JP4774348B2 - デジタルカメラ及び固体撮像素子 - Google Patents

Description

本発明はデジタルカメラ及び固体撮像素子に係り、特に、撮像画像の黒浮きや黒沈み等の画質不良を抑制することができるデジタルカメラ及び固体撮像素子に関する。

デジタルカメラで被写体画像を撮像し、再生画像データを生成する場合、「黒」のレベルを決める必要がある。図１１は、従来のデジタルカメラのイメージサークル１と固体撮像素子２との関係を示す図である。イメージサークルとは、撮影レンズを通った入射光が固体撮像素子の撮像面位置（フィルムカメラの場合にはフィルム面位置）で結像する範囲をいい、従来のデジタルカメラの場合、固体撮像素子２の外周がイメージサークル内に入る様に、設計される。

固体撮像素子２から出力される画像データの中から「黒」のレベルを決定する必要があり、このため、固体撮像素子２の受光面には、有効撮像領域３の周辺部にオプティカルブラック（ＯＢ）部４が設けられる。オプティカルブラック部４は、入射光を遮光した画素が設けられた領域であり、このＯＢ部４からの出力データを「黒」レベルとするのが一般的である。

図１２は、有効撮像領域３に設けられる１画素分の断面模式図である。図示する固体撮像素子２はＣＣＤ（電荷結合素子：Charge Coupled Devices）型であり、ｎ型半導体基板５の上部に形成されたｐウェル層６にｐｎ接合（フォトダイオード：光電変換素子）を構成するｎ領域７と垂直電荷転送路を構成するｎ型埋め込みチャネル８とが設けられ、ｎ領域７の表面部には高濃度ｐ型表面層９が設けられる。

この半導体基板５の最表面にはゲート絶縁膜１０が積層され、ゲート絶縁膜１０を介して、埋め込みチャネル８上に転送電極膜１１が積層され、その上に、タングステン膜等で構成される遮光膜１２が絶縁層を介して積層される。遮光膜１２には、ｎ領域７の上方箇所に開口１２ａが設けられ、入射光がフォトダイオードのｎ領域７に入射する様にしている。

遮光膜１２の上部には平坦化層１３が設けられ、その上に、カラーフィルタ層１４が積層され、その上に、平坦化層１５を介してマイクロレンズ層１６が積層される。

ＯＢ部４に設ける画素は、有効撮像領域３の画素構造と基本的に同じであるが、入射光を遮光する手段を付加する必要があり、例えば、下記特許文献１記載の従来技術では、平坦化層１３を薄膜化して代わりに遮光層を挿入している。また、下記特許文献２記載の従来技術では、カラーフィルタ層を設ける位置に、遮光層を設けている。或いは、下記特許文献３記載の従来技術では、遮光膜開口１２ａの下部に設けるｎ領域７を、ＯＢ部４では設けない構造を採用している。

特開２００４―２４１５２４号公報 特開２００１―１４４２８号公報 特開平８―７８６５４号公報

従来の場合、ＯＢ部４に設ける画素構造を、有効撮像領域３に設ける画像構造となるべく同一となるようにしている。しかし、全く同一の構造ではないため、ＯＢ部４の画素と有効撮像領域３の画素との間で暗電流量の差が生じ、これが出力段差となって現れ、撮像画像データの黒浮きや黒沈みなどの画質劣化の原因になっている。

本発明の目的は、撮像画像データの黒浮きや黒沈み等の画質劣化を回避可能なデジタルカメラ及び固体撮像素子を提供することにある。

本発明のデジタルカメラは、入射光量に応じた信号を検出する画素（以下、画素Ｘという。）が複数個二次元アレイ状に配列形成された撮像面を有する固体撮像素子と、該固体撮像素子の前記撮像面に結像範囲をイメージサークルとして設定する撮影レンズと、該固体撮像素子によって撮像され出力された画像データのうち前記イメージサークルの外側となる前記画素Ｘからの出力データを黒レベルとして前記画像データのうちの被写体の撮像画像データを処理する制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明のデジタルカメラは、前記固体撮像素子に設けられる全画素が画素Ｘであることを特徴とする。

本発明のデジタルカメラの前記制御手段は、前記イメージサークルの外側に前記画素Ｘが存在しない場合にはダミークランプにより黒レベルを決定することを特徴とする。

本発明のデジタルカメラの前記制御手段は、前記イメージサークルの外側に前記画素Ｘが存在せず且つ前記固体撮像素子の温度が閾値温度以上のとき、前記撮影レンズを動作させて前記画素Ｘができるように前記イメージサークルを縮小変更することを特徴とする。

本発明のデジタルカメラの前記固体撮像素子はドレイン手段を有し、前記制御手段は、前記イメージサークルの内側の撮像画像データのうち被写体画像の切出範囲外となる画像データの中の不要データを前記ドレイン手段を用いて掃き出させることを特徴とする。

本発明の固体撮像素子は、上記記載のデジタルカメラに搭載され、全画素が画素Ｘでなることを特徴とする。

本発明によれば、黒レベルを決定する画素と、被写体画像を撮像する画素とが全く同一構造であるため、黒沈みや黒浮きなどの画質劣化がなくなり、高画質の被写体画像データを得ることが可能となる。

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。

図１は、本発明の一実施形態に係るデジタルカメラの機能ブロック図である。図示するデジタルカメラは、撮影レンズ２０と、ＣＣＤ型の固体撮像素子１００と、この両者の間に設けられた絞り２２と、赤外線カットフィルタ２３と、光学ローパスフィルタ２４とを備える。

デジタルカメラの電気制御系全体を統括制御するＣＰＵ２５は、フラッシュ発光部２６及び受光部２７を制御し、レンズ駆動部２８を制御して撮影レンズ２０の位置をフォーカス位置に調整したりズーム調整を行い、絞り駆動部２９を介し絞り２２の開口量を制御して露光量調整を行う。

また、ＣＰＵ２５は、撮像素子駆動部３０を介して固体撮像素子１００を駆動し、撮影レンズ２０を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。ＣＰＵ２５には、操作部３１を通してユーザからの指示信号が入力され、また、固体撮像素子１００の温度を検出する温度センサ３２からの検出信号が入力され、ＣＰＵ２５はこれらの信号に従って各種制御を行う。

デジタルカメラの電気制御系は、更に、固体撮像素子１００の出力に接続されたアナログ信号処理部３３と、このアナログ信号処理部３３から出力されたＲＧＢの色信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路３４とを備え、これらはＣＰＵ２５によって制御される。

更に、このデジタルカメラの電気制御系は、メインメモリ（フレームメモリ）３６に接続されたメモリ制御部３７と、補間演算やガンマ補正演算，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行うデジタル信号処理部３８と、撮像画像をＪＰＥＧ画像に圧縮したり圧縮画像を伸張したりする圧縮伸張処理部３９と、測光データを積算しデジタル信号処理部３８が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部４０と、着脱自在の記録媒体４１が接続される外部メモリ制御部４２と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部４３が接続される表示制御部４４とを備え、これらは、制御バス４６及びデータバス４７によって相互に接続され、ＣＰＵ２５からの指令によって制御される。

図２は、図１に示すデジタル信号処理部３８の構成図である。画像データの信号処理制御を行うデジタル信号処理部３８は、Ａ／Ｄ変換回路３４から出力されるデジタルのＲＧＢ色信号を取り込んで黒レベルのオフセット処理を行うオフセット補正回路５１と、ホワイトバランスをとるゲイン補正回路５２と、補正後の色信号に対してガンマ補正を行うガンマ補正回路５３を備える。オフセット補正後の信号に対してリニアマトリクス処理やニー補正を行う場合には、ゲイン補正回路５２とガンマ補正回路５３との間で行う。

このデジタル信号処理部３８は更に、ガンマ補正後のＲＧＢ色信号を補間演算して各画素位置におけるＲＧＢ３色の信号を求めるＲＧＢ補間演算部５４と、ＲＧＢ信号から輝度信号Ｙと色差信号Ｃｒ，Ｃｂとを求めるＲＧＢ／ＹＣ変換回路５５と、輝度信号Ｙからノイズを低減するノイズフィルタ５６と、ノイズ低減後の輝度信号Ｙに対して輪郭補正を行う輪郭補正回路５７と、色差信号Ｃｒ，Ｃｂに対して色差マトリクスを乗算して色調補正を行う色差マトリクス回路５８とを備える。

デジタル信号処理部３８は、図２に示す各処理の他にも各種画像データ処理を行い、黒レベルを検出する。そして、この黒レベルに基づいてオフセット値を決定してオフセット補正を行う。あるいは、検出した黒レベル等をＣＰＵ２５に通知し、ＣＰＵ２５がオフセット補正部５１にオフセット値を指示する様になっている。

図３は、図１に示す固体撮像素子１００の表面模式図である。このＣＣＤ型固体撮像素子１００は、ｎ型半導体基板１０１の表面部に、多数のアレイ状に形成されたフォトダイオード１０２を備える。図示する例では、偶数行のフォトダイオード１０２に対して奇数行のフォトダイオード１０２が１／２ピッチづつずらして形成され、所謂、ハニカム画素配列となっている。

各フォトダイオード１０２内に記載したＲ，Ｇ，Ｂは、夫々、当該フォトダイオード上に積層されたカラーフィルタの色（Ｒ＝赤，Ｇ＝緑，Ｂ＝青）を示している。

水平方向に隣接する各フォトダイオード１０２間には、垂直方向に蛇行して延びる垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）１０３が形成され、半導体基板１０１の下辺部には、各垂直電荷転送路１０３の端部に連絡する水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）１０４が設けられている。

各フォトダイオード１０２が受光量に応じて蓄積した信号電荷は、隣接の垂直電荷転送路１０３に読み出されたあと水平電荷転送路１０４方向に転送され、水平電荷転送路１０４に移された信号電荷は、水平電荷転送路１０４に沿って出力端まで転送される。そして、水平電荷転送路出力端に設けられた出力アンプ１０５が、信号電荷量に応じた電圧値信号を出力する。

尚、「垂直」「水平」という用語を用いているが、これは単に「一方向」「この一方向に対して略直角の方向」という意味である。

図４は、図３の点線矩形枠IV内の拡大模式図である。各フォトダイオード１０２の右脇には、垂直方向に蛇行する垂直電荷転送路を構成する２層構造の転送電極膜１０３ａが設けられている。各フォトダイオード１０２部分の断面構造は、図１２で説明した構造と同じである。

本実施形態の固体撮像素子１００には、垂直電荷転送路１０３が水平電荷転送路１０４に接続する部分において、フォトダイオードの代わりに、横型オーバーフロードレイン領域１０７が設けられている。このドレイン領域１０７に隣接する垂直転送電極膜１０３ａ箇所まで転送されてきた電荷は、廃棄指示信号が入力されたとき、このドレイン領域１０７を通って半導体基板側に廃棄され、水平電荷転送路１０４には転送されない様になっている。

本実施形態に係る固体撮像素子１００は、図１１で説明した固体撮像素子２と異なり、オプティカルブラック（ＯＢ）部４が設けられておらず、受光面上に設けられた全ての画素が有効撮像領域内の画素、すなわち、光が入射したとき入射光量に応じた信号が出力される画素（請求項で述べた画素Ｘ）構造になっている。

図５は、本実施形態に係る固体撮像素子１００と図１１で説明したイメージサークルとの関係を示す図である。本実施形態のデジタルカメラでは、撮影レンズ２０のイメージサークル１が、矩形の固体撮像素子１００の外形より小さく、つまり、固体撮像素子１００の周辺画素に対して被写体からの光が入射しない大きさに設計されている。

撮影レンズ２０がズームレンズでイメージサークルの大きさが変化する場合には、イメージサークルが最大となる状態でも固体撮像素子１００の周辺画素に光が入射しない様に設計される。

この様な固体撮像素子１００を用いて被写体画像を撮像し、固体撮像素子１００から読み出した画像データのうち、イメージサークル１の外側の画像は光を受光しない画像のため「黒」になる。例えば、画素Ｘのうち、図５に示すイメージサークル１から外れた画素Ｙの画像データは「黒」となる。

そこで、本実施形態では、固体撮像素子１００から読み出された画像データのうち、イメージサークル１に内接する矩形範囲１１０で切り出した被写体画像データを、画素Ｙの出力データを「黒レベル」の値としてオフセット補正する。

この様に、本実施形態によれば、黒レベルを規定するイメージサークル１の外側の画素Ｙと、イメージサークル１の内側の画素Ｘとが全く同一の構造となるため、イメージサークル１の内外の画素の暗電流量の大きさが同一となり、出力段差が生じず、黒沈みや黒浮き等のない被写体画像データを得ることが可能となる。

上述した実施形態では、イメージサークル１の外側の画素のデータを用いて黒レベルを決めるが、イメージサークル１の外側の画素の全てのデータが必要になるわけではなく、その一部の画素データだけ取得できれば済む。

イメージサークル１の外側の画素のデータを１画素毎に読み出すと、固体撮像素子１００から被写体画像（切出範囲１１０の画像）を高速に読み出すことができなくなってしまう。そこで、図１に示すデジタルカメラでは、次の様な固体撮像素子１００の駆動方法を併用し、被写体画像の高速読み出しを図ることにしている。

図５に示す様に、固体撮像素子１００の下辺と切出範囲１１０の下辺との間の範囲を“ａ”、切出範囲１１０の下辺と上辺との間の範囲を“ｂ”、切出範囲１１０の上辺と固体撮像素子１００の上辺との間の範囲を“ｃ”とする。

図６は、固体撮像素子１００を駆動方法を示す図である。本実施形態では、図５の範囲“ａ”の画素データを垂直電荷転送路１０３に読み出し垂直方向に転送する場合には高速読出駆動を行い、範囲“ｂ”の画素データを読み出す場合には通常の読出駆動を行い、範囲“ｃ”の画素データを読み出す場合には高速掃出駆動を行う。

この様な駆動を行う場合に、固体撮像素子１００の全画素のデータを出力アンプ１０５から出力する必要はないため、不要な画素データは、垂直電荷転送路１０３の端部に設けたドレイン１０７から基板側に掃き出して廃棄する。

図７は、本発明の別実施形態に係るデジタルカメラの固体撮像素子２００とイメージサークルとの関係を示す図である。本実施形態の固体撮像素子２００も固体撮像素子１００と同じ構成であるが、イメージサークルを最大にしたとき、イメージサークル１の外側にくる画素がなくなる場合があるデジタルカメラになっている。

図８は、図７の関係にあるデジタルカメラにおけるオフセット値決定の処理手順を示すフローチャートである。先ず、イメージサークル１の外側にくる画素Ｙが存在するか否かを判定する（ステップＳ１）。イメージサークル１の大きさと固体撮像素子２００の相対関係は、撮影レンズ２０のズーム位置等が分かれば計算で求めることができるため、ＣＰＵ２５はステップＳ１の判定を容易に行うことができる。

ステップＳ１の判定結果が肯定（ＹＥＳ）の場合には、上述した実施形態と同様に、イメージサークル１の外側の画素Ｙの出力データにより黒レベルのオフセット値を決定する（ステップＳ２）。

ステップＳ１の判定結果が否定（ＮＯ）の場合には、固体撮像素子２００の全画素に被写体からの光が入射した状態となる。本実施形態の固体撮像素子２００はオプティカルブラック部を有しないため、別の方法により黒レベルのオフセット値を求めることになる。

そこで、この場合には先ずステップＳ３で固体撮像素子２００の温度Ｔが閾値αより高温であるか否かを判定し、低温の場合にステップＳ４に進み、ダミークランプによりオフセット値を決定する。

ダミークランプとは、固体撮像素子２００に与える垂直電荷転送路の駆動パルスを実際の転送電極数より多く送信して、実際には全く存在しない画素の画像データを擬似的に出力させ、これを黒レベル出力として利用する方法である。ダミークランプは温度に依存しないため、実験的に求めた関数をルックアップテーブルとして保持し、オフセット値として利用することができる。

このダミークランプは、オプティカルブラック部を用いた方法に比較して、温度が上昇すると暗電流増加に対するロバスト性が低くなる。そこで、本実施形態では、ステップＳ３の判定の結果、所定閾値温度αより固体撮像素子２００の温度が高い場合には、ステップＳ３からステップＳ５に進み、ダミークランプ以外の補正方法によりオフセット値の決定を行う。

温度上昇に伴う暗電流増加は、図９に示す様に、一定の法則があり、温度の暗電流量との関係は容易に関数化でき、この関数に基づきオフセット値を決定すれば良い。

このステップＳ５によるオフセット値の決定を行う代わりに、ステップＳ５でイメージサークルの縮小変更（ズーム倍率の変更）を行い、イメージサークルの外側に画素Ｙができる様に処理することでも良い。

以上述べた実施形態の固体撮像素子１００，２００は、全画素が同一構造の画素Ｘになっているが、図１１で説明した固体撮像素子２すなわちオプティカルブラック（ＯＢ）部４を有する固体撮像素子を用いて上述した実施形態を適用することも可能である。

この場合、可変のイメージサークルが最小の状態のとき、図１１の有効撮像領域３内の周辺画素がイメージサークル１の外側となるようにイメージサークルの設計すなわち撮影レンズ２０と固体撮像素子との相対関係を設計し、デジタルカメラを構成することになる。

図１０は、斯かるデジタルカメラにおけるオフセット値決定処理手順を示すフローチャートである。先ず、有効撮像領域３内の画素のうちイメージサークル１の外側となる画素Ｘが存在するか否かを判定する（ステップＳ１１）。この判定の結果、画素Ｘが存在する場合には、画素Ｘの出力データを黒レベルとしてオフセット値を決定する（ステップＳ１２）。

有効撮像領域３内の全画素がイメージサークル１の内側に入る場合には、ステップＳ１１からステップＳ１３に進み、従来と同様に、ＯＢ部の画素の出力データを用いてオフセット値を決定する。

尚、上述した実施形態では、ハニカム画素配列の固体撮像素子を例に説明したが、画素（フォトダイオード）が正方格子状に配列された固体撮像素子にも上述した実施形態を適用でき、また、ＣＭＯＳイメージセンサの様なＭＯＳ構造の固体撮像素子にも適用可能である。

以上述べた様に、上述した各実施形態によれば、被写体画像を撮像した画素と全く同一構造の画素の出力データを用いて黒レベルを決定し被写体画像データのオフセット値を決定するため、黒沈みや黒浮き等の画質劣化を抑制することが可能となる。

本発明に係るデジタルカメラ及び固体撮像素子は、黒沈みや黒浮き等の画質劣化を抑制することができるため、撮像画像の高画質化を図るデジタルカメラに適用すると有用である。

本発明の一実施形態に係るデジタルカメラの機能ブロック図である。 図１に示すデジタル信号処理部の構成図である。 図１に示す固体撮像素子の表面模式図である。 図３に示す点線矩形枠IV内の詳細構成図である。 図１に示す撮影レンズによるイメージサークルと固体撮像素子との相対関係を示す図である。 図５に示す固体撮像素子の駆動方法の説明図である。 本発明の別実施形態に係る固体撮像素子とイメージサークルとの相対関係を示す図である。 図７に示す固体撮像素子の搭載したデジタルカメラにおけるオフセット値決定処理手順を示すフローチャートである。 暗電流と温度との関係を示すグラフである。 本発明の別実施形態に係るデジタルカメラにおけるオフセット値決定処理手順を示すフローチャートである。 従来の固体撮像素子とイメージサークルとの相対関係を示す図である。 固体撮像素子の有効撮像領域に設けられる画素の断面模式図である。

符号の説明

１ イメージサークル
２，１００，２００ 固体撮像素子
３ 有効撮像領域
４ オプティカルブラック（ＯＢ）部
２０ 撮影レンズ
２５ ＣＰＵ
３２ 温度センサ
３８ デジタル信号処理部
５１ オフセット補正部
１０２ フォトダイオード（画素）
１０３ 垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）
１０３ａ 垂直転送電極
１０４ 水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）
１０７ ドレイン部
１１０ 切出範囲

Claims (6)

1. 入射光量に応じた信号を検出する画素（以下、画素Ｘという。）が複数個二次元アレイ状に配列形成された撮像面を有する固体撮像素子と、該固体撮像素子の前記撮像面に結像範囲をイメージサークルとして設定する撮影レンズと、該固体撮像素子によって撮像され出力された画像データのうち前記イメージサークルの外側となる前記画素Ｘからの出力データを黒レベルとして前記画像データのうちの被写体の撮像画像データを処理する制御手段とを備えることを特徴とするデジタルカメラ。
2. 前記固体撮像素子に設けられる全画素が画素Ｘであることを特徴とする請求項１に記載のデジタルカメラ。
3. 前記制御手段は、前記イメージサークルの外側に前記画素Ｘが存在しない場合にはダミークランプにより黒レベルを決定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のデジタルカメラ。
4. 前記制御手段は、前記イメージサークルの外側に前記画素Ｘが存在せず且つ前記固体撮像素子の温度が閾値温度以上のとき、前記撮影レンズを動作させて前記画素Ｘができるように前記イメージサークルを縮小変更することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のデジタルカメラ。
5. 前記固体撮像素子はドレイン手段を有し、前記制御手段は、前記イメージサークルの内側の撮像画像データのうち被写体画像の切出範囲外となる画像データの中の不要データを前記ドレイン手段を用いて掃き出させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のデジタルカメラ。
6. 請求項２に記載のデジタルカメラに搭載されることを特徴とする固体撮像素子。

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