JP3967165B2

JP3967165B2 - デジタルスチルカメラ

Info

Publication number: JP3967165B2
Application number: JP2002088785A
Authority: JP
Inventors: 丈司宮下; 和也小田
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: US20030193573A1; JP2003284087A; US7242426B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はデジタルスチルカメラに係り、特に、低感度モードの撮像時と高感度モードの撮像時の両方で高画質の画像データを固体撮像素子から読み出すことができるデジタルスチルカメラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤ等の固体撮像素子を搭載したデジタルスチルカメラでは、撮影感度の設定を変更できるものがある。例えばフィルム感度でいえば、ＩＳＯ感度１００〜４００に相当する低感度で撮影する低感度モードと、ＩＳＯ感度８００以上に相当する高感度で撮影する高感度モードとを切換設定可能なデジタルスチルカメラがある。この低感度モードで撮影した場合、例えばシャッタ時間が長いため各撮像画素（フォトダイオード）に蓄積される信号電荷量は多くなり、高感度モードで撮影した場合は、例えばシャッタ時間が短くなるため各撮像画素に蓄積される信号電荷量は少なくなる。
【０００３】
撮像画素に蓄積された信号電荷は、各撮像画素から垂直転送路に読み出され、垂直転送路を転送されることになる。図８は、各撮像画素に蓄積された信号電荷量すなわち電子数の時間変化を示すグラフである。シャッタが閉じられた後は、信号電荷量は、熱拡散などによって時間経過と共に指数関数的に減少する。このため、固体撮像素子から信号電荷を直ぐに読み出さないと、撮像画像の画質が劣化してしまうことになる。
【０００４】
また、撮像画素から垂直転送路に読み出された信号電荷は、垂直転送路上に次々と形成される電位井戸を伝って転送されるが、転送される毎に前の電位井戸の中に極微量の一定量の電子が残ってしまう。この結果、残った電子は、次に他色の撮像画素から読み出され垂直転送路を転送されてくる信号電荷と混じることになり、これも画質を劣化させる要因となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
高感度モードで撮影が行われた場合、各撮像画素に蓄積された信号電荷量は少ないため、これが垂直転送路の転送中に少しづつ減少して他色の撮像画素の信号電荷と混じってしまうと、元々の信号電荷量が少ない分だけ混色の影響が大きくなり、画質を劣化させてしまうという問題がある。しかし、図８から分かる通り、信号電荷量が小さい（図８の特性線の裾野部分）と、時間経過と共に減少する電子数の割合は小さいため、固体撮像素子からの信号電荷の読み出しに時間がかかってもその影響は小さい。
【０００６】
これに対し、低感度モードで撮影が行われた場合、各撮像画素に蓄積された信号電荷量は多いため、この信号電荷のうち垂直転送路の各電位井戸内に極微量の一定量づつ電子が残って他色の信号電荷と混合しても、元々の信号電荷量が多いため、混色の影響による画質劣化の程度は無視できる範囲となる。しかし、図８から分かる通り、信号電荷量が多いと、時間経過によって減少する電子数が多くなり、画質劣化の要因として無視できなくなるという問題がある。
【０００７】
このように、高感度撮影モードにおける問題と低感度撮影モードにおける問題とは相反し、これを両方共に解決しないと、両方の撮影モードにおける画質改善を図ることができない。
【０００８】
本発明の目的は、低感度モードの撮影時と高感度モードの撮影時の両方で高画質な画像データを固体撮像素子から読み出すことができるデジタルスチルカメラを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するデジタルスチルカメラは、撮像画素に蓄積された信号電荷を垂直転送路に読み出し該垂直転送路に沿って転送する固体撮像素子であって該固体撮像素子の水平方向に並ぶ撮像画素群の各カラーフィルタの配置が１行置きに同じパターンの固体撮像素子と、撮影モードとして信号電荷量が多くなる低感度撮影モードと信号電荷量が少なくなる高感度撮影モードを選択する撮影モード選択手段と、前記撮影モード選択手段が前記低感度撮影モードを選択したとき前記固体撮像素子から全画素読み出しモードで信号電荷の読み出しを行い前記撮影モード選択手段が前記高感度撮影モードを選択したとき前記固体撮像素子から２以上の偶数フィールド読み出しモードで信号電荷を読み出す固体撮像素子駆動手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
この構成により、高感度撮影モードでも低感度撮影モードでも、画像解像度を低下させることなく高画質の画像データを固体撮像素子から読み出すことが可能となる。
【００１１】
更に好適には、上記において、前記固体撮像素子の最終段に設けられた出力信号増幅回路あるいは前記固体撮像素子の出力端子に接続された電流増幅回路に供給する電流量を前記高感度撮影モードが前記撮影モード選択手段で選択されたとき制限する電流制御手段を設けたことを特徴とする。
【００１２】
この構成により、高感度撮影モードで撮影し固体撮像素子から読み出した画像データのＳ／Ｎが向上すると共に、消費電力の低減と発熱量低下を図ることが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
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。
【００１６】
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るデジタルスチルカメラに搭載される固体撮像素子の一部を示す概略平面図である。この固体撮像素子１は、水平転送路２に近い行▲１▼にＢＧＲＧＢＧＲＧ…の撮像画素（ここで、Ｂは青色フィルタを持つ撮像画素（フォトダイオードＰＤ）、Ｇは緑色フィルタを持つ撮像画素、Ｒは赤色フィルタを持つ撮像画素を示す。）が並び、次の行▲２▼にＲＧＢＧＲＧＢＧ…の撮像画素が並び、次の行▲３▼に行▲１▼と同じＢＧＲＧＢＧＲＧ…が並び、次の行▲４▼に行▲２▼と同じＲＧＢＧＲＧＢＧ…が並び、以下同様に撮像画素が繰り返し配列される。即ち、奇数行の撮像画素配置のカラーパターンは全て同じとなり、偶数行の撮像画素配置のカラーパターンは全て同じになっている。
【００１７】
図１（ｂ）は、図１（ａ）に示される固体撮像素子１から各撮像画素を全画素読み出しモードで読み出したときの色データ配置図である。全画素読み出しモードでは、固体撮像素子の各撮像画素の信号電荷を一度に垂直転送路に読み出し、同時に垂直転送路上を転送させるため、短時間に固体撮像素子からデータを読み出すことができる。しかし、第１列を例に説明すれば、ＢＲＢＲ…の信号電荷が同時に並行して垂直転送路上を転送するため、上述したように、青色（Ｂ）の信号電荷と赤色（Ｒ）の信号電荷とが混色してしまうという問題がある。
【００１８】
図１（ｃ）は、図１（ａ）に示される固体撮像素子１から各撮像画素をインターレース（２フィールド）読み出しモードで読み出したときの色データ配置図であり、第１フィールドでは、奇数行の撮像画素だけの信号電荷を垂直転送路に読み出して転送させ、次の第２フィールドでは、偶数行の撮像画素だけの信号電荷を垂直転送路に読み出して転送させる。
【００１９】
このため、垂直転送路上の転送時に垂直方向に隣接する信号電荷が混じり合っても、同色の信号電荷であるため混色せず、画質劣化が抑制されるという利点がある。しかし、固体撮像素子からのデータ読み出しが２回に分けて行われるため、後述するように信号電荷の垂直転送路への読み出しまでに時間がかかり、図８で説明したように、時間経過による電子数の低下が生じてしまうという問題がある。
【００２０】
本実施形態に係るデジタルスチルカメラでは、上述した全画素読み出しモードとインターレス読み出しモードとを、以下に述べるように使い分けて固体撮像素子を駆動し、上述した問題を両方共に解決すること特徴とする。
【００２１】
図２は、本実施形態に係るデジタルスチルカメラにおける動作手順を示すフローチャートである。デジタルスチルカメラの電源スイッチが投入されると、図２に示すプログラムが起動され、ユーザがシャッタレリーズボタンを半押しすると、２段スイッチのＳ１がオンとなる（ステップＳ１）。スイッチＳ１がオンされると、次のステップＳ２で、測光と測距が行われ、次に、ステップＳ３で、撮影感度モードが設定されているか否かが判定される。
【００２２】
ユーザが感度モードの設定をしていない場合には、ステップＳ３からステップＳ４に進み、感度モードを自動設定し、ステップＳ５に進む。ユーザが感度モードを設定している場合にはステップＳ３からステップＳ５に進む。
【００２３】
ステップＳ５では、２段シャッタレリーズボタンが全押しされるのを待機する。全押しされると２段スイッチのＳ２がオンとなり、ステップＳ６に進んで撮像処理が実行される。この撮像処理では、測光値に応じた露光時間でシャッタの開閉が行われ、測距値に応じた合焦位置に撮影レンズの繰り出しが行われ、被写体にピントのあった画像データ（信号電荷）が固体撮像素子の各撮像画素に蓄積される。
【００２４】
次のステップＳ７では、ユーザが設定した感度モードあるいはステップＳ４で自動設定された感度モードが予め設定されている所定感度値より高いか否かが判定される。この判定結果が否定（いいえ）、即ち、感度モードが所定感度値より低い場合には、ステップＳ８に進み、全画素読み出しモードで固体撮像素子を駆動し、撮像画像データを固体撮像素子から読み出す。
【００２５】
ステップＳ７の判定結果が肯定（はい）、即ち、感度モードが所定感度値より高い場合には、ステップＳ９に進み、２フィールド読み出しモード（インターレース読み出しモード）で固体撮像素子を駆動し、撮像画像データを固体撮像素子から読み出す。
【００２６】
ステップＳ８またはステップＳ９で固体撮像素子を駆動し、撮像画像データを読み出した後は、次にステップＳ１０に進み、読み出した撮像画像データをメモリに格納して信号処理し、この図２の処理を終了する。
【００２７】
図３（ａ）（ｂ）は、固体撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャートである。本実施形態では、上述したように、低感度モードで撮影が行われたときは、図３（ａ）の全画素読み出しモードで固体撮像素子を駆動し、高感度モードで撮影が行われたときは、図３（ｂ）のインターレース読み出しモードで固体撮像素子を駆動する。
【００２８】
（ａ）全画素読み出しモードにおける動作
デジタルスチルカメラにおける露光時間は、通常は、電子シャッタ開のタイミング（このときメカニカルシャッタは開状態）から、メカニカルシャッタ閉までの間である。この露光により、固体撮像素子の各撮像画素（フォトダイオードＰＤ）に信号電荷が蓄積される。
【００２９】
この信号電荷の蓄積後、直ぐに信号電荷を読み出すのではなく、その前に、掃き出しパルスで垂直転送路を高速駆動する。これにより、垂直転送路に残っている電荷やノイズ電荷が掃き出され、垂直転送路が綺麗にされる。そして、読み出しパルスＰが各撮像画素の読み出しゲートに印加され、固体撮像素子の全撮像画素の信号電荷が各撮像画素に隣接した垂直転送路に読み出される。そして、垂直転送路の各転送電極に順次転送電位が印加され、垂直転送路に形成された電位井戸により信号電荷が順次転送され（図３（ａ）のデータ読み出し期間Ｍ）、固体撮像素子からの撮像画像データの読み出しが終了する。
【００３０】
この全画素読み出しモードでは、撮像画素に蓄積された信号電荷が垂直転送路に読み出されるまでの待ち時間は、メカニカルシャッタ閉のタイミングから読み出しパルスＰまでの時間となり、短時間のため、図８で説明したような電子数の減少による画質劣化は問題にならない。
【００３１】
また、上述したように、低感度モードにおける信号電荷量は多く、転送中に生じる極微量の一定残留電子が他の撮像画素の信号電荷と混合しても、画質に影響することはない。
【００３２】
（ｂ）インターレース読み出しモードの動作
露光期間終了直後に掃き出しパルスで垂直転送路の掃除を行う所までは、全画素読み出しモードと同じであるが、このインターレース読み出しモードでは、図１（ｃ）で説明したように、先ず最初に奇数行の撮像画素の信号電荷を読み出して転送し、その後に、今度は偶数行の撮像画素の信号電荷の読み出しと転送を行う点が異なる。
【００３３】
即ち、露光期間直後の掃き出し期間Ｎ１の後、先ず、読み出しパルスＰ１が奇数行の撮像画素の読み出しゲートに印加され、これによって読み出された奇数行の撮像画素の信号電荷が、垂直転送路に沿って転送される（図３（ｂ）のデータ読み出し期間Ｍ１）。
【００３４】
この転送によって垂直転送路には若干の電荷が残るため、期間Ｍ１の後も掃き出しパルスで垂直転送路を高速駆動して垂直転送路を綺麗にする掃き出し期間Ｎ２が設けられる。そして、その後、読み出しパルスＰ２を偶数行の撮像画素の読み出しゲートに印加し、偶数行の撮像画素の信号電荷を垂直転送路に読み出し、垂直転送路に沿って転送させる（図３（ｂ）のデータ読み出し期間Ｍ２）。
【００３５】
このように、インターレース読み出しモードでは、メカニカルシャッタ閉のタイミングから、偶数行撮像画素の信号電荷読み出しまでに要する時間が長くなってしまう。しかし、高感度モードにおける信号電荷量は少なく、図８の特性線の裾野部分に相当するため、撮像画素からの読み出しまでに時間がかかっても、その電子数の減少は少なく、画質を劣化させるまでには至らない。
【００３６】
高感度モードの様に信号電荷量が少ないと、信号電荷の垂直転送中に生じる極微量の残留電荷の影響は相対的に大きく、他色の信号電荷と混色が生じると画質劣化が生じる。しかし、本実施形態のインターレース読み出しでは、垂直方向に１行置きに同じパターンのカラーフィルタを持つ画素配置を持つ固体撮像素子を対象としているので、図１（ｃ）で説明した様に、同じ色の信号電荷同士の電荷混合となるため、他色との混色は生じず、画質を劣化させるには至らない。
【００３７】
尚、上述した実施形態では、インターレース読み出しは２フィールド読み出しとしたが、２以上の偶数フィールド読み出しであれば、同じである。
【００３８】
このように本実施形態では、低感度モードと高感度モードで、固体撮像素子の駆動方法を切り換えるため、両方の感度モードで高画質の撮像画像データを固体撮像素子から読み出すことが可能となる。しかも、高感度モード，低感度モードのいずれでも画像の解像度を低下させずに高画質な画像データを得ることができる。
【００３９】
また、図１に示した固体撮像素子はベイヤー方式のＣＣＤであるが、本出願人等が先に提案した例えば特開平１０―１３６３９１号公報に記載される固体撮像素子、即ち、各行に配置した撮像画素を垂直方向に隣接する行の撮像画素に対して１／２ピッチづつずらしたハニカム画素配置と呼ばれる固体撮像素子にも本発明は適用可能である。
【００４０】
図４は、本発明の第２の実施形態に係るデジタルスチルカメラの構成図である。このデジタルスチルカメラは、固体撮像素子１０と、固体撮像素子１０の出力端に接続された電流増幅アンプ１１と、電流増幅アンプ１１の出力端に接続されたＣＤＳ（二重サンプリング回路）／ＡＤ（アナログデジタル）変換回路１２と、この回路１２の出力端に接続されたメモリ１３と、デジタルスチルカメラ全体を制御するＣＰＵ１４と、ＣＰＵ１４に撮像タイミングの信号を出力するシャッタースイッチ１５と、ＣＰＵ１４からの指令信号によって制御されるアンプ供給電流源１６及び固体撮像素子最終段供給電流源１７とを備えて構成される。
【００４１】
ＣＣＤ等の固体撮像素子１０の出力端には、フローティングディフュージョンアンプ（ＦＤＡ）２０が設けられる。図５は、本実施形態に係るＦＤＡ２０の一例の構成図である。このＦＤＡ２０は２段構成のソースフォロア回路で構成され、初段のＦＥＴ２０ａとＦＥＴ２０ｂは直列接続され、ＦＥＴ２０ａのゲート端子が固体撮像素子１０の最終段電位井戸１０ａに接続される。このＦＥＴ２０ａのソース端子ＯＤ１に一定電流源を接続しておくことで、ＦＥＴ２０ａとＦＥＴ２０ｂとの接続点Ｋ１に、ＦＥＴ２０ａのゲート端子に印加される最終電位井戸の信号電荷量に応じた電圧信号が発生する。
【００４２】
ＦＤＡ２０の第２段のＦＥＴ２０ｃとＦＥＴ２０ｄは直列接続され、ＦＥＴ２０ｃのゲート端子が前記の接続点Ｋ１に接続され、ＦＥＴ２０ｃのソース端子ＯＤ２に電流を供給することで、接続点Ｋ１に現れる電圧信号が増幅され、ＦＥＴ２０ｃとＦＥＴ２０ｄとの接続点Ｋ２（出力端子）から出力される。
【００４３】
最終段電位井戸１０ａに転送されてきた信号電荷に応じた電圧信号が出力端子Ｋ２から出力された後は、リセット端子ＲＳにリセットパルスを印加することで、最終段電位井戸１０ａ内の信号電荷はＲＤ端子側に廃棄され、次の画素データである信号電荷が最終段電位井戸１０ａに転送されてきたタイミングで、上記と同様にして、その信号電荷量に応じた電圧信号を出力端子Ｋ２から出力させる。
【００４４】
図６は、図５に示す固体撮像素子１０のリセット端子ＲＳに印加するリセットパルスと、それに応じて端子Ｋ１に現れる電圧信号波形（ＦＤの電位変化）を示す図である。低感度モードで撮像した場合の電圧信号波形は、高感度モードで撮像した場合の電圧信号波形に比べて振幅が大きくなる。
【００４５】
即ち、図６に示す信号波形の傾きＡが急峻になってくる。この信号波形の傾きが急峻になるほど周波数特性は良くなるが逆にノイズが乗りやすくなってしまい、傾きが小さくなると周波数特性は悪くなるがノイズが乗ってもノイズは目立たなくなる。
【００４６】
そこで、本実施形態のＦＤＡ２０では、ＦＤＡ２０の最終段の増幅回路を構成するＦＥＴ２０ｃのソース端子ＯＤ２に接続した電流源１７を撮影感度モードで制御し、高感度モードの撮影による信号電荷を読み出すときはＦＥＴ２０ｃに供給する電流量を絞り、増幅された信号波形の傾きを小さくして帯域を狭め、これにより、高感度モード撮影時の画像データのノイズによる劣化を抑制し、Ｓ／Ｎを上げる。
【００４７】
図７は、図５に示す電流増幅アンプ１１の一例を示す構成図である。固体撮像素子１０から読み出された出力信号を増幅する電流増幅アンプ１１に流す電流も、ＦＤＡ２０の最終段の増幅器と同様の理由により、高感度モード時には電流源１６によって絞る様にする。これにより、高感度モード時の画質劣化を少なくすることが可能となる。尚、ＦＥＴ２０ｃへの供給電流と、アンプ１１への供給電流とを両方とも高感度モード時に絞る構成でも、あるいはいずれか一方の供給電流を絞る構成でもよい。
【００４８】
固体撮像素子１０で最も電力消費が大きいのがＦＤＡ２０の最終段であり、ここに流す電流を制限することで、ＦＤＡ２０での消費電力や発熱量を小さくすることが可能となる。特に、固体撮像素子１０の画素数が多くなるほど発熱抑制の効果が大きく、発熱に起因する画質劣化も抑制可能となる。
【００４９】
尚、上述した第１の実施形態や第２の実施形態を夫々単独にデジタルスチルカメラに適用することで夫々上述した効果を得ることができるが、両方の実施形態を併用してデジタルスチルカメラに適用することで、各実施形態の夫々の効果の相乗効果が得られ、最も好ましいといえる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明のデジタルスチルカメラによれば、高感度モードの撮影時でも高画質の画像データを固体撮像素子から読み出すことができ、低感度モードの撮影時でも高画質の画像データを固体撮像素子から読み出すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るデジタルスチルカメラに搭載した固体撮像素子の一部を示す概略平面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るデジタルスチルカメラの動作手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の駆動方法（（ａ）は全画素読み出しモード、（ｂ）はインターレース読み出しモード）を示すタイミングチャートである。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るデジタルスチルカメラの機能構成図である。
【図５】図４に示す固体撮像素子の最終段に設けたＦＤＡの一例を示す構成図である。
【図６】図５に示すＦＤＡの動作を説明する信号波形図である。
【図７】図４に示す電流増幅アンプの一例を示す構成図である。
【図８】撮像画素に蓄積された信号電荷量が時間経過に従って減少する様子を示したグラフである。
【符号の説明】
Ｐ，Ｐ１，Ｐ２読み出しパルス
Ｎ，Ｎ１，Ｎ２掃き出し期間
Ｍ，Ｍ１，Ｍ２データ読み出し期間
１，１０固体撮像素子
１１電流増幅アンプ
１４ＣＰＵ
１６アンプ供給電流源
１７固体撮像素子最終段供給電流源
２０ＦＤＡ（フローティングディフュージョンアンプ）

Claims

撮像画素に蓄積された信号電荷を垂直転送路に読み出し該垂直転送路に沿って転送する固体撮像素子であって該固体撮像素子の水平方向に並ぶ撮像画素群の各カラーフィルタの配置が１行置きに同じパターンの固体撮像素子と、撮影モードとして信号電荷量が多くなる低感度撮影モードと信号電荷量が少なくなる高感度撮影モードを選択する撮影モード選択手段と、前記撮影モード選択手段が前記低感度撮影モードを選択したとき前記固体撮像素子から全画素読み出しモードで信号電荷の読み出しを行い前記撮影モード選択手段が前記高感度撮影モードを選択したとき前記固体撮像素子から２以上の偶数フィールド読み出しモードで信号電荷を読み出す固体撮像素子駆動手段とを備えたことを特徴とするデジタルスチルカメラ。
前記固体撮像素子の最終段に設けられた出力信号増幅回路あるいは前記固体撮像素子の出力端子に接続された電流増幅回路に供給する電流量を前記高感度撮影モードが前記撮影モード選択手段で選択されたとき制限する電流制御手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載のデジタルスチルカメラ。