JP2011015205A - デジタルカメラ及び固体撮像素子の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＳＯ感度を所定値に固定した撮影を行う場合でも、被写体の明暗によらずに高品質な被写体画像を撮影する。
【解決手段】複数の画素が半導体基板の表面に二次元アレイ状に配列され被写体からの入射光を受光して該被写体の撮像画像信号を出力する固体撮像素子と、所定のＩＳＯ感度設定値に基づく撮影を行うに当たり予め用意された複数の駆動モード（Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）の中から前記被写体の明るさに応じた駆動モードを選択する制御手段と、該制御手段によって選択された前記駆動モードにより前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＩＳＯ感度を所定感度に固定して撮影する場合でも撮影シーンの明暗によらず高品質な被写体画像を撮影することができるデジタルカメラ及び固体撮像素子の駆動方法に関する。

デジタルカメラで被写体を撮影する場合、シャッタ速度，絞り開口量，ＩＳＯ感度が撮影シーンに応じて夫々調整される。例えば、明るい撮影シーンの場合、シャッタ速度は高速に設定され、絞り開口量は小さく設定され、ＩＳＯ感度は低く（例えばＩＳＯ１００）設定される。暗い撮影シーンの場合は、シャッタ速度は低速に、絞り開口量は大きく、ＩＳＯ感度は高く（例えばＩＳＯ４００）設定される。

これらの調整パラメータ（シャッタ速度，絞り開口量，ＩＳＯ感度）は相互に関連するため、例えば、高速撮影が必要でシャッタ速度をマニュアルで高速に設定すると、ＩＳＯ感度は自動的に高く設定され、絞り開口量は大きく設定される。また、深い被写界深度が必要なときは絞り開口量を小さくするが、これだと入射光量が少なくなるため、シャッタ速度は低速に、ＩＳＯ感度は高感度に設定される。

ＩＳＯ感度は、例えばＣＣＤ型の固体撮像素子の場合、出力段アンプのゲインで設定される。受光量が大きい明るいシーンの場合（信号電荷量が多くなる場合）には、アンプゲインは低くてもよいため、ＩＳＯ感度は低感度に設定される。受光量が少ない暗いシーンでは、アンプゲインを高くして信号量を増幅するため、ＩＳＯ感度を高感度に設定する。しかし、アンプゲインを高くすると、ノイズ成分も信号と同様に増幅してしまうため、被写体の画像はノイズの多い画像になる。

このため、特許文献１記載の従来技術では、アンプゲインを高くしたとき、固体撮像素子で発生するノイズ量が少なくなるように固体撮像素子を駆動している。この従来技術では、信号電荷の転送中の待機パケット数を少なくし、ノイズ量の低減を図っている。

しかしながら、この従来技術では、ＩＳＯ感度を所定感度に決めて固定したとき、アンプゲインも決まり、待機パケット数も決まってしまう。従って、ＩＳＯ感度を所定感度に固定して撮影する場合、撮影シーンの明暗によって被写体画像の品質が左右されてしまうことになる。

固体撮像素子の駆動方法を、撮影モードに応じて変更する従来技術として、下記の特許文献２がある。しかし、この従来技術における撮影モードとは、全画素読出しモード、２ライン間引きモード、フレーム読み出しモード等をいい、明るさに応じた撮影モードではなく、ＩＳＯ感度が所定感度に固定されたときの駆動方法の変更についての記載は見当たらない。

特開２００４―２２１３３９号公報 特開２００１―１２８０６６号公報

本発明の目的は、ＩＳＯ感度を所定感度に固定して撮影する場合でも、撮影シーンの明暗に関わらず高品質な被写体画像を撮影することができるデジタルカメラ及び固体撮像素子の駆動方法を提供することにある。

本発明のデジタルカメラは、複数の画素が半導体基板の表面に二次元アレイ状に配列され被写体からの入射光を受光して該被写体の撮像画像信号を出力する固体撮像素子と、所定のＩＳＯ感度設定値に基づく撮影を行うに当たり予め用意された複数の駆動モードの中から前記被写体の明るさに応じた駆動モードを選択する制御手段と、該制御手段によって選択された前記駆動モードにより前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを備えることを特徴とする。

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、複数の画素が半導体基板の表面に二次元アレイ状に配列され被写体からの入射光を受光して該被写体の撮像画像信号を出力する固体撮像素子の駆動方法であって、所定のＩＳＯ感度設定値に基づく撮影を行うに当たり予め用意された複数の駆動モードの中から前記被写体の明るさに応じた駆動モードを選択して前記固体撮像素子を駆動することを特徴とする。

本発明によれば、ＩＳＯ感度を所定感度に固定して撮影する場合でも、撮影シーンの明暗に関わらず高品質な被写体画像を撮影することができる。

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に示す固体撮像素子の表面模式図である。 図１に示す信号処理部が行う第１実施形態の撮像手順を示すフローチャートである。 図２に示す画素配列（カラーフィルタ配列）の簡略図である。 図４の状態から１行置きの画素行から信号電荷を垂直電荷転送路に読み出した状態を示す図である。 図５の状態から垂直電荷転送路上の信号電荷を垂直方向に２段分転送した状態を示す図である。 図６の状態から残りの画素行から信号電荷を垂直電荷転送路に読み出した状態を示す図である。 図７の状態で垂直転送を行い、水平電荷転送路上の信号電荷を出力側に水平転送する状態を示す図である。 図８の水平転送で空になった水平電荷転送路にラインメモリから信号電荷を転送する様子を示す図である。 水平電荷転送路上で行う画素混合の様子を示す図である。 広ダイナミックレンジ駆動方法を説明する画素配列の簡略図である。 広ダイナミックレンジ駆動方法を説明するタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態の撮像手順を示すフローチャートである。 広ダイナミックレンジ駆動方法でダイナミックレンジ幅を変更する例を説明するタイミングチャートである。 本発明の第３実施形態の撮像手順を示すフローチャートである。 ４画素混合，８画素混合の説明図である。 本発明の第４実施形態の撮像手順を示すフローチャートである。

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スチルカメラの機能ブロック図である。このデジタルスチルカメラ１は、ＣＣＤ型の固体撮像素子１００と、固体撮像素子１００の前段に配置された撮影光学系を構成する撮影レンズ２，絞り３，メカニカルシャッタ４と、固体撮像素子１００を制御すると共に固体撮像素子１００の出力信号を処理するＡＦＥ＆ＴＧ部（ＡＦＥ：アナログフロントエンド、ＴＧ：タイミングジェネレータ）５と、このデジタルスチルカメラ１の全体を統括制御するＣＰＵ（中央演算処理部）を含む信号処理部６と、上記の撮影光学系を制御する駆動制御部７と、被写体に対してフラッシュ光を発光するフラッシュ発光部８と、フラッシュ光の被写体からの反射光を受光する受光部９とを備える。

駆動制御部７とＡＦＥ＆ＴＧ部５は夫々信号処理部６に接続され、信号処理部６によって制御される。また、フラッシュ発光部８と受光部９も信号処理部６に接続され、フラッシュ発光部８は、受光部９の受光量を検知した信号処理部６によって発光量制御が行われる。

信号処理部６には、更に、ユーザからの操作指示（シャッタ操作を含む）を入力する操作部１１と、撮影した被写体画像データを格納する外部メモリ１２と、カメラ背面等に設けられる液晶表示部１３と、図示しない外部機器と接続する入出力（Ｉ／Ｏ）部１４とが接続される。

ＡＦＥ＆ＴＧ部５は、固体撮像素子１００から出力されるアナログの撮像画像信号を相関二重サンプリング処理するＣＤＳ部５ａと、可変利得制御するＶＧＡ部５ｂと、デジタル信号に変換するＡ／Ｄ部５ｃと、固体撮像素子１００に対して各種駆動パルス信号（垂直転送パルス及び読出パルスφＶ、水平転送パルスφＨ、ラインメモリ制御パルスφＬＭ）を生成し出力するタイミングジェネレータＴＧ部５ｄを備える。

図２は、図１に示すＣＣＤ型固体撮像素子１００の表面模式図である。この固体撮像素子１００には、半導体基板の表面部に、複数のフォトダイオード（図中の斜め四角で示す部分）１０１が二次元アレイ状に配列形成されている。

奇数行のフォトダイオード群を第１画素群とし、偶数行のフォトダイオード群を第２画素群としたとき、第１画素群と第２画素群とは、垂直方向，水平方向共に１／２画素ピッチづつずらして形成され、全体として、所謂ハニカム画素配列となっている。

第１画素群だけ見れば各画素１０１は正方格子配列され、各画素上に、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の三原色のカラーフィルタがベイヤ配列されている。第２画素群だけ見ても各画素１０１は正方格子配列され、各画素上に、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の三原色のカラーフィルタがベイヤ配列されている。

各画素列に沿って垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）１０２が蛇行して形成され、各垂直電荷転送路１０２の転送方向端部に沿って水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）１０３が形成され、水平電荷転送路１０３の出力端部には、転送されてきた信号電荷の電荷量に応じた電圧値信号を撮像画像信号として出力するアンプ１０４が設けられている。また、各垂直電荷転送路１０２の転送方向端部と水平電荷転送路１０３との間には、各垂直電荷転送路１０２毎にバッファ領域を持つラインメモリ１０５が設けられている。

このラインメモリ１０５は、例えば特開２００２―１１２１１９号公報や特開２００２―１１２１２２号公報に記載されている様なラインメモリであり、ラインメモリ制御パルス（φＬＭ）に従って垂直電荷転送路１０２から受け取った信号電荷を一時的に保持し、保持した信号電荷を、水平電荷転送路１０３の転送タイミングに合わせて水平電荷転送路１０３に転送する機能を有する。これにより、例えば、或るＲ画素（カラーフィルタＲを搭載した画素）の信号電荷と、このＲ画素の左斜め下位置のＲ画素の信号電荷とを、詳細は後述する様に、水平電荷転送路１０３上で画素加算することが可能となる。

各画素１０１には、１画素につき４枚の転送電極が設けられており、画素に隣接する中央２枚の転送電極のうち一方たとえば下側（ＨＣＣＤ１０３側）の転送電極が読出電極兼用となっている。第１画素群の読出電極には第１画素群用の読出パルスが共通に印加され、第２画素群の読出電極には第２画素群用の読出パルスが印加される接続構成となっている。図中で、各画素１０１から右斜め下方向に出ている矢印は、信号電荷の読み出し方向，読み出し位置を示している。

なお、「垂直」「水平」という用語を用いて説明したが、これは、半導体基板の表面に沿う「１方向」「この１方向に対して略直角の方向」という意味に過ぎない。

図３は、図１に示す信号処理部６のＣＰＵが実行する撮像手順を示すフローチャートである。図１には図示を省略した電源スイッチが投入されると、固体撮像素子１００からは撮像画像信号が所定周期で、例えば１秒間に３０フレームの撮像画像信号が出力される。各フレームの撮像画像信号はＡＦＥ＆ＴＧ部５を通って信号処理部６に取り込まれ、周知の画像処理が施されたあとスルー画像としてＬＣＤ表示部１３に動画状態で表示される。

この様な状態の下で、ＣＰＵ６は、固体撮像素子１００から出力される撮像画像信号を解析し、被写体までの焦点距離を決定して撮影レンズ２の焦点調整を駆動部７を介して行うと共に、シャッタ速度，絞り開口量を決定し、更に、ＩＳＯ感度を所要の固定値に設定する。また、撮像画像信号を解析して得られた被写体の明るさデータ（ＥＶ値）が、「７」より小さいか、「７」から「１３」の間にあるか、「１３」より大きいかを判定する（ステップＳ１）。

この判定の結果、ＥＶ値が「７」より小さい場合すなわち暗い撮影シーンの場合には、ステップＳ２に進み、ＥＶ値が「７」と「１３」の間にある場合すなわち普通の明るさの撮影シーンの場合には、ステップＳ３に進み、ＥＶ値が「１３」より大きい場合すなわち明るい撮影シーンの場合には、ステップＳ４に進む。

各ステップＳ２，Ｓ３，Ｓ４では、詳細は後述するように、撮影シーンの明るさに応じた固体撮像素子１００の駆動方法が設定され、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、撮像素子１００の駆動方法に応じた撮影処理が行われる。例えば、ＣＰＵ６は、ＡＦＥ＆ＴＧ部５を通して設定した駆動方法で固体撮像素子１００を駆動させ、操作部１１から入力されるシャッタレリーズボタンの全押しを検知したとき、固体撮像素子１００から出力される撮像画像信号を取り込む。そして、この撮像画像信号に対して、固体撮像素子１００の駆動方法に応じた画像処理を施し、ＪＰＥＧ画像データに変換するなどして外部メモリ１２に格納する。

本実施形態では、固体撮像素子１００の駆動方法として、ステップＳ２で設定する画素混合駆動モード、ステップＳ３で設定する通常の全画素駆動モード、ステップＳ４で設定する広ダイナミックレンジ駆動モードの３種類が予め用意されており、各駆動モードを実現する駆動タイミングデータが、ＣＰＵ６内の図示しないＲＯＭ等に格納されている。そして、被写体の明るさに応じて、使用する駆動タイミングデータが読み出されてタイミングジェネレータ５ｄに渡され、その駆動タイミングで固体撮像素子１００が駆動される。

先ず、ステップＳ３で設定される全画素駆動モードについて説明する。図４は、図２に示す固体撮像素子１００の画素配列（カラーフィルタ配列）の簡略図である。図示する様に、本実施形態の固体撮像素子１００では、右斜め上４５度の方向に延びる画素行は１行置きに全画素がＧのカラーフィルタを持ち、残りの１行置きの画素行は、連続する２画素づつ同色のカラーフィルタ（Ｒ，Ｂ）を交互に持つ構成となっている。

図中のＶ１〜Ｖ８は、垂直転送電極を示している。転送電極Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７は、読出電極兼用である。図５に示す様に、読出電極Ｖ１，Ｖ５に読出パルスを印加すると、読出電極Ｖ１，Ｖ５下に形成される電位パケット内に、当該画素の受光量に応じた信号電荷（Ｒ画素の信号電荷を「Ｒ」、Ｇ画素の信号電荷を「Ｇ」、Ｂ画素の信号電荷を「Ｂ」としている。）が読み出される。

この図５の状態で、転送電極Ｖ１〜Ｖ８に垂直転送パルスφＶを印加し、垂直電荷転送路上の信号電荷を垂直方向に２段分だけ転送した状態が、図６である。この図６の状態では、垂直電荷転送路上の信号電荷は、転送電極Ｖ３，Ｖ７下の電位パケット内に収納されている。

ここで、読出電極Ｖ３，Ｖ７に読出パルスを印加すると、図５では信号電荷が読み出されていない残りの画素から信号電荷が電極Ｖ３，Ｖ７下の電位パケット内に読み出され、図７に示す状態となる。即ち、上下に隣接する奇数行と偶数行の各画素行の信号電荷が個々に連続的に横一行に並ぶことになる。

以後、この状態で、垂直電荷転送路を垂直方向に転送駆動することで、信号電荷は横一行の状態を保ったまま転送され、図８に示す様に、ラインメモリ１０５を通して水平電荷転送路１０３まで転送される。

水平電荷転送路１０３に、横一行の個々の信号電荷が転送されたとき、垂直転送を一時停止し、水平電荷転送路１０３を水平方向に転送して横一行の個々の信号電荷をアンプ１０４まで順に転送し、個々の信号電荷の電圧値信号を撮像画像信号として個別に出力する。

そして、水平電荷転送路１０３が空になった後、再び、図９に示す様に垂直転送を行って次の横一行の個々の信号電荷を水平電荷転送路１０３に入れる、という動作を繰り返すことで、１画面分の個々の画素１０１の各撮像画像信号を個別に出力する。

この固体撮像素子の全画素駆動モードは、上述した様に、各画素１０１が検出した信号電荷量に応じた電圧値信号を個別にアンプ１０４から出力するため、被写体の高精細な画像を再生することができる。

次に、ステップＳ２で設定される画素混合駆動モード（画素加算駆動モード）について説明する。図８，図９に示す様に、ラインメモリ１０５の個々のバッファ領域に、横一行の個々の信号電荷が転送されるまでは、上述した全画素駆動方法と同じである。本実施形態の画素混合駆動モードは、ラインメモリ１０５から水平電荷転送路１０３への転送時の駆動タイミングが異なる。

ラインメモリ１０５は、例えば、横一行の各バッファ領域に設ける転送電極（制御電極）のうち１つ置きに異なる転送パルスを印加できる配線接続にしておく。例えば、パルスφＬＭ１を１つ置きの制御電極に印加し、残りの１つ置きの制御電極にパルスφＬＭ２を印加する配線接続としておく。

全画素駆動モードの時は、ラインメモリ（ＬＭ）１０５に印加するパルスを、φＬＭ１＝φＬＭ２とすることで、ラインメモリ１０５の全バッファ領域を同一駆動するが、この画素混合駆動モードのときはφＬＭ１≠φＬＭ２とし、駆動タイミングを変える。

図８に示す様に、図２の画素配列（カラーフィルタ配列）では、…ＧＧＢＢＧＧＢＢＧＧＢＢ…と水平方向横一行に各色の信号電荷が並ぶ行と、…ＲＲＧＧＲＲＧＧＲＲ…と水平方向横一行に各色の信号電荷が並ぶ行とが交互に垂直方向に転送される。即ち、同色の信号電荷が横に２つづつ並ぶことになる。

そこで、先ず、図１０（ａ）→図１０（ｂ）に示す様に、ラインメモリ１０５上の各バッファの１つ置きの信号電荷を水平電荷転送路１０３に転送し、次に図１０（ｃ）に示す様に、水平電荷転送路１０３を水平方向に１段分転送する。これにより、ラインバッファ１０５上に残っている信号電荷の色と、水平電荷転送路１０３で１段分転送された信号電荷の色とが同色で整列することになる。このとき、図１０（ｄ）に示す様に、ラインメモリ１０５上の信号電荷を水平電荷転送路に転送することで、同色の２画素分の信号電荷が水平電荷転送路上で加算（混合）される。

その後、水平電荷転送路１０３を水平方向に転送し、２画素加算した信号電荷量に応じた電圧値信号を撮像画像信号としてアンプ１０４から出力し、水平電荷転送路が空になったとき、垂直転送を行って次の横一行の信号電荷を垂直電荷転送路からラインメモリ１０５に転送する。この様な動作を繰り返すことで、２画素加算した撮像画像信号が固体撮像素子１００から出力される。

この画素混合駆動モードでは、近接する２つの同色画素が検出する信号電荷を画素加算して撮像画像信号として出力するため、被写体画像の画像解像度は全画素駆動モードに比較して低下するが、信号電荷量が２画素分に増えるため、暗いシーンでも黒潰れしない高感度な被写体画像を得ることが可能になる。

次に、ステップＳ４で設定される広ダイナミックレンジ駆動モードについて説明する。図１０で説明した画素混合駆動モードでは、例えば或る信号電荷Ｂと、その右斜め上の信号電荷Ｂとを２画素加算して出力したが、この２つの信号電荷Ｂを得る２つの画素（フォトダイオード）では、同時に露光開始し、同時に露光終了し、その露光期間を同一とする駆動タイミングで固体撮像素子が駆動されている。これに対し、本実施形態の広ダイナミックレンジ駆動モードでは、２つの画素の露光期間を変える駆動タイミングで固体撮像素子を駆動し、２つの露光時間の異なる信号電荷の夫々の電圧値信号（撮像信号）を個別に出力した後、信号処理で、長時間露光の撮像信号と短時間露光の撮像信号とを２画素加算している。

本実施形態では、図４と同じカラーフィルタ配列において、転送電極Ｖ１，Ｖ５を読出電極とする画素を短時間露光用画素とし、転送電極Ｖ３，Ｖ７を読出電極とする画素を長時間露光用画素とする。長時間露光による信号電荷をＲ，Ｇ，Ｂの大文字で示し、短時間露光による信号電荷をｒ，ｇ，ｂの小文字で示した図が図１１である。

図１２は、広ダイナミックレンジ駆動モードを示すタイミングチャートである。メカニカルシャッタ「開」の状態下で、ＯＦＤ（オーバーフロードレイン）パルスの印加停止タイミングｘで、長時間露光用画素と短時間露光用画素の夫々で露光が開始し、信号電荷の蓄積が始まる。

次の任意タイミングｙで、読出電極Ｖ１，Ｖ５に読出パルス２１を印加すると、タイミングｘ〜ｙの間で短時間露光用画素に蓄積されていた信号電荷が垂直電荷転送路に読み出されてしまうことになる。読出電極Ｖ３，Ｖ７にはタイミングｙでの読出パルスの印加はないため、長時間露光用画素ではタイミングｘからの信号電荷の蓄積が続いている。タイミングｙで一旦「空」となった短時間露光用画素には再び信号電荷の蓄積が開始する。

シャッタスピードで決まる次のタイミングｚで、メカニカルシャッタが「閉」となり、長時間露光用画素，短時間露光用画素の露光が終了する。次に、垂直電荷転送路を高速掃出パルス２２で駆動すると、タイミングｙで短時間露光用画素から垂直電荷転送路に読み出されたタイミングｘ〜ｙまでの信号電荷は廃棄されてしまう。

これにより、長時間露光用画素には、タイミングｘ〜ｚ（露光期間Ｔ）の信号電荷が蓄積され、短時間露光用画素には、タイミングｙ〜ｚ（露光期間ｔ）の信号電荷が蓄積されることになる。

以後、全画素駆動モードで説明した図４〜図９の読出処理により、例えば図８に対応する或る画素行の読出処理では、…ｇＢｂＧｇＢｂＧ…の順に各信号電荷量に応じた撮像画像信号が固体撮像素子１００から出力され、次行の読出処理では…ｒＧｇＲｒＧｇＲ…の順に各信号電荷量に応じた撮像画像信号が固体撮像素子１００から出力される。固体撮像素子１００から出力された撮像画像信号は後段の信号処理部６で信号処理されるが、このとき、連続する同色２画素（図１１で述べれば、斜め方向に並ぶ同色２画素）の撮像画像信号が画素加算（Ｒ＋ｒ，Ｇ＋ｇ，Ｂ＋ｂ）され、広ダイナミックレンジの撮像画像信号が生成される。

これにより、撮影シーンが明るい場合でも、白飛びしない被写体画像を撮影することが可能となる。

この様に、本実施形態によれば、ＩＳＯ感度を所定感度に固定して撮影する場合においても、被写体の明るさに応じて固体撮像素子１００の駆動方法を変えることにより、被写体の高品質な画像を被写体の明暗に関わらず撮影することが可能となる。

図１３は、本発明の別実施形態に係る撮像手順を示すフローチャートである。図３の撮像手順では、固体撮像素子の駆動方法として、画素混合駆動モード，全画素駆動モード，広ダイナミックレンジ駆動モードの３つを用意したが、本実施形態では、更に広ダイナミックレンジ駆動モードを、被写体明るさに応じた、ダイナミックレンジ２００％モード，４００％モード，８００％モードの３つに細分している。

即ち、ステップＳ１の判定の結果、ＥＶ値が「１３」より大きい場合には次のステップＳ１ａで、ＥＶ値が「１３」であるのか、ＥＶ値が「１４」であるかの、ＥＶ値が「１５」であるのかを判定する。

ＥＶ値＝１３の場合には、ステップＳ４ａに進んでダイナミックレンジ２００％モードを設定し、ＥＶ値＝１４の場合には、ステップＳ４ｂに進んでダイナミックレンジ４００％モードを設定し、ＥＶ値＝１５の場合には、ステップＳ４ｃに進んでダイナミックレンジ８００％モードを設定し、ステップＳ５に進む。他のステップＳ２，Ｓ３は、図３の実施形態と同じである。

図１４は、ダイナミックレンジ２００％モード，４００％モード，８００％モードを切り替える駆動タイミングを示す図である。タイミングｘ，ｚに対し、図１２のタイミングｙを、タイミングｙ１，ｙ２，ｙ３に切り替えることで、ダイナミックレンジ２００％，４００％，８００％を実現している。

即ち、タイミングｘ〜ｚの露光期間Ｔに対して、例えばＴ／２となるタイミングｙ１を設定することで、ダイナミックレンジ２００％を実現する短時間露光期間Ｔ200を決めている。また、例えばＴ／４となるタイミングｙ２を設定してダイナミックレンジ４００％を実現する短時間露光期間Ｔ400を決め、Ｔ／８となるタイミングｙ３を設定してダイナミックレンジ８００％を実現する短時間露光期間Ｔ800を決めている。

この様にすることで、撮影シーンが明るすぎる場合でもきめ細かなダイナミックレンジの設定を自動的に行い、白飛びの無い高品質な被写体画像を得ることが可能となる。

図１５は、本発明の更に別実施形態に係る撮像手順を示すフローチャートである。図１３の撮像手順では、図３の固体撮像素子の駆動方法のうち広ダイナミックレンジ駆動モードを３つに細分したが、本実施形態では、図３の画素混合駆動モードを被写体明るさに応じた加算画素数で３つに細分している。

即ち、本実施形態では、被写体のＥＶ値が「７」より小さい場合にはステップＳ１ｂに進み、ＥＶ値＝５or６の場合にはステップＳ２ａに進んで２画素混合駆動モードを設定し、ＥＶ値＝３or４の場合にはステップＳ２ｂに進んで４画素混合駆動モードを設定し、ＥＶ値＝１or２の場合にはステップＳ２ｃに進んで８画素混合駆動モードを設定し、ステップＳ５に進む。他のステップＳ３，Ｓ４は図３の実施形態と同じである。

２画素混合駆動モードとは図１０で説明した水平電荷転送路上での２画素加算と同じであり、図１５のステップＳ２ａは、図３のステップＳ２と同じである。

ステップＳ２ｂの４画素混合駆動モードとは、例えば、図１６の或る画素列に沿って垂直方向に隣接する２つのＧ信号電荷５１，５２を垂直電荷転送路に読み出してこの垂直電荷転送路上で混合してしまう。

このとき、Ｇ信号電荷５１，５２間のＢ信号電荷６１の垂直電荷転送路への読み出しは行わずに、Ｇ信号電荷５１，５２の読み出し，混合，アンプ１０４からの出力後に、Ｂ信号電荷の読み出し，混合，出力を行う。隣接する垂直電荷転送路上でも、２つのＧ信号電荷５３，５４を画素混合を行う。

そして、垂直電荷転送路上で２画素混合したＧ信号電荷（５１，５２）及びＧ信号電荷（５３，５４）を、図１０で説明した様にして、水平電荷転送路上で加算し、計４画素の信号電荷の混合を行ってから、アンプ１０４から出力する。同様に、Ｇ信号電荷５５，５６，５７，５８の同色４画素の画素混合を行い、アンプ１０４から出力する。他色のＢ信号電荷，Ｒ信号電荷についても同様に４画素混合を行い、アンプ１０４から出力する。

この場合、垂直転送電極として、図４の８相駆動用の電極Ｖ１〜Ｖ８ではなく、図１６に示す様に１６相駆動用の電極Ｖ１〜Ｖ１６を設けた方が、垂直電荷転送路上での画素加算の垂直駆動が容易となる。この１６相駆動用の電極配線とした場合に８相駆動する必要が生じたとき（例えば、図４〜図８で説明した駆動方法を行う時）は、電極Ｖ１と電極Ｖ９に同一パルスφＶ１を印加し、Ｖ２，Ｖ１０に同一パルスφＶ２を印加し、…とすることで、問題はなく８相駆動が実現される。

ステップＳ２ｃの８画素混合駆動モードとは、例えば図１６において、同色で隣接するＧ信号電荷５１，５２，５５，５６を垂直電荷転送路上で混合し、隣接する垂直電荷転送路上でもＧ信号電荷５３，５４，５７，５８を混合し、これらを水平電荷転送路上で画素混合して８画素加算を行う。Ｂ信号電荷，Ｒ信号電荷についても同様に８画素加算を行う。

この様に、近接する同色画素で画素混合する画素数が増えるほど、暗いシーンでも高感度な信号電荷量を得ることができ、画像解像度は低下するが、高品質な被写体画像を得ることが可能となる。

図１７は、本発明の更に別実施形態に係る撮像手順を示すフローチャートである。本実施形態は、図１３の実施形態と図１５の実施形態とを併せた撮像手順となっている。暗すぎる撮影シーンから明るすぎる撮影シーンまで、どの様な撮影シーンであっても、撮影シーンの明るさに応じて、駆動タイミングの異なる固体撮像素子の駆動方法すなわち駆動モードを適切に選択することで、常に高品質な被写体画像を得ることが可能となる。

なお、上述した実施形態では、図２に示すＣＣＤ型固体撮像素子すなわち、カラーフィルタ配列をベイヤ配列とした正方格子配列の第１画素群と、これと垂直方向，水平方向に１／２画素ピッチづつずらした正方格子配列の第２画素群であって同じくカラーフィルタ配列をベイヤ配列とした第２画素群とを混在させたハニカム画素配列の固体撮像素子を例に説明したが、本発明はこの固体撮像素子に限るものではない。例えば、各画素が正方格子配列された固体撮像素子に適用することができ、また、ＣＣＤ型でなくても、画素混合して同色信号を読み出すことができ、また、露光期間の異なる同色信号を混合して読み出すことができる固体撮像素子であれば、本発明を適用可能である。

なお、上述した実施形態では、被写体の露光条件に基づいてＣＰＵがＩＳＯ感度を所定感度に設定した後、被写体の明るさに応じて固体撮像素子の駆動モードをＣＰＵが自動的に設定したが、ユーザがマニュアルでＩＳＯ感度を所定感度に設定したとき、被写体の明るさに応じて固体撮像素子の駆動モードをＣＰＵ側が自動的に設定する構成とすることでも良い。

以上述べた様に、実施形態によるデジタルカメラ及び固体撮像素子の駆動方法は、複数の画素が半導体基板の表面に二次元アレイ状に配列され被写体からの入射光を受光して該被写体の撮像画像信号を出力する固体撮像素子を搭載したデジタルカメラ及び固体撮像素子の駆動方法であって、所定のＩＳＯ感度設定値に基づく撮影を行うに当たり予め用意された複数の駆動モードの中から前記被写体の明るさに応じた駆動モードを選択して前記固体撮像素子を駆動することを特徴とする。

また、実施形態のデジタルカメラ及び固体撮像素子の駆動方法は、前記被写体の明るさが暗く該明るさを表すＥＶ値が第１所定値より小さいときに選択され近接する複数の画素の検出信号を加算して出力する画素混合駆動モードと、前記被写体の明るさが明るく前記ＥＶ値が前記第１所定値より大きな第２所定値より大きいときに選択され近接する長時間露光画素と短時間露光画素の各検出信号を個別に出力した後、信号処理で加算させる広ダイナミックレンジ駆動モードと、前記ＥＶ値が前記第１所定値と前記第２所定値との間のときに選択され各画素の検出信号を独立して読み出す全画素駆動モードとが、前記複数の駆動モードとして予め用意されることを特徴とする。

また、実施形態のデジタルカメラ及び固体撮像素子の駆動方法は、前記画素混合駆動モードとして、前記加算する画素数が異なる複数の画素混合駆動モードが前記被写体の明るさに応じて用意されることを特徴とする。

また、実施形態のデジタルカメラ及び固体撮像素子の駆動方法は、前記広ダイナミックレンジ駆動モードとして、前記長時間露光画素の露光期間と前記短時間露光画素の露光期間との比が異なる複数の広ダイナミックレンジ駆動モードが前記被写体の明るさに応じて用意されることを特徴とする。

これにより、ＩＳＯ感度を所定値に固定した撮影を行う場合でも、被写体の明暗によらずに高品質な被写体画像を得ることが可能となる。

本発明に係るデジタルカメラ及びその固体撮像素子駆動方法は、ＩＳＯ感度の設定が所定感度に固定された状態でも、撮影シーンの明暗によって固体撮像素子の駆動方法（駆動タイミング）を変更して被写体画像の高品質撮影を可能としたため、デジタルスチルカメラ，デジタルビデオカメラ，カメラ付携帯電話機，カメラ付電子装置，複数台のデジタルカメラを配置して全周囲３６０度の画像を撮影する全方位撮像装置等に適用すると有用である。

１ デジタルスチルカメラ
２ 撮影レンズ
３ 絞り
４ メカニカルシャッタ
５ ＡＦＥ＆ＴＧ部
５ａ ＣＤＳ部
５ｂ ＶＧＡ部
５ｃ Ａ／Ｄ部
５ｄ ＴＧ（駆動手段）
６ 信号処理部（ＣＰＵを含む）
１００ 固体撮像素子
１０１ 画素（フォトダイオード）
１０２ 垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）
１０３ 水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）
１０４ 出力アンプ
１０５ ラインメモリ

Claims (8)

1. 複数の画素が半導体基板の表面に二次元アレイ状に配列され被写体からの入射光を受光して該被写体の撮像画像信号を出力する固体撮像素子と、所定のＩＳＯ感度設定値に基づく撮影を行うに当たり予め用意された複数の駆動モードの中から前記被写体の明るさに応じた駆動モードを選択する制御手段と、該制御手段によって選択された前記駆動モードにより前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを備えるデジタルカメラ。
2. 請求項１に記載のデジタルカメラであって、前記被写体の明るさが暗く該明るさを表す値が第１所定値より小さいときに選択され近接する複数の画素の検出信号を加算して出力する画素混合駆動モードと、前記被写体の明るさが明るく該明るさを表す値が前記第１所定値より大きな第２所定値より大きいときに選択され近接する長時間露光画素と短時間露光画素の各検出信号を出力して加算させる広ダイナミックレンジ駆動モードと、前記被写体の明るさを表す値が前記第１所定値と前記第２所定値との間のときに選択され各画素の検出信号を独立して読み出す全画素駆動モードとが、前記複数の駆動モードとして予め用意されるデジタルカメラ。
3. 請求項２に記載のデジタルカメラであって、前記画素混合駆動モードとして、前記加算する画素数が異なる複数の画素混合駆動モードが前記被写体の明るさに応じて用意されるデジタルカメラ。
4. 請求項２又は請求項３に記載のデジタルカメラであって、前記広ダイナミックレンジ駆動モードとして、前記長時間露光画素の露光期間と前記短時間露光画素の露光期間との比が異なる複数の広ダイナミックレンジ駆動モードが前記被写体の明るさに応じて用意されるデジタルカメラ。
5. 複数の画素が半導体基板の表面に二次元アレイ状に配列され被写体からの入射光を受光して該被写体の撮像画像信号を出力する固体撮像素子の駆動方法であって、所定のＩＳＯ感度設定値に基づく撮影を行うに当たり予め用意された複数の駆動モードの中から前記被写体の明るさに応じた駆動モードを選択して前記固体撮像素子を駆動する固体撮像素子の駆動方法。
6. 請求項５に記載の固体撮像素子の駆動方法であって、前記被写体の明るさが暗く該明るさを表す値が第１所定値より小さいときに選択され近接する複数の画素の検出信号を加算して出力する画素混合駆動モードと、前記被写体の明るさが明るく前記被写体の明るさを表す値が前記第１所定値より大きな第２所定値より大きいときに選択され近接する長時間露光画素と短時間露光画素の各検出信号を出力して加算させる広ダイナミックレンジ駆動モードと、前記被写体の明るさを表す値が前記第１所定値と前記第２所定値との間のときに選択され各画素の検出信号を独立して読み出す全画素駆動モードとが、前記複数の駆動モードとして予め用意される固体撮像素子の駆動方法。
7. 請求項６に記載の固体撮像素子の駆動方法であって、前記画素混合駆動モードとして、前記加算する画素数が異なる複数の画素混合駆動モードが前記被写体の明るさに応じて用意される固体撮像素子の駆動方法。
8. 請求項６又は請求項７に記載の固体撮像素子の駆動方法であって、前記広ダイナミックレンジ駆動モードとして、前記長時間露光画素の露光期間と前記短時間露光画素の露光期間との比が異なる複数の広ダイナミックレンジ駆動モードが前記被写体の明るさに応じて用意される固体撮像素子の駆動方法。

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