(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写界からの入射光を信号電荷に変換する複数の受光素子と、該受光素子に対応して設けられ対応する該受光素子から前記信号電荷を読み出すための読出しゲートと、該読み出された信号電荷を転送するＣＣＤ型垂直転送路と、該読み出された信号電荷を入力されて画像信号として処理する信号処理部とを含む撮像装置において、
前記ＣＣＤ型垂直転送路は露光期間中にスミアを蓄積し、蓄積したスミアを前記信号処理部に出力し、
前記信号処理部は、該スミアと、前記受光素子において変換された信号電荷から画像信号を生成することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、前記ＣＣＤ型垂直転送路は、前記受光素子が前記信号電荷を蓄積しているときに前記スミアを蓄積し、蓄積したスミアを前記信号処理部に出力した後に、前記受光素子が蓄積した信号電荷を読み出して前記信号処理部に出力することを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の装置において、該装置は、前記ＣＣＤ型垂直転送路が前記スミアを蓄積する前に、該ＣＣＤ型垂直転送路にすでに蓄積されている誤差成分であるスミアを排出するスミア排出手段を含み、前記ＣＣＤ型垂直転送路は、誤差成分であるスミアが排出された後に、スミアの蓄積を開始することを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像装置およびその制御方法に関し、たとえば広いダイナミックレンジを有するデジタルカメラ、より具体的にはビデオカメラ、電子スチルカメラおよび画像入力装置等に適用して好適な撮像装置およびその撮像装置の制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、撮像素子または撮像画像のダイナミックレンジを広くする方法として各種の方法が提案されている。たとえば、特開平5−145857号公報には、マイクロレンズを設けた画素と、マイクロレンズの無い画素とを市松模様に配置し、入射光量の多い画素と入射光量の少ない画素とを設けたカメラが開示されている。そして入射光量の多い画素からのデータと入射光量の少ない画素からのデータとを組み合わせることにより、ダイナミックレンジを広くしている。
【０００３】
また、特開2000−224467号公報、特開2000−209492号公報、特開2000−92378号公報、特開2000−50151号公報、特開平10−327357号公報には、露光量を変えて複数回の撮影を行い、露光量の異なる複数の画像を得て、これらの画像を加算することによりダイナミックレンジを広くする技術が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のマイクロレンズを用いる方法では、マイクロレンズがある画素と無い画素が交互に存在するため、入射光量の多い画素と少ない画素とが交互に存在することになる。そして、入射光量の多い画素では、入射光量の少ないデータを、入射光量の少ない画素のデータから補間して求める。入射光量の少ない画素では、入射光量の多いデータを、入射光量の多い画素のデータから補間して求める。このため、解像度が低下してしまう。特に静止画の場合に低下が顕著になる。
【０００５】
また、露光量を変えて複数回の撮影を行う方法では、露光タイミングが異なるため、動きのある被写体に対して問題がある。
【０００６】
本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、広いダイナミックレンジを有するとともに解像度の低下を防止できる撮像装置およびその制御方法を提供することを目的とする。また、本発明の別の目的は、広いダイナミックレンジを有するとともに動きのある被写体に対しても適切な画像が得られる撮像装置およびその制御方法を提供することである。
【０００７】
【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、被写界からの入射光を信号電荷に変換する複数の受光素子と、受光素子に対応して設けられ対応する受光素子から信号電荷を読み出す複数の信号読出部と、読み出された信号電荷を入力されて画像信号として処理する信号処理部とを含む撮像装置において、信号読出部は露光期間中にスミアを蓄積し、蓄積したスミアを信号処理部に出力し、信号処理部は、スミアを画像信号の一部として含む画像信号を生成することを特徴とする。
【０００８】
本発明の撮像装置は、受光素子に対応して設けられた信号読出部に一定の割合で混入するスミア成分を用いることで広いダイナミックレンジを有するとともに解像度の低下を防止することができる。スミア成分は信号読出部に一定の割合で混入するため入射光量に比例し、受光素子に対応したスミア成分を用いることにより、解像度を下げることなくダイナミックレンジを広くできる。
【０００９】
また本発明においては、信号読出部は、受光素子が信号電荷を蓄積しているときにスミアを蓄積し、蓄積したスミアを信号処理部に出力した後に、受光素子が蓄積した信号電荷を読み出して信号処理部に出力することが好ましい。この場合、受光素子が露光している期間と同一の期間でスミアを蓄積するため、同一時間帯で露光量の異なる画像を得ることができる。露光タイミングが同じであるため、動きのある被写体に対しても問題は無くなる。
【００１０】
なお、本発明の装置は、信号読出部がスミアを蓄積する前に、信号読出部にすでに蓄積されている誤差成分であるスミアを排出するスミア排出手段を含み、信号読出部は、誤差成分であるスミアが排出された後に、スミアの蓄積を開始することとしてもよい。この結果、スミアの測定が精度良く行える。
【００１１】
また、誤差成分であるスミアの影響を減らすために、信号読出部がスミアを蓄積する前に、信号読出部にすでに蓄積されている誤差成分であるスミアの量を信号処理部は求め、蓄積されたスミアの量を、誤差成分であるスミアの量で補正することとしてもよい。
【００１２】
さらに本発明の装置においては、スミアを用いて露光量の異なる画像を得ているが、露光量を調整するために、信号読出部に蓄積されるスミアの量を制御するスミア制御手段を含むことができる。
【００１３】
また、本発明は上述の課題を解決するために、本発明の撮像装置の制御方法は、複数の受光素子により被写界からの入射光を信号電荷に変換し、受光素子に対応して設けられた複数の信号読出部が、対応する受光素子から信号電荷を読み出し、読み出された信号電荷を信号処理部に入力して画像信号として処理する撮像装置の制御方法において、露光期間中にスミアを信号読出部に蓄積し、蓄積したスミアを信号処理部に出力する第１の工程と、スミアを画像信号の一部として含む画像信号を信号処理部において生成する第２の工程とを含むことを特徴とする。
【００１４】
また本発明の方法においては、第１の工程では、受光素子が信号電荷を蓄積しているときにスミアを蓄積し、蓄積したスミアを信号処理部に出力した後に、受光素子が蓄積した信号電荷を読み出して信号処理部に出力することとしてもよい。
【００１５】
さらに上記の方法において、第１の工程では、信号読出部がスミアを蓄積する前に、信号読出部にすでに蓄積されている誤差成分であるスミアを排出し、誤差成分であるスミアが排出された後に、信号読出部は、スミアの蓄積を開始することができる。
【００１６】
さらに上記の方法において、第１の工程では、信号読出部がスミアを蓄積する前に、信号読出部にすでに蓄積されている誤差成分であるスミアの量を求め、蓄積されたスミアの量を、誤差成分であるスミアの量で補正することもできる。
【００１７】
なお上記のいずれかに記載の方法において、信号読出部に蓄積されるスミアの量を制御する第３の工程を含むこととしてもよい。
【００１８】
【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撮像装置の一実施例を詳細に説明する。
【００１９】
本実施例は、本発明の撮像装置をデジタルカメラ10、特に電子スチルカメラ10に適用した場合である。本発明と直接関係のない部分について図示および説明を省略する。ここで、信号の参照符号はその現れる接続線の参照番号で表す。
【００２０】
デジタルカメラ10には、図１に示すように、光学レンズ系12、メカニカルシャッタ14、撮像部(CCD部)16、シャッタパルス用ドライバ18、垂直転送路および水平転送路駆動パルス用ドライバ20、CDS/GCA 42、A/D変換部22、信号処理部24、記録部26、表示部28、システム制御部30、タイミング信号発生部32、および操作部34が備えられている。
【００２１】
光学レンズ系12は、たとえば、複数枚の光学レンズを組み合わせて構成されており、図示しない絞り機構でつくるアイリスと、メカニカルシャッタ14とを介して入射光束に撮像部16で焦点を結ばさせる。光学レンズ系12は、本撮像の前に行う予備の撮像により被写体とカメラ10との距離を求め、得られた距離に応じてピント調節する、AF（Automatic Focus：自動焦点）調節機構および入射光量を調節するAE（Automatic Exposure）調節機構を含んでいる。これらの調節機構は、タイミング信号発生部32から供給されるアイリスおよびレンズ駆動用の駆動信号32aに応動する。メカニカルシャッタ14は、タイミング信号発生部32から供給されるシャッタ駆動用の駆動信号32bに応動する。
【００２２】
撮像部16には、色フィルタおよび固体撮像素子が含まれている。色フィルタは三原色RGBの色フィルタ、および補色系の色フィルタのいずれであってもよい。
【００２３】
固体撮像素子は、CCD（Charge Coupled Device）型を用いる。固体撮像素子は光学レンズ系12およびシャッタ14を通った入射光を光電変換して信号電荷を生成している。固体撮像素子は、図２に示すように、受光素子36、トランスファゲート38、垂直転送CCD40を含んでいる。図２の固体撮像素子は、IT（Interline Transfer)-CCDである。図２は全画素読出し方式CCDの画素部構成図であり、撮像素子を構成する画素のうち、２画素分を示す。本実施例は、３相駆動方式である。図３に、図２の各画素の垂直転送路40領域でのポテンシャルプロファイルを示す。図３は、トランスファゲート38がある位置(V1)に深いポテンシャルができている状態を示す。
【００２４】
本実施例は、全画素読出し方式であるが、本発明はフィールド読出し方式にも適用できるものであり、また、IT-CCD以外にも適用できる。さらに、３相駆動方式以外の駆動方式にも適用可能である。
【００２５】
受光素子36は、アレイ状に配置された感光部で、入射光を信号電荷に変換する機能を有している。受光素子36には、たとえばホトダイオードが用いられる。受光素子36は入射光の強さに応じて信号電荷に変換し、この信号電荷を時間とともに蓄積させていく。
【００２６】
トランスファゲート38は、受光素子36の信号電荷が垂直転送路40に漏れないように閉状態にして遮蔽し、信号電荷を垂直転送路40に読み出す際にゲートを開状態にして信号電荷を垂直転送路40に移動させる機能を有するゲートである。すなわち、トランスファゲート38は、ドライバ20からトランスファゲートパルス（TG: Transfer Gate pulse）がゲートをオン状態にするように印加された際にゲートを開放し、これ以外のときにはゲートを閉じている。
【００２７】
垂直転送路40には、一つの受光素子36に隣接して３個ずつCCDが形成されている。各CCDには電極（図示せず）が形成されている。図２の垂直転送路40にはどんな駆動信号が供給されるかの対応関係が付け易いようにするために電極の参照符号を付して表している。電極V1, V2, V3, には、垂直駆動信号V1a, V2a, V3a,がそれぞれ供給されている。垂直転送路40には、ドライバ20から３種類に位相のずれた３相駆動信号が供給されている。
【００２８】
本実施例は、垂直転送路40に一定の割合で混入するスミア成分を用いることで、撮像素子のダイナミックレンジを広くしようとするものである。従来、スミア成分はノイズとしてのみ考えられていた。本実施例では、垂直転送路40に混入するスミア成分は、図４に示すように入射光量に比例することを利用し、露光中に受光素子36に信号電荷を蓄積すると同時に、撮像素子36に隣接する電極(V1)にスミア成分を蓄積するものである。
【００２９】
図４は、入射光量とスミアレベルの関係を示すグラフである。横軸は、入射光量の強さを示す。入射光量の強さを示すために、同一の光量になるときのシャッタ速度を目盛りとしている。縦軸は、スミアレベルを、信号電荷に対する比(%)で示す。本図からわかるように、スミア成分は入射光量に比例する。
【００３０】
本実施例では、予備露光後の本露光を開始する直前に垂直転送路40での電荷の転送を停止させ、通常よりも高い電子シャッタ電圧を撮像部16の基板に印加して、受光素子36および垂直転送路40にその時点で蓄積されている不要電荷を両方とも基板へと排出させる。この後に受光素子36に信号電荷を蓄積すると同時に、垂直転送路40の電極(V1)下にスミア成分を蓄積する。
【００３１】
本露光時、垂直転送路40は、トランスファゲート38の横にある電極(V1)下にのみ電荷蓄積用のポテンシャルを形成する。電極(V1)下には本露光期間に一定のスミアが混入する。本露光完了後、メカニカルシャッタ14を閉じた状態で、垂直転送路40の転送を再開し、最初にスミア成分の読出しを行う。スミア成分はCDS/GCA 42、AD変換部22を経て信号処理部24に送られる。
【００３２】
スミア成分の読出し後、トランスファゲート38を開いて、受光素子36に蓄積された信号電荷を垂直転送路40に読み出し、信号電荷を垂直転送路40により転送する。信号電荷もスミア成分と同様に信号処理部24に送られる。このようにして露光量の異なる２枚の画像が得られる。
【００３３】
２枚の画像の利用方法としては、種々の方法がある。たとえば、図５に示すように信号処理部24で２枚の画像を単純に加算する方法がある。図５は、横軸に入射光量、縦軸に受光素子36により蓄積された電荷量と、電極V1の位置に蓄積されたスミア成分による電荷量を取り、信号電荷のグラフ44とスミア成分のグラフ46を示したものである。グラフ48は、信号電荷44とスミア成分46とを単純に加算したものを表す。グラフ50〜56については後述する。露光量の異なる画像の他の利用方法としては、画像内の輝度が所定値より高い画素についてのみ、信号電荷44とスミア成分46の加算を行う方法等がある。
【００３４】
なお、本実施例では、混入するスミア成分の量の制御も行う。これは、通常のカメラにおける露出制御に相当するものである。スミア成分の制御方法としては、たとえば電子シャッタパルスの電圧を可変制御する方法と、トランスファゲートの電圧を可変制御する方法がある。電子シャッタパルスの電圧を制御する場合、電圧が低いほど混入量が増える。トランスファゲートの電圧を可変制御する場合、ゲート電圧が高いほど受光素子36と垂直転送路40間のバリアが低くなる。
【００３５】
これについて、図６により説明する。図６は受光素子36、トランスファゲート38、垂直転送路40およびその周囲の断面図である。スミアの発生原因としては、３通りある。第１の入射光58によるものは基板深部で電荷が発生し、拡散により垂直転送路40に入り、スミアを発生させる。電子シャッタパルスの電圧を可変制御する場合は、この発生量を制御する。直流電圧64を高くすると、基板66にスミアが吸収されやすくなり、電圧64を低くすると、一部の電荷が垂直転送路40へ流れ込む。この関係を図７に例示する。図７は、横軸に電子シャッタパルス電圧(OFD電圧)64を示し、縦軸にスミア量を示す。曲線76が電子シャッタパルス電圧64に対応するスミア量を示す。本露光中、電子シャッタパルスを印可するための端子に一定の電圧64を印加することにより、スミア量を制御する。
【００３６】
第２の入射光60によるものは、素子表面に到達した光がゲート38を通過して垂直転送路40に入るものである。トランスファゲート38への印加電圧を高くするほど、スミアが混入しやすくなる。図８に印加電圧を変えた場合のスミアの混入の様子の変化を示す。図8(a)は印加電圧が低い場合、図8(b)は印加電圧が高い場合を示す。遮光膜68のゲート38付近のポテンシャルが変化するために、スミアの混入量が変化する。図６に戻って、第３の入射光62は、遮光膜68と垂直転送路40の電極70を通過して垂直転送路40に入る。
【００３７】
スミアの制御では、垂直転送路40に混入するスミアの絶対値を制御し、混入量が少ないと予想される場合に、混入量を増やすように制御する。混入量が少ない場合とは、たとえば、被写体が暗い場合である。混入量が少ない場合は、得られたスミア量がノイズによるものか、有効な情報であるかが不確かになる。そこでスミア量を増加させて、測定精度を高める。
【００３８】
被写体が暗いかどうか、すなわちスミア量を増加させるかどうかは、たとえば、シャッタ速度により判定する。絞りが同じとすると、シャッタ速度が遅い場合は被写体が暗く、シャッタ速度が速い場合は被写体が明るいと考えられる。スミアの混入量は、露光時間と被写体輝度の積に比例するため、暗い場合（シャッタ速度が遅い場合）は少なく、明るい場合（シャッタ速度が速い場合）は多くなる。
【００３９】
シャッタ速度は予備露光時に決定されるため、シャッタ速度が決定された後に、被写体の輝度を予測し、予測結果からスミア制御を行うかどうかを決定する。被写体が非常に明るくて、スミア情報の精度が高いと判断したときは、スミア制御はデフォルト状態とし、被写体が暗くて、スミア情報の精度が低いと判断したときは、電子シャッタパルスの電圧、トランスファゲートパルスの電圧を変えて、混入量を増やす制御を行う。
【００４０】
図５のグラフ50, 52は、このようにしてスミアの混入量を増やした場合のスミア成分のグラフであり、グラフ54, 56は、信号電荷のグラフ44とスミア成分のグラフ50, 52とを単純に加算したものである。
【００４１】
ところで本実施例では、予備露光後の本露光を開始する直前に垂直転送路40での電荷の転送を停止させ、通常よりも高い電子シャッタパルス(OFD)電圧を撮像部16の基板に印加して、受光素子36および垂直転送路40にその時点で蓄積されている不要電荷を両方とも基板へと排出させる。以下ではこれを「VCCDリセット」と呼ぶ。この排出方法について、図９により説明する。
【００４２】
図9(a), (b)は、従来の電子シャッタパルスの動作を示すものであり、図9(a)に示す電子シャッタパルスを基板に印加することにより、受光素子36に蓄積されていた電荷が、矢印80で示すように基板へと排出される。このときのパルス電圧の大きさは矢印78で示される。
【００４３】
図9(c), (d), (e)は、VCCDリセット時の電子シャッタパルスおよびトランスファゲートパルスの動作を示す。図9(c)に示すように、このときの電子シャッタパルス電圧84は、図9(a)のパルス電圧78よりも矢印82で示す電圧分だけ大きい。図９(d)は、この電子シャッタパルスを印加したときのポテンシャルの状態を示す。電荷は受光素子36から矢印86のように排出される。VCCDリセット時は、電子シャッタパルスを印加すると同時に、トランスファゲートパルスも印加する。図9(e)は、電子シャッタパルスおよびトランスファゲートパルスとを印加した場合を示す。図9(e)に示すように、垂直転送路40のポテンシャルを、矢印92のように上げて表面近くに移動させるとともに、トランスファゲート38のポテンシャルを、矢印90のように下げて、VCCD40から電荷を矢印88のように排出する。
【００４４】
図１に戻ると、撮像部16内の垂直転送路40から、撮像部16内の水平転送路（図示せず）に信号電荷が送られる。水平転送路には、ドライバ20からたとえば、２相の水平転送駆動信号20aが供給される。これにより水平転送路は、信号電荷を撮像部16内の出力アンプ（図示せず）に向かって転送させている。図１において、信号20aは、垂直駆動信号線V1, V2, V3と水平転送駆動信号とを含むが、図では１つの線で示す。
【００４５】
撮像部16は出力アンプから、信号電荷を撮像信号16aとして出力する。撮像信号16aは、出力アンプにおいて信号電荷（Q)を電圧信号（V)に変換して得られたアナログ信号である。撮像部16は、得られた撮像信号16aをCDS/GCA 42に出力する。
【００４６】
CDS（Correlated Double Sampling：相関二重サンプリング回路）は、供給される撮像信号16aが含む低周波のノイズ成分を除去する。ノイズ除去された信号は、GCA（Gain Control Amplifier:ゲインコントロールアンプ）で増幅することにより波形整形されて、A/D変換部22におくられる。A/D変換部22は、供給されるアナログ信号をデジタル信号22aに変換して信号処理部24に出力する。CDS/GCA 42、および A/D変換部は、タイミング信号発生部32から供給される各種のタイミング信号32g, 32hに応じて動作する。
【００４７】
ドライバ18は、タイミング信号発生部32からのOFDパルス32dと印加電圧制御信号32cとを基に駆動信号18aを生成する。ドライバ18は、VCCDリセット時は、印加電圧制御信号32cに従って、既述のようにOFDパルスの電圧値を高くして出力する。
【００４８】
VCCDリセットに続く本露光においては、既述のスミア量の制御を行う場合（デフォルト設定以外の場合）は、VCCD40へのスミア混入量を大きくするため、所定のOFDパルス18aを本露光中、印加電圧制御信号32dに従って印加する。
【００４９】
印加電圧制御信号32dは、通常の電子シャッタパルスを出力する場合と、VCCDリセット時と、スミア量の制御を行う場合とを、たとえば印加電圧制御信号32dの電圧の大きさを、たとえば 0V, 3V, 6Vと変化させることにより、ドライバ18に指示する。スミア量の制御を行う場合、OFD電圧を何段階かに変えて、スミア量を変える場合は、印加電圧制御信号の電圧の大きさを、たとえば 6V, 9V, 12Vと変化させればよい。
【００５０】
ドライバ20は、タイミング信号発生部32からの水平パルス（図示せず）および垂直パルス32eとトランスファゲート電圧制御信号32fとを基に、垂直駆動信号V1a, V2a, V3a, 水平駆動信号を撮像部16の固体撮像素子14cに信号線20aを介して供給する。垂直駆動信号V1aは、トランスファゲートパルスも兼ねる。ドライバ20は、垂直駆動信号V1a, V2a, V3a, で垂直CCD 40を３相駆動し、水平駆動信号で水平CCDを２相駆動する。
【００５１】
ドライバ20は、VCCDリセット時は、トランスファゲート電圧制御信号32fに従って、既述のようにトランスファゲートパルスの電圧値を高くして出力する。VCCDリセットに続く本露光においては、既述のスミア量の制御を行う場合（デフォルト設定以外の場合）は、VCCD40へのスミア混入量を大きくするため、トランスファゲート電圧32fを本露光中、トランスファゲート電圧制御信号32fに従って印加する。
【００５２】
トランスファゲート電圧制御信号32fは、通常のトランスファゲートパルス（読出しパルス）を出力する場合と、VCCDリセット時と、スミア量の制御を行う場合とを、たとえばトランスファゲート電圧制御信号32fの電圧の大きさを、たとえば 0V, 3V, 6Vと変化させることにより、ドライバ20に指示する。スミア量の制御を行う場合、トランスファゲート電圧を何段階かに変えてスミア量を何段階かに変えるときは、トランスファゲート電圧制御信号32fの電圧の大きさを、たとえば 6V, 9V, 12Vと変化させればよい。
【００５３】
上記の印加電圧制御信号32dおよびトランスファゲート電圧制御信号32fは、スミア量の制御を行う場合、本露光開始後のスミア量制御時にドライバ18, 20から所定のOFD電圧およびトランスファゲート電圧を速やかに出力できるように、本露光開始直前にドライバ18, 20に、上記のスミア量の制御を行うことを示す 6V, 9V, 12Vの電圧の印加電圧制御信号32dおよびトランスファゲート電圧制御信号32fを出力する。そして本露光開始直後に、再度 6V, 9V, 12Vを出力して、スミア量制御を開始させることとしてもよい。本実施例では、この方式に従って印加電圧制御信号32dおよびトランスファゲート電圧制御信号32fを出力する。
【００５４】
信号処理部24は、画像信号処理部で、たとえばRISC（Reduced Instruction Set Computer：縮小命令セットコンピュータ）チップから構成されている。このチップ内には、図示しない信号発生回路、メモリ、ガンマ補正回路、評価値算出部、画素補間処理回路、色差マトリクス処理回路、および圧縮／伸長処理回路が含まれている。信号処理部24は、これらの処理を行うために、タイミング信号発生部32からタイミング信号32iを受けている。
【００５５】
メモリは、デジタルデータに変換した画像データ22aを入力し、一時的に記憶し、ガンマ補正回路に画像データとして出力する。ガンマ補正回路には、たとえばガンマ補正用のルックアップテーブルが含まれている。ガンマ補正回路は、画像処理における前処理の一つとして、供給される画像データをテーブルのデータを用いてガンマ補正する。ガンマ補正回路は、ガンマ補正した画像データをそれぞれ評価値算出部および画素補間処理回路に供給する。
【００５６】
評価値算出部には、絞り値・シャッタ速度、ホワイトバランス（White Balance：以下、WBという）調整値および階調補正値を算出する演算回路が含まれている。評価値算出部は、上述した回路にて、供給される画像データを基に適切な各パラメータを演算処理により算出する。これらの算出結果は、パラメータとしてシステム制御部30に、信号線30bを介して供給される。
【００５７】
画素補間処理回路は、画素データを補間生成して算出する機能を有している。撮像部16は単板の色フィルタ14bを用いているため、実際の色フィルタセグメントの色以外の色が撮像素子から得られない。そこで、画素補間処理回路は、この得られない色の画素データを補間により生成する。画素補間処理回路は、プレーンな画像データを色差マトリクス処理回路に供給する。
【００５８】
色差マトリクス処理回路は、画素補間処理回路から供給される画像データと所定の係数を用いて輝度データYと色データCb, Crを生成する。生成した画像データは、圧縮／伸長処理回路に供給される。
【００５９】
圧縮／伸長処理回路は、静止画や動画（ムービ）モードにおいて供給される画像データ（Y/C）にJPEG（Joint Photographic coding Experts Group）等の規格で圧縮処理を施す。圧縮／伸長処理回路は、圧縮処理した画像データ24aをストレージ部26に送って記録する。圧縮／伸長処理部は、ストレージ部26に記録した画像データ24aを読み出して伸長処理を施す。この伸長処理は、圧縮処理の逆処理である。
【００６０】
また、信号処理部24は、生成した画像データや再生にともなって伸長した画像データ（Y/C）24aに対してRGB変換を行い、このRGB変換した画像データをアナログ信号に変換する。信号処理部24は、アナログ信号に変換した画像信号24bをモニタ28に出力する。信号処理部24は、画像データを外部の機器と入出力する場合、図示しないが外部I/F回路を配するとよい。
【００６１】
システム制御部30は、カメラ全体の汎用な部分やデジタル処理を行う部分を制御するマイクロコンピュータまたはCPU（Central Processing Unit）である。システム制御部30は、キー操作部34から供給される、レリーズシャッタボタンが半押し（S1）や全押し（S2）されたことを示す信号等を受ける。
【００６２】
システム制御部30は、信号処理部24、記録部26、およびタイミング信号発生部32を制御する。撮像においてシステム制御部30は、撮像モードで図示しないレリーズシャッタボタンが半押し（S1）や全押し（S2）されたことを受けて、信号処理部24に制御信号を、信号線30bを介して供給する。
【００６３】
システム制御部30には、タイミング信号発生部32からクロック信号が、信号線30aを介して供給される。そして、システム制御部30には、信号処理部24で求めたパラメータの情報も供給される。システム制御部30は、クロック信号に基づいて、パラメータに対応するように制御信号を生成し、それぞれ、タイミング信号発生部32および信号処理部24に供給する。
【００６４】
タイミング信号発生部32は、クロック信号を基準にシステム制御部30から供給される制御信号に応じてタイミング信号を生成する。タイミング信号は、垂直同期信号、水平同期信号、フィールドシフトパルス、垂直転送信号、および水平転送信号等がある。さらに駆動信号32a, 32bを生成し、前述した光学レンズ系12やメカニカルシャッタ14に供給する。
【００６５】
タイミング信号発生部32およびドライバ18, 20が供給する信号を、図10(b)のタイミングチャートにより説明する。図10(a)は、比較のために、従来技術におけるタイミングチャートを示す。本図において、VDはタイミング信号発生部32が信号処理部に出力する垂直同期信号である。Ｖは、垂直転送信号18aであり、本図では垂直転送信号を模式的に示し、トランスファゲートパルス96と垂直転送パルス98を含む。図10(a)(v), (b)(v)は、それぞれカメラの動作モードを示す。
【００６６】
従来の動作モードでは、予備動作108、本露光110、垂直転送路掃出し116、信号読出し118の順に処理されていた。本実施例では、予備動作108、本露光110、スミア読出し112、信号読出し114の順に処理される。
【００６７】
垂直転送信号には、従来は図10(a)(ii)に示すように掃出しパルス94があったが、本実施例では用いない。その代わりにVCCDリセットを行い、VCCDリセットのために、垂直転送信号の一部であるトランスファゲートパルス102とOFDパルス100が用いられる。その後本露光を行う。本露光中（図10(b)(ii)の期間106）は、スミアを蓄積するために垂直転送信号を停止する。
【００６８】
メカニカルシャッタ14は、図10(a)(iv), (b)(iv)に示すように、本露光終了時まで、「開」、その後「閉」とする。
【００６９】
スミア制御のためにスミア量を増やすときは、期間106において、トランスファゲート電圧を調整するために垂直転送用の電極V1のみに電圧104を印加する。なお、スミア制御のためにOFD電圧を制御するときは、この期間106にOFD電圧を印加する。
【００７０】
図１に戻って、ストレージ部26は、半導体メモリ等を記録媒体として用いて、供給される画像データ24cを記録する。データの書込み／読出しは、システム制御部30の制御信号30cに応じて行われる。モニタ28は、信号処理部24から供給される画像信号24dを表示させる。モニタ28には、一般的に液晶モニタが用いられる。
【００７１】
次に、図11を参照してデジタルカメラ10の動作について説明する。操作部34に含まれるレリーズシャッタ（図示しない）が半押しされたという情報が、操作部34からシステム制御部30に送られると、メカシャッタ14を「開」とし、予備測光が開始される(ステップS10)。予備測光で得られた画像信号は、CCD 16からCDS/GCA 42とAD変換部22を経て信号処理部24に送られて、信号処理部24においてシャッタ速度および絞りが決定される。決定された情報はシステム制御部30に信号線30bを介して送られる。
【００７２】
システム制御部30は、シャッタ速度からスミア値制御を行うかどうかを判断する(ステップS12)。そして、被写体の輝度が所定値より低いと判断した場合に（YESの場合）、カメラユーザがレリーズシャッタを全押ししたことを操作部34により検知したときに、スミア値制御を行う(ステップS14)。本実施例では、スミア値制御として、読出しゲート電圧を制御することのみを行う。
【００７３】
ただし、本発明では、スミア値制御として、電子シャッタ電圧を制御することができる。さらに、スミア値制御として、読出しゲート電圧を制御することと、電子シャッタ電圧を制御することの両方を行うこともできる。
【００７４】
ステップS14では、スミア値制御の準備段階として、本露光開始直後のスミア量制御開始時にドライバ20から所定の大きさの信号18aを速やかに出力できるように、本露光開始直前にシステム制御部30はタイミング信号発生部32に対して、トランスファゲート（読出しゲート）電圧制御信号32fとして、ドライバ20に、所定の電圧の信号32fを出力することを指示する。この電圧制御信号32fを受けたドライバ20は、ドライバ20内部の、スミア値制御時のトランスファゲート信号を生成する回路（図示しない）の電源電圧をオンにする。スミア値制御として、電子シャッタ電圧を制御する場合もステップS14では、印加電圧制御信号32dを用いて電子シャッタ電圧について同様の処理を行う。
【００７５】
ステップS12において、被写体の輝度が所定値より高いと判断したときは（NOの場合）、レリーズボタンが全押しされた場合に、スミア値制御を行なわないで、ステップS16へ進む。
【００７６】
ステップS16では、システム制御30から本露光動作開始の指示をタイミング信号発生部32は受ける。指示を受けたタイミング信号発生部32は、垂直転送信号32eを停止することによりVCCDの駆動を停止させる。次にVCCDをリセットするために、高電圧の電子シャッタパルス18aと高電圧のトランスファゲート電圧20aをCCD16に印加する(ステップS18)。
【００７７】
VCCDのリセットにより受光素子36および垂直転送路40に蓄積されていた電荷を排出した後、電子シャッタパルス18aの電圧を0Vにし、垂直転送路の電極V1, V2, V3のうち電極V1にのみポテンシャルが形成されるように電極V1に電圧を印加する。
【００７８】
次に、ステップS20でシステム制御部30は、スミア値制御のためのトランスファゲート電圧制御を行うかどうかを判断する。そして、被写体の輝度が所定値より低いと判断した場合に（YESの場合）、スミア値制御を行う(ステップS22)。本実施例では、スミア値制御として、読出しゲート電圧を制御することのみを行う。
【００７９】
ただし、本発明では、スミア値制御として、電子シャッタ電圧を制御することができる。さらに、スミア値制御として、読出しゲート電圧を制御することと、電子シャッタ電圧を制御することの両方を行うこともできる。
【００８０】
ステップS22では、スミア値制御として、システム制御部30はタイミング信号発生部32に対して、トランスファゲート電圧制御信号32fとして、ドライバ20に、通常の読出し時のトランスファゲート電圧よりも低い電圧のトランスファゲート電圧を出力することを指示する。この電圧制御信号32fを受けたドライバ20は、ドライバ20内部の、スミア値制御時のトランスファゲート信号を生成する回路（図示しない）から、図10(b)(ii)の信号104（直流電圧）を出力する。スミア値制御として、電子シャッタ電圧を制御する場合もステップS22では、印加電圧制御信号32dを用いて電子シャッタ電圧について同様の処理を行う。
【００８１】
ステップS20において、被写体の輝度が所定値より高いと判断したときは（NOの場合）、スミア値制御を行なわないで、ステップS24へ進む。
【００８２】
ステップS24では、露光動作として受光素子36への信号電荷の蓄積と、垂直転送路の電極V1でのスミアの蓄積を行う。ステップS26では所定の露光時間が終了したかどうかをシステム制御部30が判断する。所定の時間が経過していないと判断した場合（NOの場合）、露光を継続する。所定の時間が経過したと判断した場合（YESの場合）、露光が完了したと判断してステップS28に進む。
【００８３】
ステップS28ではタイミング信号発生部32は、信号32bによりメカニカルシャッタ14を「閉」とし、ドライバ20は、信号線20aに出力していた図10(b)(ii)の信号104の出力を停止する。その後ステップＳ30において垂直転送路40での転送を開始し、蓄積されていたスミアを読み出して、信号処理部24に送る。
【００８４】
スミアの読出しが終了した後、ステップS32では、トランスファゲートパルスを印加することにより、受光素子36から垂直転送路の電極V1に信号電荷を読み出し、さらに、この信号電荷を垂直転送路40内を転送し、信号処理部24に送る。信号処理部24は、このようにして露光量の異なる２枚の画像を得て、記録部26にそれぞれ蓄積する。
【００８５】
本実施例によれば、広いダイナミックレンジを有するとともに解像度の低下を防止できる撮像装置およびその制御方法を提供できる。また、広いダイナミックレンジを有するとともに動きのある被写体に対しても適切な画像が得られる撮像装置およびその制御方法を提供できる。
【００８６】
次に、本発明の別の実施例を説明する。本実施例は、上述のVCCDリセットを行う代わりに、本露光開始時に電極V1に蓄積されている電荷（オフセット電荷）量を求めるものである。VCCDリセットの場合、本露光開始時に電極V1に蓄積されている電荷（オフセット電荷）を本露光開始時に基板へと排出することとした。本実施例では、オフセット電荷を排出することなく、本露光を行い、オフセット電荷量を求めて、オフセット電荷を含んだスミアを読み出した後、このスミアからオフセット電荷を引くことにより、正味のスミアを求めるものである。
【００８７】
オフセット電荷を求める方法の原理を図12により説明する。図12は、図10(a)の従来の方法において、図10(a)(ii)の掃出し94を行わないで、受光素子から信号電荷126を読み出したときに、垂直転送路から水平転送路へ順次掃き出される信号電荷（信号126とスミア120の和）を示す。この場合、図10(a)(ii)に示すように本露光の前および本露光中に垂直転送路が数回、一定周期で駆動されているため、図12に示すように、垂直方向すべてに同じ量のスミア120が混入する。この混入量120は、撮像素子の下端にあるOB (Optical Black) 122の信号を読み出すことにより知ることができる。
【００８８】
そこで、本実施例では、本露光開始時点（図13(ii)の時刻128）の前に少なくとも２回程度（図13(ii)の期間130）、垂直転送路40を一定周期で駆動を行い、垂直転送路40に同一のオフセット電荷が蓄積されるようにする。その後、図13(ii), (iii)に示すようにVCCDリセットを行うことなく、本露光110を行う。次に、メカシャッタを「閉」にした後にスミア読出し112を行う。スミア読出し112の最初に、図12のOB 122の信号電荷が読み出される。スミア読出しのスミア中には、OB 122の信号電荷がオフセットとして含まれているため、信号処理部において、オフセット分を減算して、正味のスミアを求める。本実施例の場合、スミア制御は既述の実施例と同様に行うことができる。
【００８９】
本実施例によっても、広いダイナミックレンジを有するとともに解像度の低下を防止できる撮像装置およびその制御方法を提供できる。また、広いダイナミックレンジを有するとともに動きのある被写体に対しても適切な画像が得られる撮像装置およびその制御方法を提供できる。
【００９０】
【発明の効果】
このように本発明の撮像装置およびその制御方法によれば、広いダイナミックレンジを有するとともに解像度の低下を防止できる。また、広いダイナミックレンジを有するとともに動きのある被写体に対しても適切な画像が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の撮像装置を適用したデジタルカメラの構成を示す図である。
【図２】全画素読出し方式CCDの画素部構成図である。
【図３】図２の画素部の電極V1にポテンシャルを形成したときの説明図である。
【図４】入射光量とスミアレベルの関係を示す図である。
【図５】入射光量に対するスミアと信号電荷の関係を示す図である。
【図６】スミアの発生原因を説明する図である。
【図７】  OFD電圧とスミアの関係を示す図である。
【図８】トランスファゲート電圧を制御することによりスミアを制御する原理の説明図である。
【図９】  VCCDリセットの原理の説明図である。
【図１０】図１のドライバ18, 20から固体撮像素子に供給されるタイミング信号および駆動信号のタイミング関係を説明するタイミングチャートである。
【図１１】図１のデジタルカメラの動作手順を示すフローチャートである。
【図１２】  VCCDのオフセット電荷を求める方法の説明図である。
【図１３】  VCCDのオフセット電荷を求める方法を用いたデジタルカメラのタイミングチャートである。
【符号の説明】
10  デジタルカメラ
12  光学レンズ系
14  メカニカルシャッタ
16  CCD部
18, 20  ドライバ
30  システム制御部
32  タイミング信号発生部
36  受光素子
38  トランスファゲート
40  垂直転送路
V1, V2, V3  電極
【図１】
0003984045.tif 000002
【図２】
0003984045.tif 000003
【図３】
0003984045.tif 000004
【図４】
0003984045.tif 000005
【図５】
0003984045.tif 000006
【図６】
0003984045.tif 000007
【図７】
0003984045.tif 000008
【図８】
0003984045.tif 000009
【図９】
0003984045.tif 000010
【図１０】
0003984045.tif 000011
【図１１】
0003984045.tif 000012
【図１２】
0003984045.tif 000013
【図１３】
0003984045.tif 000014