(57)【要約】【課題】一つの画素を高感度画素と低感度画素とに分割した一組の組画素にそれぞれマイクロレンズを対応させて複数配列した固体撮像装置で、輝度シェーディングの影響を低減する。【解決手段】固体撮像素子１６には、水平および垂直走査方向（Ｖ）にそれぞれ１／２ピッチずつずらして複数の組画素２０とマイクロレンズ２８とが配置され、各組画素２０は、光学中心Ｘの上方と下方とで従感光部と主感光部とが逆向き配置となるように画素分割され、従感光部が主感光部に対して上部に位置する組画素２０を光学中心Ｘよりも上側の撮像面３０上部に配置した上配置画素と、従感光部が主感光部に対して下部に位置する組画素２０を光学中心Ｘよりも下側の撮像面３０下部に配置した下配置画素とを配置している。【選択図】        図１
2004222125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像レンズを介して結像される光学像に応じた撮像信号を生成する固体撮像装置において、該装置は、
相対的に受光面積が小さい第１の感光部と相対的に面積が大きい第２の感光部とを一組としてそれぞれ１つの組画素を形成し、該組画素を１／２組画素ピッチにて水平および垂直走査方向にそれぞれずらして配列し、前記第１の感光部および第２の感光部にて生成される信号電荷を垂直走査方向に転送する垂直電荷転送路を前記組画素の間にジグザク状に配置し、前記第１の感光部および第２の感光部単位で転送電極を前記垂直電荷転送路上に配置し、前記撮像レンズにより結像される光学像に応じた撮像信号をそれぞれ生成する撮像手段と、
前記撮像手段を駆動して、前記第１の感光部による第１の撮像信号および第２の感光部による第２の撮像信号を該撮像手段から読み出す駆動手段と、
前記第１の撮像信号および第２の撮像信号を演算処理する信号処理手段と、
前記信号処理手段を制御する制御手段とを含み、
前記信号処理手段は、前記第１の撮像信号を蓄積する第１の記憶領域と前記第２の撮像信号を蓄積する第２の記憶領域とを含む記憶手段を含み、
前記制御手段は、前記撮像手段から順次読み出される第１フィールドの第１の撮像信号および第２の撮像信号を前記記憶手段の第１の記憶領域と第２の記録領域とに格納アドレスを切り替えて記録させ、前記撮像手段から順次読み出される第２フィールドの第２の撮像信号および第１の撮像信号を前記記憶手段の第２の記憶領域と第１の記録領域とに格納アドレスを切り替えて記録させる記憶制御を行うことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像装置において、前記撮像手段の前記組画素は、前記第１の感光部を前記第２の感光部よりも上側に配置した上配置画素を前記撮像レンズによる光学中心を境として撮像面上部に配列し、第１の感光部を第２の感光部よりも下側に配置した下配置画素を前記光学中心を境として撮像面下部に配置していることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
請求項２に記載の固体撮像装置において、前記駆動手段は、第１フィールドにて前記撮像面上部では前記上配置画素から第１の感光部を読み出し、前記撮像面下部の前記下配置画素から第２の感光部を読出し、第２フィールドにて前記撮像面上部では前記上配置画素から第２の感光部を読み出し、前記撮像面下部では前記下配置画素から第１の感光部を読み出すことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
請求項１に記載の固体撮像装置において、前記駆動手段は、動画撮影時には、前記組画素における第１の感光部にて生成される信号電荷および第２の感光部にて生成される信号電荷をともにそれぞれ前記垂直電荷転送路にシフトして信号電荷を混合し、混合した信号電荷を垂直転送することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
撮像レンズを介して結像される光学像に応じた撮像信号を生成する固体撮像素子において、該素子は、
相対的に受光面積が小さい第１の感光部と相対的に面積が大きい第２の感光部とを一組としてそれぞれ１つの組画素を形成し、該組画素を１／２組画素ピッチにて水平および垂直走査方向にそれぞれずらして配列し、受光量に応じた信号電荷をそれぞれ生成する受光部と、
該受光部上に配設され、入射光をそれぞれ各組画素に集光するマイクロレンズと、
前記第１の感光部および第２の感光部にて生成される信号電荷を垂直走査方向に転送する垂直電荷転送路であって、前記組画素の間にジグザク状に配置した垂直電荷転送路と、
前記垂直電荷転送路上に配置され、前記第１の感光部および第２の感光部単位で前記垂直荷転送路にポテンシャル井戸を形成する電位を印加する転送電極と、前記垂直電荷転送路から転送される信号電荷を水平走査方向に転送する水平電荷転送路とを含むことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項６】
請求項５に記載の固体撮像素子において、前記組画素は、第１の感光部を第２の感光部よりも上側に配置した上配置画素を前記撮像レンズによる光学中心を境として撮像面上部に配列し、前記第１の感光部を第２の感光部よりも下側に配置した下配置画素を前記光学中心を境として撮像面下部に配置することを特徴とする固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像レンズを介して結像される被写界からの光学像を光電変換する固体撮像装置に係り、それぞれ感度の異なる主感光部による主画素および従感光部による従画素が一組の組画素として撮像面に複数配列された感光部と、該感光部上にそれぞれ対応して配設されたマイクロレンズとを含む固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像素子のダイナミックレンジは、生成される信号電荷の飽和レベルと生成されるノイズ成分とによりその範囲が決定され、より広ダイナミックレンジの固体撮像素子が求められている。
【０００３】
特許文献１に記載の固体撮像装置は、フォトダイオード部を２つの領域に分割し、この領域に設けたスイッチング素子で受光面積を切り換えて画素部の感度を切り換え、明るい被写体に対しては受光面積を小さくして感度を低くし、暗い被写体に対しては受光面積を大きくして感度を高くして、広いダイナミックレンジを確保するものであった。
【０００４】
また、特許文献２には、固体撮像装置の各受光部を感度の異なる２つの受光領域に分割し、各々の受光領域から読み出された信号電荷の信号電圧のうち、高感度側の信号をクリップした後、低感度側の信号と加算することによりダイナミックレンジを拡大することが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−２０７３７６号公報
【特許文献２】
特開平９−２０５５８９号公報。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来は、固体撮像素子に被写界像を結像させるための光学系のレンズ特性などによって発生するシェーディングについては考慮されておらず、撮像面における各受光位置について均一な撮像出力を得ることが困難な場合があった。
【０００７】
たとえば、ディジタルカメラにおいて、開口率を大きくして感度向上を目的とするマイクロレンズが撮像面の受光部上に配設された固体撮像素子が用いられる。マイクロレンズは、撮像レンズの光軸に平行な光束を与えた場合に、固体撮像素子に形成されたフォトダイオードに集光するように各受光部上に配置される。しかし、撮像レンズの射出瞳位置や絞り値によってマイクロレンズへの光の入射角が生じると、これに応じて集光率が画素位置毎に大きく変化し、さらに、各フォトダイオード内のそれぞれにおいて、均一に集光することができない状態が発生する。
【０００８】
具体的には、撮像面周辺部のフォトダイオードでは光が斜めに入射する入射光成分が多くなり、撮像面の中央部に配置された光学中心部のフォトダイオードに比べて受光光量が減少する。その結果、得られる画像周辺部における輝度が低下する輝度シェーディングが発生する。
【０００９】
また、フォトダイオードが形成する１画素内において、撮像素子周辺部では、マイクロレンズによって画素中心が外れて集光した結像錯乱円が形成されるため、１画素を形成するフォトダイオードの開口部にて均等に集光させることができず輝度シェーディングが発生する。したがって、たとえば１画素の領域を更に受光面積の広い高感度画素と受光面積が狭い低感度画素との２領域に上下分割した組画素を複数配列し、組画素毎にそれぞれ１つのマイクロレンズを対応させて配設した固体撮像素子を構成する場合に、各画素において、高感度画素と低感度画素との受光量比がフォトダイオードの配設位置によって異なって、とくに受光面積が狭い低感度画素への集光率が撮像画像の上下位置で大きく変化するという問題が発生する。この問題は、たとえば、撮像レンズの射出瞳が大きくなるほど顕在化し、さらに、撮像レンズのバックフォーカスを短く構成するほど固体撮像素子へより斜め方向の角度で光が入射するので顕著に発生する。
【００１０】
本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、一つの画素を高感度画素と低感度画素とに分割した一組の組画素にそれぞれマイクロレンズを対応させて複数配列した固体撮像装置を提供し、この場合、輝度シェーディングの影響を低減することのできる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の課題を解決するために、撮像レンズを介して結像される光学像に応じた撮像信号を生成する固体撮像装置において、この装置は、相対的に受光面積が小さい第１の感光部と相対的に面積が大きい第２の感光部とを一組としてそれぞれ１つの組画素を形成し、組画素を１／２組画素ピッチにて水平および垂直走査方向にそれぞれずらして配列し、第１の感光部および第２の感光部にて生成される信号電荷を垂直走査方向に転送する垂直電荷転送路を組画素の間にジグザク状に配置し、第１の感光部および第２の感光部単位で転送電極を垂直電荷転送路上に配置し、撮像レンズにより結像される光学像に応じた撮像信号をそれぞれ生成する撮像手段と、撮像手段を駆動して、第１の感光部による第１の撮像信号および第２の感光部による第２の撮像信号を撮像手段から読み出す駆動手段と、第１の撮像信号および第２の撮像信号を演算処理する信号処理手段と、信号処理手段を制御する制御手段とを含み、信号処理手段は、第１の撮像信号を蓄積する第１の記憶領域と第２の撮像信号を蓄積する第２の記憶領域とを含む記憶手段を含み、制御手段は、撮像手段から順次読み出される第１フィールドの第１の撮像信号および第２の撮像信号を記憶手段の第１の記憶領域と第２の記録領域とに格納アドレスを切り替えて記録させ、撮像手段から順次読み出される第２フィールドの第２の撮像信号および第１の撮像信号を記憶手段の第２の記憶領域と第１の記録領域とに格納アドレスを切り替えて記録させる記憶制御を行うことを特徴とする。
【００１２】
この場合、撮像手段の組画素は、第１の感光部を第２の感光部よりも上側に配置した上配置画素を撮像レンズによる光学中心を境として撮像面上部に配列し、第１の感光部を第２の感光部よりも下側に配置した下配置画素を光学中心を境として撮像面下部に配置しているとよい。
【００１３】
この場合、駆動手段は、第１フィールドにて撮像面上部では上配置画素から第１の感光部を読み出し、撮像面下部の下配置画素から第２の感光部を読出し、第２フィールドにて撮像面上部では上配置画素から第２の感光部を読み出し、撮像面下部では下配置画素から第１の感光部を読み出すとよい。
【００１４】
また、駆動手段は、動画撮影時には、組画素における第１の感光部にて生成される信号電荷および第２の感光部にて生成される信号電荷をともにそれぞれ垂直電荷転送路にシフトして信号電荷を混合し、混合した信号電荷を垂直転送するとよい。
【００１５】
また、本発明は上述の課題を解決するために、撮像レンズを介して結像される光学像に応じた撮像信号を生成する固体撮像素子において、この素子は、相対的に受光面積が小さい第１の感光部と相対的に面積が大きい第２の感光部とを一組としてそれぞれ１つの組画素を形成し、組画素を１／２組画素ピッチにて水平および垂直走査方向にそれぞれずらして配列し、受光量に応じた信号電荷をそれぞれ生成する受光部と、受光部上に配設され、入射光をそれぞれ各組画素に集光するマイクロレンズと、第１の感光部および第２の感光部にて生成される信号電荷を垂直走査方向に転送する垂直電荷転送路であって、組画素の間にジグザク状に配置した垂直電荷転送路と、垂直電荷転送路上に配置され、第１の感光部および第２の感光部単位で垂直荷転送路にポテンシャル井戸を形成する電位を印加する転送電極と、垂直電荷転送路から転送される信号電荷を水平走査方向に転送する水平電荷転送路とを含むことを特徴とする。
【００１６】
この場合、組画素は、第１の感光部を第２の感光部よりも上側に配置した上配置画素を撮像レンズによる光学中心を境として撮像面上部に配列し、第１の感光部を第２の感光部よりも下側に配置した下配置画素を光学中心を境として撮像面下部に配置するとよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に添付図面を参照して本発明による固体撮像装置の実施例を詳細に説明する。
【００１８】
図３を参照すると本発明が適応されたディジタルカメラのブロック図が示されている。本実施例におけるディジタルカメラ１０は、光学系１２に配設された撮像レンズ１４により結像される光学像に応じた撮像信号を生成する固体撮像素子１６を備えている。固体撮像素子１６は、素子内に配列した画素を水平走査方向を基準として上下に分割し、相対的に面積の小さい小画素を構成して低感度の光電変換特性を有する受光部の従感光部と、相対的に面積の大きな大画素を構成して高感度の光電変換特性を有する受光部の主感光部とを１つの組画素にそれぞれ形成し、広ダイナミックレンジの撮像信号を生成する。
【００１９】
光学系１２は、撮像レンズ１４の他に不図示の機械式シャッタおよび絞りを含み、さらに撮像レンズの焦点位置と焦点距離を調節する機構部を備えている。機械式シャッタ、絞りおよび機構部は、光学系駆動部１８から供給される駆動信号に応じて駆動される。
【００２０】
本ディジタルカメラ１０は、従感光部および主感光部から得られる撮像信号の一方または双方を使用して、動画像および静止画像の信号生成を行う撮像装置であり、動画像信号および静止画像信号に応じた映像の表示および記録保存等の信号出力を行う。
【００２１】
固体撮像素子１６の構成を図１に示すと、同図には固体撮像素子１６を撮像面側から見た場合の画素配列等の概略部分図が示されている。本実施例における固体撮像素子１６は、水平走査方向（Ｈ）および垂直走査方向（Ｖ）にそれぞれ１／２ピッチずつずらして配列した複数の組画素２０と、各組画素２０間を垂直走査方向にジグザグ状に配設され、それぞれ左方側に隣接して配置された組画素２０にて生成される信号電荷を垂直走査方向（Ｖ）に転送する複数の垂直電荷転送路２２と、各垂直電荷転送路２２からの信号電荷を水平走査方向（Ｈ）に転送する水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）  ２４と、信号電荷の電荷検出および増幅を行って撮像信号を出力する出力アンプ２６と、各組画素２０上にそれぞれ配設された凸型の複数のマイクロレンズ２８と含むＣＣＤ型イメージセンサである。マイクロレンズ２８と組画素２０との間の層には所定配列パターンの原色または補色型色フィルタが配設されているが、その図示を省略する。色フィルタの配列パターンとしては、原色フィルタの場合、たとえば、ＧストライプＲ／Ｂ完全市松パターン等が採用される。このように固体撮像素子１６は、ハニカム型の画素配列および垂直転送路構成である。
【００２２】
図示するように各組画素２０の上面には、入射光を集光するマイクロレンズ２８が被着されている。なお、同図では固体撮像素子１６の撮像面３０に配設された組画素２０、垂直電荷転送路２２およびマイクロレンズ２８は、それらの一部を示している。たとえば組画素２０は、撮像面３０内に有効画素数として数十万画素ないし数百万画素の多数が配置される。また、同図では撮像レンズ１４の光軸を通過する水平走査方向に平行な画像中心水平ラインを光学中心Ｘとして示している。各組画素２０は、この光学中心Ｘを境にして、光学中心Ｘの上方と下方とで従感光部と主感光部とが逆向き配置となるように画素分割されている。なお、撮像レンズ１４により結像される被写界像は倒立画像として結像される。固体撮像素子１６は、たとえば図示の上下が逆になるようにしてディジタルカメラ１０本体に固定して取り付けられるので、図示の撮像面３０において、撮像画像の上部がやはり撮像面３０の上部に対応し、逆に撮像画像の下部が撮像面３０の下部に対応する。
【００２３】
このように固体撮像素子１６は、従感光部が主感光部に対して上部に位置する組画素２０を光学中心Ｘよりも上側の撮像面３０上部に配置して上配置画素とし、従感光部が主感光部に対して下部に位置する組画素２０を光学中心Ｘよりも下側の撮像面３０下部に配置して下配置画素としている。したがって上配置画素と下配置画素とは、光学中心Ｘに対して線対称に配列されている。
【００２４】
光学中心Ｘに近接する数画素を図４に部分的に示す。なお同図ではマイクロレンズ２８の図示を省略する。光学中心Ｘを基準として撮像面３０の上方では、各フォトダイオード領域（ＰＤ）を遮光する遮光幕（開口マスク）が開口されて上配置画素の組画素２０が形成され、組画素２０は、その上方側に相対的に面積が小さな従感光部４０が配置され、その下方側に相対的に面積が大きな主感光部４２が水平走査方向（Ｈ）に沿う方向で分割して配置されている。他方、光学中心Ｘを基準として撮像面３０の下方に配置された下配置画素の組画素２０は、その上方側に相対的に面積が大きな主感光部４４が配置され、その下方側に相対的に面積が小さな従感光部４６が水平走査方向（Ｈ）に沿う方向で分割して配置されている。遮光幕を斜線にて示す。遮光幕の開口形状は、図示するような四角形のほかに六角形、八角形等の多角形や円形形状でもよい。上配置画素の従感光部４０と主感光部４２との間および下配置画素の主感光部４４と従感光部４６との間は、水平走査方向に分離領域および遮光幕を形成して各組画素２０のフォトダイオード領域（ＰＤ）を上下２つに分離、分割する。
【００２５】
フォトダイオード領域（ＰＤ）の右側にジグザグ状に配設された垂直電荷転送路２２はその上層に配設される転送電極（Ｖ１〜Ｖ８）に印加される垂直転送パルス（φＶ１〜φＶ８）に応じてポテンシャル井戸を形成する電荷結合素子（ＣＣＤ）である。垂直電荷転送路２２は、それぞれ左側に配置されたフォトダイオード領域（ＰＤ）からシフトされる信号電荷を保持し、垂直転送パルス（φＶ１〜φＶ８）の電位変化に応じてポテンシャル井戸が移動することにより信号電荷を垂直走査方向（Ｖ）に転送する。本実施例では、従感光部４０，４６および主感光部４２，４４毎にそれぞれ転送ゲート４８が設けられ、生成された信号電荷は、転送ゲート４８にシフトパルスが印加されると、転送ゲート４８を介して垂直電荷転送路２２のポテンシャル井戸に移動してシフトされる。
【００２６】
この垂直電荷転送路２２への信号電荷の読み出しを従感光部４０，４６および主感光部４２，４４について同時に行う場合に、垂直電荷転送路２２にてそれぞれの信号電荷を混合することができる。具体的には、たとえば、同図の左列に示すように、各組画素に対応する各転送ゲート４８を介して接続する転送電極Ｖ１，Ｖ２，Ｖ５，Ｖ６に垂直転送パルスの電圧を印加して、転送電極Ｖ１，Ｖ２と転送電極Ｖ５，Ｖ６とのそれぞれに対応する部分の垂直電荷転送路２２にポテンシャル井戸をそれぞれ形成する。この場合、互いに隣接する転送電極による同レベルのポテンシャル井戸によってそれぞれ信号電荷が混合されるので、従感光部と主感光部とを混合した各組画素ごとに信号電荷を垂直転送することができる。
【００２７】
また、従感光部４０，４６に対する信号電荷の読み出しと主感光部４２，４４に対する信号電荷の読み出しとをそれぞれ別フィールドのタイミングで読み出すことにより、従感光部の従画素と主感光部の主画素とのそれぞれの信号電荷を別々に独立して垂直電荷転送路２２に読み出して転送することができる。
【００２８】
さらに、撮像面３０上部では従感光部４０の従画素を垂直電荷転送路２２に読み出し、画面下部では主感光部４４の主画素を垂直電荷転送路２２に読み出す第１フィールドと、撮像面上部にて主感光部４２の従画素を読み出し、撮像面下部にて従感光部４６の従画素を読み出す第２のフィールドとにより、１フレームの画像を形成することができる。この場合、後述する画像メモリには、第１フィールドの記録の際に従画素から主画素に切り替わるタイミングおよび第２フィールドにて主画素から従画素に切り替わるタイミングにてそれぞれ画像メモリへの書込みアドレスを切り替えて、その記憶領域を切り替えるように記憶制御する。
【００２９】
ディジタルカメラ１０における動画撮影モードでは、組画素２０内の従感光部の従画素と主感光部の主画素とを垂直電荷転送路２２にて混合して読み出す。この信号電荷のシフトの際に、垂直走査方向に数組画素毎に間引きして読み出すことができ、たとえば、１／２画素間引きや１／４画素間引きを行って転送速度を高速化することができる。
【００３０】
ディジタルカメラ１０における静止画撮影モードでは、２フィールドで１フレームの画像を形成する読み出しを行う。一方のフィールドでは従感光部および主感光部の順で光学中心Ｘを境に切り替えて読み出し、他方のフィールドでは主感光部および従感光部の順で光学中心Ｘを境に切り替えて読み出す。このように、各フィールドにおいて、読み出す従感光部の従画素および主感光部の主画素を光学中心Ｘを境にして切り替える駆動を行うとともに、後述するように各フィールドの信号を記憶する画像メモリに対するアドレス制御を切り替える。
【００３１】
なお、撮像面３０の上配置画素と下配置画素の境界（光学中心Ｘ）は、撮像面３０に形成した有効画素のうち垂直走査方向に二分割した中央部とする場合のほか、その中央部から所定の組画素数分ずらしてもよい。この場合にもその境界部を光学中心Ｘとして、その一点が撮像レンズ１４の光軸に一致する位置に固体撮像素子１６が配設される。
【００３２】
図３に戻って、固体撮像素子１６を駆動する水平および垂直転送パルス等の駆動信号は駆動回路６０から固体撮像素子１６に供給される。駆動回路６０は、タイミングジェネレータ６２から供給されるタイミング信号に応動して固体撮像素子１６を駆動する駆動信号を生成する。駆動回路６０は、動画撮影モード時と静止画撮影モードとでは、異なる駆動信号を固体撮像素子１６に供給する。
【００３３】
タイミングジェネレータ６２は、垂直駆動タイミング信号、水平タイミング駆動信号、トランスファゲートパルスおよび画素クロックなどの各種タイミング信号を生成し、制御回路（ＣＰＵ）  ６４から供給される制御信号に応動して駆動回路６０、アナログ処理回路６６、アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換回路６８およびディジタル信号処理回路７０に供給する。
【００３４】
動画撮影モード時の駆動回路６０は、たとえば図５に示すように、各垂直走査方向に配列された各組画素において、１組画素おきに間引きして組画素単位で垂直転送路に信号電荷をシフトして読み出しラインとし、組画素内の従感光部および主感光部からの信号電荷を垂直転送路２２にて混合して、混合した信号電荷を垂直走査方向に転送する駆動信号を生成する。
【００３５】
この一例では、図６に示されるように、駆動回路６０は、垂直同期期間（ＶＤ）中に転送電極Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４にシフトパルス（φＶ１〜φＶ４）を与えて、従感光部および主感光部にて生成された信号電荷を垂直転送路２２に読み出し、垂直同期期間（ＶＤ）以降に、垂直転送パルス（φＶ１〜φＶ８）をそれぞれ対応する転送電極（Ｖ１〜Ｖ８）に供給することにより、間欠的に設定された読み出しラインの各組画素を高速に読み出す。図６におけるタイミングｔ６０期間中におけるタイミングパルス波形（φＶ１〜φＶ８）の拡大図を図７に示す。
【００３６】
図１０を参照すると、固体撮像素子１６を動画撮影モードにおいて駆動した際に、ある１つの垂直転送路２２において、ポテンシャル井戸が移動する様子が示されている。同図に斜線にて示すように、フォトダイオードから垂直電荷転送路２２にシフトされ、そのテンシャル井戸に溜められた信号電荷は、転送電極（Ｖ１〜Ｖ８）へ印加される垂直転送パルス（φＶ１〜φＶ２）応じて移動するポテンシャル井戸の移動に伴って、水平電荷転送路（ＶＣＣＤ）に移動される。
【００３７】
静止画撮影モードにおける駆動回路６０は、たとえば、図８に示すように、第１フィールドでは、光学中心Ｘを境とする画面上部の従感光部４０による従画素と、画面下部の主感光部４４による主画素とを読み出し、次の第２フィールドでは、図９に示すように、光学中心Ｘを境とする画面上部の主感光部４２による主画素と、画面下部の従感光部４６による従画素とを読み出す駆動信号を生成する。第１および第２フィールドにてそれぞれ別々に読み出された従画素および主画素は、後の信号処理によってそれぞれ組画素を再形成するように加算処理されて、広ダイナミックレンジの１フレーム画像が形成される。
【００３８】
固体撮像素子１６の出力はアナログ処理回路６６に接続され、アナログ処理回路６６は、入力される撮像信号に含まれるリセットノイズを除去する相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路と、撮像信号のレベルを利得可変に増幅する利得可変増幅回路（ＧＣＡ）とを含む。アナログ処理回路６６の出力は、アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換回路６８に接続され、アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換回路６８は、入力される撮像信号をディジタル値に変換して出力する。
【００３９】
アナログ／ディジタル変換回路６８の出力７０に接続されたディジタル信号処理回路７２は、ディジタル値に変換された画像データを制御回路６４からの制御に応じて記憶および演算処理して、表示用の画像データと記録用の画像データとを生成する処理回路である。ディジタル信号処理回路７２は、生成した記録用の画像データを記録回路８０に出力し、表示用の画像データを表示回路８２に出力する。なお、ディジタル信号処理回路７２の詳細構成および動作については後述する。
【００４０】
制御回路（ＣＰＵ）  ６４は、後述する第１および第２の画像メモリ２０８，２２４（図２）に対するメモリ制御機能を有し、画像データの格納アドレスを指定するアドレス信号を生成するとともに、画像データの書込みおよび読出しを制御する書込信号および読出信号を生成し、第１および第２の画像バス２００，２１０（図２）を介してそれぞれ第１および第２の画像メモリ２０８，２２４に供給する。とくに制御回路６４は、静止画撮影モードのときには、書込み領域の切り替えを行うアドレス信号を生成する。なお、制御回路６４は、画像メモリから画像データを読み出す際に、その読出し領域を光学中心Ｘに対応する画像データの格納位置にて読出し領域を切り替えるアドレス制御を行ってもよい。
【００４１】
制御回路６４は、操作部８６にて検出される操作情報に応動して本ディジタルカメラ１０を静止画撮影モードまたは動画撮影モードに設定する。本実施例では、操作部８６に収容されたレリーズスイッチへの第１ストロークが検出されると動画撮影モードを設定し、第２ストロークが検出されると静止画撮影モードを設定する。
【００４２】
制御回路６４は、動画撮影モードでは、とくにタイミングジェネレータ６２に対し、固体撮像素子１６にて間引き読み出しを行う間引駆動を指示する制御信号を出力することにより、指示に応じたタイミング信号を生成させる。制御回路６４は、さらに第２ストロークが検出された静止画撮影モードでは、２つのフィールドにて全画素を固体撮像素子１６から読み出す全画素読出し駆動を指示する制御信号をタイミングジェネレータ６２に出力する。
【００４３】
記録回路８０は、符号化された圧縮または非圧縮の画像データを情報記録媒体に読出し可能に記録する情報保持部である。記録回路８０は、画像データに各種撮影情報等を付加して作成した画像ファイルを、たとえば所定形式の階層構造にて編成されたディレクトリに各画像ファイル毎に異なるファイル名を付与して記録する。情報記録媒体としては、たとえば、半導体記憶素子を有するメモリカードや、記録可能な光ディスクおよび磁気ディスクなどの大容量の情報記録媒体が適用される。記録回路８０は作成した画像ファイルを、無線または有線により接続される他の情報処理装置に伝送する機能を有してもよい。
【００４４】
表示回路８２は、ディジタル信号処理回路７２にて生成される表示用の画像データの表す画像を表示する液晶表示パネルを有し、撮影または再生された画像データを表示する。また表示回路８２は、外部接続される表示装置８４に表示用の画像信号を生成して出力する機能を有している。
【００４５】
次に、ディジタル信号処理回路７２の詳細構成例を図２に示す。図示するように第１の画像バス２００には、第１のホワイトバランス（ＷＢ）ゲイン部２０２と第１のガンマ（γ）変換部２０４と画像加算部２０６と第１の画像メモリ２０８とが接続されている。また、第２の画像バス２１０には、第２のホワイトバランス（ＷＢ）ゲイン部２１２と第２のガンマ（γ）変換部２１４と画像加算部２０６と、同時化処理部２１６と、補正部２１８と圧縮伸張部２２０と画像縮小部２２２と第２の画像メモリ２２４とが接続されている。これら機能部は、さらに制御回路６４が接続された制御バス２３０に接続されている。第１の画像バス２００および第２の画像バス２１０は、それぞれ制御回路６４に接続されており、第１および第２の画像メモリ２０８，２２４は、制御回路６４からのメモリ制御に従って画像データの書込みおよび読出しを行う。
【００４６】
第１および第２のホワイトバランス（ＷＢ）ゲイン部２０２，２１２は、入力７０に入力される撮像信号のホワイトバランスを制御部６４からの制御信号に応動して調整するレベル調整部である。
【００４７】
第１のホワイトバランスゲイン部２０２は、静止画撮影モード時の第１フィールドの撮像面上部に配置された従感光部４０からの従画素を処理して第１の画像バス２００に出力する。この従画素の画像データは、図１１にその概略動作概念を示すように、制御回路６４によるアドレスおよび書込制御により、その処理データを第１の画像メモリ２０８の第１の領域１１００に蓄積させる（＃１）。なお、図１１における撮像面３０の光学中心Ｘを境とする上画面領域と下画面領域とに示した各従画素および主画素は説明のため各領域にそれぞれ１つだけ示している。
【００４８】
次いで、第２のホワイトバランスゲイン部２１２は、静止画撮影モード時の第１フィールドの撮像面下部に配置された主感光部４４からの主画素を処理して第２の画像バス２１０に出力する。制御回路６４は、その処理データを第２の画像メモリ２２４の第２の領域１１０２に蓄積させる（＃４）。
【００４９】
静止画撮影モード時の続く第２フィールドにおいて、第２のホワイトバランスゲイン部２１２は、撮像面上部に配置された主感光部４２からの主画素を処理して第２の画像バス２１０に出力する。制御回路６４は、その処理データを第２の画像メモリ２２４の第１の領域１１０４に蓄積させる（＃３）。次いで、第１のホワイトバランスゲイン部２０２は、撮像面下部に配置された従感光部４６からの従画素を処理して第１の画像バス２００に出力する。制御回路６４は、その処理データを第１の画像メモリ２０８の第２の領域１１０６に蓄積させる（＃４）。なお、図２では、第１の画像メモリ２０８と第２の画像メモリ２２４とをそれぞれ別のブロックにて示したが、これに限らず、たとえば図１１に示たように、それぞれの画像メモリ２０８，２２４は、所定単位の画像メモリ１１２０による記憶領域により構成されてよい。また、第１の画像メモリ２０８の記憶領域と、第２の画像メモリ２２４の記憶領域とは、連続する記憶領域のアドレスにて構成されていてもよい。
【００５０】
このように、各フィールドにて、読み出される従画素および主画素が光学中心Ｘを境にして逆向きに配置されて異なるため、各フィールド内において画像メモリに対する書込みアドレスを切り替えて、その記憶領域を切り替える。
【００５１】
上記説明では、ホワイトバランス処理の後に画像メモリ２０８，２２４に画像データをそれぞれ格納するようにして説明したがこれに限らず、たとえば、従画素および主画素に対応する画像データを予め上述のようにして各画像メモリ２０８，２２４に対する書込み領域の切り替えを行って異なる領域に交互にそれぞれ蓄積し、その後にホワイトバランスのレベル調整を行うようにしてもよい。つまり、第１および第２のホワイトバランスゲイン部２０２，２２４による処理の前に、画像データを一旦それぞれの画像メモリ２０８，２２４に記憶させておき、その後に、ホワイトバランスゲイン部２０２，２１２等にて各種処理を実行するようにしてもよい。
【００５２】
このようにして各画像メモリ２０８，２２４に格納された画像データは、第１および第２のガンマ変換部２０４，２１４にてルックアップテーブルに応じた値に変換されて、それぞれガンマ補正される。
【００５３】
この静止画撮影モードにおける画像加算部２０６は、第１および第２のガンマ変換部２０４，２１４にて処理された画像データをそれぞれ画像バス２００，２１０を介して入力し、それぞれ同一の組画素を構成する従画素と主画素とのそれぞれの画素値を加算する演算処理部である。画像加算部２０６は、主画素と従画素とを組み合わせた組画素単位の画素値を加算演算により算出して画素値のダイナミックレンジを拡大する。このように画像加算部２０６は、静止画撮影モードにおいて、広ダイナミックレンジの画像データを生成し、生成された画像データを第２の画像バス２１０に出力して画像メモリ２２に格納する。この場合、制御回路６４は、画像データを格納する記憶領域として第１の画像メモリ２０８の記録領域も利用してよい。
【００５４】
静止画撮影モードにおける同時化処理部２１６は、画像加算部２０６にて画素加算処理された画像データに対し画素補間および色補間を行って、各組画素位置における各Ｒ，Ｇ，Ｂ色成分の画素値を算出する機能部である。同時化処理部２１６はさらに、それぞれの組画素の間に仮想配置される仮想画素を画素補間処理により生成する機能を含む。
【００５５】
動画撮影モード時では、これら従画素に対する処理に関連する第１のホワイトバランスゲイン部２０２、ガンマ変換部２０４および画素加算部２０６における処理を行わず、第２のホワイトバランスゲイン部２１２、ガンマ変換部２１４における処理を行った後に、同時化処理部２１６にて画素生成処理を行う。
【００５６】
この場合、第２のホワイトバランスゲイン部２１２は、動画撮影モード時に、固体撮像素子１６から混合読み出しされ処理された組画素の画像データのホワイトバランスを調整して第２の画像メモリ２２４に格納し、ガンマ変換部２１４は、調整された画像データをガンマテーブルにより階調変換し第２の画像メモリ２２４に蓄積する。次いで同時化処理部２１６は、この第２の画像メモリ２２４に蓄積された画像データに対する画素生成処理を行って、各組画素位置におけるＲＧＢ色成分の画素値をそれぞれ生成して画像メモリ２２４に蓄積する。また同時化処理部２１６は、制御回路６４の制御に応動して仮想画素の画素値を生成することができる。
【００５７】
補正部２１８は、画像メモリ２２４に蓄積された３原色成分の画像データに対し、色差マトリクス処理、輪郭強調処理および色差データに対するゲイン調整等の補正処理を行う機能を有している。本実施例における補正部２１８は、固体撮像素子１６の構造のみでは除去しきれずに撮像画像に残存するシェーディングの悪影響を補正する補正処理を行うことができる。補正部２１８は、ＲＧＢ画素データと係数とを演算し、輝度データおよび色差データを生成する色差マトリクス処理を行う。
【００５８】
圧縮伸張部２２０は、圧縮伸長部２２０は、静止画撮影モードや動画撮影モードにて供給される画像データにＪＰＥＧ（Ｊｏｉｎｔ  Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ  ｃｏｄｉｎｇ  Ｅｘｐｅｒｔｓ  Ｇｒｏｕｐ）やＭＰＥＧ（Ｍｏｖｉｎｇ  Ｐｉｃｔｕｒｅ  ｃｏｄｉｎｇ  Ｅｘｐｅｒｔｓ  Ｇｒｏｕｐ）−１，  ＭＰＥＧ−２等の規格に従って圧縮・符号化処理する機能部である。圧縮伸長部２２０は、制御回路６４の制御に応じて圧縮処理した画像データを記録回路８０（図３）に出力する。なお、圧縮伸張部２２０は、画像データを圧縮せずにＲＡＷデータとして記録回路８０に出力してもよい。圧縮伸長部２２０は、また、記録回路８０にて記録した画像データを制御回路６４の制御に応じて読み出して伸長処理を施す機能を有している。
【００５９】
画像縮小部２２２は、画像データを表示するサイズに応じて画像データを画素間引きし、表示回路８２（図３）に収容される液晶表示パネルや同回路８２に接続される表示装置８４に適合する画像サイズに画像データを調整する。画像縮小部２２２は処理した画像データを表示回路８２に出力する。
【００６０】
このようにしてディジタル信号処理部７２は、動画撮影モード時と静止画撮影モード時とでは異なる信号処理を行う。とくに輝度シェーディングによる悪影響が懸念される静止画像の生成の際に、制御回路６４は、上配置画素と下配置画素との画像メモリ２０８，２２４への書込み時に、書込み領域を切り替えるように制御して、従感光部による従画素と主感光部による主画素とをそれぞれの画像メモリ２０８，２２４の記憶領域にわけて格納し、ディジタル信号処理部７２は、画像メモリ２０８に蓄積した画像データに対する信号処理と、画像メモリ２２４に格納した画像データに対する信号処理とを別個のパラメータにより行うことができる。
【００６１】
このように、本実施例では、上下に画素分割した組画素を有する特有構成の固体撮像素子１６をディジタルカメラ１０に備えることにより、シェーディングの悪影響を低減することができるとともに、制御回路６４は、動画撮影時と静止画撮影時とでは固体撮像素子１６に対する制御を切り替え、さらに、上述のメモリ制御を切り替えることにより、広ダイナミックレンジの画像形成を行っている。
【００６２】
したがって、従感光部と主感光部との配置を逆向きにした組画素を光学中心Ｘを境に撮像面の上下に配列した特有構成の固体撮像素子１６を用いたディジタルカメラ１０において、図１２に示すように撮像レンズ１４から射出される光束によって発生するシェーディング発生の影響を低減しつつ、広ダイナミックレンジの画像を得ることができ、高品位の撮像画像を情報記録媒体に記録することができる。
【００６３】
なお、図１３には、組画素を上下に分割し、従感光部と主感光部との配置を一定方向に形成した場合の固体撮像素子に配設されたマイクロレンズによって形成される錯乱円の一例を概念的に示している。図示するように、撮像面１３００における錯乱円１３１０は、撮像面１３００の左右では、従画素および主画素でほぼ均等にバランスよく錯乱円１３１０が形成されるのに対して、撮像面１３００の上下領域では画面上部では従画素に対してより錯乱円１３１０が重なり、逆に画面下部では主画素に対してより錯乱円１３１０が重なっている。したがってこの組画素の配置例では、撮像面の上下においてシェーディングが多く発生する。
【００６４】
しかし図１〜図１１を参照して説明した上記実施例では、光学中心Ｘを境にして組画素の従感光部と素感光部との配置向きを逆にしている（上配置画素、下配置画素）ので、撮像面３０における上下にて発生するシェーディングが大幅に低減される。この場合、撮像レンズによる光軸に対応する画像中心からの上下方向の距離に応じて、上下ともに光学中心Ｘから同距離に配置された組画素については、主感光部および従感光部への受光量のバランスがとられているので、この点、シェーディング生成量が低減され、さらにシェーディングに対する補正処理も簡略することができる。
【００６５】
【発明の効果】
このように本発明によれば、撮像レンズにより発生する輝度シェーディングが低減され、特に光学中心を基準として撮像画面の上部と下部とではバランスがとられ、輝度シェーディングに対する補正処理も簡略化することができる。したがって、従画素および主画素とを用いた高精細な静止画像を広ダイナミックレンジにて得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例における固体撮像素子の撮像面を示す図である。
【図２】ディジタル信号処理回路の構成例を示すブロック図である。
【図３】本発明が適用されたディジタルカメラの構成例を示すブロック図である。
【図４】固体撮像素子の撮像面を詳細に示す図である。
【図５】動画撮影モード時の読出しラインおよび信号電荷の読出しを示す図である。
【図６】駆動回路にて生成する駆動信号を示すタイミングチャートである。
【図７】駆動回路にて生成する垂直転送パルス（φＶ１〜φＶ８）を示すタイミングチャートである。
【図８】静止画撮影モード時における第１フィールドの信号電荷の垂直電荷転送路への読出しを示す図である。
【図９】静止画撮影モード時における第２フィールドの信号電荷の垂直電荷転送路への読出しを示す図である。
【図１０】ポテンシャル井戸の移動状態を示す図である。
【図１１】静止画撮影モード時における従画素および主画素のそれぞれの画像データを画像メモリに格納する状態を概念的に説明する図である。
【図１２】撮像レンズによる固体撮像素子への結像状態を示す図である。
【図１３】従画素および主画素を同一の向きに撮像面に配置した場合の錯乱円の発生状態を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１０  ディジタルカメラ
１４  撮像レンズ
１６  固体撮像素子
２０  組画素
２２  垂直電荷転送路
２８  マイクロレンズ
４０，４６  従感光部（従画素）
４２，４４  主感光部（主画素）
４８  転送ゲート
６４  制御回路（ＣＰＵ）
２０８，２２４  画像メモリ
２０６  画像加算部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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