JP4272095B2 - 撮像装置 - Google Patents
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更に、前記駆動制御手段は、前記撮影感度が第一の所定値よりも高く第二の所定値よりも低い場合には、前記電位井戸の前記列方向の幅を、前記撮影感度が第一の所定値のときよりも小さい第一の値にして前記電位井戸の容量が小さくなるように変更し、前記撮影感度が前記第二の所定値よりも高い場合には、前記電位井戸の前記列方向の幅を前記第一の値にすると共に、前記電位井戸の深さを制御して前記電位井戸の容量を更に小さくなるように変更する。
図1のデジタルカメラは、撮像部1と、アナログ信号処理部2と、A/D変換部3と、駆動部4と、ストロボ5と、デジタル信号処理部6と、圧縮/伸張処理部7と、表示部8と、システム制御部9と、内部メモリ10と、メディアインタフェース11と、記録メディア12と、操作部13とを備える。デジタル信号処理部6、圧縮/伸張処理部7、表示部8、システム制御部9、内部メモリ10、及びメディアインタフェース11は、システムバス14に接続されている。
図2に示すように、固体撮像素子20は、半導体基板上の行方向(図2のX方向)とこれに直交する列方向(図2のY方向)にマトリクス状に配列された複数の光電変換素子(例えば、フォトダイオード(PD))21と、これらPD21から列毎に読み出された信号電荷をY方向に転送するY方向に延在する垂直転送路(V−CCD)22と、V−CCD22の出力に接続され、V−CCD22から移された信号電荷を各々X方向に転送する水平転送路(H−CCD)23と、H−CCD23の出力に接続され、転送されてきた信号電荷に応じた電圧信号を出力する出力部24とを備える。
固体撮像素子20のPD21には、2つの垂直転送路22(垂直転送電極)が対応しており、列方向に隣接する2つのPD21に対応する4つの垂直転送路22に、それぞれ垂直転送クロックφV1〜φV4が印加されるようになっている。奇数行のPD21の読み出しゲートは、垂直転送クロックφV1が印加される垂直転送路22に対応する位置に設けられる。偶数行のPD21の読み出しゲートは、垂直転送クロックφV3が印加される垂直転送路22に対応する位置に設けられる。尚、各PD21の飽和信号電荷量は、1つの垂直転送路22によって形成される電位井戸のうち、容量の最も大きい電位井戸に溜めることのできる信号電荷量の2倍となるように設計されている。飽和信号電荷量は、PD21の大きさによって決まる値である。
又、各PD21には、オーバーフロードレインが設けられている。このオーバーフロードレインの電位レベルは、各PD21に飽和信号電荷量を越える信号電荷が発生した場合に、その信号電荷を半導体基板上に掃き出すことができる値(以下、この値をデフォルト値とする)になっている。オーバーフロードレインの電位レベルは、必要に応じて、駆動部4からのOFDパルスにより制御される。
図4に示すように、ISO感度100のときに固体撮像素子20に入射する入射光量は符号Aの範囲で示す量となり、ISO感度200のときに固体撮像素子20に入射する入射光量はAの半分の符号Bの範囲で示す量となり、ISO感度400のときに固体撮像素子20に入射する入射光量はAの1/4の符号Cの範囲で示す量となり、ISO感度800のときに固体撮像素子20に入射する入射光量はAの1/8の符号Dの範囲で示す量となる。ISO感度が高くなるにつれて入射光量が減少するため、各PD21に蓄積される信号電荷量もISO感度が高くなるにつれて減少し、それに応じて出力電圧も減少する。
図5は、固体撮像素子20駆動時の垂直転送路22のポテンシャル図である。本実施形態では、固体撮像素子20の駆動方法の一例として奇数行と偶数行とに分けて信号電荷の読み出しを行うインターレース駆動を行うが、低感度撮影モードで撮影が行われたときは、図5(a)に示す第1の読み出しモードで固体撮像素子20を駆動し、高感度撮影モードで撮影が行われたときは、図5(b)に示す第2の読み出しモードで固体撮像素子20を駆動する。
デジタ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、メカニカルシッャタ閉までの間である。図5(a)に示すインターレース読み出しでは、露光により、固体撮像素子20の各PD21に信号電荷が蓄積される。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22を高速駆動する。これにより、垂直転送路22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22が綺麗にされる。掃き出し期間の終了後、時刻t1でφV1,φV2の電位をハイレベルVHにすると共に、奇数行のPD21の読み出しゲートに読み出しパルスを印加する。これにより、奇数行のPD21に対応する2つの垂直転送路22に電位井戸L1が形成され、その電位井戸L1に信号電荷が読み出される。次に、時刻t2でφV3の電位をハイレベルVHにし、時刻t3でφV1の電位をローレベルVLにすることで、信号電荷を蓄積した電位井戸L1が列方向に転送される。偶数行のPD21に蓄積された信号電荷も同様に、奇数行のPD21に蓄積された信号電荷の転送後に掃き出し期間が設けられ、この掃き出し期間の終了後、偶数行のPD21に対応する2つの垂直転送路22に電位井戸L1が形成され、その電位井戸L1に信号電荷が読み出されて順次転送される。
図5(b)に示すインターレース読み出しでは、掃き出し期間の終了後、時刻t1でφV1の電位をハイレベルVHにすると共に、奇数行のPD21の読み出しゲートに読み出しパルスを印加する。これにより、奇数行のPD21の読み出しゲートに対応する1つの垂直転送路22に電位井戸L2が形成され、その電位井戸L2に信号電荷が読み出される。次に、時刻t2でφV2の電位をハイレベルVHにし、時刻t3でφV1の電位をローレベルVLにすることで、信号電荷が蓄積された電位井戸L2が列方向に転送される。偶数行のPD21に蓄積された信号電荷も同様に、奇数行のPD21に蓄積された信号電荷の転送後に掃き出し期間が設けられ、この掃き出し期間の終了後、偶数行のPD21の読み出しゲートに対応する1つの垂直転送路22に電位井戸L2が形成され、その電位井戸L2に信号電荷が読み出されて順次転送される。
一方、図5(b)の第2の読み出しモードでは、電位井戸L1の1/2の容量を持つ電位井戸L2にPD21の信号電荷を読み出すため、PD21の飽和信号電荷量の半分の信号電荷しか読み出すことができない。ところが、高感度撮影モードで撮影が行われた場合には、PD21に蓄積される信号電荷は、図4に示したように飽和信号電荷量の半分以下となる。このため、図5(b)のように、1つの垂直転送路22に形成される電位井戸L2で信号電荷の読み出し及び転送を充分に行うことが可能である。又、垂直転送路22における暗電流は、電位井戸が形成された状態で発生しやすくなるが、図5(b)の場合では、垂直転送路22に形成される電位井戸の大きさの占める割合が図5(a)の場合よりも少なくなるため、図5(a)の場合より暗電流の発生を抑えることができる。逆に、図5(a)の場合では、暗電流が発生しやすくなってしまうが、低感度撮影モード時は信号電荷量が多くなるため、暗電流が発生してもSN比は大きく劣化しない。一方、高感度撮影モード時は信号電荷量が少なくなるため、暗電流が発生するとSN比が大きく劣化してしまう。そこで、このSN比の劣化を防ぐために、高感度撮影モード時には第2の読み出しモードで固体撮像素子20を駆動することが有効である。
図6は、図1に示すデジタルカメラの動作手順を示すフローチャートである。
ユーザが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、システム制御部9は撮像部1を制御して仮撮像を行い、仮撮像により得られた画像データに基づいて測光と測距を行い(ステップS2)、設定されている撮影感度が一定値よりも高いか否かを判定する(ステップS3)。
システム制御部9は、測定した明るさが所定値を超えておらず、電位井戸L2の容量より多くの信号電荷を蓄積するPD21がないと判定した場合(ステップS5:NO)、オーバーフロードレインの電位レベルをデフォルト値のままとする。又、システム制御部9は、ステップS7で第1の読み出しモードを選択した場合は、オーバーフロードレインの電位レベルをデフォルト値のままとする。尚、ステップS5及びS6の処理は省略しても良い。
例えば、図7(a)に示すように、ISO感度200に設定されているときは、各PD21の読み出しゲートに対応する垂直転送路22に形成される電位井戸L2の底の電位はVHとなっているが、ISO感度400やISO感度800に設定されているときは、この電位VHを、図7(b)に示すようにVLとVHとの間のミディアムレベルの電位VMにする。電位井戸L2の底の電位がVMになることで、電位井戸L2の容量が小さくなるが、信号電荷量はISO感度200に設定されているときよりも少なくなっているため支障はない。又、電位井戸L2の底の電位がVLに近づくほど電位は安定するため、これにより、暗電流の発生をより抑えることができる。尚、ISO感度800に設定されているときの電位井戸L2の底の電位VMは、ISO感度400に設定されているときの電位井戸L2の底の電位VMと同じか、又はそれよりも低くすることが好ましい。
又、この場合のデジタルカメラの動作は、図6に示すフローにおいて、ステップS4でシステム制御部9が第1の読み出しモードを選択し、その後、設定されているISO感度に応じた電位VMを選択する。そして、ステップS5で、選択した電位VMによって決まる電位井戸L1の容量より多くの信号電荷を蓄積するPD21があるか否かを判定し、選択した電位VMによって決まる電位井戸L1の容量より多くの信号電荷を蓄積するPD21がある判定した場合には、各PD21に蓄積される信号電荷が、選択した電位VMによって決まる電位井戸L1の容量を越えないようにOFDバイアスを制御する。更に、ステップS10で、上記選択した電位VMに基づいて垂直転送パルスφV1〜φV4の電位の制御を行う。
2 アナログ信号処理部
3 A/D変換部
4 駆動部
5 ストロボ
6 デジタル信号処理部
7 圧縮/伸張処理部
8 表示部
9 システム制御部
10 内部メモリ
11 メディアインタフェース
12 記録メディア
13 操作部
14 システムバス
Claims (4)
- 半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に配設された複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子に蓄積された信号電荷を列方向に転送する垂直転送路と、前記垂直転送路からの信号電荷を前記行方向に転送する水平転送路と、前記水平転送路からの信号電荷に応じた信号を出力する出力部とを有する固体撮像素子によって被写体を撮像する撮像装置であって、
前記複数の光電変換素子の各々に対応させて前記垂直転送路に電位井戸を形成し、前記複数の光電変換素子の各々に蓄積された信号電荷を前記電位井戸に読み出し、前記信号電荷を読み出した電位井戸を順次前記列方向に移動させる駆動制御を行う駆動制御手段を備え、
前記駆動制御手段は、設定された撮影感度が一定値よりも高い場合に、前記電位井戸の容量を前記撮影感度が前記一定値より低い場合よりも小さくする撮像装置。 - 請求項1記載の撮像装置であって、
前記駆動制御手段は、前記電位井戸の前記列方向の幅及び前記電位井戸の深さの少なくとも一方を制御して前記電位井戸の容量を変更する撮像装置。 - 請求項2記載の撮像装置であって、
前記駆動制御手段は、前記電位井戸の深さを制御して前記電位井戸の容量を変更する撮像装置。 - 請求項2記載の撮像装置であって、
前記固体撮像素子は、前記複数の光電変換素子の各々の飽和信号電荷量を越えた信号電荷を前記半導体基板に排出するオーバーフロードレインを含み、
前記駆動制御手段により前記電位井戸の容量が相対的に小さくなるように制御される場合、撮像準備時に前記出力部から得られる信号に基づいて、前記相対的に小さい電位井戸の容量より多くの信号電荷を蓄積する光電変換素子があるか否かを判定する判定手段を備え、
前記駆動制御手段は、前記相対的に小さい電位井戸の容量より多くの信号電荷を蓄積する光電変換素子があると判定された場合、前記複数の光電変換素子の各々に蓄積される信号電荷が前記相対的に小さい電位井戸の容量を越えないように前記オーバーフロードレインの電位を制御する撮像装置。
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