JP2011114474A - 撮像装置及び固体撮像素子の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スミアを低減したことによる画質劣化を防ぐことが可能な撮像装置を提供する。
【解決手段】複数の光電変換素子を有するＣＣＤ型の固体撮像素子５を備えた撮像装置であって、複数の光電変換素子は、被写体光に応じた電荷を発生する有効光電変換素子及びスミアを検出するためのスミア検出用光電変換素子を含み、固体撮像素子５を駆動する駆動部５ａと、スミア検出用画素から出力された信号に基づいて、有効画素が配置される領域全体に対するスミア発生領域の割合（以下、スミア発生割合という）を算出するスミア発生割合算出部１８とを備え、駆動部５ａは、スミア発生割合が閾値以上のときにスミア低減駆動で固体撮像素子５を駆動して信号を読み出し、スミア発生割合が閾値未満のときに通常駆動で固体撮像素子５を駆動して信号を読み出し、スミア低減駆動とは、通常駆動時よりも電荷を読み出す光電変換素子数を減らした駆動である。
【選択図】図１３

Description

本発明は、撮像装置及び固体撮像素子の駆動方法に関する。

撮像素子としてＣＣＤ（Charge Coupled Device）型イメージセンサを搭載するデジタルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置においては、メカニカルシャッタを用いないで撮影を行ったときに、ＣＣＤ特有の現象であるスミアの発生が問題となる。

スミアを低減する方法としては、特許文献１に開示されているように、間引き駆動を行って電荷を高速転送する方法が知られている。この方法は、電荷を高速転送するため、スミアの発生していない転送路において電荷の転送残りが発生し、画質が劣化してしまう可能性がある。スミアがある程度広範囲に発生していた場合には、この転送残りによる画質劣化よりも、高速転送したことによるスミア低減の効果の方が大きくなるため、最終的な画質は良好なものにすることができる。しかし、スミアが局所的に発生していた場合（例えば、１つの垂直電荷転送路にだけスミアが発生していた場合）には、転送残りによる画質劣化の方が、高速転送したことによるスミア低減の効果よりも大きくなってしまうことがあり、最終的な画質は逆に劣化してしまう。

特許文献２に開示されているように、スミア低減駆動は、スミアが発生していると判定された場合にのみ実施する方法が一般的である。しかし、このような方法においてスミア低減駆動として間引き駆動を採用すると、スミアが局所的に発生していた場合に、上述した理由によって画質が劣化してしまう。

特開２００３−２３４９６４号公報 特開２００９−８９０７５号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、スミアを低減したことによる画質劣化を防ぐことが可能な撮像装置及び固体撮像素子の駆動方法を提供することを目的とする。

本発明の撮像装置は、複数の画素を有するＣＣＤ型の固体撮像素子を備えた撮像装置であって、前記複数の画素は、被写体光に応じた電荷を発生する有効画素及びスミアを検出するためのスミア検出用画素を含み、前記固体撮像素子を駆動して前記複数の画素から信号を読み出す駆動部と、前記スミア検出用画素から出力された信号に基づいて、前記有効画素が配置される領域全体に対するスミア発生領域の割合（以下、スミア発生割合という）を算出するスミア発生割合算出部とを備え、前記駆動部は、前記スミア発生割合が閾値以上のときにスミア低減駆動で前記固体撮像素子を駆動して信号を読み出し、前記スミア発生割合が閾値未満のときに通常駆動で前記固体撮像素子を駆動して信号を読み出し、前記スミア低減駆動とは、前記通常駆動時よりも電荷を読み出す画素数を減らした駆動である。

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、複数の画素を有するＣＣＤ型の固体撮像素子の駆動方法であって、前記複数の画素は、被写体光に応じた電荷を発生する有効画素及びスミアを検出するためのスミア検出用画素を含み、前記スミア検出用画素から出力された信号に基づいて、前記有効画素が配置される領域全体に対するスミア発生領域の割合（以下、スミア発生割合という）を算出するスミア発生割合算出ステップと、前記スミア発生割合が閾値以上のときにスミア低減駆動で前記固体撮像素子を駆動して信号を読み出し、前記スミア発生割合が閾値未満のときに通常駆動で前記固体撮像素子を駆動して信号を読み出す駆動ステップとを備え、前記スミア低減駆動とは、前記通常駆動時よりも電荷を読み出す画素数を減らした駆動である。

本発明によれば、スミアを低減したことによる画質劣化を防ぐことが可能な撮像装置及び固体撮像素子の駆動方法を提供することができる。

本発明の一実施形態を説明するための撮像装置の概略構成を示す図 図１に示したデジタルカメラにおける固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図 図２に示す固体撮像素子の受光部に含まれる画素の配列例を示した図 図１に示したデジタルカメラにおける固体撮像素子から通常駆動で信号を読み出す方法を説明する図 図１に示したデジタルカメラにおける固体撮像素子の通常駆動時における駆動パルスのタイミングチャート例を示す図 図１に示したデジタルカメラにおける固体撮像素子からスミア低減駆動（第一フィールド）で信号を読み出す方法を説明する図 図１に示したデジタルカメラにおける固体撮像素子のスミア低減駆動（第一フィールド）時における駆動パルスのタイミングチャート例を示す図 図１に示したデジタルカメラにおける固体撮像素子からスミア低減駆動（第二フィールド）で信号を読み出す方法を説明する図 図１に示したデジタルカメラにおける固体撮像素子のスミア低減駆動（第二フィールド）時における駆動パルスのタイミングチャート例を示す図 図１に示したデジタルカメラにおける固体撮像素子の通常駆動時に出力される撮像信号を模式的に示した図 図１に示したデジタルカメラにおける固体撮像素子からスミア低減駆動時に出力される撮像信号を模式的に示した図 図１に示したデジタルカメラにおける固体撮像素子からスミア低減駆動時に各フィールドで出力される２つの撮像信号を合成処理する方法を説明する図 図１に示すデジタルカメラが記録媒体に画像データを記録するための記録用の撮像を実施するときの動作フローを示した図 図２に示す固体撮像素子の受光部に含まれる画素の別の配列例を示した図

以下、本発明の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を説明するための撮像装置の概略構成を示す図である。撮像装置としては、デジタルカメラ及びデジタルビデオカメラ等の撮像装置、電子内視鏡及びカメラ付携帯電話機等に搭載される撮像モジュール、等があり、ここではデジタルカメラを例にして説明する。

図１に示すデジタルカメラは、撮影レンズ１と、絞り２と、メカニカルシャッタ３と、ＣＣＤ型の固体撮像素子５と、アナログ信号処理部６と、ＡＤ変換部７と、レンズ駆動部１ａと、絞り駆動部２ａと、シャッタ駆動部３ａと、撮像素子駆動部５ａと、システム制御部１１と、補助光発光部１０と、発光駆動部１０ａと、操作部１２と、メインメモリ１６と、メインメモリ１６に接続されたメモリ制御部１５と、デジタル信号処理部１７と、スミア発生割合算出部１８と、圧縮伸張処理部１９と、着脱自在の記録媒体２１が接続される外部メモリ制御部２０と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部２３が接続される表示制御部２２とを備える。

絞り２及びメカニカルシャッタ３は、撮影レンズ１と固体撮像素子５との間に、この順番で設けられている。

補助光発光部１０は、撮影時に被写体を照明するための補助光を発光するものであり、キセノン管、ＬＥＤ等によって補助光（フラッシュ光）を発光する。

システム制御部１１は、レンズ駆動部１ａを制御して撮影レンズ１の位置をフォーカス位置に調整したりズーム調整を行ったりする。システム制御部１１は、絞り駆動部２ａを介し絞り２の開口量を制御して露光量調整を行ったり、シャッタ駆動部３ａを介しメカニカルシャッタ３の開閉制御をしたりする。システム制御部１１は、撮像素子駆動部５ａを介して固体撮像素子５を駆動し、撮影レンズ１を通して撮像した被写体像を撮像信号として出力させる。システム制御部１１は、発光駆動部１０ａを介し補助光発光部１０から補助光を発光させる。システム制御部１１には、操作部１２を通してユーザからの指示信号が入力される。

アナログ信号処理部６は、固体撮像素子５から出力される撮像信号に相関二重サンプリング処理及び信号増幅処理を施す。ＡＤ変換部７は、アナログ信号処理部６で処理後の撮像信号をデジタル信号に変換する。デジタル信号処理部１７は、ＡＤ変換部７から出力された撮像信号にホワイトバランス補正、同時化処理やガンマ補正演算、ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行って画像データを生成する。デジタル信号処理部１７は、生成した感度の異なる２つの画像データを合成してダイナミックレンジを拡大した広ＤＲ画像データを生成する処理も行う。

スミア発生割合算出部１８は、このデジタルカメラが実施可能なスミア低減駆動を、撮像時に実施するか否かを判定するためのデータを算出する。

圧縮伸張処理部１９は、デジタル信号処理部１７で生成された画像データをＪＰＥＧ形式に圧縮したり圧縮画像データを伸張したりする。ここで処理された画像データは、外部メモリ制御部２０の制御により、記録媒体２１に記録される。

メモリ制御部１５、デジタル信号処理部１７、スミア発生割合算出部１８、圧縮伸張処理部１９、外部メモリ制御部２０、及び表示制御部２２は、制御バス２４及びデータバス２５によって相互に接続され、システム制御部１１からの指令によって制御される。

図２は、図１に示したデジタルカメラにおける固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図である。シリコン等の半導体基板には、受光部５１と、水平電荷転送路５２と、出力部５３とが形成されている。

受光部５１には、フォトダイオード等の光電変換素子からなる画素を水平方向Ｘに複数並べたラインが、水平方向Ｘに直交する垂直方向Ｙに複数配置されている。

受光部５１の各画素で発生した電荷は、受光部５１内の図示しない垂直電荷転送路に読み出され、ここで垂直方向Ｙに転送される。垂直電荷転送路を転送されてきた１ライン分の電荷は、水平電荷転送路５２によって水平方向Ｘに転送される。水平電荷転送路５２の終端にはフローティングディフュージョアンプ（ＦＤＡ）等の、電荷をその電荷量に比例した電圧信号（撮像信号）に変換して出力する出力部５３が設けられ、水平方向Ｘに転送されてきた電荷がこの出力部５３で電圧信号に変換されて外部に出力される。

受光部５１に配置された複数のラインのうち、水平電荷転送路５２に隣接する少なくとも１つのラインは、スミアを検出するために、遮光膜によって光が入射しないようになっている。この遮光されたラインの各画素のことをスミア検出用画素という。また、スミア検出用画素以外の画素は、光が入射するようになっているため、被写体光に応じた電荷を発生する有効画素という。なお、スミアは垂直電荷転送路で主に発生するものであるため、スミア検出用画素は、光電変換素子である必要はなく、光電変換素子を設けずに垂直電荷転送路だけを設けた構成としてもよい。光電変換素子を省略した場合には、光電変換素子を省略した領域に隣接している垂直電荷転送路に存在している電荷を、この領域から読み出した電荷として扱う。

また、受光部５１の有効画素の周囲には、黒レベル補正用に黒レベルを検出するための遮光された画素等も存在するが、ここでは図示を省略している。

受光部５１にある任意の垂直電荷転送路でスミアが発生した場合、その垂直電荷転送路に電荷が読み出されるスミア検出用画素から得られる信号レベルは、スミアが発生していないときのレベル（黒レベル）よりも大きくなる。このため、スミア検出用画素から得られる信号のレベルを検出することにより、有効画素が配置された領域である有効領域において、どの位置の有効画素にスミアが発生しているのかを知ることができる。スミア発生割合算出部１８は、このことを利用して、有効領域に対するスミア発生領域の割合であるスミア発生割合を算出する。

具体的には、スミア発生割合算出部１８は、スミア検出用画素のラインから得られた信号のレベルを検出し、そのレベルがスミアと判断できるレベル（スミアレベル）を超えているか否かを判定する。スミアレベルを超えているスミア検出用画素があった場合には、その画素の水平方向における位置をスミア発生位置とする。有効画素の１ラインにおける水平方向の画素数（スミア検出用画素の１ラインにおける水平方向の画素数と同義）をＭとし、検出したスミア発生位置の数をＮとすると、スミア発生割合算出部１８は、（Ｎ／Ｍ）をスミア発生割合として算出する。

図３は、図２に示す固体撮像素子の受光部５１に含まれる画素の配列例を示した図である。図３に示す“Ｒ１”，“Ｒ２”を付したブロックは、赤色のカラーフィルタを受光面上方に持つ画素を示している。“Ｇ１”，“Ｇ２”を付したブロックは、緑色のカラーフィルタを受光面上方に持つ画素を示している。“Ｂ１”，“Ｂ２”を付したブロックは、青色のカラーフィルタを受光面上方に持つ画素を示している。

図３に示した例は、水平方向と垂直方向に正方格子状に配列された画素５ａと、画素５ａと同一のピッチ及び同一数で正方格子状に配列された画素５ｂとを、各画素の配列ピッチの１／２だけ水平及び垂直方向にずらして配置した構成となっている。図３中、Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１を付したブロックが画素５ａであり、Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２を付したブロックが画素５ｂである。

図３に示したように、画素５ａ上方のカラーフィルタ配列はベイヤー配列となっており、画素５ｂ上方のカラーフィルタ配列もベイヤー配列となっている。このような配置により、画素５ａの斜め隣には、その画素５ａの上方にあるカラーフィルタと同色のカラーフィルタを上方に持つ画素５ｂが存在するようになっている。

垂直方向に並ぶ画素からなる画素列には垂直電荷転送路５４が対応して設けられている。垂直電荷転送路５４は、対応する画素列の右側部に配置され、対応する画素列の各画素から読み出された電荷を垂直方向に転送する。垂直電荷転送路５４と、これに対応する画素列の各画素との間には、画素から垂直電荷転送路５４に電荷を読み出すための電荷読み出し領域５６（図中では模式的に矢印で示してある）が形成されている。

水平方向に並ぶ画素からなる画素行をラインというと、各ラインの間には、撮像素子駆動部５ａから駆動パルスが供給される転送電極Ｖ１〜Ｖ１６が水平方向に蛇行して形成されている。

Ｇフィルタを上方に持つ画素５ａとＢフィルタを上方に持つ画素５ａとが並ぶＧＢラインのうち、水平電荷転送路５２とは反対側から数えて奇数番目のラインの上側部には、転送電極Ｖ１６が形成され、下側部には転送電極Ｖ１が形成されている。画素５ａのＧＢラインのうち、水平電荷転送路５２とは反対側から数えて偶数番目のラインの上側部には、転送電極Ｖ８が形成され、下側部には転送電極Ｖ９が形成されている。

Ｒフィルタを上方に持つ画素５ａとＧフィルタを上方に持つ画素５ａとが並ぶＲＧラインのうち、水平電荷転送路５２とは反対側から数えて奇数番目のラインの上側部には、転送電極Ｖ４が形成され、下側部には転送電極Ｖ５が形成されている。画素５ａのＲＧラインのうち、水平電荷転送路５２とは反対側から数えて偶数番目のラインの上側部には、転送電極Ｖ１２が形成され、下側部には転送電極Ｖ１３が形成されている。

画素５ｂのＧＢラインのうち、水平電荷転送路５２とは反対側から数えて奇数番目のラインの上側部には、転送電極Ｖ６が形成され、下側部には転送電極Ｖ７が形成されている。画素５ｂのＧＢラインのうち、水平電荷転送路５２とは反対側から数えて偶数番目のラインの上側部には、転送電極Ｖ１４が形成され、下側部には転送電極Ｖ１５が形成されている。

画素５ｂのＲＧラインのうち、水平電荷転送路５２とは反対側から数えて奇数番目のラインの上側部には、転送電極Ｖ２が形成され、下側部には転送電極Ｖ３が形成されている。画素５ｂのＲＧラインのうち、水平電荷転送路５２とは反対側から数えて偶数番目のラインの上側部には、転送電極Ｖ１０が形成され、下側部には転送電極Ｖ１１が形成されている。

転送電極Ｖ１，Ｖ５，Ｖ９，Ｖ１３は、画素５ａに隣接する電荷読み出し領域５６上方も覆っており、読み出し電極を兼ねている。転送電極Ｖ１，Ｖ５，Ｖ９，Ｖ１３に読み出しパルスを印加することで、画素５ａから垂直電荷転送路５４に電荷を読み出すことができる。

転送電極Ｖ３，Ｖ７，Ｖ１１，Ｖ１５は、画素５ｂに隣接する電荷読み出し領域５６上方も覆っており、読み出し電極を兼ねている。転送電極Ｖ３，Ｖ７，Ｖ１１，Ｖ１５に読み出しパルスを印加することで、画素５ｂから垂直電荷転送路５４に電荷を読み出すことができる。

このように、画素５ａの読み出し電極と画素５ｂの読み出し電極は独立して駆動することができるため、画素５ａと画素５ｂのそれぞれの露光時間を異ならせる制御が可能になっている。このような構成により、画素５ａと画素５ｂを同一構造としながらも、画素５ａと画素５ｂからは、それぞれ感度の異なる信号を出力させることが可能になっている。

以下では、図３に示した画素５ａを主画素ともいい、画素５ｂを副画素ともいう。また、隣接する主画素と副画素であって、同一色のカラーフィルタを受光面上方に持つ主画素と副画素の組み合わせをペアという。図３に示した配列は、このペアを複数個規則的に配置したものとも言うことができる。

このデジタルカメラは、通常撮影モードと、高感度撮影モードと、ダイナミックレンジを拡大した撮影を行う広ＤＲ撮影モードとを設定可能になっている。

通常撮影モードでは、システム制御部１１が、主画素と副画素の各々の露光時間を同一とした撮像を実施する。そして、デジタル信号処理部１７が、主画素及び副画素から読み出した全ての信号を用いて画像データを生成する。この画像データは圧縮後、記録媒体２１に記録される。

高感度撮影モードでは、システム制御部１１が、主画素と副画素の各々の露光時間を同一とした撮像を実施する。そして、デジタル信号処理部１７が、ペアのうち主画素から得られた信号と副画素から得られた信号を合成し、合成後の信号を用いて高感度の画像データを生成する。この画像データは圧縮後、記録媒体２１に記録される。

広ＤＲ撮影モードでは、システム制御部１１が、主画素と副画素の各々の露光時間を異ならせて撮像を実施する。デジタル信号処理部１７では、主画素から得られた信号から主画素画像データを生成し、副画素から得られた信号から副画素画像データを生成する。デジタル信号処理部１７では、これら主画素画像データと副画素画像データを合成することで、ダイナミックレンジを拡大した広ＤＲ画像データを生成する。この広ＤＲ画像データは圧縮後、記録媒体２１に記録される。

システム制御部１１は、通常撮影モード時、前のフレームの撮像時にスミア発生割合算出部１８で算出されたスミア発生割合に応じて、次のフレームの撮像時の信号読み出し駆動方法を決定する。具体的には、スミア発生割合が閾値（例えば０．１）以上であれば、次のフレームの撮像時の信号読み出し方法としてスミア低減駆動を採用し、スミア発生割合が閾値未満であれば、次のフレームの撮像時の信号読み出し方法として通常駆動を採用する。

なお、図３に示した固体撮像素子の構成例においては、画素のラインのうち、水平電荷転送路５２に隣接する少なくとも２つのラインの各画素をスミア検出用画素とする。そして、スミア発生割合算出部１８では、この２つのラインの各画素から得られる信号のレベルを検出し、スミアレベルを超えている信号の水平方向の位置をスミア検出位置とする。そして、この２つのラインに含まれる画素の総数をＭとし、検出したスミア発生位置の数をＮとして、（Ｎ／Ｍ）をスミア発生割合として算出する。

画素配列が正方配列の場合、つまり、図３において画素５ｂを省略した構成の場合には、水平電荷転送路５２に隣接する少なくとも１つのラインの各画素をスミア検出用画素とし、この１つのラインに含まれる画素の総数をＭとし、検出したスミア発生位置の数をＮとして、（Ｎ／Ｍ）をスミア発生割合として算出すればよい。

ここで、“撮像”とは、固体撮像素子５の各画素の露光を開始し、露光終了後、その露光によって固体撮像素子５の一部又は全部の画素に蓄積された電荷を垂直電荷転送路５４に読み出し、これを転送して該電荷に応じた信号を固体撮像素子５から出力させる一連の処理のことをいう。

また、スミア低減駆動とは、通常駆動よりも電荷を読み出す画素数を減らした駆動である。以下、通常駆動とスミア低減駆動について具体的に説明する。

図４は、通常駆動で固体撮像素子から信号を読み出す方法を説明する図である。図５は、通常駆動時に固体撮像素子５の転送電極に供給するパルスのタイミングチャート例を示す図である。図５のＦＩＧ５Ａは、画素から電荷を読み出し、この電荷を数段転送するまでのタイミングチャートを示している。図５のＦＩＧ５Ｂは、垂直電荷転送路５４で電荷を転送するときのタイミングチャートを示している。

図４，５に示すように、通常駆動時には、システム制御部１１が、露光終了後、転送電極Ｖ１，Ｖ３，Ｖ９，Ｖ１１に読み出しパルスを印加して、全ての画素のラインから２ラインおきに垂直電荷転送路５４に電荷を読み出す。そして、この電荷を転送して該電荷に応じた信号を固体撮像素子５から出力させる。図４では、電荷を読み出す対象となる画素に斜線を付してある。

これに対し、スミア低減駆動時には、システム制御部１１が、通常駆動時に信号を読み出す対象となる画素（図４で斜線を示した画素）から複数（以下の例では２つ）のフィールドに分けて信号を読み出すようにしている。

図６は、スミア低減駆動の第一フィールドで固体撮像素子から信号を読み出す方法を説明する図である。図７は、スミア低減駆動の第一フィールドで固体撮像素子５の転送電極に供給するパルスのタイミングチャート例を示す図である。図７のＦＩＧ７Ａは、画素から電荷を読み出し、この電荷を数段転送するまでのタイミングチャートを示している。図７のＦＩＧ７Ｂは、垂直電荷転送路５４で電荷を転送するときのタイミングチャートを示している。

図８は、スミア低減駆動の第二フィールドで固体撮像素子から信号を読み出す方法を説明する図である。図９は、スミア低減駆動の第二フィールドで固体撮像素子５の転送電極に供給するパルスのタイミングチャート例を示す図である。図９のＦＩＧ９Ａは、画素から電荷を読み出し、この電荷を数段転送するまでのタイミングチャートを示している。図９のＦＩＧ９Ｂは、垂直電荷転送路５４で電荷を転送するときのタイミングチャートを示している。

スミア低減駆動時には、まず、システム制御部１１が、露光終了後、転送電極Ｖ１，Ｖ３に読み出しパルスを印加して、通常駆動時に読み出す対象となるラインの半分のライン（図６で斜線を示した画素）から垂直電荷転送路５４に電荷を読み出す。そして、この電荷を転送して該電荷に応じた信号を固体撮像素子５から出力させて、第一フィールドを終了する（図６，７参照）。

第一フィールド終了後、システム制御部１１は、転送電極Ｖ９，Ｖ１１に読み出しパルスを印加して、通常駆動時に読み出す対象となるラインの残り半分のライン（図８で斜線を示した画素）から垂直電荷転送路５４に電荷を読み出す。そして、この電荷を転送して該電荷に応じた信号を固体撮像素子５から出力させる（図８，９参照）。

図１０は、通常駆動時に固体撮像素子５から出力される撮像信号を模式的に示した図である。通常駆動時に信号が読み出されるラインのうち、隣接する２ラインから得られた信号を通常ラインと定義すると、通常駆動時には、図１０に示すように、ｎ個の通常ライン（１）〜（ｎ）が得られる。

図１１は、スミア低減駆動時に固体撮像素子５から出力される撮像信号を模式的に示した図である。図１１のＦＩＧ１１Ａは、第一フィールドで読み出された撮像信号を示し、図１１のＦＩＧ１１Ｂは、第二フィールドで読み出された撮像信号を示している。

スミア低減駆動時に第一フィールドで信号が読み出されるラインのうち、隣接する２ラインから得られた信号を間引きラインＡと定義し、スミア低減駆動時に第二フィールドで信号が読み出されるラインのうち、隣接する２ラインから得られた信号を間引きラインＢと定義すると、図１１に示すように、スミア低減駆動時の各フィールドでは、（ｎ／２）個の間引きラインが得られる。

このように、スミア低減駆動時には、各フィールドにおいて垂直電荷転送路５４に読み出される電荷の数が、通常駆動時の半分になる。このため、図５と図７及び図９とを比較して分かるように、スミア低減駆動時の方が、全ての信号を読み出すまでの時間は通常駆動時より長くなるものの、各フィールドにおける垂直電荷転送路５４での電荷転送時間は短くすることができる。スミアの発生量は、垂直電荷転送路５４での電荷転送時間に依存するため、電荷転送時間を短くすることで、スミアの低減を図ることができる。

このデジタルカメラでは、デジタル信号処理部１７が、スミア低減駆動時の第一フィールドで得られた撮像信号と、スミア低減駆動時の第二フィールドで得られた撮像信号とを合成することにより、これら２つの撮像信号を１フレームデータ（１つの画像を生成するためのデータ）として記録媒体２１に記録するようにしている。

つまり、図１２に示すように、間引きラインＡの間に間引きラインＢを補間する処理を行うことで、通常駆動時に得られる信号配列と同じ撮像信号を得るようにしている。このようにすることで、通常駆動時と解像度を同じにすることができ、スミア低減しながら解像度も維持することができる。

なお、第一フィールドと第二フィールドのいずれも、単独でＲＧＢ３色の色データを取得できるため、どちらか一方から得られる撮像信号のみを、１フレームデータとして記録するようにしてもよい。この場合には、第一フィールド又は第二フィールドを省略することができ、通常駆動時とほぼ同じ時間で信号の読み出しが可能となる。

また、以上の説明では、通常駆動時に、全てのラインの半分から信号を読み出すものとしたが、信号読み出す対象となるラインは、記録する画像データの解像度や撮像モードに応じて決めればよい。例えば、静止画撮像モードのときは、設定された解像度となるように、ラインの全部又は一部から信号を読み出せばよい。また、動画撮像モードのときは、高速撮像が必要となるため、ラインの一部から信号を読み出せばよい。

以上のように構成されたデジタルカメラの動作について説明する。

図１３は、図１に示すデジタルカメラが記録媒体に画像データを記録するための記録用の撮像を実施するときの動作フローを示した図である。図１３では、動画記録用の撮像を行うときの動作を例にしている。

操作部１２に含まれるレリーズボタンが押されて動画撮像指示がなされると、システム制御部１１は、固体撮像素子５により１フレーム目の撮像を実施する。この撮像では、システム制御部１１は、通常駆動で固体撮像素子５を駆動して信号を読みだす（ステップＳ１）。

１フレーム目の撮像が終了すると、スミア発生割合算出部１８が、この撮像で固体撮像素子５から出力された撮像信号を取得し、その撮像信号に基づいてスミア発生位置を検出する（ステップＳ２）。スミア発生割合算出部１８は、検出したスミア発生位置に基づき、スミア発生割合を算出する（ステップＳ３）。

次に、システム制御部１１は、ステップＳ３で算出されたスミア発生割合を閾値と比較し、スミア発生割合が閾値以上であった場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）は、次フレームの撮像時の信号読み出し方法としてスミア低減駆動を設定し（ステップＳ５）、スミア発生割合が閾値未満であった場合（ステップＳ４：ＮＯ）は、次フレームの撮像時の信号読み出し方法として通常駆動を設定する（ステップＳ６）。

ステップＳ５，Ｓ６の後、システム制御部１１は、次フレームの撮像を開始する（ステップＳ７）。この撮像では、ステップＳ５、Ｓ６で設定した駆動で信号を読み出す。

ステップＳ７の撮像が終了すると、デジタル信号処理部１７が、この撮像で固体撮像素子５から出力された撮像信号からフレームデータを生成し、このフレームデータを記録媒体２１に記録する（ステップＳ８）。デジタル信号処理部１７は、通常駆動で信号が読み出されたときは、固体撮像素子５から得られた撮像信号にデジタル信号処理を施してフレームデータを生成する。また、デジタル信号処理部１７は、スミア低減駆動で信号が読み出されたときは、各フィールドで得られた撮像信号を合成処理して通常駆動時に得られる撮像信号と同配列の撮像信号を生成してから、その撮像信号にデジタル信号処理を施してフレームデータを生成する。また、ステップＳ８の処理と並行して、スミア発生割合算出部１８が、この撮像で固体撮像素子５から出力された撮像信号を取得してスミア位置を検出する（ステップＳ９）。

ステップＳ９の後、撮像を継続する場合（ステップＳ１０：ＮＯ）には、ステップＳ３に処理を移行し、ステップＳ９で取得した撮像信号に基づいて、スミア発生割合算出部１８が、ステップＳ７の撮像におけるスミア発生割合を算出する。そして、このスミア発生割合に基づいて、次のフレームの撮像時の信号読み出し方法が設定される。ステップＳ９の後、撮像を終了する場合（ステップＳ１０：ＹＥＳ）には、システム制御部１１は撮像動作を終了する。

ここでは、動画撮像を例にしたが、静止画撮像のときは、操作部１２に含まれるレリーズボタンが半押しされて、ＡＥ（自動露出）・ＡＦ（自動焦点調節）処理の指示がなされた時点で、ステップＳ１の撮像を仮撮像として実施し、この仮撮像によって得られる撮像信号に基づいてシステム制御部１１がＡＥ・ＡＦ処理を実施すると共に、ステップＳ２〜Ｓ６の処理を実施する。そして、レリーズボタンが全押しされた時点で、ステップＳ７の撮像（本撮像）を実施する。静止画撮像においては、ステップＳ９の後、ステップＳ１０を省略して、撮像動作を終了する。

以上のように、このデジタルカメラによれば、局所的にスミアが発生していた場合には、通常駆動が実施され、広範囲にスミアが発生していた場合には、スミア低減駆動が実施される。このため、局所的にスミアが発生していた場合、広範囲にスミアが発生していた場合のいずれの場合でも、画質劣化を防ぐことができる。

また、このデジタルカメラによれば、通常駆動時に信号を読み出す対象となる光電変換素子から複数フィールドに分けて信号を読み出すことで、スミア低減駆動を実現している。また、スミア低減駆動の各フィールドで得られた信号は、通常駆動時に得られる信号配列と同じとなるように処理されるため、解像度を低下させることなく、スミアを低減することができる。また、スミアの低減と共に、暗電流、暗時の垂直シェーディングを抑制することもできる。

また、このデジタルカメラによれば、一般的な固体撮像素子の構成で解像度を維持したスミア低減を図ることができるため、低コスト化が可能となる。

なお、固体撮像素子５の画素配列は、図３に示したものに限らない。例えば、図１４に示したように、正方格子状に配列した光電変換素子ＰＤの上にベイヤー配列のカラーフィルタを設けた一般的な構成であってもよい。図１４に示した構成の場合、例えば、通常駆動時には図中にハッチングを付した２ラインおきに信号を読み出し、スミア低減駆動時には、図中にハッチングを付したラインから複数フィールドに分けて信号を読み出すようにすればよい。

以上説明したように、本明細書には以下の事項が開示されている。

開示された撮像装置は、複数の画素を有するＣＣＤ型の固体撮像素子を備えた撮像装置であって、前記複数の画素は、被写体光に応じた電荷を発生する有効画素及びスミアを検出するためのスミア検出用画素を含み、前記固体撮像素子を駆動して前記複数の画素から信号を読み出す駆動部と、前記スミア検出用画素から出力された信号に基づいて、前記有効画素が配置される領域全体に対するスミア発生領域の割合（以下、スミア発生割合という）を算出するスミア発生割合算出部とを備え、前記駆動部は、前記スミア発生割合が閾値以上のときにスミア低減駆動で前記固体撮像素子を駆動して信号を読み出し、前記スミア発生割合が閾値未満のときに通常駆動で前記固体撮像素子を駆動して信号を読み出し、前記スミア低減駆動とは、前記通常駆動時よりも電荷を読み出す画素数を減らした駆動である。

この構成により、局所的にスミアが発生していた場合には、通常駆動が実施され、広範囲にスミアが発生していた場合には、スミア低減駆動が実施される。このため、局所的にスミアが発生していた場合、広範囲にスミアが発生していた場合のいずれの場合でも、画質劣化を防ぐことができる。

開示された撮像装置は、前記駆動部が、前記スミア発生割合が閾値以上のときには、前記通常駆動時に信号を読み出す対象となる画素から複数のフィールドに分けて信号を読み出すと共に、前記複数のフィールドの各々において、それぞれ信号を読み出す対象となる画素が異なる前記スミア低減駆動で信号を読み出し、前記複数のフィールドに分けて読み出された信号を合成して、前記通常駆動時に信号を読み出す対象となる画素から読み出される信号配列と同じ信号配列の信号を生成する信号合成部を備える。

この構成により、スミア低減駆動を行った場合でも、通常駆動時と同じ解像度のフレームデータを得ることができる。

開示された撮像装置は、本撮像の前に仮撮像を実施する制御を行う制御部を備え、前記仮撮像時には、前記駆動部が、前記通常駆動で前記固体撮像素子から信号を読み出し、前記スミア発生割合算出部は、前記仮撮像において前記スミア検出用画素から出力された信号に基づいて前記スミア発生割合を算出し、前記駆動部は、前記本撮像時に、前記スミア発生割合が閾値以上のときはスミア低減駆動で前記固体撮像素子から信号を読み出し、前記スミア発生割合が閾値未満のときは通常駆動で前記固体撮像素子から信号を読み出す。

開示された撮像装置は、前記駆動部が、ｎフレーム目の撮像時には、（ｎ−１）フレーム目の撮像によって得られる信号に基づいて算出された前記スミア発生割合が閾値以上のときはスミア低減駆動で前記固体撮像素子から信号を読み出し、（ｎ−１）フレーム目の撮像によって得られる信号に基づいて算出された前記スミア発生割合が閾値未満のときは通常駆動で前記固体撮像素子から信号を読み出す。

開示された固体撮像素子の駆動方法は、複数の画素を有するＣＣＤ型の固体撮像素子の駆動方法であって、前記複数の画素は、被写体光に応じた電荷を発生する有効画素及びスミアを検出するためのスミア検出用画素を含み、前記スミア検出用画素から出力された信号に基づいて、前記有効画素が配置される領域全体に対するスミア発生領域の割合（以下、スミア発生割合という）を算出するスミア発生割合算出ステップと、前記スミア発生割合が閾値以上のときにスミア低減駆動で前記固体撮像素子を駆動して信号を読み出し、前記スミア発生割合が閾値未満のときに通常駆動で前記固体撮像素子を駆動して信号を読み出す駆動ステップとを備え、前記スミア低減駆動とは、前記通常駆動時よりも電荷を読み出す画素数を減らした駆動である。

開示された固体撮像素子の駆動方法は、前記駆動ステップでは、前記スミア発生割合が閾値以上のときには、前記通常駆動時に信号を読み出す対象となる画素から複数のフィールドに分けて信号を読み出すと共に、前記複数のフィールドの各々において、それぞれ信号を読み出す対象となる画素が異なる前記スミア低減駆動で信号を読み出し、前記複数のフィールドに分けて読み出された信号を合成して、前記通常駆動時に信号を読み出す対象となる画素から読み出される信号配列と同じ信号配列の信号を生成する信号合成ステップを備える。

開示された固体撮像素子の駆動方法は、本撮像の前に仮撮像を実施する制御を行う制御ステップを備え、前記仮撮像時には、前記通常駆動で前記固体撮像素子から信号を読み出し、前記スミア発生割合算出ステップでは、前記仮撮像において前記スミア検出用画素から出力された信号に基づいて前記スミア発生割合を算出し、前記駆動ステップでは、前記本撮像時に、前記スミア発生割合が閾値以上のときはスミア低減駆動で前記固体撮像素子から信号を読み出し、前記スミア発生割合が閾値未満のときは通常駆動で前記固体撮像素子から信号を読み出す。

開示された固体撮像素子の駆動方法は、前記駆動ステップでは、ｎフレーム目の撮像時に、（ｎ−１）フレーム目の撮像によって得られる信号に基づいて算出された前記スミア発生割合が閾値以上のときはスミア低減駆動で前記固体撮像素子から信号を読み出し、（ｎ−１）フレーム目の撮像によって得られる信号に基づいて算出された前記スミア発生割合が閾値未満のときは通常駆動で前記固体撮像素子から信号を読み出す。

５ 固体撮像素子
５ａ 撮像素子駆動部
１１ システム制御部
１８ スミア発生割合算出部

Claims (8)

1. 複数の画素を有するＣＣＤ型の固体撮像素子を備えた撮像装置であって、
   前記複数の画素は、被写体光に応じた電荷を発生する有効画素及びスミアを検出するためのスミア検出用画素を含み、
   前記固体撮像素子を駆動して前記複数の画素から信号を読み出す駆動部と、
   前記スミア検出用画素から出力された信号に基づいて、前記有効画素が配置される領域全体に対するスミア発生領域の割合（以下、スミア発生割合という）を算出するスミア発生割合算出部とを備え、
   前記駆動部は、前記スミア発生割合が閾値以上のときにスミア低減駆動で前記固体撮像素子を駆動して信号を読み出し、前記スミア発生割合が閾値未満のときに通常駆動で前記固体撮像素子を駆動して信号を読み出し、
   前記スミア低減駆動とは、前記通常駆動時よりも電荷を読み出す画素数を減らした駆動である撮像装置。
2. 請求項１記載の撮像装置であって、
   前記駆動部が、前記スミア発生割合が閾値以上のときには、前記通常駆動時に信号を読み出す対象となる画素から複数のフィールドに分けて信号を読み出すと共に、前記複数のフィールドの各々において、それぞれ信号を読み出す対象となる画素が異なる前記スミア低減駆動で信号を読み出し、
   前記複数のフィールドに分けて読み出された信号を合成して、前記通常駆動時に信号を読み出す対象となる画素から読み出される信号配列と同じ信号配列の信号を生成する信号合成部を備える撮像装置。
3. 請求項１又は２記載の撮像装置であって、
   本撮像の前に仮撮像を実施する制御を行う制御部を備え、
   前記仮撮像時には、前記駆動部が、前記通常駆動で前記固体撮像素子から信号を読み出し、
   前記スミア発生割合算出部は、前記仮撮像において前記スミア検出用画素から出力された信号に基づいて前記スミア発生割合を算出し、
   前記駆動部は、前記本撮像時に、前記スミア発生割合が閾値以上のときはスミア低減駆動で前記固体撮像素子から信号を読み出し、前記スミア発生割合が閾値未満のときは通常駆動で前記固体撮像素子から信号を読み出す撮像装置。
4. 請求項１又は２記載の撮像装置であって、
   前記駆動部が、ｎフレーム目の撮像時には、（ｎ−１）フレーム目の撮像によって得られる信号に基づいて算出された前記スミア発生割合が閾値以上のときはスミア低減駆動で前記固体撮像素子から信号を読み出し、（ｎ−１）フレーム目の撮像によって得られる信号に基づいて算出された前記スミア発生割合が閾値未満のときは通常駆動で前記固体撮像素子から信号を読み出す撮像装置。
5. 複数の画素を有するＣＣＤ型の固体撮像素子の駆動方法であって、
   前記複数の画素は、被写体光に応じた電荷を発生する有効画素及びスミアを検出するためのスミア検出用画素を含み、
   前記スミア検出用画素から出力された信号に基づいて、前記有効画素が配置される領域全体に対するスミア発生領域の割合（以下、スミア発生割合という）を算出するスミア発生割合算出ステップと、
   前記スミア発生割合が閾値以上のときにスミア低減駆動で前記固体撮像素子を駆動して信号を読み出し、前記スミア発生割合が閾値未満のときに通常駆動で前記固体撮像素子を駆動して信号を読み出す駆動ステップとを備え、
   前記スミア低減駆動とは、前記通常駆動時よりも電荷を読み出す画素数を減らした駆動である固体撮像素子の駆動方法。
6. 請求項５記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
   前記駆動ステップでは、前記スミア発生割合が閾値以上のときには、前記通常駆動時に信号を読み出す対象となる画素から複数のフィールドに分けて信号を読み出すと共に、前記複数のフィールドの各々において、それぞれ信号を読み出す対象となる画素が異なる前記スミア低減駆動で信号を読み出し、
   前記複数のフィールドに分けて読み出された信号を合成して、前記通常駆動時に信号を読み出す対象となる画素から読み出される信号配列と同じ信号配列の信号を生成する信号合成ステップを備える固体撮像素子の駆動方法。
7. 請求項５又は６記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
   本撮像の前に仮撮像を実施する制御を行う制御ステップを備え、
   前記仮撮像時には、前記通常駆動で前記固体撮像素子から信号を読み出し、
   前記スミア発生割合算出ステップでは、前記仮撮像において前記スミア検出用画素から出力された信号に基づいて前記スミア発生割合を算出し、
   前記駆動ステップでは、前記本撮像時に、前記スミア発生割合が閾値以上のときはスミア低減駆動で前記固体撮像素子から信号を読み出し、前記スミア発生割合が閾値未満のときは通常駆動で前記固体撮像素子から信号を読み出す固体撮像素子の駆動方法。
8. 請求項５又は６記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
   前記駆動ステップでは、ｎフレーム目の撮像時に、（ｎ−１）フレーム目の撮像によって得られる信号に基づいて算出された前記スミア発生割合が閾値以上のときはスミア低減駆動で前記固体撮像素子から信号を読み出し、（ｎ−１）フレーム目の撮像によって得られる信号に基づいて算出された前記スミア発生割合が閾値未満のときは通常駆動で前記固体撮像素子から信号を読み出す固体撮像素子の駆動方法。

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