JP5862073B2

JP5862073B2 - 撮像装置

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Publication number: JP5862073B2
Application number: JP2011146369A
Authority: JP
Inventors: 篤志金子
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2031-06-30
Also published as: JP2013016904A

Description

本発明は、撮像装置に関する。

従来から、オーバーフロードレイン構造により過剰に蓄積された電荷を基板に排出する機能を有する光電変換素子が知られている（たとえば特許文献１）。

特開平１１−８７６８０号公報

しかしながら、撮影条件によっては、過剰に蓄積された電荷が近接画素に漏れ出すブルーミング現象により、撮影画像に巨大な白点が発生するという問題がある。

請求項１に記載の発明による撮像装置は、入射光量に応じて電荷を生成し、生成した電荷を蓄積する光電変換部を有する撮像素子と、蓄積中の電荷が所定の蓄積量を超えた場合に、蓄積された電荷を排出する排出手段と、撮像素子の露光時間を設定する第１設定手段と、撮像素子の撮像感度を設定する第２設定手段と、所定の蓄積量を、第１設定手段により設定された露光時間と第２設定手段により設定された撮像感度とに基づいて切り替える切替手段と、を備え、切替手段は、撮像感度が最低感度に設定されかつ露光時間が長秒時に設定された場合には、または撮像感度が最低感度以外に設定された場合には、所定の蓄積量を第１蓄積量に設定し、撮像感度が最低感度に設定されかつ露光時間が短秒時に設定された場合には、所定の蓄積量を第１蓄積量よりも大きい第２蓄積量に設定することを特徴とする。

本発明によれば、画像に白点が発生することを防ぐことができる。

本発明の実施の形態によるカメラの構成を説明する横断面図制御回路の機能構成を説明するブロック図第１の実施の形態による撮像素子の電荷の排出を模式的に示す図露光時間と撮像感度とに応じて設定される電荷蓄積量の関係を示す図第２の実施の形態による撮像素子の電荷の排出を模式的に示す図

−第１の実施の形態−
図面を参照して、本発明による第１の実施の形態におけるカメラを説明する。図１はデジタルカメラ１の要部構成を示す図である。デジタルカメラ１は、カメラボディ１００と、交換レンズ２００とにより構成され、交換レンズ２００が図示しないマウント部を介してカメラボディ１００に装着される。

交換レンズ２００には、撮影レンズ２０１、絞り２０２等が設けられている。撮影レンズ２０１は、ズーミングレンズやフォーカシングレンズ等の複数の光学レンズ群から構成され、被写体からの光束をその焦点面近傍に結像する。なお、図１では撮影レンズ２０１を説明の都合上１枚のレンズで代表して示している。絞り２０２は、光量調整のために撮影レンズ２０１の光軸中心に開口径が可変な開口を形成する。

カメラボディ１００には、撮像素子１０１、制御回路１０２、液晶表示素子駆動回路１０３、液晶表示素子１０４、接眼レンズ１０５、操作部１０６、メモリカード１０７等が設けられている。撮像素子１０１には、たとえばＣＣＤやＣＭＯＳにより構成される光電変換素子（画素）が二次元状に配置されている。撮像素子１０１は、後述する制御回路１０２の制御に応じて駆動して交換レンズ２００を通過した光束により形成された被写体像を撮像し、撮像して得た画素信号を出力する。

撮像素子１０１は、たとえば、ＩＳＯ１００相当〜ＩＳＯ１６００相当の範囲内において撮像感度（露光感度）を所定のステップで変更可能、すなわち撮像素子１０１からの画素信号の信号出力の動作状態が変更可能に構成されている。撮像感度とは、撮像素子１０１に蓄積される電荷の検出感度、もしくは不図示の増幅回路の増幅利得を変化させる被制御量のことをいう。撮像素子１０１の撮像感度を変更する操作（ゲイン変更操作）は、ユーザにより後述の操作部１０６を用いて行われる。なお、撮像素子１０１については詳細を後述する。

制御回路１０２は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを有し、デジタルカメラ１の各構成要素を制御したり、各種のデータ処理を実行する演算回路である。図２に示すように、制御回路１０２は、撮像制御部１０２ａと、画像処理部１０２ｂとを機能的に備える。撮像制御部１０２ａは、撮像素子１０１の駆動制御および撮像素子１０１からの画素信号の読み出し、すなわち撮像素子１０１の電荷蓄積量を制御する。画像処理部１０２ｂは、撮像素子１０１から出力された画素信号に対して、ホワイトバランス処理、ガンマ補正処理、色補間処理、輪郭強調、ビネット補正などの画像処理を施して画像データを生成する。また、制御回路１０２は、撮像素子１０１から出力された画素信号に基づいて、焦点検出演算と交換レンズ２００の焦点調節とを行うとともに、画素信号を用いて被写体の輝度値を演算し、適正な露光量が得られるようにシャッタ秒時（露光時間）と絞りの値とを演算する。なお、撮像制御部１０２ａの詳細については説明を後述する。

図１に示す液晶表示素子駆動回路１０３は、電気的なビューファインダとして機能する。液晶表示素子駆動回路１０３は、撮像素子１０１から読み出された画素信号を用いて制御回路１０２により生成された画像データに対応するスルー画像を液晶表示素子１０４に表示させる。その結果、ユーザは接眼レンズ１０５を介してスルー画像を観察することができる。メモリカード１０７は、制御回路１０２により生成された画像データを記録する、不揮発性の記録媒体である。

操作部１０６は、ユーザの操作を受け付けるスイッチである。操作部１０６には、電源スイッチ、レリーズスイッチ、その他の設定メニューの表示切換スイッチ、設定メニュー決定ボタン、上述した撮像感度を変更させるゲイン変更操作のための感度設定スイッチなどが含まれる。

図３を参照しながら、第１の実施の形態の撮像素子１０１について説明する。なお、図３は、説明の都合上、撮像素子１０１の構造を模式化して概念的に示すものである。撮像素子１０１は、複数の光電変換部を有する画素を有し、各画素に蓄積された過剰な電荷を公知の垂直オーバーフロードレイン方式により排出して電荷蓄積量が制御可能に構成されている。図３は、撮像素子１０１を構成する複数の画素のうちの一部の画素の断面構造を模式的に示す図である。図３に示すように、画素１５０は、基板上に形成された光電変換部１５１と、第１排出部１５２とを有している。光電変換部１５１は、交換レンズ２００を介して入射した光束の入射光量に応じて電荷を生成し、生成した電荷を蓄積するフォトダイオードである。

第１排出部１５２は、光電変換部１５１に所定の蓄積量を超えて過剰に蓄積された電荷を基板上に排出する。すなわち、図３（ａ）に示すように、蓄積された電荷が所定の蓄積量Ｔｈを超えた場合に、電荷の排出が行われる。本実施の形態においては、第１排出部１５２は、撮像制御部１０２ａの制御に従って、第１の蓄積量と第２の蓄積量との間で切替可能に構成されている。図３（ｂ）は第１の蓄積量Ｔｈ１が設定された場合を示し、図３（ｃ）は第２の蓄積量Ｔｈ２が設定された場合を示している。図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、第２の蓄積量Ｔｈ２は第１の蓄積量Ｔｈ１よりも大きな蓄積量となるように設定される。すなわち、第２の蓄積量Ｔｈ２が設定された場合には、第１の蓄積量Ｔｈ１が設定された場合よりも、光電変換部１５１に蓄積される電荷の量が多くなる。

上述した第１の蓄積量Ｔｈ１と第２の蓄積量Ｔｈ２とは、予め、試験や実験等の結果を用いて、光電変換部１５１の露光時間、すなわちシャッタ秒時と撮像感度と基づいて決定される。第１の蓄積量Ｔｈ１は、たとえば撮像感度がデジタルカメラ１の取りうる最低感度（本実施の形態ではＩＳＯ１００）、かつシャッタ秒時が長秒時（たとえば１秒以上）に設定された場合に、光電変換部１５１に蓄積された電荷が隣接する画素１５０に漏れ出さない値として決定される。第２の蓄積量Ｔｈ２は、撮像感度がＩＳＯ１００、かつシャッタ秒時が短秒時（たとえば１秒未満）に設定された場合に、光電変換部１５１に蓄積された電荷が隣接する画素１５０に漏れ出さない値として決定される。

以下、撮像制御部１０２ａによる所定の蓄積量の切替処理について説明する。以下の説明では、次の（１）〜（３）の３つの場合に分けて行う。
（１）撮像感度が最低感度に設定され、かつシャッタ秒時が長秒時（シャッタ速度が低速）の場合。
（２）撮像感度が最低感度に設定され、かつシャッタ秒時が短秒時（シャッタ速度が高速）の場合。
（３）最低感度以外の撮像感度に設定された場合。

（１）撮像感度が最低感度に設定され、かつシャッタ秒時が長秒時の場合
撮像制御部１０２ａは、ユーザが操作部１０６を操作して撮像感度が最低感度であるＩＳＯ１００に設定されたか否かを判定する。すなわち、撮像制御部１０２ａは、ユーザにより撮像感度をＩＳＯ１００に設定する操作が行われたことを示す操作信号が操作部１０６から出力されたか否かを判定する。操作部１０６から操作信号が出力された場合、撮像制御部１０６は撮像素子１０１の撮像感度をＩＳＯ１００に設定する。そして、撮像制御部１０２ａは、制御回路１０２により算出されたシャッタ秒時が１秒以上の長秒時、すなわち露光時間が長い場合に、撮像素子１０１に対して電荷の蓄積量を第１の蓄積量Ｔｈ１に設定することを指示する第１指示信号を出力する。

撮像素子１０１は、撮像制御部１０２ａから第１指示信号を入力すると、光電変換部１５１の電荷蓄積量を第１の蓄積量Ｔｈ１に設定する。その結果、撮像素子１０１を構成する全ての画素１５０が有する第１排出部１５２は、図３（ｂ）に示すように設定される。したがって、露光時間が長い場合には暗電流により光電変換部１５１の電荷の蓄積量が多くなるので、第１の蓄積量Ｔｈ１に設定して、蓄積電荷の排出量を多くすることにより隣接する画素１５０へ電荷が漏れ出すブルーミング現象の発生を抑制する。

（２）撮像感度が最低感度に設定され、かつシャッタ秒時が短秒時の場合
撮像制御部１０２ａは、ユーザにより撮像感度をＩＳＯ１００に設定する操作が行われたことを示す操作信号が操作部１０６から出力されたと判定した場合、撮像制御部３０は撮像素子１０１の撮像感度をＩＳＯ１００に設定する。そして、撮像制御部１０２ａは、制御回路１０２により算出されたシャッタ秒時が１秒未満の短秒時、すなわち露光時間が短い場合に、撮像素子１０１に対して電荷の蓄積量を第２の蓄積量Ｔｈ２に設定することを指示する第２指示信号を出力する。

撮像素子１０１は、撮像制御部１０２ａから第２指示信号を入力すると、光電変換部１５１の電荷蓄積量を第２の蓄積量Ｔｈ２に設定する。その結果、撮像素子１０１を構成する全ての画素１５０が有する第１排出部１５２は、図３（ｃ）に示すように設定される。したがって、露光時間が短い場合には暗電流の発生量が少ないため露光時間が長い場合よりも光電変換部１５１の電荷の蓄積量が少なくなるので、第２の蓄積量Ｔｈ２に設定して、ブルーミング現象の発生を抑制しつつダイナミックレンジを確保する。

（３）撮像感度が最低感度以外に設定された場合
撮像制御部１０２ａは、ユーザにより撮像感度をＩＳＯ１００以外に設定する操作が行われたことを示す操作信号が操作部１０６から出力されたか否かを判定する。操作部１０６から操作信号が出力された場合、撮像制御部１０２ａは撮像素子１０１の撮像感度をユーザの設定操作に応じた撮像感度に設定する。そして、撮像制御部１０２ａは、撮像素子１０１に対して電荷の蓄積量を第１の蓄積量Ｔｈ１に設定することを指示する第１指示信号を出力する。すなわち、撮像制御部１０２ａは、露光時間の長短に関わらず、光電変換部１５１の電荷蓄積量を第１の蓄積量Ｔｈ１に設定させる。その結果、撮像素子１０１を構成する全ての画素１５０が有する第１排出部１５２は、図３（ｂ）に示すように設定される。最低撮像感度以外の場合には光電変換部１５１に蓄積された電荷を後段の処理で増幅するので、第１の蓄積量Ｔｈ１に設定することにより、光電変換部１５１の電荷の蓄積量を少なくして、ブルーミング現象を抑制しつつダイナミックレンジを確保する。

以上で説明した第１の実施の形態によるデジタルカメラ１によれば、以下の作用効果が得られる。
撮像素子１０１は、入射光量に応じて電荷を生成し、生成した電荷を蓄積する光電変換部１５１を有する。第１排出部１５２は、蓄積中の電荷が所定の蓄積量を超えた場合に、光電変換部１５１に蓄積された電荷を排出する。制御回路１０２は、撮像素子１０１の露光時間を設定し、操作部１０６の操作に応じて、撮像素子１０１の撮像感度を設定する。撮像制御部１０２ａは、光電変換部１５１の電荷蓄積量を、露光時間と撮像感度とに基づいて切り替える。すなわち、撮像制御部１０２ａは、撮像感度が最低感度に設定されかつ露光時間が長秒時に設定された場合には、または撮像感度が最低感度以外に設定された場合には、光電変換部１５１の電荷蓄積量を第１の蓄積量Ｔｈ１に設定するようにした。さらに、撮像制御部１０２ａは、撮像感度が最低感度に設定されかつ露光時間が短秒時に設定された場合には、光電変換部１５１の電荷蓄積量を第１の蓄積量Ｔｈ１よりも大きい第２の蓄積量Ｔｈ２に設定するようにした。したがって、露光時間が長秒時であっても光電変換部１５１の電荷蓄積量が低く設定されるので、蓄積した電荷が隣接画素へ漏れ出すブルーミング現象を抑制し、画像に巨大な白点が出現することによる画質の劣化を抑えることができる。また、露光時間が短秒時の場合には、光電変換部１５１の電荷蓄積量が高く設定されるので、ブルーミング現象を抑制するとともに、光電変換部１５１のダイナミックレンジを確保できる。

−第２の実施の形態−
図５を参照して、本発明の第２の実施の形態によるデジタルカメラ１を説明する。以下の説明では、第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１の実施の形態と同じである。本実施の形態では、光電変換部に過剰に蓄積された電荷の排出方法としてＦＤ部へ間欠的に排出する方式を用いる点で、垂直オーバードレイン方式を用いる第１の実施の形態とは異なる。

図５を参照しながら、第２の実施の形態の撮像素子１０１について説明する。なお、図５は、説明の都合上、撮像素子１０１の構造を模式化して概念的に示すものである。撮像素子１０１は、たとえばＣＭＯＳ等により構成される複数の光電変換部（画素）を有し、光電変換により生成された電荷の一部を排出しながら電荷を蓄積するＦＤへ間欠的に排出する方式により、電荷蓄積量が制御可能に構成されている。図５は、撮像素子１０１を構成する複数の画素のうちの一部の画素の断面構造を模式的に示す図である。図５に示すように、画素１５０は、基板上に形成された光電変換部１５１と、第２排出部１５３とを有している。

第２排出部１５３は、光電変換部１５１による電荷の蓄積を行いながら、蓄積された電荷のうちの一部の電荷をＦＤ部へ排出することにより、所定の蓄積量を超えて過剰に電荷が蓄積されること防止している。すなわち、図５（ａ）に示すように、単位時間当たり所定の排出量で蓄積された電荷が排出される。本実施の形態においては、第２排出部１５３は、撮像制御部１０２ａの制御に従って、第１の排出量と第２の排出量との間で切替可能に構成されている。図５（ｂ）は第１の排出量Ｅｘ１が設定された場合を示し、図５（ｃ）は第２の蓄積量Ｅｘ２が設定された場合を示している。この場合、第１の排出量Ｅｘ１は第２の排出量Ｅｘ２よりも、単位時間当たりの排出量が大きな値となるように設定される。すなわち、第２の排出量Ｅｘ２が設定された場合には、第１の排出量Ｅｘ１が設定された場合よりも、光電変換部１５１に蓄積される電荷の量が多くなる。なお、図５（ｂ）、図５（ｃ）においては、第２排出部１５３の太さを変えて描くことにより、第１の排出量Ｅｘ１が第２の排出量Ｅｘ２よりも大きな値であることを模式的に示している。

上述した第１の排出量Ｅｘ１と第２の排出量Ｅｘ２とは、予め、試験や実験等の結果を用いて、光電変換部１５１の露光時間、すなわちシャッタ秒時と撮像感度と基づいて決定される。第１の排出量Ｅｘ１は、たとえば撮像感度がデジタルカメラ１の取りうる最低感度（ＩＳＯ１００）、かつシャッタ秒時が長秒時（１秒以上）に設定された場合に、光電変換部１５１に蓄積された電荷が隣接する画素１５０に漏れ出さない値として決定される。換言すると、第１の排出量Ｅｘ１は、光電変換部１５１の電荷蓄積量が第１の蓄積量Ｔｈ１を超えないように決定される。第２の排出量Ｅｘ２は、撮像感度がＩＳＯ１００、かつシャッタ秒時が短秒時（１秒未満）に設定された場合に、光電変換部１５１に蓄積された電荷が隣接する画素１５０に漏れ出さない値として決定される。換言すると、第２の排出量Ｅｘ２は、光電変換部１５１の電荷蓄積量が第２の蓄積量Ｔｈ２を超えないように決定される。

撮像制御部１０２ａは、撮像感度が最低感度に設定され、かつシャッタ秒時が長秒時に設定された場合、撮像素子１０１に対して電荷の排出量を第１の排出量Ｅｘ１に設定することを指示する第３指示信号を出力する。撮像素子１０１は、撮像制御部１０２ａから第３指示信号を入力すると、第２排出部１５３の排出量を第１の排出量Ｅｘ１に設定する。その結果、撮像素子１０１を構成する全ての画素１５０が有する第２排出部１５３は、図５（ｂ）に示すように設定される。

撮像制御部１０２ａは、撮像感度が最低感度に設定され、かつシャッタ秒時が短秒時に設定された場合、撮像素子１０１に対して電荷の排出量を第２の排出量Ｅｘ２に設定することを指示する第４指示信号を出力する。撮像素子１０１は、撮像制御部１０２ａから第４指示信号を入力すると、第２排出部１５３の排出量を第２の排出量Ｅｘ２に設定する。その結果、撮像素子１０１を構成する全ての画素１５０が有する第２排出部１５３は、図５（ｃ）に示すように設定される。

撮像制御部１０２ａは、撮像感度が最低感度のＩＳＯ１００以外に設定する操作が行われた場合、撮像素子１０１に対して電荷の排出量を第１の排出量Ｅｘ１１に設定することを指示する第３指示信号を出力する。すなわち、撮像制御部１０２ａは、露光時間の長短に関わらず、第２排出部１５３の電荷蓄積量を第１の排出量Ｅｘ１に設定させる。その結果、撮像素子１０１を構成する全ての画素１５０が有する第２排出部１５３は、図５（ｂ）に示すように設定される。

以上で説明した第２の実施の形態によるデジタルカメラ１においても、第１の実施の形態によるデジタルカメラ１により得られた作用効果と同様の作用効果が得られる。すなわち、露光時間が長秒時であってもブルーミング現象を抑制し、画像に巨大な白点が出現することによる画質の劣化を抑えることができる。また、露光時間が短秒時の場合には、ブルーミング現象を抑制するとともに、光電変換部１５１のダイナミックレンジを確保できる。

以上で説明した第１および第２の実施の形態のデジタルカメラ１を以下のように変形できる。
（１）撮像制御部１０２ａは、露光時間のみに応じて第１の蓄積量Ｔｈ１と第２の蓄積量Ｔｈ２とを切り替えてもよい。すなわち、撮像制御部１０２ａは、撮像感度に関わらず、シャッタ秒時が長秒時の場合には第１の蓄積量Ｔｈ１に、シャッタ秒時が短秒時の場合には第２の蓄積量Ｔｈ２に設定すればよい。

（２）撮像素子１０１の温度にも応じて第１の蓄積量Ｔｈ１と第２の蓄積量Ｔｈ２とを切り替えてもよい。この場合、図示しない温度センサにより検出された撮像素子１０１の温度が所定の温度よりも高温の場合には、撮像制御部１０２ａは第１の蓄積量Ｔｈ１に設定し、所定の温度未満の場合には、第２の蓄積量Ｔｈ２に設定すればよい。この結果、撮像素子１０１の温度が高温の場合には、光電変換部１５１の電荷蓄積量を低くしてブルーミング現象の発生を抑制できる。

（３）撮像制御部１０２ａが光電変換部１５１の電荷蓄積量を第１の蓄積量Ｔｈ１と第２の蓄積量Ｔｈ２との間で切り替えるものに代えて、より複数の蓄積量との間で切替を行ってもよい。たとえば、露光時間が中秒時となるように算出された場合には、撮像制御部１０２ａは、第１の蓄積量Ｔｈ１よりも大きく第２の蓄積量Ｔｈ２よりも小さい第３の蓄積量に設定してもよい。

また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。説明に用いた実施の形態および変形例は、それぞれを適宜組合わせて構成しても構わない。

１０１撮像素子、１０２制御回路、１０２ａ撮像制御部、
１０６操作部、１５０画素、１５１光電変換部、
１５２第１排出部、１５３第２排出部

Claims

入射光量に応じて電荷を生成し、前記生成した電荷を蓄積する光電変換部を有する撮像素子と、
前記蓄積中の電荷が所定の蓄積量を超えた場合に、前記蓄積された電荷を排出する排出手段と、
前記撮像素子の露光時間を設定する第１設定手段と、
前記撮像素子の撮像感度を設定する第２設定手段と、
前記所定の蓄積量を、前記第１設定手段により設定された露光時間と前記第２設定手段により設定された撮像感度とに基づいて切り替える切替手段と、を備え、
前記切替手段は、前記撮像感度が最低感度に設定されかつ前記露光時間が長秒時に設定された場合には、または前記撮像感度が前記最低感度以外に設定された場合には、前記所定の蓄積量を第１蓄積量に設定し、前記撮像感度が前記最低感度に設定されかつ前記露光時間が短秒時に設定された場合には、前記所定の蓄積量を前記第１蓄積量よりも大きい第２蓄積量に設定することを特徴とする撮像装置。
請求項１に記載の撮像装置において、
前記排出手段は、前記撮像素子により前記電荷を蓄積中に蓄積された前記電荷の一部を排出し、前記第１蓄積量に設定された場合よりも前記第２蓄積量に設定された場合の方が単位時間当たりの電荷の排出量を少なくさせることを特徴とする撮像装置。
請求項１に記載の撮像装置において、
前記切替手段は、前記第１蓄積量および前記第２蓄積量のそれぞれに対応した閾値を設定し、
前記排出手段は、前記撮像素子に蓄積された電荷が前記切替手段により設定された前記閾値を超えると、前記電荷を排出することを特徴とする撮像装置。