JP4325557B2 - 撮像装置および撮像方法 - Google Patents

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Description

本発明は、固体撮像素子を用いて画像を撮像する撮像装置および撮像方法に関し、特に、ＸＹアドレス方式で各画素信号を読み出すＣＭＯＳ型イメージセンサなどの固体撮像素子を用いて撮像する撮像装置および撮像方法に関する。
近年、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなど、固体撮像素子を用いて撮像し、撮像画像をデジタルデータとして保存することができる撮像装置が広く普及している。このような撮像装置に用いる撮像素子としては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型イメージセンサが最も一般的であったが、近年では、固体撮像素子の一層の多画素化が進むのに従って、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型イメージセンサが注目されている。ＣＭＯＳ型イメージセンサは、画素信号のランダムアクセスが可能である点や、ＣＣＤ型イメージセンサと比較して読み出しが高速で、高感度、低消費電力といった特徴がある。
ところで、多くのＣＭＯＳ型イメージセンサは、電子シャッタ機能を備えている。しかしそのシャッタ機能は、ＣＣＤ型イメージセンサと異なり、２次元配列された多数の画素を画素行ごとに順次走査して信号を行う、いわゆるローリングシャッタ（あるいはフォーカルプレインシャッタとも呼ばれる）であるため、行ごとに露光期間がずれるという課題がある。
図９は、ローリングシャッタを用いた従来の露光・電荷転送タイミングと、それによる撮像画像の例を示す図である。
図９（Ａ）に示すように、例えばＬ１行〜Ｌｎ行（ｎは２以上の整数）の画素を備えるＣＭＯＳ型イメージセンサでは、各行をリセットした後にフォトダイオードへの露光を開始し、所定の露光時間の経過後に蓄積された電荷を転送し、信号を出力する。そして、このような動作がＬ１行〜Ｌｎ行に向かって順に遅延して行われる。このため、例えば上下方向に直線状の被写体Ｓが左右方向に移動している場合に、この被写体Ｓを撮像した静止画像では、図９（Ｂ）に示すように被写体Ｓが傾いた状態で写ってしまう。
これに対して、全行に対して同時にシャッタを切り、露光期間を一致させるようにした撮像素子があった。この撮像素子では、フォトダイオードをある時点で全行同時にリセットし、所定の露光時間の経過後にフォトダイオードの電荷をフローティングディフュージョン（ＦＤ）に転送する。そして、このＦＤの信号を１行ずつ順に出力する。さらに、フォトダイオードの信号電荷を全行同時にリセットするために、フォトダイオードの余剰電荷をＦＤを経由せずに直接ドレインに排出することができる排出トランジスタを具備する撮像素子もあった（例えば、特許文献１参照）。
図１０は、全行同時にシャッタを切ることが可能なＣＭＯＳ型イメージセンサにおける各画素の回路構成例を示す図である。
図１０に示す画素回路は、フォトダイオードＰＤ１１、転送トランジスタＭ１２、増幅トランジスタＭ１３、選択トランジスタＭ１４、リセットトランジスタＭ１５、排出トランジスタＭ１６を具備する。なおここでは、各トランジスタはｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ Field-Effect Transistor）である。
また、転送トランジスタＭ１２，選択トランジスタＭ１４およびリセットトランジスタＭ１５の各ゲートには、行選択信号線２１１、転送信号線２１２、リセット信号線２１３がそれぞれ接続されている。これらの信号線は水平方向に延在して、同一行に含まれる画素を同時に駆動するようになっており、これによりローリングシャッタの駆動を制御可能になっている。さらに、選択トランジスタＭ１４および排出トランジスタＭ１６の各ゲートには、垂直信号線２１４および排出信号線２１７が接続されている。垂直信号線２１４の一方の端部は、定電流源２１５を介して接地されている。また、排出信号線２１７は全画素共通に設けられている。
フォトダイオードＰＤ１１は、光電変換により生成された電荷を蓄積するものであり、そのＰ側が接地され、Ｎ側が転送トランジスタＭ１２のソースに接続されている。転送トランジスタＭ１２がＯＮされると、フォトダイオードＰＤ１１の電荷がＦＤ２１６に転送されるが、ＦＤ２１６には寄生容量があるので、この部分に電荷が蓄積される。
増幅トランジスタＭ１３のドレインは電源電圧Ｖｄｄとされ、ゲートはＦＤ２１６に接続されている。この増幅トランジスタＭ１３はＦＤ２１６の電位変動を電気信号に変換する。選択トランジスタＭ１４は、信号を読み出す画素を行単位で選択するためのものであり、そのドレインは増幅トランジスタＭ１３のソースに、ソースは垂直信号線２１４に接続されている。この選択トランジスタＭ１４がＯＮしたときには、増幅トランジスタＭ１３と定電流源２１５とがソースフォロアを構成するので、ＦＤ２１６の電圧に連動する電圧が垂直信号線２１４に出力される。
リセットトランジスタＭ１５のドレインは電源電圧Ｖｄｄとされ、ソースはＦＤ２１６に接続されている。このリセットトランジスタＭ１５はＦＤ２１６の電位を電源電圧Ｖｄｄにリセットする。排出トランジスタＭ１６のドレインは電源電圧Ｖｄｄとされ、ソースは転送トランジスタＭ１２のソースに接続されている。この排出トランジスタＭ１６は、フォトダイオードＰＤ１１の蓄積電荷を直接、電源電圧Ｖｄｄでリセットする。
図１１は、図１０の回路による露光・電荷転送タイミングと、それによる撮像画像の例を示す図である。
始めに、図１１（Ａ）を利用して、上記の画素回路の動作について説明する。
まず、全画素のリセットトランジスタＭ１５をＯＮして、全画素のＦＤ２１６を電源電圧Ｖｄｄにセットする。次にリセットトランジスタＭ１５をＯＦＦした後、全画素の転送トランジスタＭ１２をＯＮして、全画素のフォトダイオードＰＤ１１から蓄積電荷に比例した電圧をＦＤ２１６に伝達させる。さらに、転送トランジスタＭ１２をＯＦＦし、全画素の排出トランジスタＭ１６をＯＮし、全画素のフォトダイオードＰＤ１１を電源電圧Ｖｄｄにセットする。
次に、排出トランジスタＭ１６をＯＦＦすると、これより全画素のフォトダイオードＰＤ１１で光信号の蓄積が同時に開始される（タイミングＴ２１）。そして、所定の露光時間が経過した後、全画素の転送トランジスタＭ１２をＯＮすると、フォトダイオードＰＤ１１の蓄積電荷に比例した電圧がＦＤ２１６に全行同時に転送される（タイミングＴ２２）。その後、転送トランジスタＭ１２をＯＦＦした後、行選択信号線２１１を第１行から順次高電圧として、各行の選択トランジスタＭ１４を順次ＯＮすることで、光信号が読み出される。最初に、フォトダイオードＰＤ１１に応じたＦＤ２１６の電圧を垂直信号線２１４に出力した後、さらに、リセットトランジスタＭ１５をＯＮして、ＦＤ２１６のリセット電位に対応する電圧を垂直信号線２１４に出力する。これらの差が信号電圧となる。
また、全画素の信号転送が終わった後、再び全画素のリセットトランジスタＭ１５をＯＮしてＦＤ２１６をリセットし、これをＯＦＦした後に転送トランジスタＭ１２をＯＮして蓄積電荷をＦＤ２１６に放出する。さらにこれをＯＦＦした後に排出トランジスタＭ１６をＯＮすることで、フォトダイオードＰＤ１１が電源電圧Ｖｄｄにセットされ、フォトダイオードＰＤ１１の余剰電荷が排出トランジスタＭ１６のドレインに直接排出される。そして、排出トランジスタＭ１６をＯＦＦすると、再びフォトダイオードＰＤ１１での光信号の蓄積が開始される（タイミングＴ２３）。
以上のように、排出トランジスタＭ１６のＯＮ／ＯＦＦにより全行のフォトダイオードＰＤ１１が同時にリセットされて露光が開始された後、転送トランジスタＭ１２がＯＮされて蓄積電荷が全行同時にＦＤ２１６に転送されるので、全画素の露光期間が一致する。このため、例えば上下方向に直線状の被写体Ｓが左右方向に移動している場合に、この被写体Ｓを撮像した静止画像では、図１１（Ｂ）に示すように被写体Ｓを傾くことなく、直立した状態で写すことができるようになる。
さらに、排出トランジスタＭ１６をＯＮしたときのチャネル電位と転送トランジスタＭ１２をＯＮしたときのチャネル電位の両方を、フォトダイオードＰＤ１１の完全空乏化電位よりも高く設定することで、露光時間が受ける制約を軽減して十分な露光時間を確保し、出力画像の画質を向上させた撮像装置もあった（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１−２３８１３２号公報（段落番号〔００２３〕〜〔００３０〕、図２） 特開２００４−１４０１４９号公報（段落番号〔００２９〕〜〔００４２〕、図４）
しかし、図１０で説明した全行同時シャッタ方式のＣＭＯＳ型イメージセンサでは、ＦＤ２１６に対して信号電圧を全行同時に転送した後、信号電圧を行ごとに順に出力するまでの間に、ＦＤ２１６に対して光が漏れ込み、その量が先に出力する行と後で出力する行との間で異なるために、撮像画像を劣化させてしまうという問題があった。
ここで、図１２は、従来のＣＭＯＳ型イメージセンサのフォトダイオード周辺部の構造を示す断面図である。以下、この図１２を利用して、上記問題点を詳しく説明する。
図１２に示すＣＭＯＳ型イメージセンサは、半導体基板（Ｎ型シリコン基板）１０の上層部に素子形成領域としてのＰウェル領域１１および１２が形成され、Ｐウェル領域１１および１２にフォトダイオード１３や各種のゲート素子が形成されている。なお、この例では、Ｐウェル領域１１にフォトダイオードＰＤ１３、転送ゲート（ＭＯＳトランジスタ）１４、ＦＤ１５が形成され、Ｐウェル領域１２に周辺回路部のＭＯＳトランジスタ１６が形成されている。
また、半導体基板１０の上には、ゲート絶縁膜２１を介して各ゲートのポリシリコン転送電極２２が形成され、さらにその上層にそれぞれ層間絶縁膜を介して多層配線層２３，２４，２５が形成されている。そして、上層の多層配線層２５の配線膜が遮光膜として形成されている。また、多層配線層の上には、保護膜（ＳｉＮ）３０を介して色フィルタ４１およびマイクロレンズ４２が配置されている。
このように、ＣＭＯＳ型イメージセンサでは、画素も周辺回路と同じＣＭＯＳプロセスを用いて製造するために、フォトダイオード１３の直近まで遮光膜（多層配線層２５）を落とし込むことができず、フォトダイオード１３にだけ光を入射させる構造をつくることができない。ＣＣＤ型イメージセンサでは、アルミなどの金属層により遮光膜を形成するので、遮光膜をフォトダイオードの直近まで落とし込み、垂直転送レジスタに漏れ込む光を比較的抑制することができる。さらに、ＣＭＯＳ型イメージセンサでは、金属配線層が何層もあるので、各層で光が乱反射してしまうため、ＦＤ１５にはＣＣＤ型固体撮像素子の場合と比べて多量の光が漏れ込んでしまうという問題もある。
このように、ＣＭＯＳ型固体撮像素子では、ＦＤに対する入射光の漏れ込み量が比較的多い。ＦＤでも光電変換が行われるため、ＦＤに転送された信号電圧に漏れ込み光量に応じた電荷が加わり、ノイズやシェーディングが発生し、撮像画像の画質を大きく劣化させてしまう。また、光が強い場合には飽和信号量を超え、いわゆる白飛びが発生することもある。そして、上記図１０のＣＭＯＳ型イメージセンサでは、フォトダイオードからＦＤに電荷が全画素同時に転送された後、ＦＤから読み出されるまでの時間が、先頭行と最終行との間で１フレームの読み出し時間分だけ異なり、最終行に近いほどノイズの発生量が増加して画質劣化が激しくなってしまうという問題があった。
さらに、上記図１０のＣＭＯＳ型イメージセンサのように、ＦＤで信号電荷を保持する構造を持つ場合には、フォトダイオードで保持する場合と比較して、暗電流の影響を強く受けてダークノイズが増加し、画質が劣化するという問題もあった。
また、図１０に示した回路構成では、排出トランジスタが設けられているために、開口部の面積が小さくなり、感度が低下するという問題もあった。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、ＸＹ読み出し方式の固体撮像素子による撮像画像の歪みが防止されるとともに、画素回路内への光の漏れ込みに起因するノイズの発生量が抑制された撮像装置を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、ＸＹ読み出し方式の固体撮像素子による撮像画像の歪みを防止するとともに、画素回路内への光の漏れ込みに起因するノイズの発生量を抑制することが可能な撮像方法を提供することである。
本発明では上記課題を解決するために、ＸＹアドレス方式で各画素信号を読み出す固体撮像素子を用いて画像を撮像する撮像装置において、前記固体撮像素子の受光面に対する入射光を遮断するメカニカルシャッタと、前記固体撮像素子からの出力信号に基づいて露光時間を算出する露光時間検出手段と、前記固体撮像素子の各画素の検出信号を全行同時にリセットして前記固体撮像素子への露光を開始し、算出された前記露光時間の経過後に前記メカニカルシャッタを閉じ、その状態で前記固体撮像素子の各画素信号を行ごとに順次読み出すように制御する第１のシャッタ動作制御と、前記メカニカルシャッタを開いた状態で、前記各画素の検出信号をリセットして前記固体撮像素子の該当する行への露光を開始し、算出された前記露光時間の経過後にその行で検出された画素信号を読み出す動作を行ごとに実行する第２のシャッタ動作制御と、を実行可能であり、静止画像の撮像要求を受けたとき、算出された前記露光時間が所定のしきい値以下である場合には、前記第１のシャッタ動作制御により静止画像の撮像動作を制御し、算出された前記露光時間が前記しきい値を超えていた場合には、前記第２のシャッタ動作制御により静止画像の撮像動作を制御する制御手段とを有することを特徴とする撮像装置が提供される。
このような撮像装置では、第１のシャッタ動作制御が実行された場合、固体撮像素子の各画素の検出信号を全行同時にリセットして固体撮像素子への露光を開始し、その後にメカニカルシャッタを閉じることで、全行の露光期間が一致する。また、メカニカルシャッタを閉じた後に、その状態で固体撮像素子の各画素信号を行ごとに順次読み出すように制御することで、その間に固体撮像素子の回路内部に光が漏れ込むことがなくなる。さらに、露光時間が所定のしきい値を超える場合には、メカニカルシャッタを動作させない第２のシャッタ動作制御が実行される。
また、本発明では、ＸＹアドレス方式で各画素信号を読み出す固体撮像素子を用いて画像を撮像するための撮像方法において、露光時間検出手段が、前記固体撮像素子からの出力信号に基づいて露光時間を算出する算出ステップと、制御手段が、静止画像の撮像要求を受けたとき、算出された前記露光時間が所定のしきい値以下である場合には、前記固体撮像素子の各画素の検出信号を全行同時にリセットして前記固体撮像素子への露光を開始させ、算出された前記露光時間の経過後に、メカニカルシャッタを閉じて前記固体撮像素子の受光面に対する入射光を遮断し、その状態で前記固体撮像素子の各画素信号を行ごとに順次読み出すように制御する第１の制御ステップと、前記制御手段が、静止画像の撮像要求を受けたとき、算出された前記露光時間が前記しきい値を超えていた場合には、前記メカニカルシャッタを開いた状態で、前記各画素の検出信号をリセットして前記固体撮像素子の該当する行への露光を開始し、算出された前記露光時間の経過後にその行で検出された画素信号を読み出す動作を行ごとに実行する第２の制御ステップとを含むことを特徴とする撮像方法が提供される。
このような撮像方法では、第１の制御ステップにおいて、固体撮像素子の各画素の検出信号を全行同時にリセットして固体撮像素子への露光を開始し、その後にメカニカルシャッタを閉じることで、全行の露光期間が一致する。また、メカニカルシャッタを閉じた後に、その状態で固体撮像素子の各画素信号を行ごとに順次読み出すように制御することで、その間に固体撮像素子の回路内部に光が漏れ込むことがなくなる。さらに、露光時間が所定のしきい値を超える場合には、メカニカルシャッタを動作させない第２の制御ステップが実行される。
本発明によれば、固体撮像素子の各画素の検出信号を全行同時にリセットして固体撮像素子への露光を開始し、その後にメカニカルシャッタを閉じることで、全行の露光期間が一致するので、撮像画像の歪みが生じなくなる。これとともに、メカニカルシャッタを閉じた後に、その状態で固体撮像素子の各画素信号を行ごとに順次読み出すように制御することで、その間に固体撮像素子の回路内部に光が漏れ込むことがなくなるので、漏れ込んだ光に起因するノイズが撮像信号に加わらなくなる。従って、ＸＹ読み出し方式の固体撮像素子による撮像画像の画質を向上させることができる。さらに、露光時間が長い場合にはメカニカルシャッタが動作しないので、消費電力が低減される。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。以下の説明では、撮像装置の例としてデジタルスチルカメラを想定する。
図１は、実施の形態に係る撮像装置の構成を示す図である。
図１に示す撮像装置は、光学ブロック１０１、撮像素子１０２、ＣＤＳ（Correlated Double Sampling）／ＡＧＣ（Auto Gain Control）回路１０３、ＡＤコンバータ１０４、カメラ信号処理回路１０５、エンコーダ／デコーダ１０６、制御部１０７、入力部１０８、表示部１０９、および記録媒体１１０を具備する。
光学ブロック１０１は、被写体からの光を撮像素子１０２に集光するためのレンズ、レンズを移動させてフォーカス合わせやズーミングを行うための駆動機構、メカニカルシャッタ機構、アイリス機構（いずれも図示せず）などを具備している。これらのうちの可動部は、制御部１０７からの制御信号に基づいて駆動される。なお、メカニカルシャッタ機構とアイリス機構とは共通に設けられていてもよい。
撮像素子１０２は、ＣＭＯＳ型イメージセンサなどのＸＹ読み出し方式の固体撮像素子からなり、制御部１０７からの制御信号に応じて、露光や信号読み出し、リセットなどのタイミングが制御される。
ＣＤＳ／ＡＧＣ回路１０３およびＡＤコンバータ１０４は、制御部１０７の制御の下で動作するフロントエンド回路である。ＣＤＳ／ＡＧＣ回路１０３は、撮像素子１０２の出力信号に対して、ＣＤＳ処理により、画素回路内のトランジスタのしきい値のばらつきに起因する固定パターンノイズを除去して、Ｓ／Ｎ（Signal／Noise）比を良好に保つようにサンプルホールドを行い、さらにＡＧＣ処理により利得を制御する。ＡＤコンバータ１０４は、ＣＤＳ／ＡＧＣ回路１０３からのアナログ画像信号をデジタル画像信号に変換する。
カメラ信号処理回路１０５は、制御部１０７の制御の下で、ＡＤコンバータ１０４によりデジタル化された画像信号に対して、ホワイトバランス調整処理や色補正処理、ＡＦ（Auto Focus）処理、ＡＥ（Auto Exposure）処理などのカメラ信号処理を施す。
エンコーダ／デコーダ１０６は、制御部１０７の制御の下で動作し、カメラ信号処理回路１０５からの画像信号に対して、ＪＰＥＧ（Joint Photographic Coding Experts Group）方式などの所定の静止画像データフォーマットで圧縮符号化処理を行う。また、制御部１０７から供給された静止画像の符号化データを伸張復号化処理する。さらに、ＭＰＥＧ（Moving Picture Experts Group）方式などにより動画像の圧縮符号化／伸張復号化処理を実行可能なようにしてもよい。
制御部１０７は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などから構成されるマイクロコントローラであり、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムを実行することにより、この撮像装置の各部を統括的に制御する。
入力部１０８は、例えばシャッタレリーズボタンなどの各種操作キーやレバー、ダイヤルなどから構成され、ユーザによる入力操作に応じた制御信号を制御部１０７に出力する。
表示部１０９は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などの表示デバイスや、これに対するインタフェース回路などからなり、制御部１０７から供給された画像信号から表示デバイスに表示させるための画像信号を生成し、この信号を表示デバイスに供給して画像を表示させる。
記録媒体１１０は、例えば、可搬型の半導体メモリや、光ディスク、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、磁気テープなどとして実現され、エンコーダ／デコーダ１０６により符号化された画像データファイルを制御部１０７から受け取って記憶する。また、制御部１０７からの制御信号を基に指定されたデータを読み出し、制御部１０７に出力する。
ここで、上記の撮像装置における基本的な動作について説明する。
静止画像の撮像前には、撮像素子１０２から出力された画像信号がＣＤＳ／ＡＧＣ回路１０３に順次供給され、ＣＤＳ処理、ＡＧＣ処理が施された後、さらにＡＤコンバータ１０４においてデジタル信号に変換される。カメラ信号処理回路１０５は、ＡＤコンバータ１０４からのデジタル画像信号に対して画質補正処理を施し、カメラスルー画像の信号として、制御部１０７を通じて表示部１０９に供給する。これにより、カメラスルー画像が表示され、ユーザは表示画像を見て画角合わせを行うことが可能となる。
この状態で、入力部１０８のシャッタレリーズボタンが押下されると、制御部１０７の制御により、撮像素子１０２からの１フレーム分の撮像信号が、ＣＤＳ／ＡＧＣ回路１０３およびＡＤコンバータ１０４を介してカメラ信号処理回路１０５に取り込まれる。カメラ信号処理回路１０５は、取り込んだ１フレーム分の画像信号に画質補正処理を施し、処理後の画像信号をエンコーダ／デコーダ１０６に供給する。エンコーダ／デコーダ１０６は、入力された画像信号を圧縮符号化し、生成した符号化データを制御部１０７を通じて記録媒体１１０に供給する。これにより、撮像された静止画像のデータファイルが記録媒体１１０に記録される。
一方、記録媒体１１０に記録された静止画像のデータファイルを再生する場合には、制御部１０７は、入力部１０８からの操作入力に応じて、選択されたデータファイルを記録媒体１１０から読み込み、エンコーダ／デコーダ１０６に供給して伸張復号化処理を実行させる。復号化された画像信号は制御部１０７を介して表示部１０９に供給され、これにより静止画像が再生表示される。
また、動画像を記録する場合には、カメラ信号処理回路１０５で順次処理された画像信号にエンコーダ／デコーダ１０６で圧縮符号化処理を施し、生成された動画像の符号化データを順次記録媒体１１０に転送して記録する。また、記録媒体１１０から動画像のデータファイルを読み出してエンコーダ／デコーダ１０６に供給し、伸張復号化処理させて、表示部１０９に供給することで、動画像が表示される。
図２は、撮像素子１０２とその周辺のアナログ回路の概略構成例を示す図である。
本実施の形態の撮像素子１０２（ＣＭＯＳ型イメージセンサ）は、図２に示すように、半導体素子基板２００上に画素部（撮像領域部）２１０、定電流部２２０、列信号処理部２３０、垂直（Ｖ）選択部２４０、水平（Ｈ）選択部２５０、水平信号線２６０、出力処理部２７０、およびＴＧ（Timing Generator）２８０などを設けたものである。
画素部２１０は、多数の画素を２次元マトリクス状に配置したものであり、各画素には図３で後述するような画素回路が設けられている。この画素部２１０からの各画素の信号は、画素列ごとに図示しない垂直信号線を通して列信号処理部２３０に出力される。
定電流部２２０には、各画素にバイアス電流を供給するための定電流源が画素列ごとに配置されている。垂直選択部２４０は、画素部２１０の各画素を１行ずつ選択し、各画素のシャッタ動作や読み出し動作を駆動制御する。
列信号処理部２３０は、各画素の信号を垂直信号線を通じて１行分ずつ受け取り、列ごとに所定の信号処理を行って、その信号を一時保持する。例えばＣＤＳ処理、ＡＧＣ処理、ＡＤ変換処理などを適宜行うものとする。水平選択部２５０は、列信号処理部２３０の信号を１つずつ選択し、水平信号線２６０に供給する。
出力処理部２７０は、水平信号線２６０からの信号に所定の処理を行い、外部に出力するものであり、例えばゲインコントロール回路や色処理回路を有している。なお、列信号処理部２３０でＡＤ変換を行う代わりに、出力処理部２７０で行うようにしてもよい。ＴＧ２８０は、制御部１０７の制御の下で、基準クロックに同期して各部の動作に必要な各種のパルス信号などを出力する。
図３は、撮像素子１０２の各画素部２１０の回路構成例を示す図である。
図３に示すように、画素部２１０には、フォトダイオードＰＤ１１、転送トランジスタＭ１２、増幅トランジスタＭ１３、選択トランジスタＭ１４、およびリセットトランジスタＭ１５が設けられている。なおここでは、各トランジスタはｎチャネルＭＯＳＦＥＴである。
また、転送トランジスタＭ１２，選択トランジスタＭ１４およびリセットトランジスタＭ１５の各ゲートには、行選択信号線２１１、転送信号線２１２、リセット信号線２１３がそれぞれ接続されている。これらの信号線は水平方向に延在して、同一行に含まれる画素を同時に駆動するようになっており、これによりライン順次動作型のローリングシャッタや、全画素同時動作型のグローバルシャッタの動作を制御することが可能になっている。さらに、選択トランジスタＭ１４のゲートには垂直信号線２１４が接続され、垂直信号線２１４の一方の端部は、定電流源２１５を介して接地されている。
フォトダイオードＰＤ１１は、光電変換により生成された電荷を蓄積するものであり、そのＰ側が接地され、Ｎ側が転送トランジスタＭ１２のソースに接続されている。転送トランジスタＭ１２がＯＮされると、フォトダイオードＰＤ１１の電荷がＦＤ２１６に転送されるが、ＦＤ２１６には寄生容量があるので、この部分に電荷が蓄積される。
増幅トランジスタＭ１３のドレインは電源電圧Ｖｄｄとされ、ゲートはＦＤ２１６に接続されている。この増幅トランジスタＭ１３は、ＦＤ２１６の電位変動を電気信号に変換する。選択トランジスタＭ１４は、信号を読み出す画素を行単位で選択するためのものであり、そのドレインは増幅トランジスタＭ１３のソースに、ソースは垂直信号線２１４に接続されている。この選択トランジスタＭ１４がＯＮしたときには、増幅トランジスタＭ１３と定電流源２１５とがソースフォロアを構成するので、ＦＤ２１６の電圧に連動する電圧が垂直信号線２１４に出力される。
リセットトランジスタＭ１５のドレインは電源電圧Ｖｄｄとされ、ソースはＦＤ２１６に接続されている。このリセットトランジスタＭ１５は、ＦＤ２１６の電位を電源電圧Ｖｄｄにリセットする。
以下、この画素部２１０の基本的な動作例について説明する。この回路では、ローリングシャッタおよびグローバルシャッタの２種類の電子シャッタ動作を行うことが可能となっている。
ローリングシャッタの動作を行う場合、各行の画素部２１０では、リセット信号線２１３および転送信号線２１２にパルス信号を供給してリセットトランジスタＭ１５および転送トランジスタＭ１２をＯＮし、ＦＤ２１６およびフォトダイオードＰＤ１１をリセットした後、これらをＯＦＦした時点からフォトダイオードＰＤ１１の露光期間が開始される。
そして、露光期間の終了直前に、その行のリセット信号線２１３を高電位にしてリセットトランジスタＭ１５をＯＮし、ＦＤ２１６を電源電圧Ｖｄｄにセットする。この状態で、この行の行選択信号線２１１を高電位にして選択トランジスタＭ１４をＯＮし、ＦＤ２１６のリセット電圧に対応する電圧を垂直信号線２１４に出力する。次に、リセット信号線２１３を低電位にしてリセットトランジスタＭ１５をＯＦＦした後、転送信号線２１２を高電位にして転送トランジスタＭ１２をＯＮする。これにより露光期間が終了して、フォトダイオードＰＤ１１の蓄積電荷に比例した電圧がＦＤ２１６に転送され、このＦＤ２１６の電圧が垂直信号線２１４に出力される。
リセット電圧および蓄積電荷の比例電圧にそれぞれ対応する電圧の差が信号電圧となり、この信号電圧は例えば対応する列の列信号処理部２３０のＣＤＳ処理によって抽出される。そして、各列がＨ選択部２５０により順次選択されて、１行分の画素信号が出力される。
この後、上記の行の選択トランジスタＭ１４および転送トランジスタＭ１２をＯＦＦした後、リセットトランジスタＭ１５および転送トランジスタＭ１２をＯＮし、これらをＯＦＦした後に次の露光期間が開始される。以上の動作が、水平同期信号に同期して先頭行から１行ずつ遅延して行われ、各行の画素信号が順次出力される。従って、各行の露光期間が１行ずつずれていくことになる。
一方、グローバルシャッタの動作を行う場合は、リセットトランジスタＭ１５および転送トランジスタＭ１２をＯＮして、ＦＤ２１６およびフォトダイオードＰＤ１１をリセットする動作を、全行で一斉に行う。これにより全行で同時に露光期間が開始される。
また、その後の露光期間の終了時の動作は、後述するように本実施の形態ではメカニカルシャッタを使用することから、上記のローリングシャッタの場合と同様に、フォトダイオードＰＤ１１の蓄積電荷を行ごとに順次ＦＤ２１６に転送し、信号電圧を行ごとに垂直信号線２１４に出力していく。
ところで、上述したように、ローリングシャッタ方式の電子シャッタ動作では、露光時間が各行で異なるため、この方式で静止画像を撮像すると画像が歪むという問題がある。例えば、画面上の水平方向に移動する被写体を撮像すると、本来垂直方向に伸びている直線が傾いた状態に写ってしまう。
これに対して、本実施の形態では、グローバルシャッタ方式で全行同時に露光を開始させ、その後に光学ブロック１０１のメカニカルシャッタ（またはアイリス）を閉じて露光を終了させることで、全行の露光期間を一致させる。また、露光終了時にメカニカルシャッタを閉じることで、露光終了後から画素信号を垂直信号線２１４に出力するまでの間に、フォトダイオードＰＤ１１やＦＤ２１６に対して被写体からの入射光が漏れ込む現象を回避することができる。
〔シャッタ動作の制御例１〕
制御例１では、撮像画像のモニタリング時（カメラスルー画像の表示時）と、動画像撮像時には、ローリングシャッタ方式による電子シャッタ動作を行い、静止画像の撮像時には、グローバルシャッタ方式によるリセット動作と、メカニカルシャッタによる露光時間制御動作とを併用する。
図４は、撮像画像のモニタリング時および動画像撮像時におけるシャッタ動作を示すタイミングチャートである。
図４では例として、毎秒３０フレーム（６０フィールド）のインタレース読み出しを行う場合を想定している。この場合、撮像素子１０２からは１／６０秒の間に１フィールド分の画像信号が出力される。図４に示すように、垂直同期信号が立ち下がった後、露光時間に応じた所定タイミングで、ローリングシャッタ方式によりＦＤ２１６およびフォトダイオードＰＤ１１のリセット動作を行ごとに順次行う。そして、次の垂直同期信号の立ち下がりタイミングで、蓄積電荷の行ごとの順次読み出しを開始する。なお、この例では、リセット動作および読み出し動作を１行おきに行い、垂直同期期間ごとに偶数行、奇数行の動作を交互に行うようにして、インタレース読み出しを行っている。
このような動作により、撮像素子１０２の露光時間は行ごとにずれることになる。しかし、カメラスルー画像の表示時や、記録した動画像の再生表示時には、画面の切り替わりが高速に行われるために画面垂直方向の画像の歪みは目立たない。従って、ローリングシャッタ方式のシャッタ動作を行い、メカニカルシャッタは使用しないようにする。
図５は、静止画像撮像時におけるシャッタ動作を示すタイミングチャートである。
カメラスルー画像を表示している状態から、入力部１０８のシャッタレリーズボタンが押下されると（タイミングＴ１１）、制御部１０７の露光制御モードは図４に示したモニタリング／動画像撮像モードから静止画像撮像モードに移行して、次の垂直同期タイミングで画素信号を行ごとに順次読み出した後、ローリングシャッタ方式のリセット動作を行わずに次の垂直同期タイミングを待機する。
そして、次の垂直同期信号を受信した後、露光時間に応じた所定のタイミングに、グローバルシャッタ方式による全行同時のリセット動作を行う（タイミングＴ１２）。これにより露光期間が開始される。なお、電子シャッタを用いることで、例えばメカニカルシャッタの動作により露光を開始するよりも、露光時間をより細かく正確に制御することが可能となる。
その後、露光期間の終了タイミングにおいて、制御部１０７は、メカニカルシャッタを閉じるか否かを制御するクローズ信号を高電位として、メカニカルシャッタを閉じる（タイミングＴ１３）。これにより、全画素のフォトダイオードＰＤ１１およびＦＤ２１６への入射光が完全に遮断される。そして、その後の垂直同期タイミングにおいて、蓄積電荷のフォトダイオードＰＤ１１からＦＤ２１６への転送と、信号電荷の読み出しとを行ごとに順次行う（タイミングＴ１４〜Ｔ１５）。なお、このときは全行からの読み出しを連続的に行う。さらに、全行の信号読み出しが終了すると、クローズ信号を低電位に変化させて、メカニカルシャッタを開く。
以上の動作では、グローバルシャッタ方式での電子シャッタの開放動作により露光期間が開始され、メカニカルシャッタの閉塞動作により露光期間が終了される。このため、全行の露光時間が一致し、撮像画像の歪みが生じなくなる。
これに加えて、露光期間の終了から画素信号がすべて読み出されるまでの間、メカニカルシャッタによってフォトダイオードＰＤ１１およびＦＤ２１６への入射光が完全に遮断される。このため、フォトダイオードＰＤ１１やＦＤ２１６に対する光の漏れ込みに起因するノイズが発生しなくなり、撮像画像の画質が向上する。
なお、上記の静止画像撮像時のシャッタ動作において、メカニカルシャッタを閉じた後、フォトダイオードＰＤ１１の蓄積電荷をＦＤ２１６に転送する際には、全行の蓄積電荷を同時に転送してもよい。この場合には、蓄積電荷に対応する電圧をＦＤ２１６から垂直信号線２１４に出力した後、リセットトランジスタＭ１５をＯＮしてリセット電圧に対応する電圧をＦＤ２１６から垂直信号線２１４に出力することで、信号電圧を抽出できる。
しかし、ＦＤ２１６への転送を同時に行わずに行ごとに順次行い、転送後に短時間で信号を読み出すようにすることで、ＦＤ２１６における信号電圧の蓄積時間が短くなるため、画素信号に対する暗電流の影響が小さくなり、撮像画像上でのダークノイズの発生量が抑制されて、その画質を向上させることができる。
さらに、このようにＦＤ２１６への転送を行ごとに行うことで、図９に示した従来回路のように、露光開始前にフォトダイオードＰＤ１１の余剰電荷を排出するための排出トランジスタを設ける必要がなくなり、図３に示したような一般的な回路構成の画素回路を使用できるようになる。このため、回路素子数が減少して回路の製造コストを低減できるとともに、受光面の開口面積を大きくして入射光量を増加させることができ、より明るい画像を撮像できるようになる。
なお、静止画像の撮像時において、露光時間が例えば０．１秒以上のように比較的長い場合には、移動する被写体を撮像するとその像はぶれてしまうので、このような場合には、ローリングシャッタ方式によるシャッタ動作を行っても、そのシャッタ動作に起因する撮像画像の歪みは画質に対して大きく影響しない。従って、シャッタレリーズボタンが押下されたときに、カメラ信号処理回路１０５あるいは制御部１０７によって演算された露光時間が一定値以下の場合にのみ、図５に示したようなグローバルシャッタとメカニカルシャッタとを併用するシャッタ動作制御を行い、それ以外ではローリングシャッタ方式を用いて制御するようにしてもよい。これにより、メカニカルシャッタの余分な動作が抑えられ、消費電力を低減することができる。
〔シャッタ動作の制御例２〕
ところで、図５に示したようなグローバルシャッタとメカニカルシャッタとを併用するシャッタ動作制御は、１フレームの静止画像撮像時に限らず、静止画像の連続撮像時や動画像撮像時に行うようにしてもよい。
図６は、１／３０秒ごとの連続撮像時におけるシャッタ動作を示すタイミングチャートである。
この図６の制御例では、露光時間を１垂直同期期間内（１／６０秒以下）とし、次の１垂直同期期間に全行の画素信号を読み出すようにすることで、１／３０秒ごとに１フレーム分の画素信号を出力している。すなわち、垂直同期信号を受信した後の所定のタイミングで、グローバルシャッタ方式による全行同時のリセット動作を行い、露光期間を開始する。そして、次の垂直同期信号の受信までの間にメカニカルシャッタを閉塞して、露光期間を終了させ、垂直同期信号を受信すると、フォトダイオードＰＤ１１からＦＤ２１６への蓄積画素の転送と、ＦＤ２１６からの信号電圧の読み出しとを行ごとに順次行う。さらに、次の垂直同期信号を受信した後、所定のタイミングで再び露光を開始する。
以上の動作により、静止画像の連続撮像時や動画像撮像時にも、歪みがなくノイズの少ない高画質な撮像画像を得ることが可能となる。
このようなシャッタ動作を行うためには、約１／６０秒ごとに高速かつ正確に動作することが可能なメカニカルシャッタを設ける必要がある。
図７は、図６の動作に適するメカニカルシャッタの構成例を示す図である。
図７に示すメカニカルシャッタは、中心軸３０１の周りを回転する２つの扇形の遮光部材３１１および３１２を具備している。遮光部材３１１および３１２はともに中心軸３０１からの半径や外周の曲線部の長さが同じであり、それぞれ逆方向に同じ速度で回転される。そして、各遮光部材３１１および３１２の通過領域の一部に光学系の光軸Ｃを配置して、その光軸Ｃを中心とした一定範囲が遮光部材３１１および３１２の回転に応じて開放状態／閉塞状態に切り替わるようにする。
図８は、図７のメカニカルシャッタの動作を説明するための図である。
図６の動作では、メカニカルシャッタを１／３０秒ごとに一定時間だけ閉じるようにすればよい。このようなメカニカルシャッタの動作は、図８に示すように、遮光部材３１１および３１２を一定速度（１／３０秒で１回転）でそれぞれ逆方向に回転することで実現できる。また、メカニカルシャッタの閉塞時間は、遮光部材３１１および３１２のそれぞれの両側直線部が中心軸３０１に対してなす角度に応じて決められる。このようなメカニカルシャッタにより、簡単な構造で安定的な高速シャッタ動作を実現することができる。
なお、本発明は、上述したＣＭＯＳイメージセンサに限らず、他のＭＯＳ型イメージセンサなど、フォトダイオードの信号電荷をフローティングディフュージョンに蓄積し、ＸＹアドレス方式で読み出すタイプの固体撮像素子に適用可能である。
また、上記の各実施の形態では、本発明をデジタルスチルカメラに適用した場合について説明したが、これに限らず、例えば、デジタルビデオカメラをはじめ、静止画像や動画像の撮像機能を備えた携帯電話機およびＰＤＡ（Personal Digital Assistant）などにも、本発明を適用することができる。
実施の形態に係る撮像装置の構成を示す図である。 撮像素子とその周辺のアナログ回路の概略構成例を示す図である。 撮像素子の各画素部の回路構成例を示す図である。 撮像画像のモニタリング時および動画像撮像時におけるシャッタ動作を示すタイミングチャートである。 静止画像撮像時におけるシャッタ動作を示すタイミングチャートである。 １／３０秒ごとの連続撮像時におけるシャッタ動作を示すタイミングチャートである。 図６の動作に適するメカニカルシャッタの構成例を示す図である。 図７のメカニカルシャッタの動作を説明するための図である。 ローリングシャッタを用いた従来の露光・電荷転送タイミングと、それによる撮像画像の例を示す図である。 全行同時にシャッタを切ることが可能なＣＭＯＳ型イメージセンサにおける各画素の回路構成例を示す図である。 図１０の回路による露光・電荷転送タイミングと、それによる撮像画像の例を示す図である。 従来のＣＭＯＳ型イメージセンサのフォトダイオード周辺部の構造を示す断面図である。
符号の説明
１０１……光学ブロック、１０２……撮像素子、１０３……ＣＤＳ／ＡＧＣ回路、１０４……ＡＤコンバータ、１０５……カメラ信号処理回路、１０６……エンコーダ／デコーダ、１０７……制御部、１０８……入力部、１０９……表示部、１１０……記録媒体、２００……半導体素子基板、２１０……画素部、２１１……行選択信号線、２１２……転送信号線、２１３……リセット信号線、２１４……垂直信号線、２１５……定電流源、２１６……ＦＤ、２２０……定電流部、２３０……列信号処理部、２４０……垂直選択部、２５０……水平選択部、２６０……水平信号線、２７０……出力処理部、２８０……ＴＧ、ＰＤ１１……フォトダイオード、Ｍ１２……転送トランジスタ、Ｍ１３……増幅トランジスタ、Ｍ１４……選択トランジスタ、Ｍ１５……リセットトランジスタ

Claims (7)

  1. ＸＹアドレス方式で各画素信号を読み出す固体撮像素子を用いて画像を撮像する撮像装置において、
    前記固体撮像素子の受光面に対する入射光を遮断するメカニカルシャッタと、
    前記固体撮像素子からの出力信号に基づいて露光時間を算出する露光時間検出手段と、
    前記固体撮像素子の各画素の検出信号を全行同時にリセットして前記固体撮像素子への露光を開始し、算出された前記露光時間の経過後に前記メカニカルシャッタを閉じ、その状態で前記固体撮像素子の各画素信号を行ごとに順次読み出すように制御する第１のシャッタ動作制御と、前記メカニカルシャッタを開いた状態で、前記各画素の検出信号をリセットして前記固体撮像素子の該当する行への露光を開始し、算出された前記露光時間の経過後にその行で検出された画素信号を読み出す動作を行ごとに実行する第２のシャッタ動作制御と、を実行可能であり、静止画像の撮像要求を受けたとき、算出された前記露光時間が所定のしきい値以下である場合には、前記第１のシャッタ動作制御により静止画像の撮像動作を制御し、算出された前記露光時間が前記しきい値を超えていた場合には、前記第２のシャッタ動作制御により静止画像の撮像動作を制御する制御手段と、
    を有することを特徴とする撮像装置。
  2. 前記固体撮像素子の各画素は、
    受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、
    前記光電変換素子によって生成された信号電荷量を検出するフローティングディフュージョン部と、
    前記光電変換素子によって生成された信号電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送トランジスタと、
    前記フローティングディフュージョン部を一定電位にリセットするリセットトランジスタと、
    を具備し、
    前記制御手段は、前記第１のシャッタ動作制御を実行する場合、前記固体撮像素子への露光開始時には、前記転送トランジスタと前記リセットトランジスタをオンにして、前記光電変換素子の蓄積電荷と前記フローティングディフュージョン部の電位とをリセットし、前記メカニカルシャッタを閉じた後には、前記光電変換素子から転送された信号電荷に応じた電圧を前記フローティングディフュージョン部から行ごとに順次読み出す、
    ことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
  3. 前記第１のシャッタ動作制御を実行する場合、前記制御手段はさらに、前記メカニカルシャッタを閉じた後には、前記転送トランジスタを行ごとに順次オンにして、前記光電変換素子の信号電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送し、転送された信号電荷に応じた電圧を前記フローティングディフュージョン部からその都度読み出すことを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
  4. 前記制御手段は、静止画像の連続撮像時または動画像の撮像時の少なくとも一方で、前記第１のシャッタ動作制御を実行し、
    前記メカニカルシャッタは、同一の中心軸を有して形状および大きさが同一な扇形形状の２つの遮光部材を具備し、前記２つの遮光部材が重ねて配置されて前記中心軸の周りにそれぞれ逆方向に同一の一定速度で回転されることで、前記各遮光部材の通過領域の一部を通る前記固体撮像素子への入射光を選択的に遮断するように構成されている、
    ことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
  5. ＸＹアドレス方式で各画素信号を読み出す固体撮像素子を用いて画像を撮像するための撮像方法において、
    露光時間検出手段が、前記固体撮像素子からの出力信号に基づいて露光時間を算出する算出ステップと、
    制御手段が、静止画像の撮像要求を受けたとき、算出された前記露光時間が所定のしきい値以下である場合には、前記固体撮像素子の各画素の検出信号を全行同時にリセットして前記固体撮像素子への露光を開始させ、算出された前記露光時間の経過後に、メカニカルシャッタを閉じて前記固体撮像素子の受光面に対する入射光を遮断し、その状態で前記固体撮像素子の各画素信号を行ごとに順次読み出すように制御する第１の制御ステップと、
    前記制御手段が、静止画像の撮像要求を受けたとき、算出された前記露光時間が前記しきい値を超えていた場合には、前記メカニカルシャッタを開いた状態で、前記各画素の検出信号をリセットして前記固体撮像素子の該当する行への露光を開始し、算出された前記露光時間の経過後にその行で検出された画素信号を読み出す動作を行ごとに実行する第２の制御ステップと、
    を含むことを特徴とする撮像方法。
  6. 前記固体撮像素子の各画素が、
    受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、
    前記光電変換素子によって生成された信号電荷量を検出するフローティングディフュージョン部と、
    前記光電変換素子によって生成された信号電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送トランジスタと、
    前記フローティングディフュージョン部を一定電位にリセットするリセットトランジスタと、
    を具備する構造とし、
    前記第１の制御ステップでは、前記制御手段が、前記転送トランジスタと前記リセットトランジスタをオンにして、前記光電変換素子の蓄積電荷と前記フローティングディフュージョン部の電位とをリセットし、前記メカニカルシャッタを閉じた後には、前記光電変換素子から転送された信号電荷に応じた電圧を前記フローティングディフュージョン部から行ごとに順次読み出すように制御する、
    ことを特徴とする請求項５記載の撮像方法。
  7. 前記第１の制御ステップでは、さらに、前記制御手段が、前記メカニカルシャッタを閉じた後に、前記転送トランジスタを行ごとに順次オンにして、前記光電変換素子の信号電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送し、転送された信号電荷に応じた電圧を前記フローティングディフュージョン部からその都度読み出すように制御することを特徴とする請求項６記載の撮像方法。
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