JP4622790B2 - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像素子、および撮像装置に関し、特に画像画像のＳ／Ｎを向上させる撮像素子および撮像装置に関する。

近年、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等の撮像装置では、多機能、高画質化が進展するに伴い、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）に代表される撮像素子の性能も高解像度、高精細なものが求められる様になり、高画素、高密度化が加速している。

一方、高い画素密度の撮像素子では、１画素当たりの面積が減少することによりにより１画素当たりの光電変換量が減少し、すなわち感度が低下して画像信号の信号レベルが低くなり、Ｓ／Ｎ比（Ｓｉｇｎａｌ／Ｎｏｉｓｅ）の低下を招いている。Ｓ／Ｎ比の低下は、画像再現性や画質に大きな影響を与えるため、高品位な画像形成を実現するには感度を向上させる必要がある。そして、撮像素子の分野では感度を向上させる技術がこれまでも種々検討されてきた。

たとえば、縦横に配列されたフォトダイオードを備えた固体撮像素子において、各フォトダイオードのうち市松状に配列されたフォトダイオードに、光透過率の高い、透明フィルタ、白色フィルタ等の輝度フィルタＹを配置し、他のフォトダイオードには、従来の色フィルタＲ、Ｇ、Ｂを配置したフィルタ構成を有し、感度の高い輝度フィルタＹが配置されたフォトダイオードで生成された信号電荷を、輝度信号として用いることにより被写体の色情報に左右されない輝度解像度を向上させる技術がある（例えば、特許文献１参照）
特開２００３−３１８３７５号公報（段落番号００１４の項等参照）

この様に、感度を向上させる撮像素子の技術がこれまでも種々検討されてきた。

特許文献１に開示されている固体撮像素子は、従来の色フィルタＲ、Ｇ、Ｂに加えて、光透過率の高い、輝度フィルタＹを配置することによって、感度の高い輝度信号を得る様にしている。しかしながら、白画素と色画素の画素構造を同じ構造にした場合、白画素と色画素の感度の差が非常に大きくなる。ここで、輝度フィルタＹが配置されたフォトダイオードを白画素、また色フィルタＲ、Ｇ、Ｂが配置されたフォトダイオードを色画素と称する。具体的には、図４を用いて説明する。図４（ａ）は、特許文献１に開示されている固体撮像素子５０のフィルタ構成を示す図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）における破線の領域を拡大した固体撮像素子５０の画素構造の概略を示す模式図である。

固体撮像素子５０は、図４（ａ）に示す様に、複数の画素５０１が２次元マトリクス状に配列されていて、それぞれの画素５０１には被写体光像を光電変換して信号電荷を生成する複数のフォトダイオード５０２が設けられている。フォトダイオード５０２には、Ｒ（赤）光、Ｇ（緑）光、Ｂ（青）光の各色透過フィルタに加えて輝度フィルタＹがそれぞれ市松状に配置されている。

この様なフィルタ構成を備えた固体撮像素子５０の画素構造は、図４（ｂ）に示す様に、それぞれの画素５０１には、色フィルタＲ、Ｇ、Ｂが配置されたフォトダイオードＰＤ−Ｒ、ＰＤ−Ｇ、ＰＤ−Ｂ、および輝度フィルタＹが配置されたフォトダイオードＰＤ−Ｙが設けられている。また、各列の間にはフォトダイオードＰＤ−Ｒ、ＰＤ−Ｇ、ＰＤ−Ｂ、およびＰＤ−Ｙで生成された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送路５０５が設けられている。そして、図４（ｂ）に示す様に、フォトダイオードＰＤ−Ｒ、ＰＤ−Ｇ、ＰＤ−ＢとフォトダイオードＰＤ−Ｙは、同じ大きの構造をしている。しかしながら、色フィルタＲ、Ｇ、Ｂと輝度フィルタＹの光透過率は大きく異なり、通常色フィルタに比べて輝度フィルタの光透過率は約４倍程度大きい。すなわちフィルタの透過率が大きく異なるにも拘わらず、フォトダイオードは同じ大きさの構造であることより、白画素と色画素の感度の差が非常に大きくなる。

この様な画素構造の固体撮像素子を、同じ条件の下で露出制御を行なうと、白画素で生成された信号電荷は飽和し、また、色画素で生成された信号電荷は非常に小さくなり、輝度信号と色信号のバランス良い画像信号を得ることができず、高品位な画像を形成することが困難なものとなる。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、複数の種類の色フィルターが配置された色画素と輝度フィルタが配置された白画素を備えた撮像素子において、感度の向上を図り、さらに白画素と色画素から得られる輝度信号と色信号のバランスの良い画像信号を生成することが可能な撮像素子、および撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的は、下記の（１）乃至（３）のいずれか１項に記載の発明によって達成される。

（１） ２次元マトリクス状に配列されていて、被写体光学像を光電変換して信号電荷を生成する複数個の画素を有する撮像素子であって、
前記複数個の画素に対応して複数の種類の色フィルタが配置された複数の種類の色画素と、
前記複数個の画素に対応して輝度フィルタが配置された複数の白画素と、
前記白画素に隣接して設けられていて、前記白画素で生成された信号電荷の読み出しを制御する白画素駆動部と、
前記色画素に隣接して設けられていて、前記色画素で生成された信号電荷の読み出しを制御する色画素駆動部と、を有し、
前記白画素駆動部の大きさは、前記色画素駆動部の大きさよりも大きいことを特徴とする撮像素子。

（２） ２次元マトリクス状に配列されていて、被写体光学像を光電変換して信号電荷を生成する複数個の画素を有する撮像素子であって、
前記複数個の画素に対応して複数の種類の色フィルタが配置された複数の種類の色画素と、
前記複数個の画素に対応して輝度フィルタが配置された複数の白画素と、
前記白画素に隣接して設けられていて、前記白画素で生成された信号電荷の読み出しを制御する白画素駆動部と、
前記色画素に隣接して設けられていて、前記色画素で生成された信号電荷の読み出しを制御する色画素駆動部と、を有し、
前記白画素に設けられた光電変換部の大きさは、前記色画素に設けられた光電変換部の大きさよりも小さく、
かつ、
前記白画素駆動部の大きさは、前記色画素駆動部の大きさよりも大きいことを特徴とする撮像素子。

（３） 上記（１）または（２）に記載の撮像素子を有することを特徴とする撮像装置。

上記（１）、（２）に記載の発明では、たとえばＣＭＯＳ型固体撮像素子等においては、白画素で生成された信号電荷の読み出し制御を行なう駆動部の大きさを、色画素で生成された信号電荷の読み出し制御を行なう駆動部の大きさよりも大きい構造にしている。すなわち、感度が高く信号量の大きい白画素で生成された信号電荷の読み出し制御を行なう駆動部を大きくすることにより、駆動部内で信号電荷が飽和することなく、白とび等を防止することができる様になる。

上記（３）に記載の発明では、撮像装置に、上記（１）または（２）に記載の撮像素子を備えることにより、Ｓ／Ｎ比の良好な高品位な画像を形成することができる様になる。

以下、本発明に係る撮像素子、および撮像装置の実施形態について、図面を参照して説明する。尚、各図中、同一符号は同一または相当部分を示し、重複する説明は省略する。
また、以下説明に用いるフォトダイオード、垂直転送路、駆動部等の大きさを示す数値については、１例を示すものであり、撮像素子の大きさ、画素数等に応じて適宜変更可能であることは勿論である。
〔実施形態１〕図１を用いて、本発明に係る撮像素子の実施形態１による、ＣＣＤエリアセンサの構成を説明する。図１（ａ）は、本発明に係るＣＣＤエリアセンサ６０のフィルタ構成を示す図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）における破線の領域を拡大したＣＣＤエリアセンサ６０の画素構造の概略を示す模式図である。尚、図１（ａ）には８行８列の範囲しか図示していないが、実際には、図１（ａ）に示す配列が繰り返される構成となっている。

ＣＣＤエリアセンサ６０（以下、ＣＣＤ６０と略称する。）は、図１（ａ）に示す様に、複数の画素６０１が２次元マトリクス状に配列されていて、それぞれの画素６０１には被写体光像を光電変換して信号電荷を生成し、本発明における光電変換部に該当する複数のフォトダイオード６０２が設けられている。奇数列の色画素に設けられたフォトダイオード６０２には、Ｒ（赤）光、Ｇ（緑）光、Ｂ（青）光、Ｇ（緑）光の各色透過色フィルタが配置され、偶数列の白画素に設けられたフォトダイオード６０２には、輝度フィルタＹが配置されていて、２列ごとに色フィルタＲ、Ｇ、Ｂと輝度フィルタＹが繰り返される配列になっている。輝度フィルタＹは、ＮＤフィルタ、透明フィルタ、白色フィルタ、グレーのフィルタ等が該当するが、フォトダイオード６０２の表面に何も設けずに光が直接フォトダイオード表面に入射する構成も、透明フィルタを設けた構成に相当するものとする。

次に、この様なフィルタ構成を備えたＣＣＤ６０の画素構造について説明する。図１（ｂ）に示す様に、それぞれの画素６０１には、色フィルタＲ、Ｇ、Ｂが配置されたフォトダイオードＰＤ−Ｒ（図示しない）、ＰＤ−Ｇ、ＰＤ−Ｂ、および輝度フィルタＹが配置されたフォトダイオードＰＤ−Ｙが設けられている。また、各列の間にはフォトダイオードＰＤ−Ｒ、ＰＤ−Ｇ、ＰＤ−Ｂで生成された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送路Ｃ６０６、およびフォトダイオードＰＤ−Ｙで生成された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送路Ｙ６０５が設けられている。この様に、垂直転送路Ｃ６０６、垂直転送路Ｙ６０５は、それぞれ本発明に係る撮像素子における色画素転送部、白画素転送部として機能するものである。

ここで、フォトダイオード６０２の構造について説明する。本発明においては、光透過率の低い色フィルタＲ、Ｇ、Ｂが配置されたフォトダイオードＰＤ−Ｒ、ＰＤ−Ｇ、ＰＤ−Ｂのそれぞれの受光面の大きさを、たとえば図１（ｂ）に示すように、２．５μｍ×２．０μｍとし、また光透過率の高い輝度フィルタＹが配置されたフォトダイオードＰＤ−Ｙの受光面の大きさを２．５μｍ×１．５μｍとしている。この様にして、感度が高い白画素のフォトダイオードＰＤ−Ｙの受光面の大きさを、感度の低い色画素のフォトダイオードＰＤ−Ｒ、ＰＤ−Ｇ、ＰＤ−Ｂの受光面の大きさよりも小さくすることにより、白画素と色画素との感度差が小さくなり、輝度信号と色信号のバランスの良い画像信号を生成することができる様になる。

ここで、ＣＣＤ６０の白画素と色画素の感度について図２を用いて説明する。図２（ａ）は、前述した従来の固体撮像素子５０の各画素への入射光量と信号電荷量との関係の１例を示す関係図である。図２（ｂ）は、本発明におけるＣＣＤ６０の各画素への入射光量と信号電荷量との関係の１例を示す関係図である。

従来の固体撮像素子５０においては、前述した様に、色画素に設けられたフォトダイオードＰＤ−Ｒ、ＰＤ−Ｇ、ＰＤ−Ｂと白画素に設けられたフォトダイオードＰＤ−Ｙは、同じ大きさの構造をしていることから、図２（ａ）に示す様に、白画素と色画素の感度の差が非常に大きく、それぞれの画素で生成された信号電荷量は約４倍程度の隔たりがある。一方、本発明におけるＣＣＤ６０においては、白画素に設けられたフォトダイオードＰＤ−Ｙの受光面の大きさを、色画素に設けられたフォトダイオードＰＤ−Ｒ、ＰＤ−Ｇ、ＰＤ−Ｂの受光面の大きさよりも小さい構造にしていることから、図２（ｂ）に示す様に、白画素と色画素との感度差が小さくなり、それぞれの画素で生成された信号電荷量は約３倍程度まで縮まっていることが確認できる。

次に、ＣＣＤ６０の垂直転送路Ｃ６０６、垂直転送路Ｙ６０５の構造について説明する。本発明においては、フォトダイオードＰＤ−Ｒ、ＰＤ−Ｇ、ＰＤ−Ｂで生成された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送路Ｃ６０６の幅を、たとえば図１（ｂ）に示す様に、０．５μｍとし、またフォトダイオードＰＤ−Ｙの垂直転送路Ｃ６０６の幅を１．０μｍとしている。この様にして、感度が高く信号量の大きい白画素に設けられたフォトダイオードＰＤ−Ｙで生成された信号電荷を転送する垂直転送路Ｙ６０５の幅を広くすることにより、転送路内で信号電荷が飽和することなく、白とび等を防止することができる様になる。

ここで、ＣＣＤ６０の垂直転送路の転送容量について図３を用いて説明する。図３は、垂直転送路の転送路幅と転送容量の関係の１例を示す関係図である。図３に示す様に、垂直転送路の幅が広くなるに従い、転送可能電子数（転送容量）が増加することが確認できる。

この様に、本発明に係る撮像素子では、白画素に設けられた光電変換部の大きさを、色画素に設けられた光電変換部の大きさよりも小さい構造にしている。すなわち、感度が高い白画素の光電変換部を小さくすることにより、白画素と色画素との感度差が小さくなり、輝度信号と色信号のバランスの良い画像信号を生成することができる様になる。

さらに、白画素から読み出された信号電荷を転送する転送部の大きさを、色画素から読み出された信号電荷を転送する転送部の大きさよりも大きい構造にしている。すなわち、感度が高く信号量の大きい白画素で生成された信号電荷を転送する転送路を大きくすることにより、転送路内で信号電荷が飽和することなく、白とび等を防止することができる様になる。
〔実施形態２〕図５を用いて、本発明に係る撮像素子の実施形態２による、ＣＭＯＳ型固体撮像素子の構成を説明する。図５（ａ）は、本発明に係るＣＭＯＳ型固体撮像素子７０のフィルタ構成を示す図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）における破線の領域を拡大したＣＭＯＳ型固体撮像素子７０の画素構造の概略を示す模式図である。尚、図５（ａ）には８行８列の範囲しか図示していないが、実際には、図５（ａ）に示す配列が繰り返される構成となっている。

ＣＭＯＳ型固体撮像素子７０（以下、ＣＭＯＳセンサ７０と略称する。）は、図５（ａ）に示す様に、複数の画素７０１が２次元マトリクス状に配列されていて、それぞれの画素７０１には被写体光像を光電変換して信号電荷を生成し、本発明における光電変換部に該当する複数のフォトダイオード７０２が設けられている。奇数列の色画素に設けられたフォトダイオード７０２には、Ｒ（赤）光、Ｇ（緑）光、Ｂ（青）光、Ｇ（緑）光の各色透過色フィルタが配置され、偶数列の白画素に設けられたフォトダイオード７０２には、輝度フィルタＹが配置されていて、２列ごとに色フィルタＲ、Ｇ、Ｂと輝度フィルタＹが繰り返される配列になっている。輝度フィルタＹは、ＮＤフィルタ、透明フィルタ、白色フィルタ、グレーのフィルタ等が該当するが、フォトダイオード６０２の表面に何も設けずに光が直接フォトダイオード表面に入射する構成も、透明フィルタを設けた構成に相当するものとする。

次に、この様なフィルタ構成を備えたＣＭＯＳセンサ７０の画素構造について説明する。図５（ｂ）に示す様に、それぞれの画素７０１には、色フィルタＲ、Ｇ、Ｂが配置されたフォトダイオードＰＤ−Ｒ（図示しない）、ＰＤ−Ｇ、ＰＤ−Ｂ、および輝度フィルタＹが配置されたフォトダイオードＰＤ−Ｙが設けられている。また、各行の間にはフォトダイオードＰＤ−Ｇで生成された信号電荷の読み出し制御を行なう駆動部Ｇ７０６、フォトダイオードＰＤ−Ｂで生成された信号電荷の読み出し制御を行なう駆動部Ｂ７０７、およびフォトダイオードＰＤ−Ｙで生成された信号電荷の読み出し制御を行なう駆動部Ｙ７０５が設けられている。尚、図には示していないが、フォトダイオードＰＤ−Ｒで生成された信号電荷の読み出し制御を行なう駆動部Ｒも勿論設けられている。この様に、駆動部Ｒ、Ｇ７０６、Ｂ７０７、および駆動部Ｙ７０５は、それぞれ本発明に係る撮像素子における色画素駆動部部、および白画素駆動部として機能するものである。

ここで、フォトダイオード７０２の構造について説明する。本発明においては、光透過率の低い色フィルタＲ、ＢおよびＧが配置されたフォトダイオードＰＤ−Ｒ（図示しない）、ＰＤ−ＢおよびＰＤ−Ｇの受光面の大きさを、たとえば図５（ｂ）に示すように、それぞれ２．１μｍ×２．５μｍ、２．０μｍ×２．５μｍとし、また光透過率の高い輝度フィルタＹが配置されたフォトダイオードＰＤ−Ｙの受光面の大きさを１．５μｍ×２．５μｍとしている。この様にして、感度が高い白画素のフォトダイオードＰＤ−Ｙの受光面の大きさを、感度の低い色画素のフォトダイオードＰＤ−Ｒ、ＰＤ−Ｇ、ＰＤ−Ｂの受光面の大きさよりも小さくすることにより、白画素と色画素との感度差が小さくなり、輝度信号と色信号のバランスの良い画像信号を生成することができる様になる。

次に、ＣＭＯＳセンサ７０の駆動部Ｒ（図示しない）、駆動部Ｇ７０６、駆動部Ｂ７０７、駆動部Ｙ７０５の構造について説明する。本発明においては、フォトダイオードＰＤ−Ｒ（図示しない）、ＰＤ−Ｂ、およびＰＤ−Ｇで生成された信号電荷の読み出し制御を行なう駆動部Ｒ（図示しない）、駆動部Ｂ７０７、および駆動部Ｇ７０６の大きさを、たとえば図５（ｂ）に示す様に、それぞれ０．４μｍ×２．５μｍ、０．５μｍ×２．５μｍとし、またフォトダイオードＰＤ−Ｙで生成された信号電荷の読み出し制御を行なう駆動部Ｙ７０５の大きさを１．０μｍ×２．５μｍとしている。この様にして、感度が高く信号量の大きい白画素に設けられたフォトダイオードＰＤ−Ｙで生成された信号電荷の読み出し制御を行なう駆動部Ｙ７０５の大きさを大きくすることにより、駆動部内で信号電荷が飽和することなく、白とび等を防止することができる様になる。

ここで、ＣＭＯＳセンサ７０のの駆動部の構成について図６を用いて説明する。図６は、駆動部の概略構成の１例を示す回路図である。図６に示す様に駆動部は、フォトダイオードＰＤ１で生成された信号電荷を読み出す読み出しトランジスタＴｒ１、読み出された信号電荷をリセットするリセットトランジスタＴｒ２、読み出された信号電荷を出力する出力トランジスタＴｒ３、および行選択トランジスタＴｒ４等から構成され、フォトダイオードＰＤ１で生成された信号電荷を、図示しない転送路に読み出すための駆動制御動作を行うものである。そして、本発明においては、感度が高く信号量の大きい白画素に設けられたフォトダイオードＰＤ−Ｙで生成された信号電荷の読み出し制御を行なう駆動部Ｙ７０５を構成するトランジスタＴｒ１乃至Ｔｒ４の大きさを、感度の低い色画素に設けられたフォトダイオードフォトダイオードＰＤ−Ｒ（図示しない）、ＰＤ−Ｂ、およびＰＤ−Ｇで生成された信号電荷の読み出し制御を行なう駆動部Ｒ（図示しない）、駆動部Ｂ７０７、および駆動部Ｇ７０６をそれぞれ構成するトランジスタＴｒ１乃至Ｔｒ４よりも大きくしている。したがって電荷量の大きな信号電荷を飽和させることなく、駆動することができる様になる。

この様に、本発明に係る撮像素子では、白画素に設けられた光電変換部の大きさを、色画素に設けられた光電変換部の大きさよりも小さい構造にしている。すなわち、感度が高い白画素の光電変換部を小さくすることにより、白画素と色画素との感度差が小さくなり、輝度信号と色信号のバランスの良い画像信号を生成することができる様になる。

さらに、白画素で生成された信号電荷の読み出し制御を行なう駆動部の大きさを、色画素で生成された信号電荷の読み出し制御を行なう駆動部の大きさよりも大きい構造にしている。すなわち、感度が高く信号量の大きい白画素で生成された信号電荷の読み出し制御を行なう駆動部を大きくすることにより、駆動部内で信号電荷が飽和することなく、白とび等を防止することができる様になる。
〔実施形態３〕本発明に係る撮像装置の具体的な実施形態としては、デジタルカメラが代表的であるが、この他にカメラ付きの携帯電話機や、デジタルビデオカメラ等も含まれる。図７を用いて、本発明に係る撮像装置の代表的な実施形態の１つであるデジタルカメラの外観を説明する。図７（ａ）は、本発明に係るデジタルカメラ１の側面図、図７（ｂ）は背面図である。図７（ａ）に示す様に、デジタルカメラ１は、カメラ本体部２、およびレンズユニット３から構成される。

レンズユニット３は、図示しないマクロズームからなる撮影レンズ、絞り、およびシャッタ等から構成される。

カメラ本体部２は、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ；液晶表示素子）からなるＬＣＤモニタ２１１、ＥＶＦ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｖｉｅｗ Ｆｉｎｄｅｒ；電子ビューファインダ）２１０、およびデジタルカメラ１を図示しないパーソナルコンピュータに接続する外部接続端子を有しており、後述するＣＣＤエリアセンサ６０で取り込まれた画像信号に所定の信号処理を施し、ＬＣＤモニタ２１１やＥＶＦ２１０への画像表示や、後述するメモリカード２７７などの記録媒体への画像記録、あるいはパーソナルコンピュータへの画像の転送といった処理を行う。

図７（ａ）に示す様に、カメラ本体部２の上面には、必要時にホップアップされる内蔵フラッシュ２１２が設けられている。

また、図７（ｂ）に示す様に、カメラ本体部２の背面の略中央部には撮影画像の表示や記録画像の再生表示、またはメニュー画面や、各種状態表示等のＧＵＩ表示を行うＬＣＤモニタ２１１とＥＶＦ２１０が設けられている。

カメラ本体部２の上面には、図７（ｂ）に示す様に、シャッタボタン２０１と、シャッタボタン２０１の近くには、デジタルカメラ１の動作モードを設定するモード設定ダイアル２０３が設けられている。モード設定ダイアル２０３で設定されるデジタルカメラ１の動作モードには、「静止画モード」、「動画モード」、「再生モード」等がある。

たとえば、静止画モードは、撮影待機状態（ライブビュー状態）から露光制御のプロセスを経て撮影にいたる静止画の写真撮影を行うモードであり、動画モードは、撮影待機状態（ライブビュー状態）にＣＣＤエリアセンサ６０から読み出された動画像信号に基づいて動画撮影を行なうモードである。また、再生モードは、メモリカード２７７に記録された撮影画像をＬＣＤモニタ２１１やＥＶＦ２１０に再生表示するモードである。

また、カメラ本体部２の背面上部には、図７（ｂ）に示す様に、メインスイッチ２０２と、メインスイッチ２０２の近くには、デジタルズームのズーム倍率を変更する為のデジタルズームボタン２０９が設けられている。

また、カメラ本体部２の背面下部には、図７（ｂ）に示す様に、ＬＣＤモニタ２１１にメニューを表示する為のメニューボタン２０７と、メニューボタン２０７の近くには、ＬＣＤモニタ２１１に画像を表示する為のクイックビューボタン２０８が設けられている。

さらに、カメラ本体部２の背面の略中央部には、各種設定を行う為の選択／決定ボタン２０６が設けられている。選択／決定ボタン２０６は、各種設定の選択を行う為のジョグダイアル（十字キー）２０４と、ジョグダイアル（十字キー）２０４で選択された設定を確定する為の決定ボタン２０５から構成される。

次に、デジタルカメラ１の制御系について図８を用いて説明する。図８は、本発明に係わるデジタルカメラ１の制御系のブロック図である。尚、図８では、図７に示した部材と同じ部材には同一の番号を付与した。

本発明におけるデジタルカメラ１においては、前述の〔実施形態１〕で説明したＣＣＤ６０、または〔実施形態２〕で説明したＣＭＯＳセンサ７０のいずれか一方を、撮像素子として用いることができるが、ここではＣＣＤ６０を備えたデジタルカメラ１の制御系について説明する。

タイミングジェネレータ２４６は、後述する基準クロック発生部２７１から送信される基準クロックに基づいて、ＣＣＤ６０の駆動制御信号を生成するものである。タイミングジェネレータ２４６で生成される駆動制御信号には、たとえば、ＣＣＤ６０における露出開始、および終了タイミングを制御する積分開始／終了のタイミング信号、各画素の受光信号の読出制御信号（水平同期信号、垂直同期信号、転送信号等）などのクロック信号が挙げられ、これらのクロック信号がＣＣＤ６０に供給されるとＣＣＤ６０では各クロック信号に対応した駆動制御が行われる。

信号処理回路２４２は、ＣＤＳ回路２４３、ＡＧＣ回路２４４より構成され、これらの構成部を介して画像信号に所定の処理が行われる。以下、信号処理回路２４２で行われる画像信号への所定の処理について説明する。

ＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路２４３は、ＣＣＤ６０から読み出された画像信号の読み出し時に発生するノイズの低減や、ＯＢクランプ動作を行って黒レベルの補正を行うものである。

ＡＧＣ（自動利得制御）回路２４４は、ＣＤＳ回路２４３で処理された画像信号のゲイン調整を行なうものである。

Ａ／Ｄ変換器２４５は、ＡＧＣ回路２４４から入力された画像信号を構成する各画素信号をデジタル信号に変換するものである。Ａ／Ｄ変換器２４５は、基準クロック発生部２７１から入力されるＡ／Ｄ変換用クロックに基づき、アナログ信号の各画素信号をたとえば１４ビットのデジタル信号に変換する。

ここで、ＣＤＳ回路２４３の出力信号波形について図９を用いて説明する。図９（ａ）は、前述した従来の固体撮像素子５０等を用いた場合のＣＤＳ回路２４３の出力信号波形を示す模式図である。図９（ｂ）は、本発明におけるＣＤＳ回路２４３の出力信号波形を示す模式図である。また図９（ａ）、（ｂ）はいずれも、たとえば色画素のフォトダイオードＰＤ−Ｇと白画素のフォトダイオードＰＤ−Ｙで生成された信号電荷が交互に出力される１水平ラインのＣＤＳ回路２４３の出力信号波形を示す。

従来の固体撮像素子５０を用いた場合のＣＤＳ回路２４３の出力信号波形は、色画素と白画素との感度差が大きいことより、図９（ａ）に示す様に、信号波形の振幅が大きいものとなっている。その結果、ＣＤＳ回路２４３の応答特性により、信号波形は大きくなまった波形となり、Ａ部に示す白画素の信号レベル、ならびにＢ部に示す色画素の信号レベルはいずれも平坦部が少なくなっている。本来、信号波形は図９（ａ）に破線で示す様に、矩形波が理想的であるが、ＣＤＳ回路２４３の応答特性により、信号波形の振幅が大きくなるにしたがって、なまった波形となる。この様に、大きくなまり、平坦部が少なくなった信号を、Ａ／Ｄ変換器２４５でＡ／Ｄ変換を行なった場合には、精度が高く、安定したＡ／Ｄ変換動作を行うことが困難である。

一方、本発明においては、色画素と白画素の感度差の縮まった、前述したＣＣＤ６０、またはＣＭＯＳセンサ７０のいずれか一方を、備えているので、ＣＤＳ回路２４３の出力信号波形は、図９（ｂ）に示す様に、信号波形の振幅が図９（ａ）に比べて小さくなり、Ａ部に示す白画素の信号レベル、ならびにＢ部に示す色画素の信号レベルはいずれも平坦部が大きくなっている。したがって、精度が高く、安定したＡ／Ｄ変換動作を行うことができる様になる。

この様にして、ＣＣＤ６０で読み出された画像信号は、信号処理回路２４２で所定の処理が施されて、デジタル画像信号に変換される。デジタル化された画像信号は、画像処理ＣＰＵ２６１に取り込まれて所定の処理が行われる。

画像処理ＣＰＵ２６１は、マイクロコンピュータからなり、デジタルカメラ１で行われる画像信号処理動作を統括的に制御するものである。以下、画像処理ＣＰＵ２６１で行われるデジタル画像信号への処理について説明する。

最初に、画像処理ＣＰＵ２６１に取り込まれた画像信号は、ＣＣＤ６０から出力される画像信号の読出しに同期して画像メモリ２７５に書き込まれる。すなわち、画像処理ＣＰＵ２６１で行われる処理に使用されるデジタル画像信号は、画像メモリ２７５にいったん記録したものを画像メモリ２７５から取り出し、各ブロックにおける処理に使用される。

画像処理ＣＰＵ２６１は、図８に示す様に、たとえば黒レベル補正部２６３、画素補間部２６４、解像度変換部２６５、ホワイトバランス制御部２６６、ガンマ補正部２６７、マトリックス演算部２６８、シェーディング補正部２６９、画像圧縮部２７０等からなる画像処理部２６２、および基準クロック発生部２７１等から構成され、画像処理部２６２は画像メモリ２７５より取り出したデジタル画像信号に周知の画像信号処理を施すものである。そして、これらの部位で所定の処理を施されたデジタル画像信号は、再度、画像メモリ２７５に格納される。

基準クロック発生部２７１は、デジタルカメラ１の駆動制御に使用される基準クロックを生成し、これを各回路に供給する回路である。本発明における基準クロックの具体例としては、タイミングジェネレータ２４６に使用される基準クロックや、Ａ／Ｄ変換器２４５に使用されるＡ／Ｄ変換用クロックなどが挙げられ、基準クロック発生部２７１でこれらのクロックを生成する。

次に、ＬＣＤモニタ２１１は、ＣＣＤ６０で取り込まれた画像信号の表示や、ＧＵＩ表示を行う。

ＬＣＤ駆動回路２７９は、画像処理ＣＰＵ２６１により画像メモリ２７５から読み出された画像信号を一時記憶するバッファメモリ（ＶＲＡＭ）を備えており、該画像信号をフィールド画像としてＬＣＤモニタ２１１に画像表示させる。

次に、カメラ制御ＣＰＵ２９１は、マイクロコンピュータからなり、後述のスイッチ群２９５の各スイッチ操作によるスイッチ信号に基づき、カメラ本体部２、及びレンズユニット３の各部材の駆動をシーケンシャルに制御してデジタルカメラ１の撮影動作を統括制御する。

この様に、デジタルカメラ１では、画像処理ＣＰＵ２６１においてＣＣＤ６０より取り込まれた画像信号に前述した様な信号処理を行い、これらの処理を行った画像信号を画像メモリ２７５に記録するようになっている。

本発明に係るデジタルカメラ１は、モード設定ダイアル２０３で設定したモードの下でＣＣＤ６０より取り込まれた画像信号を画像メモリ２７５に記録、あるいは、ＬＣＤモニタ２１１やＥＶＦ２１０に表示する。

撮影待機状態（例えば、モード設定ダイアル２０３で「静止画モード」に設定した状態）では、画像信号が例えば１／３０秒毎等の所定間隔でＣＣＤ６０より信号処理回路２４２を経て画像処理ＣＰＵ２６１取り込まれている。取り込まれた画像信号は、前述の様に、画像処理ＣＰＵ２６１中の画像処理部２６２の黒レベル補正部２６３からシェーディング補正部２６９にかけての部位で所定の信号処理が施され、その後、デジタル画像信号として画像メモリ２７５に記録される。そして、画像メモリ２７５に記録された画像信号を読み出し、読み出された画像信号をＬＣＤ駆動回路２７９やＥＶＦ駆動回路２８０を介してフィールド画像としてＬＣＤモニタ２１１やＥＶＦ２１０で画像表示する。

また、画像記録時は、設定された記録解像度の画像とするために画像信号を画像処理ＣＰＵ２６１中の画像処理部２６２の画像圧縮部２７０で圧縮処理し、得られた圧縮画像はメモリカードドライバ２７６を介してメモリカード２７７に記録される。

再生モード（モード設定ダイアル２０３で「再生モード」に設定した状態）では、メモリカード２７７より読み出された画像信号は、画像処理ＣＰＵ２６１で所定の信号処理が施され、ＬＣＤ駆動回路２７９やＥＶＦ駆動回路２８０を介してＬＣＤモニタ２１１やＥＶＦ２１０に表示する
尚、図８中のスイッチ群２９５は、図７のシャッタボタン２０１、メインスイッチ２０２、モード設定ダイアル２０３、選択／決定ボタン２０６、メニューボタン２０７、クイックビューボタン２０８、デジタルズームボタン２０９等に対応するスイッチである。

この様に本発明に係る撮像装置では、感度が向上し、また輝度信号と色信号のバランスの取れた撮像素子を備えることにより、Ｓ／Ｎ比の良好な高品位な画像を形成することができる様になる。さらに、撮像素子からは輝度信号と色信号とのバランスが取れた画像信号が出力されることにより、後段の信号処理において補正等の複雑な処理を必要とせず、処理を簡素化することができる様になる。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は前述の実施の形態に限定して解釈されるべきでなく、適宜変更、改良が可能であることは勿論である。たとえば、実施形態１で説明したＣＣＤ６０においては、奇数列の色画素に設けられたフォトダイオード６０２には、Ｒ（赤）光、Ｇ（緑）光、Ｂ（青）光、Ｇ（緑）光の各色透過色フィルタが配置され、偶数列の白画素に設けられたフォトダイオード６０２には、輝度フィルタＹが配置されていて、２列ごとに色フィルタＲ、Ｇ、Ｂと輝度フィルタＹが繰り返される配列になっているが、図１０に示す様に、輝度フィルタＹが配置された白画素が市松状に設けられ、色フィルタＲ、Ｇ、Ｂが配置された色画素が線順次に設けられたベイヤ配列の構成にしてもよい。尚、図中矢印は、フォトダイオード６０２で生成された信号電荷の読み出し方向を示す。

本発明の実施形態１によるＣＣＤエリアセンサの概略構成を示す模式図である。 本発明の実施形態１によるＣＣＤエリアセンサの各種画素への入射光量と出力の関係の１例を示す関係図である。 本発明の実施形態１によるＣＣＤエリアセンサの垂直転送路の転送路幅と転送容量の関係の１例を示す関係図である。 従来の固体撮像素子の概略構成を示す模式図である。 本発明の実施形態２によるＣＭＯＳセンサの概略構成を示す模式図である。 本発明の実施形態２によるＣＭＯＳセンサの駆動部の概略構成を示す回路図である。 本発明の実施形態３によるデジタルカメラの外観を示す模式図である。 本発明の実施形態３によるデジタルカメラの回路ブロックの概略構成を示す回路ブロック構成図である。 本発明の実施形態３によるデジタルカメラのＣＤＳ出力信号を示す模式図である。 本発明の実施形態１によるベイヤ配列のＣＣＤエリアセンサの概略構成を示す模式図である。

符号の説明

１ デジタルカメラ
２ カメラ本体部
２０１ シャッタボタン
２０２ メインスイッチ
２０３ モード設定ダイアル
２０４ ジョグダイアル（十字キー）
２０５ 決定ボタン
２０６ 選択／決定ボタン
２０７ メニューボタン
２０８ クイックビューボタン
２０９ デジタルズームボタン
２１０ 電子ビューファインダ（ＥＶＦ）
２１１ ＬＣＤモニタ
２１２ 内蔵フラッシュ
２４２ 信号処理回路
２４３ ＣＤＳ回路
２４４ ＡＧＣ回路
２４５ Ａ／Ｄ変換器
２４６ タイミングジェネレータ
２４７ 絞り／シャッタ駆動回路
２４８ フォーカス／ズームモータ駆動回路
２６１ 画像処理ＣＰＵ
２６２ 画像処理部
２６３ 黒レベル補正部
２６４ 画素補完部
２６５ 解像度変換部
２６６ ホワイトバランス制御部
２６７ ガンマ補正部
２６８ マトリックス演算部
２６９ シェーディング補正部
２７０ 画像圧縮部
２７１ 基準クロック発生部
２７５ 画像メモリ
２７６ メモリカードドライバ
２７７ メモリカード
２７８ 外部通信Ｉ／Ｆ
２７９ ＬＣＤ駆動回路
２８０ ＥＶＦ駆動回路
２９１ カメラ制御ＣＰＵ
２９２ フラッシュ制御回路
２９５ スイッチ群（シャッタボタン他）
３ レンズユニット
３５１ フォーカス／ズームモータ
３５２ 絞り
５０ 固体撮像素子
６０ ＣＣＤエリアセンサ
５０１，６０１，７０１ 画素
５０２，６０２，７０２ フォトダイオード
５０５ 垂直転送路
６０５ 垂直転送路Ｙ
６０６ 垂直転送路Ｃ
７０ ＣＭＯＳセンサ
７０５ 駆動部Ｙ
７０６ 駆動部Ｇ
７０７ 駆動部Ｂ

Claims (3)

1. ２次元マトリクス状に配列されていて、被写体光学像を光電変換して信号電荷を生成する複数個の画素を有する撮像素子であって、
   前記複数個の画素に対応して複数の種類の色フィルタが配置された複数の種類の色画素と、
   前記複数個の画素に対応して輝度フィルタが配置された複数の白画素と、
   前記白画素に隣接して設けられていて、前記白画素で生成された信号電荷の読み出しを制御する白画素駆動部と、
   前記色画素に隣接して設けられていて、前記色画素で生成された信号電荷の読み出しを制御する色画素駆動部と、を有し、
   前記白画素駆動部の大きさは、前記色画素駆動部の大きさよりも大きいことを特徴とする撮像素子。
2. ２次元マトリクス状に配列されていて、被写体光学像を光電変換して信号電荷を生成する複数個の画素を有する撮像素子であって、
   前記複数個の画素に対応して複数の種類の色フィルタが配置された複数の種類の色画素と、
   前記複数個の画素に対応して輝度フィルタが配置された複数の白画素と、
   前記白画素に隣接して設けられていて、前記白画素で生成された信号電荷の読み出しを制御する白画素駆動部と、
   前記色画素に隣接して設けられていて、前記色画素で生成された信号電荷の読み出しを制御する色画素駆動部と、を有し、
   前記白画素に設けられた光電変換部の大きさは、前記色画素に設けられた光電変換部の大きさよりも小さく、
   かつ、
   前記白画素駆動部の大きさは、前記色画素駆動部の大きさよりも大きいことを特徴とする撮像素子。
3. 請求項１または２に記載の撮像素子を有することを特徴とする撮像装置。

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