(57)【要約】【課題】画像解像度を低下させることなく、動く被写体画像でも良好なスミア補正を行う。【解決手段】高感度画素と低感度画素とが交互に二次元アレイ状に配列形成された広ダイナミックレンジ固体撮像装置のスミア電荷検出方法において、高感度画素の画素間引きは行わず低感度画素の画素間引きを行ってスミア電荷の検出を行う。画像解像度は高感度画素数に依存するため、撮像画像の解像度低下はなく、動く被写体画像でもスミア補正を良好に行うことができる。【選択図】図３
2007336052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高感度画素と低感度画素とが交互に二次元アレイ状に配列形成された広ダイナミックレンジ固体撮像装置のスミア電荷検出方法において、前記高感度画素の画素間引きは行わず前記低感度画素の画素間引きを行ってスミア電荷の検出を行うことを特徴とする広ダイナミックレンジ固体撮像装置のスミア電荷検出方法。
【請求項２】
前記高感度画素が配列された画素行と前記低感度画素が配列された画素行とが交互且つ１／２ピッチずつずらして配列されていることを特徴とする請求項１に記載の広ダイナミックレンジ固体撮像装置のスミア電荷検出方法。
【請求項３】
画素間引きした前記低感度画素の信号電荷量に応じた信号を、該低感度画素の周りの画素間引き対象としなかった前記低感度画素の信号電荷量に応じた信号を補間演算して求めることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の広ダイナミックレンジ固体撮像装置のスミア電荷検出方法。
【請求項４】
前記低感度画素の全てを画素間引きしてスミア電荷の検出を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の広ダイナミックレンジ固体撮像装置のスミア電荷検出方法。
【請求項５】
高感度画素と低感度画素とが交互に二次元アレイ状に配列形成された広ダイナミックレンジ固体撮像装置において、前記高感度画素の画素間引きは行わず前記低感度画素の画素間引きを行ってスミア電荷の検出を行う構成としたことを特徴とする広ダイナミックレンジ固体撮像装置。
【請求項６】
前記高感度画素が配列された画素行と前記低感度画素が配列された画素行とが交互且つ１／２ピッチずつずらして配列されていることを特徴とする請求項５に記載の広ダイナミックレンジ固体撮像装置。
【請求項７】
画素間引きした前記低感度画素の信号電荷量に応じた信号を、該低感度画素の周りの画素間引き対象としなかった前記低感度画素の信号電荷量に応じた信号を補間演算して求めることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の広ダイナミックレンジ固体撮像装置。
【請求項８】
受光量に応じた信号電荷を検出する実画素と、ダミー画素とが交互に二次元アレイ状に配列形成されたＣＣＤ型固体撮像装置において、前記実画素の画素間引きは行わず前記ダミー画素位置のスミア電荷の検出を行う構成としたことを特徴とするＣＣＤ型固体撮像装置。
【請求項９】
前記実画素が配列された画素行と前記ダミー画素が配列された画素行とが交互且つ１／２ピッチずつずらして配列されていることを特徴とする請求項８に記載のＣＣＤ型固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＣＣＤ（Charge Coupled Devices：電荷結合素子）型の固体撮像装置及びそのスミア電荷検出方法に係り、特に、広ダイナミックレンジの画像を撮像するために高感度画素と低感度画素とを備えた広ダイナミックレンジ固体撮像装置及びそのスミア電荷検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ型固体撮像素子では、高輝度画像を撮像したときスミアが無視できなくなる。このため、従来から撮像素子受光面の撮像領域周辺部に設けられたオプティカルブラック部やダミー画素部から得られた電荷をスミア電荷量として検出し、このスミア電荷量を、撮像領域から得られた各撮像画像信号電荷量から減算することが行われている。
【０００３】
しかし、この従来のスミア補正方法は、静止した被写体を撮像する場合には問題無いが、動く被写体に対してはスミア補正が的確にできないという問題がある。そこで、下記特許文献１記載の従来技術では、撮像領域に配列形成された画素行のうち所定割合の画素行をスミア電荷検出用の画素行とし、スミア電荷検出用画素行以外の画素行から得られた撮像画像の信号電荷量を、スミア電荷検出用画素行から得られたスミア電荷量で補正することで、動く被写体の撮像画像に対して的確なスミア補正を行える様にしている。
【０００４】
しかしながら、このスミア補正方法は、スミア電荷検出用画素行を設けるためこれらの画素行における撮像画像信号を得ることができず、垂直方向の解像度が低下してしまうという問題がある。このスミア電荷検出用画素行における画像信号を、周りの画像信号から補間演算して求めることも可能であるが、補間演算して求めた画像信号は本来の画像信号でないため、スミア電荷検出用画素行を設けなかった場合と比較して垂直方向の解像度が低下してしまう。
【０００５】
ＣＣＤ型固体撮像素子には、下記特許文献２記載の撮像素子がある。この撮像素子は、大面積の高感度画素が並ぶ画素行と、小面積の低感度画素が並ぶ画素行とが交互に且つ１／２ピッチづつずらして配列形成されており、高感度画素だけを設けたＣＣＤ型固体撮像素子に対してダイナミックレンジの広い画像を撮像できる利点がある。
【０００６】
ダイナミックレンジの広い画像が撮像できるということは、より高輝度な被写体画像を撮像できるということを意味し、このため、スミア補正を的確に行わないと、撮像画像の画質が劣化してしまう。しかるに、特許文献２記載の固体撮像素子は、各画素が正方格子配列されている訳ではなく、また、高感度画素と低感度画素とを備えるため、特許文献１記載の従来のスミア補正方法を単にそのまま適用することができず、スミア電荷をどの様に検出するか工夫が必要となる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５―３９７２７号公報
【特許文献２】特開２００４―５５７８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、高感度画素行と低感度画素行とが交互に配列形成されたＣＣＤ型の広ダイナミックレンジ固体撮像装置で、画像解像度を犠牲にすることなく、動く被写体画像でも良好にスミア補正を行い高品質な画像を撮像することができる広ダイナミックレンジ固体撮像装置及びそのスミア電荷検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の高感度画素と低感度画素とが交互に二次元アレイ状に配列形成された広ダイナミックレンジ固体撮像装置及びそのスミア電荷検出方法は、前記高感度画素の画素間引きは行わず前記低感度画素の画素間引きを行ってスミア電荷の検出を行うことを特徴とする。
【００１０】
本発明の広ダイナミックレンジ固体撮像装置及びそのスミア電荷検出方法は、前記高感度画素が配列された画素行と前記低感度画素が配列された画素行とが交互且つ１／２ピッチずつずらして配列されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の広ダイナミックレンジ固体撮像装置及びそのスミア電荷検出方法は、画素間引きした前記低感度画素の信号電荷量に応じた信号を、該低感度画素の周りの画素間引き対象としなかった前記低感度画素の信号電荷量に応じた信号を補間演算して求めることを特徴とする。
【００１２】
本発明の広ダイナミックレンジ固体撮像装置及びそのスミア電荷検出方法は、前記低感度画素の全てを画素間引きしてスミア電荷の検出を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高感度画素の画素間引きは行わないため撮像画像の解像度は低下せずに、低感度画素の画素間引きを行ってスミア電荷の検出を行うため、画像解像度を犠牲にすることなく、良好なスミア補正を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る広ダイナミックレンジ固体撮像装置の表面模式図である。本実施形態の広ダイナミックレンジ固体撮像装置１００は、半導体基板上に形成された画素部１０１と、画素部１０１の下辺に沿って設けられた水平転送シフトレジスタ（ＨＣＣＤ：水平電荷転送路）１０２と、水平電荷転送路１０２の出力端に設けられた出力アンプ１０３とを備える。
【００１６】
画素部１０１には、多数のフォトダイオード１０が配列形成されている。各フォトダイオード１０は、大面積のフォトダイオードでなる画素行と、小面積のフォトダイオードでなる画素行とが交互に、且つ、１／２ピッチずつずらして形成されている。
【００１７】
各フォトダイオード１０上にはＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）のうちの一色のカラーフィルタが積層されており、赤色フィルタが積層された大面積のフォトダイオードを「１０Ｒ」、赤色フィルタが積層された小面積のフォトダイオードを「１０ｒ」、緑色フィルタが積層された大面積のフォトダイオードを「１０Ｇ」、緑色フィルタが積層された小面積のフォトダイオードを「１０ｇ」、青色フィルタが積層された大面積のフォトダイオードを「１０Ｂ」、青色フィルタが積層された小面積のフォトダイオードを「１０ｂ」とする。
【００１８】
半導体基板には、各フォトダイオード１０を避ける様に垂直方向に蛇行する埋め込みチャネルが形成されている。また、半導体基板の表面には、絶縁膜を介して、水平方向に各フォトダイオード１０を避ける様に蛇行する垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ８が積層されている。垂直方向に蛇行する埋め込みチャネルと、その上に積層された各垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ８により、垂直転送シフトレジスタ（ＶＣＣＤ：垂直電荷転送路）１０４が形成される。
【００１９】
斯かる構成の広ダイナミックレンジ固体撮像装置１００により被写体画像の撮像が行われた後、例えば、図１に示す電極Ｖ３に読出パルス電圧が印加されると、大面積のフォトダイオード１０Ｇ，１０Ｂ，１０Ｇ，１０Ｂ，…の画素行の各信号電荷が右斜め下側の電極Ｖ３下に形成された電位パケット内に読み出される。そして、各電極Ｖ１〜Ｖ８に垂直転送パルスが印加されることで、この信号電荷は水平電荷転送路１０２の方向に転送され、次に水平電荷転送路１０２に沿って転送され、出力アンプ１０３は、各信号電荷の電荷量に応じた電圧値信号を画像信号として出力する。
【００２０】
例えば図１に示す電極Ｖ５に読出パルス電圧が印加されると、小面積のフォトダイオード１０ｒ，１０ｇ，１０ｒ，…の画素行の各信号電荷が右斜め下側に形成された電位パケット内に読み出される。以後、上記と同様にこの信号電荷は垂直電荷転送路１０４，水平電荷転送路１０２と転送され、画像信号として出力される。
【００２１】
被写体画像中に高輝度部分が存在し、その高輝度部分を撮像した大面積のフォトダイオードが飽和してしまっても、この大面積のフォトダイオードに対し右斜め上に形成された同色カラーフィルタの小面積フォトダイオードは、小面積であるが故に大面積の高感度なフォトダイオードに比較して感度が小さく、飽和しない。このため、出力アンプ１０３から出力された高感度画素（大面積のフォトダイオード）による画像信号と、低感度画素（小面積のフォトダイオード）による画像信号とを所定演算式により加算処理することで、高輝度部分が白飛びしない広ダイナミックレンジの画像を得ることができる。
【００２２】
図２は、図１に示す広ダイナミックレンジ固体撮像素子から４相駆動で全画素読み出しする場合の説明図である。４相駆動の場合、図１に示す電極（Ｖ１，Ｖ５）に同一駆動パルス（読出パルス，転送パルス）を印加し、同様に、電極（Ｖ２，Ｖ６）、（Ｖ３，Ｖ７）、（Ｖ４，Ｖ８）に同一駆動パルスを印加する。
【００２３】
今、電極Ｖ１（＝Ｖ５），Ｖ３（＝Ｖ７）に読出パルスを印加すると、全画素の信号電荷が、図２の左図に示す様に、各画素の右斜め下の電位パケット内に読み出される。低感度画素による信号電荷を２電極分だけ垂直方向にずらした垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）の電荷蓄積状態は、図２の右図となる。
【００２４】
垂直電荷転送路を垂直方向に転送すると、図２に示す例では、ＲｒＧｇＲｒＧｇ…の信号電荷行が水平電荷転送路に転送され、この信号電荷行による各画像信号が出力アンプから出力される。次に、垂直電荷転送路を転送すると、ＧｇＢｂＧｇＢｂ…の信号電荷行が水平電荷転送路に転送され、この信号電荷行による各画像信号が出力アンプから出力される、という動作が繰り返される。尚、大文字のＲ，Ｇ，Ｂは高感度画素が検出した信号電荷を示し、小文字のｒ，ｇ，ｂは低感度画素が検出した信号電荷を示す。
【００２５】
この図２に示す読出モードでは、従来と同様に、オプティカルブラック部やダミー画素部から読み出した電荷を用いてスミア補正を行うことになる。静止した被写体画像であれば、このスミア補正で十分であるが、動く被写体画像では十分とはいえない。そこで、本実施形態では、図３に示す様にしてスミア電荷の読み出しを行う。
【００２６】
図１に示す広ダイナミックレンジ固体撮像素子を４相駆動し全画素読み出しを行う場合、本実施形態では、５つの電極Ｖ１（＝Ｖ８）のうちの１つの電極Ｖ１に読出パルスを印加しない。図３の左図には、読出パルスを印加する電極Ｖ１を「１Ａ」とし、読出パルスを印加しない電極Ｖ１を「１Ｂ」としている。
【００２７】
これにより、読出パルスが印加されたとき、電極１Ｂに対応する小面積の低感度画素行の信号電荷は、垂直電荷転送路の電位パケットには読み出されない。即ち、この電位パケット内の電荷は、スミア電荷だけとなる。
【００２８】
低感度画素を１／５に間引き、間引いた低感度画素に対応する電位パケットでスミア電荷を検出し転送する場合の垂直電荷転送路上のスミア電荷の配置位置は、図３の右図となる。
【００２９】
以後、垂直電荷転送路上の各電荷行を、図２で説明したと同様にして出力アンプから読み出し、得られたスミア電荷によりスミア補正を行うことで、動く被写体の画像でも良好な画質の画像を得ることが可能となる。スミア電荷検出用として間引いた低感度画素の信号電荷量は、間引いた低感度画素の周りの同色の低感度画素の信号電荷量を補間演算することで求める。
【００３０】
この様に、本実施形態のスミア補正方法によれば、高感度画素をスミア電荷検出用に間引くことがないため、高感度画素数によって決まる画像解像度は低下せずに、的確なスミア補正が可能となる。
【００３１】
図３に示す例では、低感度画素の１／５を間引いてスミア電荷検出を行っているが、このスミア電荷検出を常時行う構成とするには、各電極１Ｂに読出パルスを印加しない結線として撮像装置１００を作り込んでおけばよい。
【００３２】
また、図２で説明した全画素読出モードと、図３で説明したスミア電荷検出モードとを切り換えて行う構成にするには、各電極１Ａの結線端子Ａと各電極１Ｂの結線端子Ｂとを別々に設け、図示しないパルス駆動回路が結線端子Ａ，Ｂに読出パルスを同時に印加する駆動態様と、結線端子Ａにだけ読出パルスを印加する駆動態様とを設ければよい。
【００３３】
（第２実施形態）
図４，図５は、夫々、本発明の第２実施形態に係る広ダイナミックレンジ固体撮像装置の全画素読出モードとスミア電荷読出モードの説明図である。固体撮像装置の各フォトダイオード等の構成は、図１に示す第１実施形態と同様であるが、各フォトダイオードからの信号電荷の読み出し方向が異なる。
【００３４】
第１実施形態では、全てのフォトダイオードから垂直電荷転送路に信号電荷を読み出す方向が右斜め下方向であったが、本実施形態では、ある高感度画素行とその直上の低感度画素行の２行の画素行が右斜め下方向に信号電荷を読み出し、次の高感度画素行と低感度画素行の２行の画素行が左斜め下方向に信号電荷を読み出す構成になっている点のみ異なる。
【００３５】
フォトダイオードから垂直電荷転送路に信号電荷を読み出す方向は、半導体基板に形成された垂直電荷転送路の埋め込みチャネル上に絶縁膜を介して積層された転送電極膜を読出電極として読出対象フォトダイオードまで延在させる等、撮像素子の構造で決まるため、予め斯かる読み出しが可能な様に撮像素子を製造しておく。
【００３６】
この様な構造の広ダイナミックレンジ固体撮像装置でも、図４に示す様に、全画素から同時に垂直電荷転送路に信号電荷を読み出し、垂直電荷転送路，水平電荷転送路と信号電荷の転送と画像信号の出力を行うことができる。
【００３７】
そして、動く被写体の撮像画像に対して良好なスミア補正を行う場合には、図５に示す様に、低感度画素の１／５を間引き、間引いた低感度画素の信号電荷の垂直電荷転送路への読み出しはせずに、垂直電荷転送路上の電荷（スミア電荷）の転送を行う。
【００３８】
本実施形態でも、高感度画素の画素間引きは行わないため、撮像画像の解像度の低下はなく、良好なスミア補正を行うことが可能となる。また、図１に示す第１実施形態で検出されるスミア電荷は１列置きの垂直電荷転送路のスミア電荷であったが、本実施形態で検出できるスミア電荷は、各列毎の垂直転送路のスミア電荷となり、更に良好なスミア補正が可能となる。
【００３９】
（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態におけるスミア電荷読出モードの説明図である。図１〜図３に示す第１実施形態では、低感度画素の１／５を間引き、スミア電荷の検出を行っている。
【００４０】
低感度画素のうちどの程度の画素間引きを行ってその分のスミア電荷検出を行うかは任意であり、１／２や１／１０の低感度画素間引きを行う構成としても良く、また逆に、図６に示す様に、全部の低感度画素を間引き、全てスミア電荷検出に用いることも可能である。
【００４１】
但し、この場合、低感度画素の信号電荷は１個も読み出されないため、広ダイナミックレンジの撮像画像を得ることはできない。従って、この場合の低感度画素は、単なるダミー画素となる。
【００４２】
（第４実施形態）
図７は、本発明の第４実施形態におけるスミア電荷読出モードの説明図である。本実施形態は、図４に示す実施形態の固体撮像装置において、全部の低感度画素を間引き、スミア電荷を検出している。この場合も、低感度画素は単なるダミー画素となり、固体撮像装置も、広ダイナミックレンジ型ではなく、単なるＣＣＤ型の固体撮像装置となる。
【００４３】
以上述べた様に、本発明の各実施形態によれば、低感度画素を間引いてスミア電荷検出を行い、高感度画素の画素間引きは行わないため、撮像画像の解像度を犠牲にすることなく、スミア電荷の検出が可能となり、動く被写体の画像に対しても良好なスミア補正を行うことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明に係る広ダイナミックレンジ固体撮像装置は、撮像画像の解像度を犠牲にすることなく良好なスミア補正を行うことができ、デジタルカメラ等に搭載するＣＣＤ型固体撮像装置として適用すると有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る広ダイナミックレンジ固体撮像装置の表面模式図である。
【図２】図１に示す広ダイナミックレンジ固体撮像装置から全画素読出を行うときの説明図である。
【図３】図１に示す広ダイナミックレンジ固体撮像装置から全画素読出を行う場合において低感度画素の１／５を画素間引きしてスミア電荷検出を行うときの説明図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る広ダイナミックレンジ固体撮像装置から全画素読出を行うときの説明図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る広ダイナミックレンジ固体撮像装置から全画素読出を行う場合において低感度画素の１／５を画素間引きしてスミア電荷検出を行うときの説明図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係り、図２に示す固体撮像装置の全低感度画素を画素間引きしてスミア電荷検出を行うときの説明図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係り、図４に示す固体撮像装置の全低感度画素を画素間引きしてスミア電荷検出を行うときの説明図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０Ｒ  赤色フィルタを搭載した大面積のフォトダイオード（高感度画素）
１０Ｇ  緑色フィルタを搭載した大面積のフォトダイオード（高感度画素）
１０Ｂ  青色フィルタを搭載した大面積のフォトダイオード（高感度画素）
１０ｒ  赤色フィルタを搭載した小面積のフォトダイオード（低感度画素）
１０ｇ  緑色フィルタを搭載した小面積のフォトダイオード（低感度画素）
１０ｂ  青色フィルタを搭載した小面積のフォトダイオード（低感度画素）
１００  広ダイナミックレンジ固体撮像装置
１０１  画素部
１０２  水平電荷転送路
１０３  出力アンプ
１０４  垂直電荷転送路
Ｖ１，Ｖ２，…Ｖ８  垂直転送電極
【図１】
2007336052.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007336052.tif 000007
【図６】
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【図７】
2007336052.tif 000009