞれＳＮ比の良好な画像を取得できる電子カメラを提供する。
【解決手段】電子カメラは、複数の画素を有する撮像素子と、撮像時の撮像感度を設定する制御部とを備える。また、上記の画素は、第１画像信号を生成する第１受光素子と、同一条件下で第１画像信号よりも高感度の第２画像信号を生成する第２受光素子と、第１画像信号および第２画像信号を加算可能な出力回路とをそれぞれ含む。また、制御部は、撮像感度でのＳＮ比に応じて、第１画像信号、第２画像信号、第１画像信号および第２画像信号の加算画像信号のうちから画素の出力信号を指定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子カメラに関する。

従来から、１画素につき１組の受光素子で異なる感度の画像信号を生成する撮像素子を適用し、広いダイナミックレンジで撮像を行う電子カメラが公知である。また、特許文献１には、上記構成の撮像素子を用いて、感度の異なる２つの画像信号に基づいてノイズ低減処理を行う電子カメラが開示されている。

特開２００５−１５０８８６号公報

しかし、特許文献１の技術は、１画素につき２つの画像信号が取得できる撮像感度で撮影が行なわれることが前提となる。したがって、例えば、低い撮像感度での撮影時には、高感度の受光素子が飽和してしまい、ＳＮ比の良好な画像を取得することが困難である点で改善の余地があった。

そこで、本発明は、比較的広い撮像感度の範囲でそれぞれＳＮ比の良好な画像を取得できる電子カメラを提供することを目的とする。

一の態様の電子カメラは、複数の画素を有する撮像素子と、撮像時の撮像感度を設定する制御部とを備える。また、上記の画素は、第１画像信号を生成する第１受光素子と、同一条件下で第１画像信号よりも高感度の第２画像信号を生成する第２受光素子と、第１画像信号および第２画像信号を加算可能な出力回路とをそれぞれ含む。また、制御部は、撮像感度でのＳＮ比に応じて、第１画像信号、第２画像信号、第１画像信号および第２画像信号の加算画像信号のうちから画素の出力信号を指定する。

上記の一の態様において、制御部は、各々の撮像感度で出力信号として選択可能な画像信号のうち、ＳＮ比が最も高い画像信号を出力信号に指定してもよい。また、制御部は、撮像感度が最も低いときは第１画像信号を出力信号に指定し、撮像感度の増加に応じて、第２画像信号から加算画像信号へ出力信号を段階的に変更してもよい。

一の態様の電子カメラでは、撮像感度でのＳＮ比に応じて、第１画像信号、第２画像信号、第１画像信号および第２画像信号の加算画像信号のうちから画素の出力信号を指定し、比較的広い撮像感度の範囲でＳＮ比の良好な画像を取得する。

一の実施形態における電子カメラの構成例を示すブロック図一の実施形態の第１受光素子および第２受光素子の例を示す図一の実施形態での撮像素子の回路構成例を示す図一の実施形態でのデータテーブルの内容を示す模式図

＜一の実施形態の説明＞
図１は、一の実施形態における電子カメラ１１の構成例を示すブロック図である。電子カメラ１１は、撮像レンズ１２と、撮像素子１３と、ＡＦＥ１４と、画像処理部１５と、第１メモリ１６と、第２メモリ１７と、記録Ｉ／Ｆ１８と、ＣＰＵ１９と、操作部２０と、バス２１とを備えている。ここで、画像処理部１５、第１メモリ１６、第２メモリ１７、記録Ｉ／Ｆ１８、ＣＰＵ１９は、バス２１を介してそれぞれ接続されている。また、撮像素子１３、ＡＦＥ１４、操作部２０は、それぞれＣＰＵ１９と接続されている。

撮像素子１３は、撮像レンズ１２による結像を撮像する撮像デバイスである。一の実施形態の撮像素子１３は、任意の受光素子の画像信号をランダムアクセスで読み出し可能なＣＭＯＳ型の固体撮像素子で構成される。なお、撮像素子１３の出力はＡＦＥ１４に接続されている。

この撮像素子１３の受光面上には、複数の画素がマトリクス状に配列されている。また、撮像素子１３の各画素には、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇｒ，Ｇｂ）、青色（Ｂ）のカラーフィルタが公知のベイヤ配列で配置されている。

また、撮像素子１３の各画素は、第１受光素子ＰＤ１と第２受光素子ＰＤ２との２つの受光素子をそれぞれ有している。なお、同一条件下において、第１受光素子ＰＤ１は相対的に低感度の画像信号（第１画像信号）を生成し、第２受光素子ＰＤ２は相対的に高感度の画像信号（第２画像信号）を生成する。一例として、一の実施形態での第２受光素子ＰＤ２の感度は、第１受光素子ＰＤ１の約４倍に設定されるものとする。

図２は、一の実施形態の第１受光素子ＰＤ１および第２受光素子ＰＤ２の例を示す図である。図２では、２×２個分の画素（ＰＸ）を部分的に示すが、実際の撮像素子１３の受光面にはさらに多数の画素が配列されることはいうまでもない。

一の実施形態の各画素において、第２受光素子ＰＤ２の受光面積は第１受光素子ＰＤ１の受光面積よりも大きく設定されている。したがって、同一条件下では第２受光素子ＰＤ２の方が第１受光素子ＰＤ１よりも単位時間当たりの受光量が多くなり、第２画像信号は相対的に第１画像信号よりも高感度となる。

また、図３は、一の実施形態での撮像素子１３の回路構成例を示す図である。撮像素子１３は、複数の画素ＰＸと、垂直走査部１３ａと、水平走査部１３ｂと、信号蓄積部１３ｃと、横方向に延長する複数の走査線１３ｄと、画素ＰＸの列ごとにそれぞれ設けられた信号読み出し線１３ｅとを有している。

垂直走査部１３ａには、各走査線１３ｄの一端がそれぞれ接続されている。垂直走査部１３ａは、読み出し対象の行を指定するパルス（選択パルス、リセットパルス、転送パルスなど）を走査線１３ｄから各画素に与える。水平走査部１３ｂは、信号蓄積部１３ｃに対して、読み出し対象の列を指定するパルスを出力する。信号蓄積部１３ｃには、信号読み出し線１３ｅの下端が接続されている。この信号蓄積部１３ｃは、信号読み出し線１３ｅを介して各画素から画像信号を読み出すとともに、読み出した画像信号を後段のＡＦＥ１４に順次出力する。

また、図３に示す画素ＰＸは、第１受光素子ＰＤ１と、第１受光素子ＰＤ１に接続された転送トランジスタＴＸ１と、第２受光素子ＰＤ２と、第２受光素子ＰＤ２に接続された転送トランジスタＴＸ２と、フローティングディフュージョンＦＤと、リセットトランジスタＲＥＳと、増幅トランジスタＡＭＰと、選択トランジスタＳＥＬとを有している。なお、図３の例では、２組分の受光素子および転送トランジスタについて、フローティングディフュージョンＦＤ、リセットトランジスタＲＥＳ、増幅トランジスタＡＭＰ、選択トランジスタＳＥＬがそれぞれ共有化されている。

第１受光素子ＰＤ１および第２受光素子ＰＤ２は、それぞれ入射光の光量に応じて信号電荷を生成する。転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２は、それぞれ接続されている受光素子に蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。

リセットトランジスタＲＥＳは、フローティングディフュージョンＦＤを電源電圧にリセットする。増幅トランジスタＡＭＰは、フローティングディフュージョンＦＤの電圧値に応じて、選択トランジスタＳＥＬを介して出力端子に読み出し電流を出力する。選択トランジスタＳＥＬは、増幅トランジスタＡＭＰのソースを出力端子に接続する。

ここで、一の実施形態の撮像素子１３は、転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２のいずれか一方を動作させることで、画素の出力信号として第１画像信号または第２画像信号を読み出すことができる。

また、一の実施形態の撮像素子１３は、画素の出力信号として第１画像信号および第２画像信号の加算画像信号を読み出すこともできる。なお、第１画像信号および第２画像信号を加算して読み出す場合、撮像素子１３は、第１受光素子ＰＤ１および第２受光素子ＰＤ２の信号電荷をフローティングディフュージョンＦＤに一旦蓄積してから出力すればよい。

また、以下の説明において、各画素から第１画像信号を出力させる撮像素子１３の動作モードを「第１読み出しモード」と称する。また、各画素から第２画像信号を出力させる撮像素子１３の動作モードを「第２読み出しモード」と称する。また、各画素から加算画像信号を出力させる撮像素子１３の動作モードを「加算読み出しモード」と称する。なお、撮像素子１３の各動作モードの切り替えは、ＣＰＵ１９の制御によって行われる。

図１に戻って、ＡＦＥ１４は、撮像素子１３の出力に対してアナログ信号処理を施すアナログフロントエンド回路である。このＡＦＥ１４は、相関二重サンプリングや、画像信号のゲインの調整や、画像信号のＡ／Ｄ変換を行う。そして、ＡＦＥ１４の出力は画像処理部１５に接続されている。なお、ＣＰＵ１９は、ＡＦＥ１４により画像信号のゲインを調整することで、ＩＳＯ感度に相当する撮像感度の調整を行う。

画像処理部１５は、ＡＦＥ１４から出力されたデジタルの画像信号に対して各種の画像処理（色補間処理、階調変換処理、ホワイトバランス調整など）を施す。

第１メモリ１６は、画像処理の前工程や後工程で画像のデータを一時的に記憶する。例えば、第１メモリ１６は、揮発性の記憶媒体であるＳＤＲＡＭにより構成される。また、第２メモリ１７は、ＣＰＵ１９によって実行されるプログラムや、各画像信号でのＳＮ比と撮像感度の値との対応関係（図４参照）を示すデータテーブルを記憶する不揮発性のメモリである。

記録Ｉ／Ｆ１８は、不揮発性の記憶媒体２２を接続するためのコネクタを有している。そして、記録Ｉ／Ｆ１８は、コネクタに接続された記憶媒体２２に対して後述の本画像のデータの書き込み／読み込みを実行する。上記の記憶媒体２２は、ハードディスクや、半導体メモリを内蔵したメモリカードなどで構成される。なお、図１では記憶媒体２２の一例としてメモリカードを図示する。

ＣＰＵ１９は、電子カメラ１１の動作を統括的に制御するプロセッサである。例えば、ＣＰＵ１９は、被写体の撮影を行うための撮影モードでの動作時において、ユーザの撮像指示入力に応じて撮像素子１３を駆動させて、不揮発性の記憶媒体２２への記録を伴う本画像の撮像処理を実行する。

また、撮影モードでのＣＰＵ１９は、本画像の撮像に先立って公知の自動露出演算を実行し、撮像条件の１パラメータである撮像感度を設定する。また、ＣＰＵ１９は、ユーザの入力に基づいて上記の撮像感度を設定してもよい。そして、撮影モードでのＣＰＵ１９は、上記の撮像感度の値に応じて、撮像素子１３の動作モード（第１読み出しモード、第２読み出しモード、加算読み出しモード）を指定する。

操作部２０は、ユーザの操作を受け付ける複数のスイッチを有している。この操作部２０は、例えば、本画像の撮像指示を受け付けるレリーズ釦や、十字状のカーソルキーや、決定釦などで構成される。

次に、一の実施形態での電子カメラ１１の動作例を説明する。撮影モードでのＣＰＵ１９は、第２メモリ１７のデータテーブルを参照し、撮像感度の値に応じて撮像素子１３の動作モードを変更する。このとき、ＣＰＵ１９は、画素から出力される画像信号のＳＮ比が最も高くなるように、撮像素子１３の動作モードを指定する。そして、撮像素子１３は、ＣＰＵ１９が指定した動作モードに応じて、撮影モードにおいて出力する画像信号を切り替える。

ここで、一の実施形態での各画像信号のＳＮ比について説明する。受光素子のノイズには、光ショットノイズの成分と、暗黒時の読み出し回路で発生するベースラインノイズ（以下「Ｂ」と表記する）の成分とが含まれる。なお、光ショットノイズは、受光素子に入射する光子の平方根で求めることができる。

第１受光素子ＰＤ１での１ルクス当たりの電荷発生量を「Ａ［ｅ／ｌｘ・ｓ］」とし、第２受光素子ＰＤ２での１ルクス当たりの電荷発生量を「４Ａ［ｅ／ｌｘ・ｓ］」とし、かつベースラインノイズＢがゼロとみなせるほど十分に小さいと仮定する。かかる条件下では、第１画像信号のＳＮ比（Ｓ_１／Ｎ_１）は以下の式（１）で求めることができる。同様に、第２画像信号のＳＮ比（Ｓ_２／Ｎ_２）は以下の式（２）で求めることができる。

上記の式（１）、（２）を比べると、Ｓ_２／Ｎ_２の方がＳ_１／Ｎ_１よりも値が大きくなる。したがって、同一条件下では、相対的に高感度の受光素子から取得した画像信号の方がＳＮ比に優れることが分かる。なお、第１画像信号および第２画像信号を加算すると、加算画像信号における単位時間当たりの電荷発生量は第１画像信号および第２画像信号よりも大きくなる。よって、同一条件下では加算画像信号の方が第２画像信号よりもＳＮ比が高くなる。

また、図４は、一の実施形態でのデータテーブルの内容を示す模式図である。図４のデータテーブルは、撮像感度（ＩＳＯ感度）の値を変化させながら、それぞれ同じ明るさの信号値（例えば１２ｂｉｔの階調範囲で１００ＬＳＢ）を取得したときの各画像信号（第１画像信号、第２画像信号、加算画像信号）でのＳＮ比を示している。

したがって、図４において、撮像感度の値が高くなるほど撮影時の電荷蓄積時間は短くなる。また、同一種類の画像信号で撮像感度を高くすると、電荷蓄積時間が短くなって信号成分が少なくなり、また相対的にベースラインノイズの影響も大きくなる。その結果、図４では、同一種類の画像信号でも撮像感度を高くするとＳＮ比は低下してゆくこととなる。

また、撮像感度の値が低くなると撮影時の電荷蓄積時間は長くなるので、撮像素子１３の受光素子は高感度になるほど低い撮像感度で飽和して白トビを起こしやすくなる。よって、図４において、ＩＳＯ感度が１００未満となる範囲では第２画像信号の値がなく、かかる範囲での第２読み出しモードの指定が不能化されている。同様に、図４において、ＩＳＯ感度が２００未満となる範囲では加算画像信号の値がなく、かかる範囲での加算読み出しモードの指定が不能化されている。

撮影モードでのＣＰＵ１９は、図４のデータテーブルを参照し、ＩＳＯ感度が最も低いときは撮像素子１３の動作モードとして第１読み出しモードを指定する。そして、ＣＰＵ１９は、ＩＳＯ感度の増加に応じて、撮像素子１３の動作モードを第２読み出しモードから加算読み出しモードへ段階的に変更する。

すなわち、撮像感度の値がＩＳＯ２５またはＩＳＯ５０である場合、データテーブルにおいて第１画像信号のみが出力信号として選択可能である。よって、ＣＰＵ１９は、撮像素子１３の動作モードとして、第１画像信号に対応する第１読み出しモードを指定する。

また、撮像感度の値がＩＳＯ１００である場合、データテーブルにおいて第１画像信号および第２画像信号が出力信号として選択可能である。よって、ＣＰＵ１９は、撮像素子１３の動作モードとして、２種類の画像信号のうちからＳＮ比が最も高い第２画像信号に対応する第２読み出しモードを指定する。

また、撮像感度の値がＩＳＯ２００以上である場合、データテーブルにおいて第１画像信号、第２画像信号、加算画像信号が出力信号として選択可能である。よって、ＣＰＵ１９は、撮像素子１３の動作モードとして、３種類の画像信号のうちからＳＮ比が最も高い加算画像信号に対応する加算読み出しモードを指定する。

上記の一の実施形態の電子カメラ１１によれば、相対的に低感度の第１受光素子ＰＤ１を用いて撮影を行うことで、低い撮像感度でも画像を取得できる。また、一の実施形態の電子カメラ１１は、撮像感度の設定に応じてＳＮ比が良好な画像信号を用いて撮影を行うので、広い撮像感度の範囲においてそれぞれＳＮ比の良好な画像を取得できる。

＜一の実施形態の変形例＞
上記の一の実施形態では、第１受光素子ＰＤ１と第２受光素子ＰＤ２との受光面積の差によって、感度差を生じさせる構成としたが、本発明の第１受光素子および第２受光素子は上記構成に限定されるものではない。

例えば、第１受光素子と第２受光素子の上にそれぞれ集光率の異なるマイクロレンズを配置して、２つの受光素子間で感度差を生じさせるようにしてもよい。この場合には、一の実施形態と同様の効果を奏するとともに、第１受光素子と第２受光素子とを同じ半導体プロセスで製造することも可能となる。

また、第１受光素子と第２受光素子の上にそれぞれ光の透過率の異なる同色のカラーフィルタを配置して、２つの受光素子間で感度差を生じさせるようにしてもよい。この場合も、一の実施形態と同様の効果を奏するとともに、第１受光素子と第２受光素子とを同じ半導体プロセスで製造することも可能となる。

さらに、１画素に光電変換の効率が異なる２つの受光素子を配置することで、第１受光素子および第２受光素子を構成してもよい。この場合も、一の実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、本発明の第１受光素子および第２受光素子の構成は、上記の一の実施形態および一の実施形態の変形例で開示した技術の２以上の組み合わせによって実現されるものであっても勿論かまわない。

以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲が、その精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図する。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずであり、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物によることも可能である。

１１…電子カメラ、１３…撮像素子、１３ａ…垂直走査部、１３ｂ…水平走査部、１４…ＡＦＥ、１７…第２メモリ、１９…ＣＰＵ、ＰＤ１…第１受光素子、ＰＤ２…第２受光素子、ＴＸ１…転送トランジスタ、ＴＸ２…転送トランジスタ、ＦＤ…フローティングディフュージョン、ＲＥＳ…リセットトランジスタ、ＡＭＰ…増幅トランジスタ、ＳＥＬ…選択トランジスタ

Claims

複数の画素を有する撮像素子と、
撮像時の撮像感度を設定する制御部と、を備え、
前記画素は、
第１画像信号を生成する第１受光素子と、
同一条件下で前記第１画像信号よりも高感度の第２画像信号を生成する第２受光素子と、
前記第１画像信号および前記第２画像信号を加算可能な出力回路と、をそれぞれ含み、
前記制御部は、前記撮像感度でのＳＮ比に応じて、前記第１画像信号、前記第２画像信号、前記第１画像信号および前記第２画像信号の加算画像信号のうちから前記画素の出力信号を指定する電子カメラ。
請求項１に記載の電子カメラにおいて、
前記制御部は、各々の前記撮像感度で前記出力信号として選択可能な画像信号のうち、ＳＮ比が最も高い画像信号を前記出力信号に指定する電子カメラ。
請求項２に記載の電子カメラにおいて、
前記制御部は、前記撮像感度が最も低いときは前記第１画像信号を前記出力信号に指定し、前記撮像感度の増加に応じて、前記第２画像信号から前記加算画像信号へ前記出力信号を段階的に変更する電子カメラ。