(57)【要約】      （修正有）【課題】暗電流補正までにかかる時間を短くし、且つ、消費電力を削減し、且つ、高画質が求められる状況において高精度の暗電流補正を行うことが可能な撮像装置を提供する。【解決手段】半導体基板表面の垂直方向に配列された複数の光電変換素子からなる光電変換素子列と、前記光電変換素子列に対応する垂直電荷転送路とを有する固体撮像素子５と、静止画撮影モードで且つ高感度撮影時に、各光電変換素子で発生した電荷を蓄積させた電荷蓄積パケットと空パケットとをそれぞれ対応させて各垂直電荷転送路に形成し、電荷蓄積パケット内の電荷と空パケット内に蓄積される暗電荷とを混合することなく転送して、電荷に応じた撮像信号と暗電荷に応じた暗電流信号を出力させる駆動を行う撮像素子駆動部１０と、この駆動によって得られた撮像信号の暗電流成分を、この撮像信号に対応する暗電流信号を用いて補正するデジタル信号処理部１７とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板表面の特定方向に配列された複数の光電変換素子からなる光電変換素子列と、前記光電変換素子列に対応して設けられ、前記光電変換素子で発生した電荷を前記特定方向に転送する電荷転送路とを含む固体撮像素子を有する撮像装置であって、
静止画撮影モードで且つ高感度撮影時に、前記光電変換素子列を構成する複数の光電変換素子の各々で発生した電荷を蓄積させた電荷蓄積パケットと、前記電荷を蓄積させない空パケットとをそれぞれ対応させて前記電荷転送路に形成し、前記電荷蓄積パケット内の電荷と前記空パケット内に蓄積される暗電荷とを混合することなく転送して、前記電荷に応じた撮像信号と、前記暗電荷に応じた暗電流信号とを前記固体撮像素子から出力させる駆動を行う駆動手段と、
前記駆動によって得られた前記撮像信号の暗電流成分を、前記暗電流信号を用いて補正する暗電流補正手段とを備える撮像装置。
【請求項２】
請求項１記載の撮像装置であって、
前記駆動手段が、前記静止画撮影モードで且つ高感度撮影時に、前記電荷を複数フィールドに分けて読み出すインターレース駆動を行う場合、前記複数フィールドのうちのいずれかのみにおいて前記駆動を行う撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板表面の特定方向に配列された複数の光電変換素子からなる光電変換素子列と、前記光電変換素子列に対応して設けられ、前記光電変換素子で発生した電荷を前記特定方向に転送する電荷転送路とを含む電荷転送型の固体撮像素子を有する撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電荷転送型の固体撮像素子を搭載する撮像装置では、固体撮像素子の各光電変換素子列に対応する電荷転送部で電荷を転送する際に発生する暗電流を、各光電変換素子列から得られた信号から減算することで、電荷転送部に起因する暗電流を補正することが行われている。
【０００３】
従来、固体撮像素子の周辺部に暗電流検出用の光電変換素子を設け、この光電変換素子から得られる信号によって暗電流信号を取得する第一の方法や、固体撮像素子を露光した状態で該固体撮像素子から出力される撮像信号を取得した後、その固体撮像素子を露光しない状態で電荷転送部の駆動を行って暗電流信号を取得する第二の方法（特許文献１，２参照）等が知られている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−７０４８号公報
【特許文献２】特開２００６−９４４７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
第一の方法では、補正対象となる撮像信号の出力元の光電変換素子と、暗電流検出用の光電変換素子とが離れた位置にあるため、暗電流補正の精度を高めることが難しい。高画質が要求される静止画撮影モードでは、暗電流補正の精度が高いことが好ましく、このモードにおいても、撮像信号量に対する暗電流量の割合が非常に大きくなってしまう高感度撮影時には、より高い精度が求められる。
【０００６】
第二の方法によれば、高精度の暗電流補正を行うことが可能であるが、撮像信号を一旦取得してから、暗電流信号取得のための駆動を行っているため、消費電力が大きくなると共に、暗電流補正までにかかる時間が長くなってしまう。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、暗電流補正までにかかる時間を短くし、且つ、消費電力を削減し、且つ、高画質が求められる状況において高精度の暗電流補正を行うことが可能な撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の撮像装置は、半導体基板表面の特定方向に配列された複数の光電変換素子からなる光電変換素子列と、前記光電変換素子列に対応して設けられ、前記光電変換素子で発生した電荷を前記特定方向に転送する電荷転送路とを含む固体撮像素子を有する撮像装置であって、静止画撮影モードで且つ高感度撮影時に、前記光電変換素子列を構成する複数の光電変換素子の各々で発生した電荷を蓄積させた電荷蓄積パケットと、前記電荷を蓄積させない空パケットとをそれぞれ対応させて前記電荷転送路に形成し、前記電荷蓄積パケット内の電荷と前記空パケット内に蓄積される暗電荷とを混合することなく転送して、前記電荷に応じた撮像信号と、前記暗電荷に応じた暗電流信号とを前記固体撮像素子から出力させる駆動を行う駆動手段と、前記駆動によって得られた前記撮像信号の暗電流成分を、前記暗電流信号を用いて補正する暗電流補正手段とを備える。
【０００９】
本発明の撮像装置は、前記駆動手段が、前記静止画撮影モードで且つ高感度撮影時に、前記電荷を複数フィールドに分けて読み出すインターレース駆動を行う場合、前記複数フィールドのうちのいずれかのみにおいて前記駆動を行う。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、暗電流補正までにかかる時間を短くし、且つ、消費電力を削減し、且つ、高画質が求められる状況において高精度の暗電流補正を行うことが可能な撮像装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態である撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図である。
図示するデジタルカメラの撮像系は、撮影レンズ１と、電荷転送型の固体撮像素子５と、この両者の間に設けられた絞り２と、赤外線カットフィルタ３と、光学ローパスフィルタ４とを備える。
【００１３】
デジタルカメラの電気制御系全体を統括制御するシステム制御部１１は、フラッシュ発光部１２及び受光部１３を制御し、レンズ駆動部８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し、絞り駆動部９を介し絞り２の開口量を制御して露光量調整を行う。
【００１４】
又、システム制御部１１は、撮像素子駆動部１０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画像を色信号として出力させる。システム制御部１１には、操作部１４を通してユーザからの指示信号が入力される。
【００１５】
デジタルカメラの電気制御系は、更に、固体撮像素子５の出力に接続された相関二重サンプリング処理等のアナログ信号処理を行うアナログ信号処理部６と、このアナログ信号処理部６から出力されたＲＧＢの色信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路７とを備え、これらはシステム制御部１１によって制御される。
【００１６】
更に、このデジタルカメラの電気制御系は、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、補間演算やガンマ補正演算，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と、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圧縮伸張処理部１８と、測光データを積算しデジタル信号処理部１７が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部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、これらは、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。
【００１７】
図１のデジタルカメラは、撮影ＩＳＯ感度を複数設定可能である。例えば、撮影ＩＳＯ感度１００、２００、４００、８００の４つが設定可能であり、設定された撮影ＩＳＯ感度に応じて、システム制御部１１が、露光量や信号増幅率を制御する。本実施形態では、撮影ＩＳＯ感度が閾値（＝２００）以下を低感度、閾値よりも上を高感度と定義する。撮影ＩＳＯ感度は、操作部１４を操作してマニュアルで設定したり、受光部１３で測光した被写体の光量に応じて自動で設定したりすることができる。
【００１８】
又、図１のデジタルカメラは、撮影モードとして、静止画撮影モードと動画撮影モードが設定可能となっている。静止画撮影モードと動画撮影モードの切り替えは、操作部１４を介して行う。
【００１９】
図２は、図１に示す固体撮像素子５の概略構成を示す平面模式図である。
固体撮像素子５は、半導体基板５０表面の垂直方向とこれに直交する水平方向に配列された多数の光電変換素子５１を備える。多数の光電変換素子５１は、垂直方向に並ぶ複数の光電変換素子５１からなる光電変換素子列を水平方向に少なくとも１つ配列した配列となっている。本実施形態では、光電変換素子列が水平方向にｎ個配列されているものとして説明する。
【００２０】
１つの光電変換素子列には、その側部に、その光電変換素子列の複数の光電変換素子５１の各々で発生した電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送路５２が対応して形成されている。光電変換素子５１とそれに対応する垂直電荷転送路５２との間には、その光電変換素子５１で発生した電荷を垂直電荷転送路５２に読み出すための電荷読み出し領域５３が形成されている。
【００２１】
多数の光電変換素子５１のうちの一部、例えば、ｎ個の光電変換素子列のうちの一番右と一番左にある２つの光電変換素子列を構成する光電変換素子５１は、その受光面が遮光されており、暗電流レベル検出用の素子として機能する。この素子を以下ではＯＢという。図２では、通常の光電変換素子５１とＯＢ５１とを区別するために、ＯＢ５１にハッチングをしてある。
【００２２】
固体撮像素子５は、更に、ｎ個の垂直電荷転送路５２の各々を転送されてきた電荷を水平方向に転送する水平電荷転送路５３と、水平電荷転送路５３を転送されてきた電荷をその電荷量に応じた信号に変換して出力する出力アンプ５４とを備える。
【００２３】
撮像素子駆動部１０は、静止画撮影モードで且つ高感度撮影時、光電変換素子列を構成する複数の光電変換素子５１の各々で発生した電荷を蓄積させたパケットである電荷蓄積パケットと、電荷を蓄積させないパケットである空パケットとをそれぞれ対応させて各垂直電荷転送路５２に形成し、該電荷蓄積パケット内の電荷と該空パケット内に蓄積される暗電荷とを混合することなく転送して、該電荷蓄積パケット内の電荷に応じた撮像信号と、該空パケット内に蓄積される暗電荷に応じた暗電流信号とを固体撮像素子５から出力させる駆動を行う。パケットとは、垂直電荷転送路５２に高電圧を印加したときに形成されるポテンシャル井戸のことである。一方、垂直電荷転送路５２に低電圧を印加したときに形成されるポテンシャル井戸をバリアという。
【００２４】
１つの垂直電荷転送路５２に電荷蓄積パケットとこれに対応する空パケットとを形成する方法としては、光電変換素子列を構成する複数の光電変換素子５１の各々で発生した電荷を垂直電荷転送路５２に読み出した後、垂直方向に隣接する電荷同士を垂直電荷転送路５２内で混合し、混合によって電荷が無くなった位置に空パケットを形成する第一の駆動方法や、光電変換素子列を構成する複数の光電変換素子５１のうちの一部で発生した電荷を垂直電荷転送路５２に読み出し、該一部以外の光電変換素子５１に対応する位置に空パケットを形成する第二の駆動方法が考えられる。
【００２５】
上記第二の駆動方法を図３を参照して説明する。
図３は、静止画撮影モードで且つ高感度撮影時の垂直電荷転送路５２の状態を示す図である。図３に示した“○”は光電変換素子５１で発生した電荷が蓄積されている電荷蓄積パケットを表し、“△”は光電変換素子５１で発生した電荷が蓄積されていない空パケットを表している。
【００２６】
撮像素子駆動部１０は、静止画撮影モードで且つ高感度撮影時、露光終了後、１フィールド目で、偶数ラインにある光電変換素子５１から、その光電変換素子５１に対応する垂直電荷転送路５２に電荷を読み出して、偶数ラインにある光電変換素子５１に対応する位置に電荷蓄積パケットを形成し、奇数ラインにある光電変換素子５１に対応する位置に空パケットを形成する（図３（ａ））。そして、この電荷蓄積パケット内の電荷と空パケット内に蓄積される暗電荷とを混合することなく転送して、撮像信号と暗電流信号を固体撮像素子５から出力させる駆動を行う。
【００２７】
図４は、垂直電荷転送路５１上方に８つの垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ８を設けて垂直電荷転送路５２を８相駆動する場合の、１フィールド目における垂直電荷転送路５２断面のポテンシャルフローと８相の駆動パルスのタイミングチャートとを示した図である。
図４に示すように、時刻Ｔ＝０で垂直転送電極Ｖ２〜Ｖ６下にパケットを形成してここに電荷を読み出した後、時刻Ｔ＝１，２で電荷蓄積パケットを垂直転送電極Ｖ４〜Ｖ６下に移動させ、時刻Ｔ＝３で垂直転送電極Ｖ１下に空パケットを形成する。そして、時刻Ｔ＝４以降は、電荷蓄積パケットと空パケットを垂直方向に転送する。
【００２８】
１フィールド目終了後、２フィールド目で、撮像素子駆動部１０は、奇数ラインにある光電変換素子５１から、その光電変換素子５１に対応する垂直電荷転送路５２に電荷を読み出して、奇数ラインにある光電変換素子５１に対応する位置に電荷蓄積パケットを形成し、偶数ラインにある光電変換素子５１に対応する位置に空パケットを形成する（図３（ｂ））。そして、この電荷蓄積パケット内の電荷と空パケット内に蓄積される暗電荷とを混合することなく転送して、撮像信号と暗電流信号を固体撮像素子５から出力させる駆動を行う。
【００２９】
このような駆動により、固体撮像素子５からは、全ての光電変換素子５１で発生した電荷に応じた撮像信号と、この撮像信号に対応する暗電流信号とが出力される。暗電流信号は、撮像信号の出力元の電荷蓄積パケットに近接した位置に形成された空パケットから得られたものである。このため、暗電流信号は、それに対応する撮像信号に含まれる暗電流成分とほぼ同じとみなすことができる。このため、固体撮像素子５から得られた撮像信号から、その撮像信号に対応する暗電流信号を減算することで、撮像信号の暗電流補正を高精度に行うことが可能となる。
【００３０】
本実施形態では、静止撮影モードで且つ高感度撮影時には、デジタル信号処理部１７が、固体撮像素子５から得られた撮像信号から、その撮像信号に対応する暗電流信号を減算する処理を行って、撮像信号の暗電流成分を除去する補正を行う。
【００３１】
撮像素子駆動部１０は、静止画撮影モードで且つ低感度撮影時、光電変換素子列を構成する複数の光電変換素子５１の各々で発生した電荷を蓄積させた電荷蓄積パケットを各垂直電荷転送路５２に形成し、該電荷蓄積パケット内の電荷を転送して、該電荷蓄積パケット内の電荷に応じた撮像信号を固体撮像素子５から出力させる駆動を行う。
【００３２】
静止画撮影モードで且つ低感度撮影時においては、多数の光電変換素子５１で発生した電荷を１回で全て読み出して転送する全画素読み出し駆動や、多数の光電変換素子５１で発生した電荷を全て読み出し、混合した後転送する混合駆動や、多数の光電変換素子５１で発生した電荷の一部のみを読み出す間引き駆動や、多数の光電変換素子５１で発生した全電荷を複数回に分けて読み出すインターレース駆動等が実行される。
【００３３】
撮像素子駆動部１０は、動画撮影モード時、光電変換素子列を構成する複数の光電変換素子５１の各々で発生した電荷を蓄積させた電荷蓄積パケットを各垂直電荷転送路５２に形成し、該電荷蓄積パケット内の電荷を転送して、該電荷蓄積パケット内の電荷に応じた撮像信号を固体撮像素子５から出力させる駆動を行う。動画撮影モードにおいては、多数の光電変換素子５１で発生した電荷を全て読み出し、混合した後転送する混合駆動や、多数の光電変換素子５１で発生した全電荷の一部のみを読み出す間引き駆動等が実行される。
【００３４】
デジタル信号処理部１７は、静止画撮影モードで且つ低感度撮影時と、動画撮影モード時には、ＯＢ５１から得られた撮像信号に基づいて、公知の手法により、固体撮像素子５から得られる撮像信号の暗電流成分を除去する補正を行う。
【００３５】
このように、本実施形態のデジタルカメラは、静止撮影モードで且つ高感度撮影時、垂直電荷転送路５２に電荷蓄積パケットと空パケットを形成し、これを混合することなく転送し、露光によって発生した電荷に応じた撮像信号と、その撮像信号に含まれる暗電流成分に相当する暗電流信号とを固体撮像素子５から得て、この暗電流信号を用いて、撮像信号の暗電流補正を行っている。撮像信号に対応する暗電流信号は、撮像信号の出力元の電荷蓄積パケットに近接する空パケットから得られたものであるため、暗電流補正を高精度に行うことができる。
【００３６】
又、暗電流信号と撮像信号とを同一の駆動で取得しているため、特許文献１，２のように、暗電流信号取得のための駆動と撮像信号取得のための駆動との２回が必要な場合に比べて、消費電力を小さくすることができると共に、暗電流補正までにかかる時間を短くすることができる。
【００３７】
静止画撮影モードで且つ高感度撮影時の駆動と、静止画撮影モードで且つ低感度撮影時及び動画撮影モード時の駆動とでは、後者の駆動の方が空パケットを作らない分、駆動時間を短くして消費電力を下げることができ、前者の駆動の方が暗電流補正を高精度に行うことができる。本実施形態のデジタルカメラでは、暗電流補正の精度を高くしなくても良い撮影条件下では、消費電力の低減を優先する駆動を行い、暗電流補正の精度を高くする必要がある撮影条件下では、消費電力を犠牲にして、暗電流補正の精度を高くする駆動を行うことで、状況に応じた最適な駆動を可能としている。
【００３８】
尚、撮像素子駆動部１０は、静止画撮影モードで且つ高感度撮影時に、多数の光電変換素子５１で発生した全電荷を複数フィールドに分けて読み出すインターレース駆動を行う場合、複数フィールドのうちのいずれかのみにおいて空パケットを形成する駆動を行い、その他のフィールドにおいては、空パケットを形成しない駆動を行うことでも、暗電流補正を行うことは可能である。
【００３９】
この場合、多数の光電変換素子５１で発生した全電荷を２フィールドに分けて読み出す駆動を行う例で説明すると、１フィールド目では、図３（ａ）に示すように電荷蓄積パケットと空パケットを形成し、これらを転送して撮像信号と暗電流信号を得る。そして、２フィールド目では、図３（ｂ）に示す図において偶数ラインの光電変換素子５１に対応する位置に空パケットを作らずに、電荷蓄積パケット内の電荷を転送して、撮像信号のみを得る。
【００４０】
そして、デジタル信号処理部１７は、偶数ラインの光電変換素子５１から得られた撮像信号から、それに対応する暗電流信号を減算して、偶数ラインの光電変換素子５１から得られた撮像信号の暗電流補正を行い、奇数ラインの光電変換素子５１から得られた撮像信号については、この撮像信号から、１フィールド目の駆動で該光電変換素子５１に対応する位置に形成された空パケットから得られた暗電流信号を減算して、奇数ラインの光電変換素子５１から得られた撮像信号の暗電流補正を行えば良い。
【００４１】
このようにした場合には、複数フィールドのうちの１つのフィールド以外は、空パケットを形成しなくて良いため、消費電力を削減することができ、暗電流補正の精度向上と消費電力の削減とを両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態である撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図
【図２】図１に示す固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図
【図３】静止画撮影モードで且つ高感度撮影時の垂直電荷転送路の状態を示す図
【図４】垂直電荷転送路上方に８つの垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ８を設けて垂直電荷転送路を８相駆動する場合の、１フィールド目における垂直電荷転送路断面のポテンシャルフローと８相の駆動パルスのタイミングチャートとを示した図
【符号の説明】
【００４３】
５  固体撮像素子
１０  撮像素子駆動部
５１  光電変換素子
５２  垂直電荷転送路
【図１】
2008147746.tif 000003
【図２】
2008147746.tif 000004
【図３】
2008147746.tif 000005
【図４】
2008147746.tif 000006