JP2011015205A - Digital camera and method for driving solid-state imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、ISO感度を所定感度に固定して撮影する場合でも撮影シーンの明暗によらず高品質な被写体画像を撮影することができるデジタルカメラ及び固体撮像素子の駆動方法に関する。 The present invention relates to a digital camera and a solid-state imaging device driving method capable of shooting a high-quality subject image regardless of the brightness of a shooting scene even when shooting with ISO sensitivity fixed to a predetermined sensitivity.
デジタルカメラで被写体を撮影する場合、シャッタ速度,絞り開口量,ISO感度が撮影シーンに応じて夫々調整される。例えば、明るい撮影シーンの場合、シャッタ速度は高速に設定され、絞り開口量は小さく設定され、ISO感度は低く(例えばISO100)設定される。暗い撮影シーンの場合は、シャッタ速度は低速に、絞り開口量は大きく、ISO感度は高く(例えばISO400)設定される。 When a subject is photographed with a digital camera, the shutter speed, aperture opening amount, and ISO sensitivity are adjusted according to the photographing scene. For example, in the case of a bright shooting scene, the shutter speed is set to a high speed, the aperture opening amount is set to a small value, and the ISO sensitivity is set to a low value (for example, ISO 100). In the case of a dark scene, the shutter speed is set low, the aperture opening amount is large, and the ISO sensitivity is set high (for example, ISO 400).
これらの調整パラメータ(シャッタ速度,絞り開口量,ISO感度)は相互に関連するため、例えば、高速撮影が必要でシャッタ速度をマニュアルで高速に設定すると、ISO感度は自動的に高く設定され、絞り開口量は大きく設定される。また、深い被写界深度が必要なときは絞り開口量を小さくするが、これだと入射光量が少なくなるため、シャッタ速度は低速に、ISO感度は高感度に設定される。 Since these adjustment parameters (shutter speed, aperture opening amount, ISO sensitivity) are related to each other, for example, when high-speed shooting is required and the shutter speed is manually set to a high speed, the ISO sensitivity is automatically set to a high value. The opening amount is set large. In addition, when a deep depth of field is required, the aperture opening amount is reduced. However, since the amount of incident light is reduced, the shutter speed is set low and the ISO sensitivity is set high.
ISO感度は、例えばCCD型の固体撮像素子の場合、出力段アンプのゲインで設定される。受光量が大きい明るいシーンの場合(信号電荷量が多くなる場合)には、アンプゲインは低くてもよいため、ISO感度は低感度に設定される。受光量が少ない暗いシーンでは、アンプゲインを高くして信号量を増幅するため、ISO感度を高感度に設定する。しかし、アンプゲインを高くすると、ノイズ成分も信号と同様に増幅してしまうため、被写体の画像はノイズの多い画像になる。 For example, in the case of a CCD type solid-state imaging device, the ISO sensitivity is set by the gain of the output stage amplifier. In the case of a bright scene with a large amount of received light (when the signal charge amount increases), the amplifier gain may be low, so the ISO sensitivity is set to a low sensitivity. In a dark scene where the amount of received light is small, the ISO sensitivity is set to a high sensitivity in order to amplify the signal amount by increasing the amplifier gain. However, when the amplifier gain is increased, the noise component is also amplified in the same manner as the signal, so that the subject image becomes a noisy image.
このため、特許文献1記載の従来技術では、アンプゲインを高くしたとき、固体撮像素子で発生するノイズ量が少なくなるように固体撮像素子を駆動している。この従来技術では、信号電荷の転送中の待機パケット数を少なくし、ノイズ量の低減を図っている。 For this reason, in the prior art described in Patent Document 1, when the amplifier gain is increased, the solid-state image sensor is driven so that the amount of noise generated in the solid-state image sensor is reduced. In this prior art, the number of standby packets during signal charge transfer is reduced to reduce the amount of noise.
しかしながら、この従来技術では、ISO感度を所定感度に決めて固定したとき、アンプゲインも決まり、待機パケット数も決まってしまう。従って、ISO感度を所定感度に固定して撮影する場合、撮影シーンの明暗によって被写体画像の品質が左右されてしまうことになる。 However, in this prior art, when the ISO sensitivity is fixed at a predetermined sensitivity, the amplifier gain is determined and the number of standby packets is also determined. Therefore, when shooting with the ISO sensitivity fixed to a predetermined sensitivity, the quality of the subject image depends on the brightness of the shooting scene.
固体撮像素子の駆動方法を、撮影モードに応じて変更する従来技術として、下記の特許文献2がある。しかし、この従来技術における撮影モードとは、全画素読出しモード、2ライン間引きモード、フレーム読み出しモード等をいい、明るさに応じた撮影モードではなく、ISO感度が所定感度に固定されたときの駆動方法の変更についての記載は見当たらない。
As a conventional technique for changing the driving method of the solid-state imaging device in accordance with the photographing mode, there is
本発明の目的は、ISO感度を所定感度に固定して撮影する場合でも、撮影シーンの明暗に関わらず高品質な被写体画像を撮影することができるデジタルカメラ及び固体撮像素子の駆動方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a digital camera and a solid-state image sensor driving method capable of shooting a high-quality subject image regardless of the brightness of the shooting scene even when shooting with the ISO sensitivity fixed to a predetermined sensitivity. There is.
本発明のデジタルカメラは、複数の画素が半導体基板の表面に二次元アレイ状に配列され被写体からの入射光を受光して該被写体の撮像画像信号を出力する固体撮像素子と、所定のISO感度設定値に基づく撮影を行うに当たり予め用意された複数の駆動モードの中から前記被写体の明るさに応じた駆動モードを選択する制御手段と、該制御手段によって選択された前記駆動モードにより前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを備えることを特徴とする。 The digital camera of the present invention includes a solid-state imaging device in which a plurality of pixels are arranged in a two-dimensional array on the surface of a semiconductor substrate, receives incident light from a subject, and outputs a captured image signal of the subject, and a predetermined ISO sensitivity. Control means for selecting a drive mode according to the brightness of the subject from among a plurality of drive modes prepared in advance for shooting based on a set value, and the solid-state imaging according to the drive mode selected by the control means Drive means for driving the element.
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、複数の画素が半導体基板の表面に二次元アレイ状に配列され被写体からの入射光を受光して該被写体の撮像画像信号を出力する固体撮像素子の駆動方法であって、所定のISO感度設定値に基づく撮影を行うに当たり予め用意された複数の駆動モードの中から前記被写体の明るさに応じた駆動モードを選択して前記固体撮像素子を駆動することを特徴とする。 The solid-state imaging device driving method according to the present invention drives a solid-state imaging device in which a plurality of pixels are arranged in a two-dimensional array on the surface of a semiconductor substrate, receives incident light from a subject, and outputs a captured image signal of the subject. A method for driving the solid-state imaging device by selecting a driving mode corresponding to the brightness of the subject from a plurality of driving modes prepared in advance for performing shooting based on a predetermined ISO sensitivity setting value. It is characterized by.
本発明によれば、ISO感度を所定感度に固定して撮影する場合でも、撮影シーンの明暗に関わらず高品質な被写体画像を撮影することができる。 According to the present invention, even when shooting with ISO sensitivity fixed to a predetermined sensitivity, a high-quality subject image can be shot regardless of the brightness of the shooting scene.
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。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係るデジタルスチルカメラの機能ブロック図である。このデジタルスチルカメラ1は、CCD型の固体撮像素子100と、固体撮像素子100の前段に配置された撮影光学系を構成する撮影レンズ2,絞り3,メカニカルシャッタ4と、固体撮像素子100を制御すると共に固体撮像素子100の出力信号を処理するAFE&TG部(AFE:アナログフロントエンド、TG:タイミングジェネレータ)5と、このデジタルスチルカメラ1の全体を統括制御するCPU(中央演算処理部)を含む信号処理部6と、上記の撮影光学系を制御する駆動制御部7と、被写体に対してフラッシュ光を発光するフラッシュ発光部8と、フラッシュ光の被写体からの反射光を受光する受光部9とを備える。
FIG. 1 is a functional block diagram of a digital still camera according to an embodiment of the present invention. The digital still camera 1 controls a CCD type solid-
駆動制御部7とAFE&TG部5は夫々信号処理部6に接続され、信号処理部6によって制御される。また、フラッシュ発光部8と受光部9も信号処理部6に接続され、フラッシュ発光部8は、受光部9の受光量を検知した信号処理部6によって発光量制御が行われる。
The
信号処理部6には、更に、ユーザからの操作指示(シャッタ操作を含む)を入力する操作部11と、撮影した被写体画像データを格納する外部メモリ12と、カメラ背面等に設けられる液晶表示部13と、図示しない外部機器と接続する入出力(I/O)部14とが接続される。
The
AFE&TG部5は、固体撮像素子100から出力されるアナログの撮像画像信号を相関二重サンプリング処理するCDS部5aと、可変利得制御するVGA部5bと、デジタル信号に変換するA/D部5cと、固体撮像素子100に対して各種駆動パルス信号(垂直転送パルス及び読出パルスφV、水平転送パルスφH、ラインメモリ制御パルスφLM)を生成し出力するタイミングジェネレータTG部5dを備える。
The AFE &
図2は、図1に示すCCD型固体撮像素子100の表面模式図である。この固体撮像素子100には、半導体基板の表面部に、複数のフォトダイオード(図中の斜め四角で示す部分)101が二次元アレイ状に配列形成されている。
FIG. 2 is a schematic view of the surface of the CCD solid-
奇数行のフォトダイオード群を第1画素群とし、偶数行のフォトダイオード群を第2画素群としたとき、第1画素群と第2画素群とは、垂直方向,水平方向共に1/2画素ピッチづつずらして形成され、全体として、所謂ハニカム画素配列となっている。 When the odd-numbered photodiode group is the first pixel group and the even-numbered photodiode group is the second pixel group, the first pixel group and the second pixel group are ½ pixels in both the vertical and horizontal directions. They are formed by shifting the pitch and have a so-called honeycomb pixel arrangement as a whole.
第1画素群だけ見れば各画素101は正方格子配列され、各画素上に、赤(R),緑(G),青(B)の三原色のカラーフィルタがベイヤ配列されている。第2画素群だけ見ても各画素101は正方格子配列され、各画素上に、赤(R),緑(G),青(B)の三原色のカラーフィルタがベイヤ配列されている。
If only the first pixel group is viewed, the
各画素列に沿って垂直電荷転送路(VCCD)102が蛇行して形成され、各垂直電荷転送路102の転送方向端部に沿って水平電荷転送路(HCCD)103が形成され、水平電荷転送路103の出力端部には、転送されてきた信号電荷の電荷量に応じた電圧値信号を撮像画像信号として出力するアンプ104が設けられている。また、各垂直電荷転送路102の転送方向端部と水平電荷転送路103との間には、各垂直電荷転送路102毎にバッファ領域を持つラインメモリ105が設けられている。
A vertical charge transfer path (VCCD) 102 is formed to meander along each pixel column, and a horizontal charge transfer path (HCCD) 103 is formed along the transfer direction end of each vertical
このラインメモリ105は、例えば特開2002―112119号公報や特開2002―112122号公報に記載されている様なラインメモリであり、ラインメモリ制御パルス(φLM)に従って垂直電荷転送路102から受け取った信号電荷を一時的に保持し、保持した信号電荷を、水平電荷転送路103の転送タイミングに合わせて水平電荷転送路103に転送する機能を有する。これにより、例えば、或るR画素(カラーフィルタRを搭載した画素)の信号電荷と、このR画素の左斜め下位置のR画素の信号電荷とを、詳細は後述する様に、水平電荷転送路103上で画素加算することが可能となる。
The
各画素101には、1画素につき4枚の転送電極が設けられており、画素に隣接する中央2枚の転送電極のうち一方たとえば下側(HCCD103側)の転送電極が読出電極兼用となっている。第1画素群の読出電極には第1画素群用の読出パルスが共通に印加され、第2画素群の読出電極には第2画素群用の読出パルスが印加される接続構成となっている。図中で、各画素101から右斜め下方向に出ている矢印は、信号電荷の読み出し方向,読み出し位置を示している。
Each
なお、「垂直」「水平」という用語を用いて説明したが、これは、半導体基板の表面に沿う「1方向」「この1方向に対して略直角の方向」という意味に過ぎない。 Although the terms “vertical” and “horizontal” have been described, this means only “one direction” along the surface of the semiconductor substrate and “a direction substantially perpendicular to the one direction”.
図3は、図1に示す信号処理部6のCPUが実行する撮像手順を示すフローチャートである。図1には図示を省略した電源スイッチが投入されると、固体撮像素子100からは撮像画像信号が所定周期で、例えば1秒間に30フレームの撮像画像信号が出力される。各フレームの撮像画像信号はAFE&TG部5を通って信号処理部6に取り込まれ、周知の画像処理が施されたあとスルー画像としてLCD表示部13に動画状態で表示される。
FIG. 3 is a flowchart showing an imaging procedure executed by the CPU of the
この様な状態の下で、CPU6は、固体撮像素子100から出力される撮像画像信号を解析し、被写体までの焦点距離を決定して撮影レンズ2の焦点調整を駆動部7を介して行うと共に、シャッタ速度,絞り開口量を決定し、更に、ISO感度を所要の固定値に設定する。また、撮像画像信号を解析して得られた被写体の明るさデータ(EV値)が、「7」より小さいか、「7」から「13」の間にあるか、「13」より大きいかを判定する(ステップS1)。
Under such a state, the
この判定の結果、EV値が「7」より小さい場合すなわち暗い撮影シーンの場合には、ステップS2に進み、EV値が「7」と「13」の間にある場合すなわち普通の明るさの撮影シーンの場合には、ステップS3に進み、EV値が「13」より大きい場合すなわち明るい撮影シーンの場合には、ステップS4に進む。 As a result of this determination, if the EV value is smaller than “7”, that is, in the case of a dark shooting scene, the process proceeds to step S2, and if the EV value is between “7” and “13”, that is, shooting with normal brightness. If it is a scene, the process proceeds to step S3. If the EV value is larger than “13”, that is, if the scene is bright, the process proceeds to step S4.
各ステップS2,S3,S4では、詳細は後述するように、撮影シーンの明るさに応じた固体撮像素子100の駆動方法が設定され、ステップS5に進む。
In each of Steps S2, S3, and S4, as will be described in detail later, a driving method of the solid-
ステップS5では、撮像素子100の駆動方法に応じた撮影処理が行われる。例えば、CPU6は、AFE&TG部5を通して設定した駆動方法で固体撮像素子100を駆動させ、操作部11から入力されるシャッタレリーズボタンの全押しを検知したとき、固体撮像素子100から出力される撮像画像信号を取り込む。そして、この撮像画像信号に対して、固体撮像素子100の駆動方法に応じた画像処理を施し、JPEG画像データに変換するなどして外部メモリ12に格納する。
In step S <b> 5, photographing processing is performed according to the driving method of the
本実施形態では、固体撮像素子100の駆動方法として、ステップS2で設定する画素混合駆動モード、ステップS3で設定する通常の全画素駆動モード、ステップS4で設定する広ダイナミックレンジ駆動モードの3種類が予め用意されており、各駆動モードを実現する駆動タイミングデータが、CPU6内の図示しないROM等に格納されている。そして、被写体の明るさに応じて、使用する駆動タイミングデータが読み出されてタイミングジェネレータ5dに渡され、その駆動タイミングで固体撮像素子100が駆動される。
In this embodiment, there are three types of driving methods for the solid-state imaging device 100: the pixel mixture driving mode set in step S2, the normal all-pixel driving mode set in step S3, and the wide dynamic range driving mode set in step S4. Drive timing data that is prepared in advance and that realizes each drive mode is stored in a ROM (not shown) in the
先ず、ステップS3で設定される全画素駆動モードについて説明する。図4は、図2に示す固体撮像素子100の画素配列(カラーフィルタ配列)の簡略図である。図示する様に、本実施形態の固体撮像素子100では、右斜め上45度の方向に延びる画素行は1行置きに全画素がGのカラーフィルタを持ち、残りの1行置きの画素行は、連続する2画素づつ同色のカラーフィルタ(R,B)を交互に持つ構成となっている。
First, the all pixel drive mode set in step S3 will be described. FIG. 4 is a simplified diagram of a pixel array (color filter array) of the solid-
図中のV1〜V8は、垂直転送電極を示している。転送電極V1,V3,V5,V7は、読出電極兼用である。図5に示す様に、読出電極V1,V5に読出パルスを印加すると、読出電極V1,V5下に形成される電位パケット内に、当該画素の受光量に応じた信号電荷(R画素の信号電荷を「R」、G画素の信号電荷を「G」、B画素の信号電荷を「B」としている。)が読み出される。 V1 to V8 in the figure indicate vertical transfer electrodes. The transfer electrodes V1, V3, V5 and V7 are also used as readout electrodes. As shown in FIG. 5, when a read pulse is applied to the read electrodes V1 and V5, a signal charge (signal charge of the R pixel) corresponding to the amount of light received by the pixel is included in a potential packet formed under the read electrodes V1 and V5. Is “R”, the signal charge of the G pixel is “G”, and the signal charge of the B pixel is “B”).
この図5の状態で、転送電極V1〜V8に垂直転送パルスφVを印加し、垂直電荷転送路上の信号電荷を垂直方向に2段分だけ転送した状態が、図6である。この図6の状態では、垂直電荷転送路上の信号電荷は、転送電極V3,V7下の電位パケット内に収納されている。 FIG. 6 shows a state where the vertical transfer pulse φV is applied to the transfer electrodes V1 to V8 in the state of FIG. 5 and the signal charge on the vertical charge transfer path is transferred by two stages in the vertical direction. In the state of FIG. 6, the signal charge on the vertical charge transfer path is stored in a potential packet below the transfer electrodes V3 and V7.
ここで、読出電極V3,V7に読出パルスを印加すると、図5では信号電荷が読み出されていない残りの画素から信号電荷が電極V3,V7下の電位パケット内に読み出され、図7に示す状態となる。即ち、上下に隣接する奇数行と偶数行の各画素行の信号電荷が個々に連続的に横一行に並ぶことになる。 Here, when a read pulse is applied to the read electrodes V3 and V7, the signal charge is read into the potential packet below the electrodes V3 and V7 from the remaining pixels where the signal charge is not read in FIG. It will be in the state shown. That is, the signal charges of the odd-numbered and even-numbered pixel rows adjacent vertically are individually arranged in a horizontal row.
以後、この状態で、垂直電荷転送路を垂直方向に転送駆動することで、信号電荷は横一行の状態を保ったまま転送され、図8に示す様に、ラインメモリ105を通して水平電荷転送路103まで転送される。
Thereafter, in this state, the vertical charge transfer path is driven to transfer in the vertical direction, whereby the signal charge is transferred while maintaining the state of one horizontal line, and the horizontal
水平電荷転送路103に、横一行の個々の信号電荷が転送されたとき、垂直転送を一時停止し、水平電荷転送路103を水平方向に転送して横一行の個々の信号電荷をアンプ104まで順に転送し、個々の信号電荷の電圧値信号を撮像画像信号として個別に出力する。
When individual signal charges in one horizontal row are transferred to the horizontal
そして、水平電荷転送路103が空になった後、再び、図9に示す様に垂直転送を行って次の横一行の個々の信号電荷を水平電荷転送路103に入れる、という動作を繰り返すことで、1画面分の個々の画素101の各撮像画像信号を個別に出力する。
Then, after the horizontal
この固体撮像素子の全画素駆動モードは、上述した様に、各画素101が検出した信号電荷量に応じた電圧値信号を個別にアンプ104から出力するため、被写体の高精細な画像を再生することができる。
In the all-pixel drive mode of this solid-state imaging device, as described above, a voltage value signal corresponding to the signal charge amount detected by each
次に、ステップS2で設定される画素混合駆動モード(画素加算駆動モード)について説明する。図8,図9に示す様に、ラインメモリ105の個々のバッファ領域に、横一行の個々の信号電荷が転送されるまでは、上述した全画素駆動方法と同じである。本実施形態の画素混合駆動モードは、ラインメモリ105から水平電荷転送路103への転送時の駆動タイミングが異なる。
Next, the pixel mixture drive mode (pixel addition drive mode) set in step S2 will be described. As shown in FIGS. 8 and 9, the process is the same as the above-described all-pixel driving method until each horizontal row of individual signal charges is transferred to each buffer area of the
ラインメモリ105は、例えば、横一行の各バッファ領域に設ける転送電極(制御電極)のうち1つ置きに異なる転送パルスを印加できる配線接続にしておく。例えば、パルスφLM1を1つ置きの制御電極に印加し、残りの1つ置きの制御電極にパルスφLM2を印加する配線接続としておく。
For example, the
全画素駆動モードの時は、ラインメモリ(LM)105に印加するパルスを、φLM1=φLM2とすることで、ラインメモリ105の全バッファ領域を同一駆動するが、この画素混合駆動モードのときはφLM1≠φLM2とし、駆動タイミングを変える。
In the all pixel drive mode, the pulse applied to the line memory (LM) 105 is set to φLM1 = φLM2, so that all the buffer areas of the
図8に示す様に、図2の画素配列(カラーフィルタ配列)では、…GGBBGGBBGGBB…と水平方向横一行に各色の信号電荷が並ぶ行と、…RRGGRRGGRR…と水平方向横一行に各色の信号電荷が並ぶ行とが交互に垂直方向に転送される。即ち、同色の信号電荷が横に2つづつ並ぶことになる。 As shown in FIG. 8, in the pixel array (color filter array) shown in FIG. 2,... GGBBGGBBGGBB. Are alternately transferred in the vertical direction. That is, two signal charges of the same color are arranged side by side.
そこで、先ず、図10(a)→図10(b)に示す様に、ラインメモリ105上の各バッファの1つ置きの信号電荷を水平電荷転送路103に転送し、次に図10(c)に示す様に、水平電荷転送路103を水平方向に1段分転送する。これにより、ラインバッファ105上に残っている信号電荷の色と、水平電荷転送路103で1段分転送された信号電荷の色とが同色で整列することになる。このとき、図10(d)に示す様に、ラインメモリ105上の信号電荷を水平電荷転送路に転送することで、同色の2画素分の信号電荷が水平電荷転送路上で加算(混合)される。
Therefore, first, as shown in FIG. 10A → FIG. 10B, every other signal charge of each buffer on the
その後、水平電荷転送路103を水平方向に転送し、2画素加算した信号電荷量に応じた電圧値信号を撮像画像信号としてアンプ104から出力し、水平電荷転送路が空になったとき、垂直転送を行って次の横一行の信号電荷を垂直電荷転送路からラインメモリ105に転送する。この様な動作を繰り返すことで、2画素加算した撮像画像信号が固体撮像素子100から出力される。
Thereafter, the horizontal
この画素混合駆動モードでは、近接する2つの同色画素が検出する信号電荷を画素加算して撮像画像信号として出力するため、被写体画像の画像解像度は全画素駆動モードに比較して低下するが、信号電荷量が2画素分に増えるため、暗いシーンでも黒潰れしない高感度な被写体画像を得ることが可能になる。 In this pixel mixture drive mode, signal charges detected by two adjacent pixels of the same color are added together and output as a picked-up image signal, so that the image resolution of the subject image is lower than in the all-pixel drive mode. Since the amount of charge is increased by two pixels, it is possible to obtain a highly sensitive subject image that is not crushed black even in a dark scene.
次に、ステップS4で設定される広ダイナミックレンジ駆動モードについて説明する。図10で説明した画素混合駆動モードでは、例えば或る信号電荷Bと、その右斜め上の信号電荷Bとを2画素加算して出力したが、この2つの信号電荷Bを得る2つの画素(フォトダイオード)では、同時に露光開始し、同時に露光終了し、その露光期間を同一とする駆動タイミングで固体撮像素子が駆動されている。これに対し、本実施形態の広ダイナミックレンジ駆動モードでは、2つの画素の露光期間を変える駆動タイミングで固体撮像素子を駆動し、2つの露光時間の異なる信号電荷の夫々の電圧値信号(撮像信号)を個別に出力した後、信号処理で、長時間露光の撮像信号と短時間露光の撮像信号とを2画素加算している。 Next, the wide dynamic range drive mode set in step S4 will be described. In the pixel mixed drive mode described with reference to FIG. 10, for example, a certain signal charge B and a signal charge B on the upper right are added and output, but two pixels (2) that obtain these two signal charges B ( In the photodiode), exposure is started at the same time, exposure is ended at the same time, and the solid-state imaging device is driven at a drive timing with the same exposure period. On the other hand, in the wide dynamic range driving mode of the present embodiment, the solid-state imaging device is driven at a driving timing for changing the exposure period of two pixels, and each voltage value signal (imaging signal) of the signal charges having two different exposure times is used. ) Are individually output, and then two pixels of the long-exposure imaging signal and the short-exposure imaging signal are added by signal processing.
本実施形態では、図4と同じカラーフィルタ配列において、転送電極V1,V5を読出電極とする画素を短時間露光用画素とし、転送電極V3,V7を読出電極とする画素を長時間露光用画素とする。長時間露光による信号電荷をR,G,Bの大文字で示し、短時間露光による信号電荷をr,g,bの小文字で示した図が図11である。 In the present embodiment, in the same color filter array as in FIG. 4, pixels having transfer electrodes V1 and V5 as readout electrodes are pixels for short exposure, and pixels having transfer electrodes V3 and V7 as readout electrodes are pixels for long exposure. And FIG. 11 is a diagram in which signal charges due to long exposure are indicated by capital letters R, G, and B, and signal charges due to short exposure are indicated by small letters r, g, and b.
図12は、広ダイナミックレンジ駆動モードを示すタイミングチャートである。メカニカルシャッタ「開」の状態下で、OFD(オーバーフロードレイン)パルスの印加停止タイミングxで、長時間露光用画素と短時間露光用画素の夫々で露光が開始し、信号電荷の蓄積が始まる。 FIG. 12 is a timing chart showing the wide dynamic range drive mode. Under the mechanical shutter “open” state, at the OFD (overflow drain) pulse application stop timing x, exposure starts at each of the long-time exposure pixel and the short-time exposure pixel, and accumulation of signal charges starts.
次の任意タイミングyで、読出電極V1,V5に読出パルス21を印加すると、タイミングx〜yの間で短時間露光用画素に蓄積されていた信号電荷が垂直電荷転送路に読み出されてしまうことになる。読出電極V3,V7にはタイミングyでの読出パルスの印加はないため、長時間露光用画素ではタイミングxからの信号電荷の蓄積が続いている。タイミングyで一旦「空」となった短時間露光用画素には再び信号電荷の蓄積が開始する。
When the read
シャッタスピードで決まる次のタイミングzで、メカニカルシャッタが「閉」となり、長時間露光用画素,短時間露光用画素の露光が終了する。次に、垂直電荷転送路を高速掃出パルス22で駆動すると、タイミングyで短時間露光用画素から垂直電荷転送路に読み出されたタイミングx〜yまでの信号電荷は廃棄されてしまう。
At the next timing z determined by the shutter speed, the mechanical shutter is “closed”, and the exposure of the long exposure pixels and the short exposure pixels is completed. Next, when the vertical charge transfer path is driven by the high-
これにより、長時間露光用画素には、タイミングx〜z(露光期間T)の信号電荷が蓄積され、短時間露光用画素には、タイミングy〜z(露光期間t)の信号電荷が蓄積されることになる。 Thereby, signal charges at timings x to z (exposure period T) are accumulated in the long-time exposure pixels, and signal charges at timings y to z (exposure period t) are accumulated in the short-time exposure pixels. Will be.
以後、全画素駆動モードで説明した図4〜図9の読出処理により、例えば図8に対応する或る画素行の読出処理では、…gBbGgBbG…の順に各信号電荷量に応じた撮像画像信号が固体撮像素子100から出力され、次行の読出処理では…rGgRrGgR…の順に各信号電荷量に応じた撮像画像信号が固体撮像素子100から出力される。固体撮像素子100から出力された撮像画像信号は後段の信号処理部6で信号処理されるが、このとき、連続する同色2画素(図11で述べれば、斜め方向に並ぶ同色2画素)の撮像画像信号が画素加算(R+r,G+g,B+b)され、広ダイナミックレンジの撮像画像信号が生成される。
4 to 9 described in the all pixel drive mode, for example, in a reading process of a certain pixel row corresponding to FIG. 8, the picked-up image signals corresponding to the respective signal charge amounts in order of... GBbGgBbG. Output from the solid-
これにより、撮影シーンが明るい場合でも、白飛びしない被写体画像を撮影することが可能となる。 As a result, even when the shooting scene is bright, it is possible to shoot a subject image that does not white out.
この様に、本実施形態によれば、ISO感度を所定感度に固定して撮影する場合においても、被写体の明るさに応じて固体撮像素子100の駆動方法を変えることにより、被写体の高品質な画像を被写体の明暗に関わらず撮影することが可能となる。
As described above, according to the present embodiment, even when shooting with the ISO sensitivity fixed to a predetermined sensitivity, by changing the driving method of the solid-
図13は、本発明の別実施形態に係る撮像手順を示すフローチャートである。図3の撮像手順では、固体撮像素子の駆動方法として、画素混合駆動モード,全画素駆動モード,広ダイナミックレンジ駆動モードの3つを用意したが、本実施形態では、更に広ダイナミックレンジ駆動モードを、被写体明るさに応じた、ダイナミックレンジ200%モード,400%モード,800%モードの3つに細分している。 FIG. 13 is a flowchart showing an imaging procedure according to another embodiment of the present invention. In the imaging procedure of FIG. 3, three methods of a pixel mixing driving mode, an all-pixel driving mode, and a wide dynamic range driving mode are prepared as driving methods of the solid-state imaging device. In this embodiment, a wider dynamic range driving mode is further provided. The dynamic range is subdivided into three modes of 200% mode, 400% mode, and 800% mode according to subject brightness.
即ち、ステップS1の判定の結果、EV値が「13」より大きい場合には次のステップS1aで、EV値が「13」であるのか、EV値が「14」であるかの、EV値が「15」であるのかを判定する。 That is, if the EV value is greater than “13” as a result of the determination in step S1, the EV value in step S1a indicates whether the EV value is “13” or the EV value is “14”. It is determined whether it is “15”.
EV値=13の場合には、ステップS4aに進んでダイナミックレンジ200%モードを設定し、EV値=14の場合には、ステップS4bに進んでダイナミックレンジ400%モードを設定し、EV値=15の場合には、ステップS4cに進んでダイナミックレンジ800%モードを設定し、ステップS5に進む。他のステップS2,S3は、図3の実施形態と同じである。
If the EV value = 13, the process proceeds to step S4a to set the
図14は、ダイナミックレンジ200%モード,400%モード,800%モードを切り替える駆動タイミングを示す図である。タイミングx,zに対し、図12のタイミングyを、タイミングy1,y2,y3に切り替えることで、ダイナミックレンジ200%,400%,800%を実現している。
FIG. 14 is a diagram illustrating drive timing for switching between the
即ち、タイミングx〜zの露光期間Tに対して、例えばT/2となるタイミングy1を設定することで、ダイナミックレンジ200%を実現する短時間露光期間T200を決めている。また、例えばT/4となるタイミングy2を設定してダイナミックレンジ400%を実現する短時間露光期間T400を決め、T/8となるタイミングy3を設定してダイナミックレンジ800%を実現する短時間露光期間T800を決めている。 That is, by setting a timing y1 that is T / 2, for example, with respect to the exposure period T of the timings x to z, a short exposure period T200 that realizes a dynamic range of 200% is determined. Further, for example, a short exposure period T400 that realizes a dynamic range of 400% by setting a timing y2 that becomes T / 4 is determined, and a short exposure that realizes a dynamic range of 800% by setting a timing y3 that becomes T / 8. Period T800 is decided.
この様にすることで、撮影シーンが明るすぎる場合でもきめ細かなダイナミックレンジの設定を自動的に行い、白飛びの無い高品質な被写体画像を得ることが可能となる。 This makes it possible to automatically set a fine dynamic range even when the shooting scene is too bright, and to obtain a high-quality subject image without overexposure.
図15は、本発明の更に別実施形態に係る撮像手順を示すフローチャートである。図13の撮像手順では、図3の固体撮像素子の駆動方法のうち広ダイナミックレンジ駆動モードを3つに細分したが、本実施形態では、図3の画素混合駆動モードを被写体明るさに応じた加算画素数で3つに細分している。 FIG. 15 is a flowchart showing an imaging procedure according to still another embodiment of the present invention. In the imaging procedure of FIG. 13, the wide dynamic range driving mode is subdivided into three in the driving method of the solid-state imaging device of FIG. 3, but in the present embodiment, the pixel mixture driving mode of FIG. The number of added pixels is subdivided into three.
即ち、本実施形態では、被写体のEV値が「7」より小さい場合にはステップS1bに進み、EV値=5or6の場合にはステップS2aに進んで2画素混合駆動モードを設定し、EV値=3or4の場合にはステップS2bに進んで4画素混合駆動モードを設定し、EV値=1or2の場合にはステップS2cに進んで8画素混合駆動モードを設定し、ステップS5に進む。他のステップS3,S4は図3の実施形態と同じである。 That is, in this embodiment, when the EV value of the subject is smaller than “7”, the process proceeds to step S1b. When the EV value = 5 or 6, the process proceeds to step S2a to set the two-pixel mixed drive mode, and the EV value = In the case of 3 or 4, the process proceeds to step S2b to set the 4-pixel mixed drive mode, and in the case of EV value = 1 or 2, the process proceeds to step S2c to set the 8-pixel mixed drive mode, and the process proceeds to step S5. Other steps S3 and S4 are the same as those in the embodiment of FIG.
2画素混合駆動モードとは図10で説明した水平電荷転送路上での2画素加算と同じであり、図15のステップS2aは、図3のステップS2と同じである。 The two-pixel mixed drive mode is the same as the two-pixel addition on the horizontal charge transfer path described in FIG. 10, and step S2a in FIG. 15 is the same as step S2 in FIG.
ステップS2bの4画素混合駆動モードとは、例えば、図16の或る画素列に沿って垂直方向に隣接する2つのG信号電荷51,52を垂直電荷転送路に読み出してこの垂直電荷転送路上で混合してしまう。 In the four-pixel mixed drive mode in step S2b, for example, two G signal charges 51 and 52 that are adjacent in the vertical direction along a certain pixel column in FIG. 16 are read out to the vertical charge transfer path, and on this vertical charge transfer path. It will mix.
このとき、G信号電荷51,52間のB信号電荷61の垂直電荷転送路への読み出しは行わずに、G信号電荷51,52の読み出し,混合,アンプ104からの出力後に、B信号電荷の読み出し,混合,出力を行う。隣接する垂直電荷転送路上でも、2つのG信号電荷53,54を画素混合を行う。
At this time, the B signal charge 61 between the G signal charges 51 and 52 is not read out to the vertical charge transfer path, but after the G signal charges 51 and 52 are read, mixed, and output from the
そして、垂直電荷転送路上で2画素混合したG信号電荷(51,52)及びG信号電荷(53,54)を、図10で説明した様にして、水平電荷転送路上で加算し、計4画素の信号電荷の混合を行ってから、アンプ104から出力する。同様に、G信号電荷55,56,57,58の同色4画素の画素混合を行い、アンプ104から出力する。他色のB信号電荷,R信号電荷についても同様に4画素混合を行い、アンプ104から出力する。
Then, the G signal charge (51, 52) and the G signal charge (53, 54) mixed in two pixels on the vertical charge transfer path are added on the horizontal charge transfer path as described in FIG. The signal charges are mixed and then output from the
この場合、垂直転送電極として、図4の8相駆動用の電極V1〜V8ではなく、図16に示す様に16相駆動用の電極V1〜V16を設けた方が、垂直電荷転送路上での画素加算の垂直駆動が容易となる。この16相駆動用の電極配線とした場合に8相駆動する必要が生じたとき(例えば、図4〜図8で説明した駆動方法を行う時)は、電極V1と電極V9に同一パルスφV1を印加し、V2,V10に同一パルスφV2を印加し、…とすることで、問題はなく8相駆動が実現される。 In this case, instead of the 8-phase driving electrodes V1 to V8 shown in FIG. 4 as the vertical transfer electrodes, the 16-phase driving electrodes V1 to V16 are provided on the vertical charge transfer path as shown in FIG. The vertical drive of pixel addition becomes easy. When the electrode wiring for 16-phase driving is necessary, when it is necessary to perform 8-phase driving (for example, when the driving method described in FIGS. 4 to 8 is performed), the same pulse φV1 is applied to the electrode V1 and the electrode V9. By applying the same pulse φV2 to V2 and V10, and so on, there is no problem and 8-phase driving is realized.
ステップS2cの8画素混合駆動モードとは、例えば図16において、同色で隣接するG信号電荷51,52,55,56を垂直電荷転送路上で混合し、隣接する垂直電荷転送路上でもG信号電荷53,54,57,58を混合し、これらを水平電荷転送路上で画素混合して8画素加算を行う。B信号電荷,R信号電荷についても同様に8画素加算を行う。
For example, in FIG. 16, the adjacent G signal charges 51, 52, 55 and 56 of the same color are mixed on the vertical charge transfer path, and the
この様に、近接する同色画素で画素混合する画素数が増えるほど、暗いシーンでも高感度な信号電荷量を得ることができ、画像解像度は低下するが、高品質な被写体画像を得ることが可能となる。 In this way, as the number of adjacent pixels of the same color increases, the signal charge amount with high sensitivity can be obtained even in a dark scene, and the image resolution decreases, but a high-quality subject image can be obtained. It becomes.
図17は、本発明の更に別実施形態に係る撮像手順を示すフローチャートである。本実施形態は、図13の実施形態と図15の実施形態とを併せた撮像手順となっている。暗すぎる撮影シーンから明るすぎる撮影シーンまで、どの様な撮影シーンであっても、撮影シーンの明るさに応じて、駆動タイミングの異なる固体撮像素子の駆動方法すなわち駆動モードを適切に選択することで、常に高品質な被写体画像を得ることが可能となる。 FIG. 17 is a flowchart showing an imaging procedure according to still another embodiment of the present invention. The present embodiment is an imaging procedure that combines the embodiment of FIG. 13 and the embodiment of FIG. Depending on the brightness of the shooting scene, it is possible to appropriately select the driving method of the solid-state imaging device, that is, the driving mode, depending on the brightness of the shooting scene. Therefore, it is possible to always obtain a high-quality subject image.
なお、上述した実施形態では、図2に示すCCD型固体撮像素子すなわち、カラーフィルタ配列をベイヤ配列とした正方格子配列の第1画素群と、これと垂直方向,水平方向に1/2画素ピッチづつずらした正方格子配列の第2画素群であって同じくカラーフィルタ配列をベイヤ配列とした第2画素群とを混在させたハニカム画素配列の固体撮像素子を例に説明したが、本発明はこの固体撮像素子に限るものではない。例えば、各画素が正方格子配列された固体撮像素子に適用することができ、また、CCD型でなくても、画素混合して同色信号を読み出すことができ、また、露光期間の異なる同色信号を混合して読み出すことができる固体撮像素子であれば、本発明を適用可能である。 In the embodiment described above, the CCD type solid-state imaging device shown in FIG. 2, that is, a first pixel group in a square lattice arrangement in which the color filter array is a Bayer arrangement, and a ½ pixel pitch in the vertical and horizontal directions. A solid-state imaging device having a honeycomb pixel arrangement in which a second pixel group having a square lattice arrangement and a second pixel group having the same color filter arrangement as a Bayer arrangement is mixed has been described as an example. It is not limited to a solid-state image sensor. For example, it can be applied to a solid-state imaging device in which each pixel is arranged in a square lattice, and even if it is not a CCD type, it can read out the same color signal by mixing pixels, and can also output the same color signal with different exposure periods. The present invention can be applied to any solid-state imaging device that can be read by mixing.
なお、上述した実施形態では、被写体の露光条件に基づいてCPUがISO感度を所定感度に設定した後、被写体の明るさに応じて固体撮像素子の駆動モードをCPUが自動的に設定したが、ユーザがマニュアルでISO感度を所定感度に設定したとき、被写体の明るさに応じて固体撮像素子の駆動モードをCPU側が自動的に設定する構成とすることでも良い。 In the above-described embodiment, the CPU automatically sets the drive mode of the solid-state imaging device according to the brightness of the subject after the CPU sets the ISO sensitivity to a predetermined sensitivity based on the exposure condition of the subject. When the user manually sets the ISO sensitivity to a predetermined sensitivity, the CPU side may automatically set the drive mode of the solid-state imaging device according to the brightness of the subject.
以上述べた様に、実施形態によるデジタルカメラ及び固体撮像素子の駆動方法は、複数の画素が半導体基板の表面に二次元アレイ状に配列され被写体からの入射光を受光して該被写体の撮像画像信号を出力する固体撮像素子を搭載したデジタルカメラ及び固体撮像素子の駆動方法であって、所定のISO感度設定値に基づく撮影を行うに当たり予め用意された複数の駆動モードの中から前記被写体の明るさに応じた駆動モードを選択して前記固体撮像素子を駆動することを特徴とする。 As described above, in the digital camera and the solid-state image sensor driving method according to the embodiment, the plurality of pixels are arranged in a two-dimensional array on the surface of the semiconductor substrate and receive the incident light from the subject, and the captured image of the subject A digital camera equipped with a solid-state imaging device that outputs a signal and a driving method of the solid-state imaging device, wherein the brightness of the subject is selected from a plurality of driving modes prepared in advance for performing shooting based on a predetermined ISO sensitivity setting value. The solid-state imaging device is driven by selecting a driving mode according to the height.
また、実施形態のデジタルカメラ及び固体撮像素子の駆動方法は、前記被写体の明るさが暗く該明るさを表すEV値が第1所定値より小さいときに選択され近接する複数の画素の検出信号を加算して出力する画素混合駆動モードと、前記被写体の明るさが明るく前記EV値が前記第1所定値より大きな第2所定値より大きいときに選択され近接する長時間露光画素と短時間露光画素の各検出信号を個別に出力した後、信号処理で加算させる広ダイナミックレンジ駆動モードと、前記EV値が前記第1所定値と前記第2所定値との間のときに選択され各画素の検出信号を独立して読み出す全画素駆動モードとが、前記複数の駆動モードとして予め用意されることを特徴とする。 In the digital camera and the solid-state image sensor driving method according to the embodiment, detection signals of a plurality of adjacent pixels selected when the brightness of the subject is dark and the EV value representing the brightness is smaller than a first predetermined value are detected. A pixel mixture drive mode for adding and outputting, and a long-time exposure pixel and a short-time exposure pixel that are selected when the subject is bright and the EV value is greater than a second predetermined value that is greater than the first predetermined value. Each of the detection signals is output individually, and then is selected when the wide dynamic range driving mode is added by signal processing, and the EV value is between the first predetermined value and the second predetermined value. An all-pixel drive mode in which signals are read independently is prepared in advance as the plurality of drive modes.
また、実施形態のデジタルカメラ及び固体撮像素子の駆動方法は、前記画素混合駆動モードとして、前記加算する画素数が異なる複数の画素混合駆動モードが前記被写体の明るさに応じて用意されることを特徴とする。 In the driving method of the digital camera and the solid-state imaging device according to the embodiment, as the pixel mixture driving mode, a plurality of pixel mixture driving modes having different numbers of pixels to be added are prepared according to the brightness of the subject. Features.
また、実施形態のデジタルカメラ及び固体撮像素子の駆動方法は、前記広ダイナミックレンジ駆動モードとして、前記長時間露光画素の露光期間と前記短時間露光画素の露光期間との比が異なる複数の広ダイナミックレンジ駆動モードが前記被写体の明るさに応じて用意されることを特徴とする。 Further, in the driving method of the digital camera and the solid-state imaging device according to the embodiment, as the wide dynamic range driving mode, a plurality of wide dynamics having different ratios of the exposure period of the long exposure pixel and the exposure period of the short exposure pixel are used. A range driving mode is prepared according to the brightness of the subject.
これにより、ISO感度を所定値に固定した撮影を行う場合でも、被写体の明暗によらずに高品質な被写体画像を得ることが可能となる。 As a result, even when shooting is performed with the ISO sensitivity fixed to a predetermined value, a high-quality subject image can be obtained regardless of the brightness of the subject.
本発明に係るデジタルカメラ及びその固体撮像素子駆動方法は、ISO感度の設定が所定感度に固定された状態でも、撮影シーンの明暗によって固体撮像素子の駆動方法(駆動タイミング)を変更して被写体画像の高品質撮影を可能としたため、デジタルスチルカメラ,デジタルビデオカメラ,カメラ付携帯電話機,カメラ付電子装置,複数台のデジタルカメラを配置して全周囲360度の画像を撮影する全方位撮像装置等に適用すると有用である。 The digital camera and the solid-state imaging device driving method according to the present invention change the driving method (driving timing) of the solid-state imaging device according to the brightness of the shooting scene even when the ISO sensitivity setting is fixed to a predetermined sensitivity. Digital still cameras, digital video cameras, camera-equipped mobile phones, camera-equipped electronic devices, omnidirectional imaging devices that place multiple digital cameras and shoot 360-degree images, etc. It is useful to apply to.
1 デジタルスチルカメラ
2 撮影レンズ
3 絞り
4 メカニカルシャッタ
5 AFE&TG部
5a CDS部
5b VGA部
5c A/D部
5d TG(駆動手段)
6 信号処理部(CPUを含む)
100 固体撮像素子
101 画素(フォトダイオード)
102 垂直電荷転送路(VCCD)
103 水平電荷転送路(HCCD)
104 出力アンプ
105 ラインメモリ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Digital still
6 Signal processor (including CPU)
100 Solid-
102 Vertical charge transfer path (VCCD)
103 Horizontal charge transfer path (HCCD)
104
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2009
- 2009-07-02 JP JP2009157822A patent/JP2011015205A/en active Pending
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