JP4241196B2

JP4241196B2 - 撮像装置及び撮像装置の駆動方法

Info

Publication number: JP4241196B2
Application number: JP2003157172A
Authority: JP
Inventors: 勝長田
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2023-06-02
Also published as: JP2004363727A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像装置及び撮像装置の駆動方法に関し、更に詳しくは、赤色フィルタ及び青色フィルタ及び緑色フィルタが形成された多数の光電変換素子を備えた撮像装置と、この撮像装置の駆動方法との改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
デジタルカメラに使用されている撮像装置、例えばＣＣＤ撮像装置は、多数のフォトダイオード（光電変換素子）の上に、赤色光成分，青色光成分，緑色光成分をそれぞれ透過する、赤色フィルタ（Ｒフィルタ），青色フィルタ（Ｂフィルタ），緑色フィルタ（Ｇフィルタ）が形成されている。ＣＣＤ撮像装置には、シリコンが使用されている。シリコンは、緑色＞赤色＞青色の順に光成分に対する感度が高い。そのため、ＣＣＤ撮像装置は、緑色の光成分に対する感度が最も高く、青色の光成分に対する感度が最も低くなる。
【０００３】
上記感度の違いから、図５に示すように、Ｒフィルタ及びＢフィルタが形成されたフォトダイオードから出力された信号電荷（以下、Ｒ信号電荷及びＢ信号電荷と略称する）のレベルは、Ｇフィルタが形成されたフォトダイオードから出力された信号電荷（以下、Ｇ信号電荷と略称する）よりも低くなる。
【０００４】
ＣＣＤにおいて、赤，青，緑の感度のバランスがくずれると、画質が劣化してしまう。そのため、特許文献１及び２記載の発明では、図中破線で示すように、Ｒ信号電荷及びＢ信号電荷のゲインを調整してＧ信号電荷にレベルを合わせていた。
【０００５】
また、特許文献３記載の発明では、Ｇフィルタが形成されているフォトダイオードの露光時間（Ｇ＿Ｅｔ）を、Ｒフィルタ及びＢフィルタが形成されているフォトダイオードの露光時間（Ｒ＿Ｅｔ，Ｂ＿Ｅｔ）よりも短くすることで、各信号電荷のレベルを合わせていた。これは、図６に示すように、電子シャッタ（ＳＵＢ）のオンによって開始されるフォトダイオードの露光において、Ｇフィルタが形成されているフォトダイオードに入力されるトランスファゲートパルス（Ｇ＿ＴＧ）を、Ｒフィルタ及びＢフィルタが形成されているフォトダイオードに入力されるトランスファゲートパルス（Ｒ＿ＴＧ，Ｂ＿ＴＧ）よりも早く入力することで実現している。
【０００６】
【特許文献１】
特開平０５−１２２５１５号公報
【特許文献２】
特開平０５−２６８５１４号公報
【特許文献３】
特開２００３−０６０９９２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｇ信号電荷に合わせるようにＲ信号電荷及びＢ信号電荷のゲイン調整をすると、信号電荷にノイズが乗り、画質が劣化することがあった。また、Ｒ信号電荷及びＢ信号電荷をゲイン調整しなければならないため、その回路構成も複雑になり、コストアップの要因ともなっていた。
【０００８】
更に、Ｇフィルタが形成されたフォトダイオードの露光時間を短くすると、その短くされた期間の画像が撮像されないため、緑色画像（Ｇ画像）を部分的に損失している状態となり、赤色画像及び青色画像（Ｒ画像及びＢ画像）とＧ画像との間にずれが生じていた。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するためのもので、ノイズが乗るほどのゲイン調整を行なわずにＲＧＢ各色の信号電荷のレベルを合わせ、かつＧ画像の損失を少なくすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明の撮像装置は、赤色フィルタ及び青色フィルタが形成されている光電変換素子の露光期間と、緑色フィルタが形成されている光電変換素子の露光期間とを等しくし、かつ緑色フィルタが形成されている光電変換素子の実際の露光時間よりも、赤色フィルタ及び青色フィルタが形成されている光電変換素子の実際の露光時間のほうが長くなるように制御する露光制御手段を設けたものである。これによれば、各光電変換素子の露光期間が等しくなるため、Ｇ画像を大幅に損失することはない。また、Ｒ信号電荷及びＢ信号電荷のレベルをＧ信号電荷のレベルまで上げることができるので、ノイズが乗るほどのゲイン調整を行なわなくても、各信号電荷のレベルを合わせることができる。
【００１１】
また、露光期間中の各光電変換素子の露光は、断続的に複数回行なうようにした。これにより、１回の露光時間を変化させることで、露光期間中の合計露光時間を容易に調整することができる。
【００１２】
更に、本発明の撮像装置の駆動方法は、露光期間中に、緑色フィルタが形成されている光電変換素子の露光を断続的に複数回行なうステップと、緑色フィルタが形成されている光電変換素子の合計露光時間よりも長くなるように、赤色フィルタ及び青色フィルタが形成されている光電変換素子の露光を断続的に複数回行なうステップと、断続的な露光ごとに、各読出しゲートによって光電変換素子の信号電荷を垂直電荷転送路に転送するステップとから構成したものである。また、各露光ごとに電子シャッタをオンして光電変換素子の不要電荷を掃き出してもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明を実施したＣＣＤ撮像装置の構成の一部を示す平面図である。ＣＣＤ撮像装置２は、例えばシリコン等の半導体基板２ａ上に形成されている。半導体基板２ａ上には、複数のフォトダイオード（光電変換素子）３と、垂直電荷転送路４と、トランスファゲート（読出しゲート）５と、水平電荷転送路６と、出力アンプ７とが形成されている。
【００１４】
複数のフォトダイオード３は、多数列、多数行にわたって配列されている。各フォトダイオード３の受光領域上には、赤色の光成分を透過する特性を有するＲフィルタと、青色の光成分を透過する特性を有するＢフィルタと、緑色の光成分を透過する特性を有するＧフィルタとが、例えばベイヤ配列となるように形成されている。なお、図１では、Ｒ，Ｇ，Ｂの各フィルタが形成されているフォトダイオード３に、「Ｒ」，「Ｇ」，「Ｂ」の文字をそれぞれ記載している。
【００１５】
垂直電荷転送路４は、フォトダイオード３の各列の左側に設けられている。垂直電荷転送路４は、電荷結合素子（ＣＣＤ）からなり、垂直転送パルス（φＶ）が入力されたときに、フォトダイオード３から読み出した信号電荷を図中上方から下方に向かって転送する。
【００１６】
トランスファーゲート５は、各フォトダイオード３と垂直電荷転送路４との間に設けられている。トランスファーゲート５は、トランスファーゲートパルス（ＴＧ）が与えられたときに対応するフォトダイオード３から信号電荷を読み出し、垂直電荷転送路４に送り出す。
【００１７】
水平電荷転送路６は、ＣＣＤから構成されており、図中水平方向に沿うように配置されて垂直電荷転送路４の下端に接続されている。水平電荷転送路６は、垂直電荷転送路４から転送された信号電荷を１行単位で受け取り、水平転送パルス（φＨ）に応じて図中左方から右方に向けて転送する。出力アンプ７は、水平電荷転送路６から転送された信号電荷を信号電圧に変換して出力する。
【００１８】
ＣＣＤ撮像装置２の半導体基板２ａには、電子シャッタ用パルス（ＳＵＢ）が入力される。半導体基板２ａにＳＵＢが印加されると、基板側のポテンシャルバリアが崩れるため、フォトダイオード３に充満する不要電荷が半導体基板２ａに掃き出される。
【００１９】
図２は、上記構成のＣＣＤ撮像装置２を用いたデジタルカメラの構成例を示すブロック図である。本デジタルカメラは、ＣＣＤ撮像装置２と、光学系１０と、信号処理回路１１と、タイミングジェネレータ１２と、ドライバ１３と、ＣＰＵ１４とからなる。光学系１０は、撮影レンズなどからなり、ＣＣＤ撮像装置２の受光部に入射光を結像する。
【００２０】
信号処理回路１１は、ＣＣＤ撮像装置２から出力された出力信号に周知の各種信号処理を施し、デジタルの映像信号を出力する。この映像信号は、メモリ等に記憶される。タイミングジェネレータ１２は、ドライバ１３にタイミング信号を入力する。また、信号処理回路１１には、垂直駆動信号（ＶＤ）及び水平駆動信号（ＨＤ）を入力する。ドライバ１３は、タイミングジェネレータ１２から入力されたタイミング信号からφＶ，φＨ，ＴＧ，ＳＵＢを生成し、ＣＣＤ撮像装置２に入力する。ＣＰＵ１４は、信号処理回路１１及びタイミングジェネレータ１２を制御する。
【００２１】
次に、上記構成のデジタルカメラをデジタルスチルカメラとして用いる場合の撮像動作について、図３のタイミングチャートを用いて説明する。まず、タイミングｔ２０において、半導体基板２ａにＳＵＢが印加される。これにより、フォトダイオード３に溜まっていた不要電荷が半導体基板２ａに掃き出され、露光期間が開始される。
【００２２】
また、このｔ２０時には、フォトダイオード３から読み出した信号電荷を垂直電荷転送路４に転送させるトランスファゲートパルスＧ＿ＴＧ，Ｒ＿ＴＧ，Ｂ＿ＴＧが入力される。フォトダイオード３の露光は、Ｇ＿ＴＧ，Ｒ＿ＴＧ，Ｂ＿ＴＧがＨレベルにあるときに行なわれる。また、露光と同時に、信号電荷が垂直電荷転送路４に転送される。
【００２３】
フォトダイオード３の露光は、露光期間中に断続的に複数回行なわれる。しかしながら、Ｒフィルタ及びＢフィルタが形成されているフォトダイオードの１回の露光時間（Ｒ＿Ｅｔ，Ｂ＿Ｅｔ）は、Ｇフィルタが形成されているフォトダイオードの１回の露光時間（Ｇ＿Ｅｔ）よりも長いため、露光期間中の合計露光時間もＲよりＧの方が長くなる。そのため、図４に示すように、ゲイン調整を行なわなくてもＧ信号電荷とＲ信号電荷とのレベルを揃えることができ、Ｂ信号電荷についても、図中破線で示すような僅かなゲイン調整でレベルを合わせることができる。これにより、ゲイン調整によって、画質が悪化するようなノイズが発生することはない。
【００２４】
また、露光期間中にＧ＿ＴＧと、Ｒ＿ＴＧ及びＢ＿ＴＧとが入力されるタイミングを合わせているため、Ｇ画像の損失は僅かとなる。これにより、Ｇ画像と、Ｒ画像及びＢ画像との間で画像のずれが生じて画質が劣化することはない。
【００２５】
ｔ２１において、Ｇフィルタが形成されたフォトダイオード３の露光が終了し、ｔ２２でＲフィルタ及びＢフィルタが形成されたフォトダイオード３の露光が完了する。次いで、ｔ２３において、φＶ，φＨが入力され、垂直電荷転送路４の信号電荷が水平電荷転送路６に転送される。水平電荷転送路６の信号電荷は、出力アンプ７によって信号電圧に変換され、信号処理回路１１に入力される。信号処理回路１１は、入力された信号に周知のゲイン調整やガンマ補正、アナログ／デジタル変換等を施し、映像信号として出力する。デジタルスチルカメラでは、出力された映像信号を内蔵するメモリや、メモリカード等に記憶する。
【００２６】
なお、上記実施形態では、フォトダイオードが垂直及び水平方向に配列された撮像装置を例に説明したが、本発明はフォトダイオードがハニカム配列された撮像装置にも適用することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の撮像装置及び撮像装置の駆動方法によれば、大幅なゲイン調整を行なわなくても、各色の信号電荷のレベルを合わせることができる。これにより、ゲイン調整を原因とするノイズによる画質の悪化は発生しない。また、Ｇ画像の損失を少なくすることができるので、Ｇ画像とＲ画像及びＢ画像との間の画像のずれを小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施したＣＣＤ撮像装置の構成を示す平面図である。
【図２】ＣＣＤ撮像装置を用いたデジタルスチルカメラの構成を示すをブロック図である。
【図３】ＣＣＤ撮像装置の撮像手順を示すタイミングチャートである。
【図４】各色の信号電荷を示すグラフである。
【図５】従来のＣＣＤ撮像装置の各色の信号電荷を示すグラフである。
【図６】従来のＣＣＤ撮像装置の撮像手順を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
２ＣＣＤ撮像装置
３フォトダイオード
４垂直電荷転送路
５トランスファゲート
６水平電荷転送路
１１信号処理回路
１２タイミングジェネレータ
１３ドライバ
１４ＣＰＵ

Claims

電子シャッタ用パルスに応じて露光を行ない、受光量に応じた信号電荷を蓄積する多数の光電変換素子と、
前記各光電変換素子の受光面上にそれぞれ形成され、赤色光成分を透過する特性を有する赤色フィルタと、青色光成分を透過する特性を有する青色フィルタと、緑色光成分を透過する特性を有する緑色フィルタと、
トランスファーゲートパルスに応じて前記各光電変換素子から前記信号電荷を読み出す多数のトランスファーゲートと、
露光期間中に複数の前記電子シャッタ用パルスを所定周期で入力し、前記各光電変換素子を断続的に複数回露光させるとともに、前記電子シャッタ用パルスに同期して前記トランスファーゲートパルスを入力する露光制御手段とを備えており、
前記露光制御手段は、前記赤色フィルタ及び前記青色フィルタが形成された前記光電変換素子から信号電荷を読み出すトランスファーゲートパルスのパルス幅を、前記緑色フィルタが形成された前記光電変換素子から信号電荷を読み出すトランスファーゲートパルスよりも広くしたことを特徴とする撮像装置。
前記赤色フィルタが形成された前記光電変換素子に蓄積される信号電荷のレベルを、前記緑色フィルタが形成された前記光電変換素子に蓄積される信号電荷のレベルに合せたことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
電子シャッタ用パルスに応じて露光を行ない、受光量に応じた信号電荷を蓄積する多数の光電変換素子と、前記各光電変換素子の受光面上にそれぞれ形成され、赤色光成分を透過する特性を有する赤色フィルタと、青色光成分を透過する特性を有する青色フィルタと、緑色光成分を透過する特性を有する緑色フィルタと、トランスファーゲートパルスに応じて前記各光電変換素子から前記信号電荷を読み出す多数のトランスファーゲートとを備えた撮像装置の駆動方法において、
露光期間中に複数の電子シャッタ用パルスを所定周期で入力して、前記各光電変換素子を断続的に複数回露光させるステップと、
前記電子シャッタ用パルスに同期して前記トランスファーゲートパルスを入力し、前記各光電変換素子から信号電荷を読み出す際に、前記赤色フィルタ及び前記青色フィルタが形成された前記光電変換素子から信号電荷を読み出すトランスファーゲートパルスのパルス幅を、前記緑色フィルタが形成された前記光電変換素子から信号電荷を読み出すトランスファーゲートパルスよりも広くするステップとを備えたことを特徴とする撮像装置の駆動方法。
前記赤色フィルタが形成された前記光電変換素子に蓄積される信号電荷のレベルを、前記緑色フィルタが形成された前記光電変換素子に蓄積される信号電荷のレベルに合せたことを特徴とする請求項３記載の撮像装置の駆動方法。