JP2006174404A

JP2006174404A - 固体撮像素子および固体撮像装置

Info

Publication number: JP2006174404A
Application number: JP2005175727A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Oda; 和也小田; Tomohiro Sakamoto; 智洋坂本
Original assignee: Fujifilm Microdevices Co Ltd; Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp; Fujifilm Microdevices Co Ltd
Priority date: 2004-11-19
Filing date: 2005-06-15
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2025-06-15
Also published as: US7551217B2; US20060119726A1; JP4738907B2

Abstract

【課題】広ダイナミックレンジ化させても、解像度およびS/Nを確保して、画質劣化を抑えることができる固体撮像素子および固体撮像装置を提供。
【解決手段】ディジタルカメラ10における固体撮像素子42は、受光素子44の対を一方の対角に配し、受光素子46の対を他方の対角に配することで、垂直転送路48を挟んで受光素子44と受光素子46とが、それぞれ高感度な受光素子および低感度な受光素子として千鳥状に配され、従来からのインタレース走査におけるこれらのいずれか一方の走査を用いて得られる半分のフィールド画像であっても、全ラインに対応した画素を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子および固体撮像装置に関するものである。とくに、本発明の固体撮像素子は、被写界からの入射光を電気信号に変換し、変換した電気信号による２次元画像データとして扱う画像センサ等に関するものである。また、本発明の固体撮像装置は、入射光を撮像し、この撮像により得られた２次元画像データに信号処理を施し、得られた画像の記録および通信の少なくともいずれか一つを行なう装置に関するものである。

現在、ディジタルカメラ等に搭載される固体撮像装置は、画素数の増加に着目した画像の高画質化と撮影状況の高い再現性の両方を追求している。再現性としては、たとえばダイナミックレンジを広く撮れる装置が検討されている。特許文献１に示す固体撮像装置は、ハイライト部分に固定パターンノイズを発生させずに、高ダイナミックレンジの画像として再生することが提案されている。ハイライト部分とは、明るいハイライト光、たとえば標準信号レベルを生成する光量に比べて３〜５倍の入射光量が入射された場合の画像における非常に明るい部分を示し、この部分が白く潰れて再生できない状態を意味している。また、固定パターンノイズとは、ハイライト部分を圧縮する、いわゆるニー特性制御に基づくダイナミックレンジの向上にともない受光素子の読出しゲート部に設定されている閾値のムラとして現れるノイズである。

この固体撮像装置は、光電変換の感度特性が異なる受光素子を隣接させた複数個を１組として配設している。ここでの１組とは、高感度特性を有する受光素子のラインとこのラインに隣接する低感度特性を有する受光素子のラインである。固体撮像装置は、このように受光素子を２次元状に配列させ、各組内の受光素子からの信号電荷を別々に読み出して、入射光量に応じて２種類の信号電荷の少なくとも一方を用い、とくに、信号電荷を加算することにより、高感度で、かつ高ダイナミックレンジの画像を得ることができる。この固体撮像装置は、高感度特性の受光素子から得られた信号電荷を出力部または外部回路でクリップし、１画素信号に加算することにより飽和のばらつきによる固定パターンノイズの発生を抑えている。
特開平4−298175号公報

ところで、特許文献１の固体撮像装置は、高感度特性と低感度特性の受光素子を個々に読み出すことにより受光素子のレイアウトを強く制約してしまう。また、この固体撮像装置は、極端に、明るいシーンと暗いシーンを撮影する場合に応じてそれぞれ、低感度特性の受光素子からの信号電荷と高感度特性の受光素子からの信号電荷だけを用いて画像を生成している。これは、本来有する画素数すべてを用いた画像生成に比べて半分だけの利用になる。したがって、これらの場合に得られる画像は本来の解像度の半分になり、その画像の画質が劣化してしまう。

受光素子に感度差を持たせる方法には、いくつかの方法が知られている。具体的には、第１に受光素子の感光面積を異ならせる方法、第２に受光素子の感光時間を異ならせる方法、第３に集光レンズの形状を異ならせる方法および第４に受光素子の光透過率を異ならせる方法がある。ここで、受光素子の感光面積を同一にし、第３および第４の方法のいずれかを適用して、光学特性により感度差を持たせた場合、高感度特性を有する受光素子は、入射光量に応じて信号電荷を生成し、生成した信号電荷を出力しても所定レベル以上がクリップされることにより低感度特性の受光素子に比べてS/Nにおいて不利になることがわかる。

さらに、被写体輝度分布が狭い場合、受光素子は、高感度特性の受光素子からの信号電荷だけで十分な画像が得られると考えられる。しかしながら、この固体撮像装置は、どちらの受光素子で撮影するかまったく考慮せずに撮像している。とくに、この固体撮像装置が低感度特性の受光素子だけで画像を生成すると、固体撮像装置が出力する画像は、十分なS/Nが得られず、解像度等も低下した画質劣化した画像になってしまう。

本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、広ダイナミックレンジ化させても、解像度およびS/Nを確保して、画質劣化を抑えることができる固体撮像素子および固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するために、入射光を信号電荷に変換する２次元アレイ状に配設された受光素子と、受光素子で変換した信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送手段と、複数の垂直転送手段に対して直交する水平方向に転送された信号電荷を転送する水平転送手段とを含む固体撮像素子において、この固体撮像素子は、受光素子のうち、入射光に対する受光素子の感度が相対的に異なる第１および第２の受光素子を用いて、垂直転送手段を挟んで一方の対角に第１の受光素子が配設され、他方の対角に第２の受光素子が配設され、かつ第１および第２の受光素子における感光領域の重心を結んで長方形が形成される位置に配設されることを特徴とする。

本発明の固体撮像素子は、第１の受光素子の対を一方の対角に配し、第２の受光素子の対を他方の対角に配することにより、垂直転送手段を挟んで第１の受光素子と第２の受光素子とがそれぞれ千鳥状に配され、これまでの広ダイナミックレンジに対応した固体撮像素子をインタレース走査して得られる第１の受光素子および第２の受光素子のいずれか一方を用いて形成される画像に比べて半分のフィールドであっても、本実施例では全ラインに対応してたとえば、受光素子44の画素が得られることから、解像度の劣化を防止することができ、第１の受光素子と第２の受光素子との感度を異ならせることにより、たとえば飽和する信号レベルが異なる画素データを提供することができる。

また、本発明は上述の課題を解決するために、入射光を信号電荷に変換する２次元アレイ状に配設された受光素子と、受光素子で変換した信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送手段と、複数の垂直転送手段に対して直交する水平方向に転送された信号電荷を転送する水平転送手段とを含む固体撮像素子、この固体撮像素子から得られた画像信号に対して信号処理を施す信号処理手段、固体撮像素子および信号処理手段の動作タイミングを提供するタイミング信号を発生するタイミング発生手段、このタイミング信号に基づいて駆動信号を生成する駆動信号生成手段、および信号処理手段から供給されるデータに基づいて被写界のシーンを判別し、この判別結果に応じて信号処理手段、タイミング発生手段および駆動信号生成手段を制御する制御手段を具備し、固体撮像素子は、入射光に対する受光素子の感度が相対的に異なる第１および第２の受光素子を用いて、垂直転送手段を挟んで一方の対角に第１の受光素子が配設され、他方の対角に第２の受光素子が配設され、かつ第１および第２の受光素子における感光領域の重心を結んで長方形が形成される位置に配設されることを特徴とする。

本発明の固体撮像装置は、第１の受光素子と第２の受光素子とが対角に配設した固体撮像素子を適用することにより、これまでの広ダイナミックレンジに対応した固体撮像素子をインタレース走査して得られる第１の受光素子および第２の受光素子のいずれか一方を用いて形成される画像に比べて半分のフィールドであっても、全ラインに対応する画素が得られることから、解像度の劣化を防止することができ、制御手段でシーン判別の結果に応じてタイミング発生手段および駆動信号生成手段を制御することにより、第１の受光素子だけまたは相対的に感度の異なる第１の受光素子と第２の受光素子からの画素データを用いたシーンに対応した高品質な画像を生成することができる。

次に添付図面を参照して本発明による固体撮像装置の一実施例を詳細に説明する。

本実施例は、本発明の固体撮像装置をディジタルカメラ10に適用した場合である。本発明と直接関係のない部分について図示および説明を省略する。以下の説明で、信号はその現れる接続線の参照番号で指示する。

ディジタルカメラ10は、図９に示すように、光学系12、撮像部14、前処理部16、信号処理部18、システム制御部20、操作部22、タイミング信号発生器24、ドライバ26、モニタ28およびストレージ30を含む。光学系12は、図示しないがメカニカルシャッタ、光学系レンズ、ズーム機構、絞り調節機構、およびオートフォーカス（AF: Automatic Focus）調節機構が含まれる。光学系12は、光学レンズを上述した各種の機構を調整して入射光を撮像部14に送る機能を有する。

これらの機構は、配設する各モータにドライバ26からそれぞれ供給される駆動信号32に応動して動作する。また、絞り調節機構は、図示しないが入射光量を調節するAE（Automatic Exposure）機能を有し、ドライバ26からの駆動信号34に応じてリング部を回転させ、入射する光束を通すアイリスの口径を変える。絞り調節機構は、メカニカルシャッタをレンズシャッタとして光学系レンズに組み込んでもよい。

メカニカルシャッタは、撮像部14に撮影のとき以外に光が照射されないように遮光するとともに、後述する露出に関するパラメータに応じて生成される制御信号で動作させて、結果として露光の開始と終了により露光時間を決める機能を有する。メカニカルシャッタは、ドライバ26から供給される駆動信号36に応じてシャッタを開閉する。

撮像部14は、光学ローパスフィルタ38および色フィルタ40が配された固体撮像素子42を備える。光学ローパスフィルタ38は、入射光の空間周波数をナイキスト周波数以下にするフィルタである。色フィルタ40は、固体撮像素子42の各受光素子に対応して色フィルタセグメントが入射光側に配設され、入射光を色フィルタセグメントの分光特性に応じて色分解する機能を有する。

固体撮像素子42は、図１に示すように、入射光を電気信号に変換する受光素子44および46が２次元状に配設される。受光素子44は、破線で示す垂直転送路48の転送方向に長い八角形の形状に形成される。また、受光素子46は、受光素子44に比べて破線で示す垂直転送路48の転送方向に短い八角形の形状に形成される。この結果、受光素子44は入射光を取り込む開口が通常よりも大きな感光面積を有し、受光素子46は入射光を取り込む開口が通常よりも小さな感光面積を有することになる。このような感光面積を採用することにより、受光素子44および46は、一定の入射光強度に対して、それぞれ高感度素子および低感度素子にしている。とくに、本実施例における受光素子44は、高感度素子としての飽和を大きな値にすることができるという特徴を有する点で有利である。具体的には、受光素子46の飽和比を1/4にすると、受光素子44は長手方向の長さを3/4倍に大きく設定することができる。

また、受光素子44および46の大きさは、ダイナミックレンジの要因によっても決められる。ここで、受光素子44のダイナミックレンジを100％、高感度素子の飽和レベルV_Hsatを基準にして、受光素子46を４倍の受光素子する場合を図3(a)に示す。受光素子44および46の入射光量に対して生成する信号レベルは、それぞれ信号特性45aおよび45bで表される。この場合、基準に対して受光素子46は、400％のダイナミックレンジを再現するように受光素子44の感度を1/16、受光素子44の飽和比を1/4に設定することが好ましい。受光素子44は、低感度素子として飽和レベルV_Lsatにする。本実施例では、感光面積で決める。これにより、受光素子44および46から得られた信号を混合して、図3(b)に示すように、再現域を400％のダイナミックレンジまで広げることができる。

また、受光素子44は、高感度素子として十分なS/Nを確保することができる。本実施例のディジタルカメラ10は、このように複数の感度で受光し、撮影することができる。ディジタルカメラ10は、さらに後段で説明するように、感度設定をたとえば、ISO（International Organization for Standardization）感度100〜400程度の範囲を低感度モードと、ISO感度800以上を高感度モードとのグループに分けて、これらのグループに応じて撮像した信号を読み出す機能を有している。このように読み出した信号電荷を画素データに変換し、これらの画素データを用いて加算すると、効率よくダイナミックレンジを確保することができ、高画質な画像を得ることができる。

なお、受光素子44および46は、感光面積の大きさにより相対的に感度を異ならせたが、感度を相対的に異ならせる手法はこの手法に限定されるものでなく、相対的に感度を高くする受光素子側にマイクロレンズを配設し感度を低くする受光素子側にマイクロレンズを設けないようにして感度差をつけるようにしてもよい。また、受光素子の感度特性は、実際に感光領域の材質を異ならせて感度差をつけるようにしてもよい。

次に受光素子44および46の配設位置に着目する。受光素子44および46の面積それぞれの重心は、図１に示すように、一点鎖線50で結ぶことができる。一点鎖線50は、長方形または矩形の形状を示すが、正方形でもよいことは言うまでもない。図１から明らかなように、受光素子44および46は、格子状に配置されて、画素ずらしなく配置されている。ところで、受光素子44および46は、基本的に、一方の対角を高感度素子（44）、他方の対角を低感度素子（46）に配置して、受光素子44および46それぞれの飽和比を異ならせて、飽和させるようにしている。この基本的な配置を繰り返して固体撮像素子42を形成すると、垂直転送路48を挟んで高感度な受光素子44と低感度な受光素子46が交互に交差するように配設されていることがわかる。

また、固体撮像素子42は、高感度な受光素子44および低感度な受光素子のいずれか一方に着目すると、画素ずらしを受けたと同様の配置になっている。受光素子44に着目すると、各ラインに受光素子が存在することから、特許文献１のように垂直解像度が半分にならずに済む。さらに、受光素子46の位置は、ハニカムとみなした場合における受光素子44がない仮想画素の位置に対応している。仮想画素は、信号処理において実際に存在する受光素子44の画素データを用いて、補間処理（同時化）により生成することができる。この補間処理により、水平および垂直解像度の劣化を防止し、とくに、水平解像度の向上に大きく寄与することができる。

色フィルタセグメントの配置について図２を用いて説明する。固体撮像素子42は、本実施例において色フィルタセグメントに三原色R, GおよびBを用いる。高感度を示す受光素子44の直上に位置する低感度の受光素子46を同色の一組として配置する。このように一組の色とみなすと、色フィルタ40は、一点鎖線52で囲んだ４行３列を１単位に規定することができる。この色フィルタは、縦１列の色Gを挟んで両側に色RおよびBを完全市松パターンに配置している。完全市松パターンとは、対角位置の色を同色にしているパターンに付けられる名称である。したがって、色フィルタ40は、上下同色の一組とみなして、G縦ストライプRB完全市松パターンを用いる。

固体撮像素子42は、露出にともない入射した入射光を光電変換して、信号電荷を生成し、各受光素子で生成し、蓄積した信号電荷を図示しないトランスファゲート（TG： Transfer Gate）を介して垂直転送路48に読み出す。垂直転送路48は、電荷結合素子（CCD: Charge Coupled Device）で形成されている。垂直転送路48は、前述したように、受光素子または画素の配置において画素ずらししていないことから、蛇行することなく、直線的に形成されている。固体撮像素子42にもドライバ26から駆動信号54が供給されている。駆動信号40は、固体撮像素子38の動作モードに応じた水平駆動信号、垂直駆動信号V1〜V4およびOFD（Over Flow Drain）信号等である。撮像部14は、固体撮像素子42から得られたアナログ電圧信号56を前処理部16に出力する。

ここで、本実施例の固体撮像素子42の特徴ある構造について図４および図５を用いながら、説明する。受光素子44および46において実線の内側が感光領域56を示す。また、垂直転送路48は、２本ずつ左右両側に破線で示す、たとえばガイド壁58が形成される。とくに、ガイド壁58における内側の破線が示す符号60は、垂直転送路の幅を表している。ポリ電極は、垂直転送させる駆動信号を水平、すなわちライン方向に供給するために２段に分けて積層形成され、それぞれ一点鎖線および二点鎖線で第１のポリシリコン電極64および第２のポリシリコン電極62を表す。ポリシリコン電極は以下で単にポリ電極という。水平に延びるポリ電極62および64は、垂直転送路48の上流側と下流側にそれぞれ延びるように配設される。この様子は、後段の図５に示す。図４において二点鎖線は、表現の便宜上、フィールドシフトさせる配線も表している。ポリ電極62および64は、受光素子44および46に対してそれぞれ、蓄積した信号電荷を区別して読み出すように配線されている。

したがって、被写体の輝度が受光素子44だけで十分に表現可能な場合、固体撮像素子42は受光素子44だけを読み出す。信号電荷の読出しは、後段でさらに述べる。このような信号読出しは、すべて読み出す場合に比べて信号読出し処理を簡素化することができる。

なお、水平方向に延びる二点鎖線で示すポリ電極64は、一点鎖線で示すポリ電極62より幅が広いように表わされているが、本来、同じ幅で形成される。これは、便宜上、これら２つの転送電極62および64が積層して形成されることを示すためである。

本実施例における転送電極は、通常の長方形でなく、平行四辺形または菱形と台形の形状に形成している点に特徴がある。この形状に着目してポリ電極62および64の配置形成について、さらに図５を用いて説明する。図５に示すように、ポリ電極62および64は、それぞれ、右斜めのハッチングと左斜めのハッチングで電極配置を表わす。したがって、両転送電極62および64が積層形成される箇所は、クロスハッチングで表わされる。また、ポリ電極62および64の立体的な構造を明らかにするため垂直転送路48を破断線V−Vに沿って切断する。このとき、ポリ電極62および64は、それぞれ、同層レベルを固体撮像素子42の上方から見た場合、平行四辺形および台形に形成されている。重複領域ではポリ電極62が積層する上層側にポリシリコン電極層を形成し、ポリ電極64が積層する下層側にポリシリコン電極層を形成される。この結果、水平方向に延びる転送電極64から垂直転送路48の上流側に台形状の転送電極が形成されるとわかる。また、水平方向に延びる転送電極62から垂直転送路48の下流側に平行四辺形状の転送電極が形成されるとわかる。

この平行四辺形または菱形および台形の組合せを繰り返すパターンに形成することにより、信号電荷の転送にともない形成されるポテンシャル井戸の転送断面積を通常の長方形の転送断面積に比べて大きくすることができる。ポテンシャル井戸は、本実施例も通常の場合も同じ深さに形成する。したがって、本実施例におけるポリ電極62および64では、図６に示すように、転送断面積を大きくするため斜めにして、符号60が示す幅より広い幅70に形成する。このように転送電極62および64を形成することにより、垂直転送路48に読み出した信号電荷の垂直転送の効率を向上させることができる。

この転送効率の向上は、単色縦線という現象の発生を防止する上で大きく寄与する。単色縦線とは、たとえば赤色電球で白い壁を撮影し、ホワイトバランスを調整した際に色Bから得られた信号に大きなゲインがかかり、転送で残っている色Bの信号がより強調されて青い縦線が生じる現象である。本実施例の垂直転送路48は、信号電荷の転送をより広い幅を介して転送することで、信号電荷が所定の時間内で転送され、信号電荷が残らない転送を可能にする。したがって、単色縦線が発生する状況で色Bの信号に大きなゲインがかかっても、すでに画素に対応する信号レベルがほぼゼロに等しいレベルになっていることから、視認可能な信号レベルにならず、現象として単色縦線が発生しない。これは、赤い単色縦線の発生も抑えることができることを意味している。

なお、ポリ電極62および64の形状は、平行四辺形および台形に限定されるものでなく、図７および図８に示すように、両方とも台形の形状にしてもよい。図７のハッチングおよびクロスハッチングは、図５の対応関係に同じである。垂直転送路48を破断線VII−VIIに沿って切断すると、ポリ電極62の重複がどのように形成されるか明らかになる。このようにポリ電極62および64は、垂直転送路48に対して、図８に示すように、台形状に形成してもよい。

図９に戻って、前処理部16は、ノイズ除去に相関二重サンプリング（Correlated Double Sampling: CDS）回路、ゲイン調整アンプ（GCA: Gain-Controlled Amplifier）、およびA/D変換器（Analog-to-Digital Converter）を含む。CDS回路には、タイミング信号発生器24からサンプリング信号としてCDSパルス72が供給され、A/D変換器には、変換クロック信号74が供給されている。前処理部16は、供給されるアナログ信号56に対してノイズ除去、波形整形、ディジタル化を行なって得られた撮像データすべてをディジタルデータ、すなわち画像データ76として信号処理部18に出力する。

信号処理部18は、供給されるディジタルデータに対する以下に述べる信号処理機能を有する。信号処理部18は、とくに、AWB（Automatic White Balance）処理を含む評価値算出部78および図示しない画像メモリを備える。信号処理部18は、この他、ガンマ変換、同時化処理、画像変換処理、圧縮/伸長処理、入出力インタフェース処理および画像縮小処理等を行なっている。評価値算出部78は、たとえば予備測光等において供給されるガンマ補正後の画像データに基づいて絞り値・シャッタ速度、ホワイトバランス調整値および階調補正値を演算し、この演算に応じて供給される画像データに対する適切な各パラメータを得られるように積算値を算出する。本実施例において信号処理部18は、算出された積算値80をシステム制御部20に供給する。

ここで、積分値80には、単に上述したパラメータ算出用としての値だけでなく、色Gに対する色Bの比や色Gに対する色Rの比も含まれる。とくに、評価値算出部78においてAWBは、予備測光において供給されるディジタルデータ56の内、画像を構成する所定の領域のWBゲインを決定する機能を有する。

なお、評価値算出部78は、信号処理部18への配設に限定することなく、システム制御部20に配設するようにしてもよい。このとき、信号処理部18は、ガンマ補正した画像データをシステム制御部20に供給すればよい。

信号処理部18には、一般に画像信号としてディジタルデータ76がデータバスを介して画像メモリに供給される。信号処理部18における制御は、制御バスを介してシステム制御部20から供給される制御信号82に応じて制御される。信号処理部18には、タイミング信号発生器24から図示しないタイミング信号が供給される。このタイミング信号は、水平同期信号HD、垂直同期信号VDおよび後述する各部の動作クロック等を含む。

前述した処理それぞれについて簡単に説明すると、ガンマ変換は、画像メモリから供給される画像データをルックアップテーブルのデータを用いてガンマ補正する。同時化処理は、ガンマ変換後のデータにおいて本実施例のように撮像部14に単板式の原色の色フィルタが使用されていることから、実際に受光素子（実画素）が配設されていても、配設された色フィルタセグメント以外の色に対応した画素データは存在しない。また、本実施例において、高感度画素だけの読み出しで済む場合、受光素子44からの画素データは、いわゆるハニカム配列の画素が供給されることになる。この場合、受光素子46の位置がハニカム配列における仮想画素になる。本実施例は、この場合、仮想画素としながら、実際の画素データが情報として得られる点で単なるハニカム配列の場合に比べて精度の高い位置（空間）情報が得られることになる。

同時化処理は、上述した実画素および仮想画素のそれぞれに対して存在しない色について考慮しながら、補間して各画素にて三原色すべてを求める処理である。補間処理では、たとえば各画素データの相関に基づいて各画素データに重み係数を乗算し、乗算結果の加算平均により算出する。このように対象の画素に対する３つの原色が同時に揃えることができる。この処理を同時化と呼んでいる。同時化処理は、色Gの画素データや輝度データYを用いて補間処理し、生成する画素データを広帯域化してもよい。同時化した画像データが画像メモリに供給される。

画像変換処理は、同時化した３原色の画像データに所定の係数を乗算し、色差マトリクス処理を行なう。また、画像変換処理は、この他にも生成した輝度データYに対する輪郭強調処理や生成した色データC_b, C_rに対する色強調処理を施す機能を有している。画像変換処理は、輝度データY、色データ（色差データ）C_b, C_rの画像データを画像メモリに供給する。なお、RAWデータ記録する場合、この画像変換処理および圧縮/伸長処理は行なわない。

圧縮/伸長処理は、静止画や動画（ムービ）モードにおいて供給される画像データ（Y/C）や色差データ等にJPEG（Joint Photographic coding Experts Group）やMPEG（Moving Picture coding Experts Group）-1, MPEG-2等の規格でそれぞれ、圧縮処理を施す。入出力インタフェース処理は、ストレージ30のカード記録媒体との書込み/読出しにおける電気的な特性を調整したり、タイミング調整したりする機能を有し、処理された画像データ84をストレージ30に出力している。また、圧縮/伸長処理は、ストレージ部30に記録した画像データ84を読み出し、入出力インタフェース処理を経た画像データ84に伸長処理を施す。この伸長処理は、圧縮処理の逆処理である。

画像縮小処理は、生成した画像データや再生にともなって伸長した画像データ（Y/Cや色差データ）に対してRGB変換を行ない、このRGB変換した画像データをモニタ28が表示可能な画素数にする機能を有する。画像表示における画素数または表示サイズは、間引き処理によって破綻のない画像を生成する。画像縮小処理は、生成した画像データ86をモニタ28に供給する。

画像メモリには、ディジタルデータ、すなわち画像データ76が入力され、一時的に記憶される。また、画像メモリは、前述した各処理では一時記憶した画像データが読み出され、処理後に書き込まれる。画像メモリは、繰り返し読出しを行なう場合、不揮発性メモリを用いることが好ましい。

システム制御部20には、カメラ全体の汎用な部分やディジタル処理を行なう部分を制御するマイクロコンピュータまたはCPU（Central Processing Unit）が用いられている。システム制御部20は、シーン判別部88や図示しないが係数を格納するEEPROM（Erasable and Electrically Programmable Read Only Memory）や動作手順の指示プログラムを格納するROM（Read Only Memory）等を含む。シーン判別部88は、ソフトウェア的な処理が可能な処理部で、後段にてさらに説明されるように、供給される積算値80が含む比B/Gと比R/Gとを比較し、この比較結果に応じてタイミング信号発生器24やドライバ26を制御する。

システム制御部20は、操作部22から供給されるモードや操作のトリガを指示する指示信号90を受ける。システム制御部20は、指示信号90に応じてディジタルカメラ10を静止画撮影モード、動画撮影モード、低感度モードおよび高感度モード等を指定するとともに、図示しないレリーズシャッタボタンから撮像タイミングの報知を受ける。システム制御部20は、積算値80に応じた制御信号82, 92および94をそれぞれ、生成する。生成した制御信号82, 92および94は、それぞれ、信号処理部18、タイミング信号発生器24およびドライバ26に供給される。

システム制御部20は、信号処理部18内におけるライン補間や信号発生回路に対する制御および信号処理を行なう上での制御も考慮した制御信号82を生成し、ストレージ30における制御信号96により読出し/書込み制御も行っている。また、図示しないが、システム制御部20は、前処理部16における動作タイミング制御も行っている。

操作部22は、図示しないがモード選択部およびレリーズシャッタボタンを含む。モード選択部は、静止画撮影モードおよび動画撮影モード、ならびに低感度モードおよび高感度モード等のようにいくつかあるモードのうち、いずれのモードにするかを選択する。この低感度モードおよび高感度モードの選択は、ISO感度を考慮して対応設定することになる。また、モード選択は、たとえばISO感度100〜1600まで設定することができる。モード選択部は、選択したモードを指示信号90としてシステム制御部20に出力する。

レリーズシャッタボタンは、２段階のストロークを有するボタンで、第１段のストロークでディジタルカメラ10を予備撮像の段階（S1）にし、第２段のストロークで本撮像の段階（S2）にするトリガタイミングを指示信号90としてシステム制御部20に出力する。

タイミング信号発生器24は、図示しない、基準とするクロック信号を基に各種のタイミング信号を生成する機能を有する。タイミング信号には、水平転送信号の他、垂直同期信号、水平同期信号、フィールドシフトパルス、垂直転送信号、および電子シャッタパルス等がある。また、タイミング信号発生器24は、CDSパルス72および変換クロック信号74も生成して、前処理部16に供給している。タイミング信号発生器24は、これら生成した垂直同期信号、水平同期信号、フィールドシフトパルス、垂直転送信号、水平転送信号および電子シャッタパルスを含むタイミング信号98をドライバ26に供給する。

ドライバ26は、供給されるタイミング信号98や制御信号94を基に駆動信号32〜36および54を生成する駆動回路を有している。ドライバ26は、制御信号94を基に駆動信号32, 34および36を光学系12の光学レンズおよび絞り調節機構にそれぞれ供給してAF調節やAE調節を行なわせる。ドライバ26は、操作部22のレリーズシャッタボタンから供給される本撮像のタイミングに応動してメカニカルシャッタの開閉を行なう駆動信号36をメカニカルシャッタに出力する。

また、ドライバ26は、タイミング信号98を基に生成した駆動信号54を撮像部14の固体撮像素子42に供給し、各受光素子の感光領域に信号電荷を露光期間中に蓄積させる。この後、ドライバ26は、蓄積した信号電荷をシーン判別に応じて制御して垂直転送路48に読み出して、図示しない、水平転送路に転送させる。ドライバ26は、さらにこの水平転送路、出力アンプを経てアナログ電圧信号56を出力する。

モニタ28は、図示しない表示コントローラにより供給される画像データ86が表示デバイスにて動作することにより画像表示される。

ストレージ30は、半導体メモリ等を記録媒体として用いて、信号処理部18から供給される画像データ84を記録する。データの書込み/読出しは、図示しないがシステム制御部20の制御に応じて行われる。

次にディジタルカメラ10における固体撮像素子42の動作について図10を参照しながら説明する。

固体撮像素子42は、図10から明らかなように、同一ラインに高感度な受光素子44と低感度な受光素子46とが混在して配置されている。固体撮像素子42におけるポリ電極100および102は、前述したように２段に積層形成されている。一方のポリ電極100は一点鎖線で表されるポリ電極62に対応し、他方のポリ電極102は二点鎖線で表されるポリ電極64に対応している。あらわに図示していないが、ポリ電極100は受光素子44に蓄積された信号電荷を読み出すフィールドシフトゲートにだけ接続されている。また、ポリ電極102は受光素子46に蓄積された信号電荷を読み出すフィールドシフトゲートにだけ接続されている。

ポリ電極100には図11(a)の第１の垂直同期信号VDに応じて図11(b)に示すフィールドシフトパルス104、すなわち駆動信号V1およびV3が供給される。これにより、高感度な受光素子44から垂直転送路48に読み出された信号電荷は、図11(d)に示すように、1フィールド期間内にアナログ電圧信号56として出力される。また、ポリ電極102にも図11(a)に示す第２の垂直同期信号VDに応じて図11(c)のフィールドシフトパルス106、すなわち駆動信号V2およびV4が供給される。この供給により、低感度な受光素子46から垂直転送路48に読み出された信号電荷は、図11(d)に示すように、次の１フィールド期間内にアナログ電圧信号56として出力される。

なお、垂直転送路48は、４相駆動信号V1, V2, V3およびV4を供給することにより、読み出した信号電荷を効率よく、転送させている。

固体撮像素子42は、このようなポリ電極100および102の接続を用いて、フィールドシフトゲートの駆動タイミングを異ならせて、高感度な信号電荷と低感度な信号電荷とに対応するアナログ電圧信号56をそれぞれ、１フィールド期間内に得ることができる。

このような駆動が可能になることから、シーン判別において、高感度な受光素子44だけで十分なダイナミックレンジが得られる。ここで、高画質な画像が生成されると判定すると、信号読出しを１フィールドだけで済ますことができ、信号読出しの時間短縮に寄与することができる。

さらに、シーン判別について簡単に説明する。シーン判別は、色温度に応じて行なうことが好ましい。このような判別を実現するため、シーン判別部88は、供給される積分値80を用いて、色温度の高低を判別する。より具体的にシーン判別部88は、前述したように、積分値80に含まれる色Gに対する色Bの比B/Gと色Gに対する色Rの比R/Gの値を比較する。条件として比B/Gが比R/Gより大きいとき色温度が高い青味の強いシーンと判別する。また、比R/Gが比B/Gより大きいとき色温度が低い赤味の強いシーンと判別する。とくに、前者のシーン判別された場合、システム制御部20は、高感度な受光素子44だけから信号電荷を受けるように各部を制御する。このように信号処理として見ると、この信号読出しは、処理の簡素化することができることを示している。

この場合、信号処理部18は、供給される信号、すなわち受光素子44によって得られた画像の画素配置がいわゆるハニカム配列に相当している。信号処理部18は、前述した同時化処理によって画素数を倍に増やして、解像度を向上させることができる。

また、シーン判別により広ダイナミックレンジな画像を得る場合、２フィールドに渡って高感度な画素データと低感度な画素データを読み出して、信号処理部18で高感度な画素データと低感度な画素データとのそれぞれに対するガンマ補正を施して、高感度な画素データと低感度な画素データとの該当する画素、たとえば図１および図２から明らかなように、同色の受光素子44と受光素子46の画素データをシーンに応じた混合比で加算させて、広ダイナミックレンジ化を図っている。

なお、本発明に係る固体撮像素子42の色フィルタ40は、図２に示すカラーフィルタセグメント配置に限定されるものでない。図12に示す色フィルタ40は、高感度画素44をG正方RB完全市松パターンにする点で同じであり、さらに低感度画素46における色Gを水平方向、または行方向に配置し、高感度画素44の色Gに対して上下に低感度画素46の色Rおよび色Bが交互に配置するようにしてもよい。

以上のように構成することにより、固体撮像素子42および固体撮像装置42を適用したディジタルカメラ10は、受光素子44の対を一方の対角に配し、受光素子46の対を他方の対角に配することにより、垂直転送路48を挟んで受光素子44と受光素子46とをそれぞれ千鳥状に配され、これまでの広ダイナミックレンジに対応した固体撮像素子をインタレース走査して得られる高感度な受光素子および低感度な受光素子のいずれか一方を用いて形成される画像に比べて半分のフィールドであっても、全ラインに対応してたとえば、受光素子44の画素が得られる。これにより、画像における解像度の劣化を防止することができ、受光素子44と受光素子46との感光領域を異ならせることにより、感度および飽和する信号レベルが異なる画素データも提供することができる。

受光素子44は、感光領域とする開口を垂直転送路48が延びる方向に延ばした形状にして、受光素子46は、感光領域とする開口を垂直転送路48が延びる方向に縮めた形状に形成することにより、受光素子44および46に感度差を持たせることができる。また、受光素子46は、受光素子44の感度および飽和レベルに応じて感光領域を設定することが好ましい。

垂直転送路48は、パケットを形成させる転送電極を平行四辺形と台形とを組み合わせた繰返しパターン形状に形成することにより、転送路の開口面積を広くして、転送効率を向上させることができる。このような転送効率の向上は、単色縦線の発生防止に大きく寄与することができる。

固体撮像素子42は、受光素子44および46に信号電荷を蓄積させ、垂直転送路48に読み出す開閉機能を有するトランスファゲートが受光素子44および46のそれぞれと垂直転送路48との間に形成され、このトランスファゲートの開閉を指示するトランスファシフトゲート信号を提供する信号線100および102が受光素子44と受光素子46とで区別して、それぞれ配線されていることから、受光素子44と受光素子46と信号電荷を別々に読み出すことができる。

蓄積した信号電荷は、第１フィールドの垂直同期信号VDに同期させて、受光素子44だけからトランスファゲートを介して垂直転送路48に読み出し、次に第２フィールドの垂直同期信号VDに同期させて、受光素子46だけからトランスファゲートを介して垂直転送路48に読み出し、垂直転送路48に読み出された信号電荷は、４相駆動信号V1〜V4に応じて転送されることにより、フィールド毎に感度が異なる信号電荷をまとめて得ることができる。

固体撮像素子42は、被写界のシーンに応じて受光素子44から得られる信号電荷だけを読み出す駆動と、受光素子44および46からの信号電荷を順次に読み出す駆動とを行なうことにより、とくに、前者の場合、信号電荷の読出しを簡略化することができ、読み出した信号電荷に対応する画素の配置がハニカム配置であることから、信号処理部18でこれまでの画素補間を適用して解像度を向上させることができる。

本発明の固体撮像装置を適用したディジタルカメラにおける撮像部に使用する固体撮像素子の実施例であり、この固体撮像装置の画素配列を説明する図である。図１の固体撮像素子に対応して配設される色フィルタセグメントの色フィルタ配置を説明する図である。図１の固体撮像素子において高感度な受光素子と低感度な受光素子における感度および飽和レベルの設定にともなう再現領域の拡大を説明する図である。図１の固体撮像素子におけるポリ電極の配線を説明する図である。図４の配線におけるポリ電極の形状および破断線V−Vに沿った断面によるポリ電極の構造を説明する図である。図５の固体撮像素子における垂直転送路に形成するポリ電極の形状を簡略的に説明する図である。図１の固体撮像素子におけるポリ電極の配線、形状および破断線VII−VIIに沿った断面によるポリ電極の構造を説明する図である。図７の固体撮像素子における垂直転送路に形成するポリ電極の形状を簡略的に説明する図である。本発明の固体撮像装置を適用したディジタルカメラの概略的な構成を示すブロック図である。図１の固体撮像素子における受光素子それぞれからの信号電荷読出しおよび垂直転送を説明する図である。図１の固体撮像素子からの信号読出しを説明するタイミングチャートである。図１の固体撮像素子に対応して配設される色フィルタセグメントにおける他の色フィルタ配置を説明する図である。

符号の説明

10 ディジタルカメラ
12 光学系
14 撮像部
16 前処理部
18 信号処理部
20 システム制御部
22 操作部
24 タイミング信号発生器
26 ドライバ
28 モニタ
30 ストレージ
44, 46 受光素子
48 垂直転送路
62, 64 転送電極（ポリ電極）

Claims

入射光を信号電荷に変換する２次元アレイ状に配設された受光素子と、前記受光素子で変換した信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送手段と、前記複数の垂直転送手段に対して直交する水平方向に転送された信号電荷を転送する水平転送手段とを含む固体撮像素子において、該固体撮像素子は、
前記受光素子のうち、前記入射光に対する受光素子の感度が相対的に異なる第１および第２の受光素子を用いて、前記垂直転送手段を挟んで一方の対角に第１の受光素子が配設され、他方の対角に第２の受光素子が配設され、かつ第１および第２の受光素子における前記感光領域の重心を結んで長方形が形成される位置に配設されることを特徴とする固体撮像素子。
請求項１に記載の固体撮像素子において、第１の受光素子は、前記感光領域とする第１の開口を前記垂直転送手段が延びる方向に延ばした形状にして、
第２の受光素子は、前記感光領域とする第２の開口を前記垂直転送手段が延びる方向に縮めた形状に形成することを特徴とする固体撮像素子。
請求項１または２に記載の固体撮像素子において、第２の受光素子は、第１の受光素子の感度および飽和レベルに応じて第２の開口の前記感光領域を設定することを特徴とする固体撮像素子。
請求項１、２または３に記載の固体撮像素子において、前記垂直転送手段は、第１および第２の受光素子から読み出した前記信号電荷を蓄積するパケットを形成させる転送電極の形状が平行四辺形と台形とを組み合わせた繰返しパターン形状に形成されることを特徴とする固体撮像素子。
請求項１、２または３に記載の固体撮像素子において、前記垂直転送手段は、第１および第２の受光素子から読み出した前記信号電荷を蓄積するパケットを形成させる転送電極の形状がともに台形を組み合わせた繰返しパターン形状に形成されることを特徴とする固体撮像素子。
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の固体撮像素子において、該固体撮像素子は、前記受光素子に信号電荷を蓄積させ、前記垂直転送手段に読み出す開閉機能を有する転送ゲートが前記受光素子と前記垂直転送手段との間に形成され、該転送ゲートの開閉を指示する信号を提供する信号線が第１の受光素子と第２の受光素子とでそれぞれ、区別して配線されていることを特徴とする固体撮像素子。
請求項６に記載の固体撮像素子において、該固体撮像素子は、前記蓄積した信号電荷を第１フィールドの垂直同期信号に同期させて、第１の受光素子だけから前記転送ゲートを介して前記垂直転送手段に読み出し、
次に第２フィールドの垂直同期信号に同期させて、第２の受光素子だけから前記転送ゲートを介して前記垂直転送手段に読み出し、
前記垂直転送手段に読み出された信号電荷を４相駆動信号に応じて転送することを特徴とする固体撮像素子。
請求項７に記載の固体撮像素子において、該固体撮像素子は、被写界のシーンに応じて第１の受光素子から得られる信号電荷だけを読み出す駆動と、
第１の受光素子および第２の受光素子からの前記信号電荷を順次に読み出す駆動とを行なうことを特徴とする固体撮像素子。
入射光を信号電荷に変換する２次元アレイ状に配設された受光素子と、前記受光素子で変換した信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送手段と、前記複数の垂直転送手段に対して直交する水平方向に転送された信号電荷を転送する水平転送手段とを含む固体撮像素子、
該固体撮像素子から得られた画像信号に対して信号処理を施す信号処理手段、
前記固体撮像素子および前記信号処理手段の動作タイミングを提供するタイミング信号を発生するタイミング発生手段、
該タイミング信号に基づいて駆動信号を生成する駆動信号生成手段、および
前記信号処理手段から供給されるデータに基づいて被写界のシーンを判別し、該判別結果に応じて前記信号処理手段、前記タイミング発生手段および駆動信号生成手段を制御する制御手段を具備し、
前記固体撮像素子は、前記入射光に対する受光素子の感度が相対的に異なる第１および第２の受光素子を用いて、前記垂直転送手段を挟んで一方の対角に第１の受光素子が配設され、他方の対角に第２の受光素子が配設され、かつ第１および第２の受光素子における前記感光領域の重心を結んで長方形が形成される位置に配設されることを特徴とする固体撮像装置。
請求項９に記載の装置において、第１の受光素子は、前記感光領域とする第１の開口を前記垂直転送手段が延びる方向に延ばした形状にし、
第２の受光素子は、前記感光領域とする第２の開口を前記垂直転送手段が延びる方向に縮めた形状に形成することを特徴とする固体撮像装置。
請求項９または10に記載の装置において、第２の受光素子は、第１の受光素子の感度および飽和レベルに応じて前記感光領域を設定することを特徴とする固体撮像装置。
請求項９、10または11に記載の装置において、前記垂直転送手段は、第１および第２の受光素子から読み出した前記信号電荷を蓄積するパケットを形成する転送電極が平行四辺形と台形とを組み合わせた繰返しパターン形状に形成されることを特徴とする固体撮像装置。
請求項９、10または11に記載の装置において、前記垂直転送手段は、第１および第２の受光素子から読み出した前記信号電荷を蓄積するパケットを形成する転送電極がともに台形を組み合わせた繰返しパターン形状に形成されることを特徴とする固体撮像装置。
請求項９ないし13のいずれか一項に記載の装置において、前記固体撮像素子は、第１および第２の受光素子のそれぞれに信号電荷を蓄積させ、第１および第２の受光素子のそれぞれから前記垂直転送手段に読み出す開閉機能を有する転送ゲートが第１および第２の受光素子のそれぞれと前記垂直転送手段との間に形成され、該転送ゲートの開閉を指示する信号を提供する信号線が第１の受光素子と第２の受光素子とでそれぞれ、区別して配線されていることを特徴とする固体撮像装置。
請求項14に記載の装置において、該装置は、前記蓄積した信号電荷を第１フィールドの垂直同期信号に同期させて、第１の受光素子だけから前記転送ゲートを介して前記垂直転送手段に読み出し、
次に第２フィールドの垂直同期信号に同期させて、第２の受光素子だけから前記転送ゲートを介して前記垂直転送手段に読み出し、
前記垂直転送手段に読み出された信号電荷を４相駆動信号に応じて転送することを特徴とする固体撮像装置。
請求項15に記載の装置において、前記固体撮像素子は、被写界のシーンに応じて第１の受光素子から得られる信号電荷だけを読み出す駆動と、
第１の受光素子および第２の受光素子からの前記信号電荷を順次に読み出す駆動とのいずれかを行なうことを特徴とする固体撮像装置。